基于WebGIS技术的自来水管网信息管系统设计与实现.docx

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基于WebGIS技术的自来水管网信息管系统设计与实现

摘要

当前我国的水资源的利用，一方面感到水资源紧张，另一方面浪费又很严重。

水资源管理是一个庞大的系统工程，它涉及管网维修、管网改造、图纸档案、管网数据统计等诸多方面，致使管网的维修和管理任务十分繁重。

管网建模方面，主要涉及，管线信息、阀门信息的管理，管线、阀门的维护和管线、阀门的报修等问题。

本系统是为了解决复杂的传统的自来水管网的管理工作，使其变成可视化的管理模式。

课题利用WebGIS的分布式与可视化的地理空间信息分析的优势，从城市供水系统管理的实际需求，从系统体系框架、功能组成和系统实现描述了基于WebGIS技术的自来水管网信息管理系统设计，可为供水部门的高效管理提供决策依据。

本系统是基于WebGIS技术的，实现对供水管网数据的管理，提供能够对管网实时更新（包括添加和删除）的功能；具有事故分析和处理功能，对发生爆管等漏水事故能迅速制定方案，从而显著提高事故处理和抢修的效率，大大的降低了损失；同时为了施工等的需要，能够使用户能更清晰、更形象地了解管段之间的空间分布位置。

关键词：

管网建模、管线、阀门、地理信息系统

BasedonWebGIStechnologywaterpipenetworkinformationmanagementsystemdesignandimplementation

Abstract

Theuseofwaterresourcesinourcountry,ontheonehandfeeltensionofwaterresources,ontheotherhandwasteisveryserious.Waterresourcesmanagementisahugesystemengineering,itinvolvesnetworkmaintenance,networktransformation,thedrawingfiles,networkdatastatisticsandsoonmanyaspects,thenetworkmaintenanceandmanagementofthetaskisveryheavy.　

Networkmodelingaspect,mainlyinvolved,pipeline,valveinformationmanagement,pipeline,valveandpipelinemaintenance,thevalverepairservice,etc.

Thissystemistosolvethetraditionaltapwaterpipenetworkmanagementofcomplex,makeitbecomethevisualmanagementmode.SubjectusingthedistributedWebGISthegeographicalspatialinformationvisualizationandanalysisoftheadvantages,fromtheactualdemandofurbanwatersupplysystemmanagement,fromthesystemframework,functiondescribesthecompositionandsystemimplementationbasedonWebGIStechnologyoftapwaterpipenetworkinformationmonitoringandmanagementsystemdesignandimplementation,canprovidedecision-makingbasisfortheefficientmanagementofwatersupplydepartment.

ThissystemisbasedonWebGIStechnology,torealizethemanagementofwatersupplynetworkdata,networkcanprovidereal-timeupdates（includingadd,anddelete）functionality;Hastheaccidentanalysisandprocessingfunctions,tubeetc.Leakingaccidentonmakeplanquickly,significantlyimprovetheefficiencyofaccidenttreatmentandrepair,greatlyreducedtheloss;Atthesametimeinordertomeetthedemandsofconstructionandsoon,enablesuserstoimageclearerandmoreunderstandingofthesectionbetweenthespatialdistributionoflocation.

Keywords:

networkmodeling，pipeline，valve，WebGIS

1引言

1.1课题研究背景

地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）是在上个世纪60年代发展起来的一门新型的管理地学信息的科学技术，是对与地理环境有关的问题进行分析和研究的学科。

它不仅是关于地理数据获取、存储、转换、分析和表达的原则、方法和工具，而且提供了认识空间现象的思维方式和解决空间问题的方法，可以用于定义、分析、表达复杂的空间现象。

经过近半个世纪的发展，地理信息技术已渗透到人们生产生活的各个领域。

在我国，地理信息系统虽然起步较晚，但发展势头强劲，加之政府政策的正确导向作用，地理信息系统已经从初步发展时期的研究实验、局部应用转向实用化、集成化、工程化，为国民经济发展提供辅助分析和决策依据。

GIS在研究和应用过程中逐步走上产业化道路，正成为国民经济建设普遍使用的工具，并在各行各业发挥着重大作用。

1.2课题研究意义

水资源是维持国民经济增长和社会发展的重要能源。

随着近年来全球经济的持续快速发展和环境污染现象的加剧，水资源短缺已经成为经济可持续发展的重要因素。

一方面，供水管网因跑、冒、滴、漏等原因造成的水浪费问题一直未能得到有效解决，大量宝贵的水资源得不到有效利用。

另一方面，水资源管理是一个庞大的系统工程，它涉及管网维修、管网改造、图纸档案、管网数据统计等诸多方面，致使管网的维修和管理任务十分繁重。

本课题充分发挥WebGIS的分布式与可视化的地理空间信息分析的优势，从城市供水系统管理的实际需求，从系统体系框架、功能组成和系统实现描述了基于WebGIS技术的自来水管网信息管理系统设计，可为供水部门的高效管理提供决策依据。

1.3课题的研究内容

该系统建设的目标是实现对供水管网数据的管理，提供能够对管网实时更新（包括添加和删除）的功能；具有事故分析和处理功能，对发生爆管等漏水事故能迅速制定方案，并打印抢修工作所需的各类报表、图纸，从而显著提高事故处理和抢修的效率，大大的降低了损失；同时为了施工等的需要，能够使用户能更清晰、更形象地了解管段之间的空间分布位置（见图1.1）。

1.4论文组织结构

论文内容安排如下：

第一章，简要概述了课题研究的背景与研究意义、主要的研究内容以及本文的结构组织。

第二章，第2章介绍了WebGIS及其相关技术。

包括WebGIS的概念,基本特征,并详细介绍了WebGIS的实现技术。

论述了实现技术的原理及体系结构。

最后比较了这五种实现技术,为我们在供水管网管理开发技术的选择提供了基础。

第三章，在前两章的基础上,研究了课题的解决方案,并对解决方案加以分析。

第四章，详细的介绍了如何实现基于WebGIS技术的自来水管网信息管理系统,然后展示了开发成果以及测试结果,该章节是课题研究的核心,也是本文最重要的一部分。

第五章，主要是对本课题的一个总结,以及对后续工作的一个展望;

1.5本章小结

本章主要讲述了课题的研究背景,对于当前自来水管网信息管理状况做了分析,大致的介绍了课题的研究意义和研究内容,最后描述了一下本文的文章组织结构。

2WebGIS相关技术

2.1地理信息系统（GIS）

1）地理信息系统（GeographicInformationSystem简称GIS）是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。

2）地理信息系统在国内外研究应用，尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情况。

一是利用GIS系统来处理用户的数据；二是在GIS的基础上，利用它的开发函数库二次开发出用户的专用的地理信息系统软件。

目前已成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。

2.2WEBGIS的概念和特点

1）WebGIS的概念：

随着Internet技术的不断发展和人们对地理信息系统（GIS）的需求，利用Internet在Web上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，已经成为GIS发展的必然趋势。

于是，基于Internet技术的地理信息系统——WebGIS就应运而生。

2）WebGIS的特点：

WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物。

WebGIS具有以下特点：

（1）全球化的客户/服务器应用

全球范围内任意一个WWW节点的Internet用户都可以访问WebGIS服务器提供的各种GIS服务，甚至还可以进行全球范围内的GIS数据更新。

（2）良好的可扩展性

WebGIS很容易跟Web中的其他信息服务进行无缝集成，可以建立灵活多变的GIS应用。

（3）跨平台特性

在WebGIS以前，尽管一些厂商为不同的操作系统（如:

Windows,UNIX,Macintosh）分别提供了相应的GIS软件版本，但是没有一个GIS软件真正具有跨平台的特性。

而基于Java的WebGIS可以做到，“一次编成，到处运行”,把跨平台的特点发挥得淋漓尽致。

3）WebGIS的设计思想：

CGI和SeverAPI是较早应用于WebGIS开发的方法。

其中CGI是通用网关接口（CommonGatewayInterface）的英文缩写，它建立了Internet服务器与应用程序之间的接口。

基于CGI的WebGIS是按照如下方式实现WWW交互的：

用户发送一个请求到服务器上，服务器通过CGI把该请求转发给后端运行的GIS应用程序中，由应用程序生成结果交还给服务器，服务器再把结果传递到用户端显示。

SeverAPI是经过扩充的CGI工具，比如Microsoft的ISAPI和Netscape的NSAPI。

采用ServerAPI,服务器请求后端GIS应用程序时不用重新启动该程序，而是通过IPC（Inter-processCommunication,进程间通讯协议）与之进行信息交换。

目前的大部分WebGIS是采用的CGI/SeverAPI方法。

但是，CGI机制本身有很大的缺陷，对于每一个客户机的请求，都要重新启动一个新的服务进程，从而影响速度。

它不适应于编写最新的客户/服务器应用软件，也不适合编写面向对象的Java客户机。

经过各种扩充的CGI工具也无助于问题的解决，因为不管是采用进程间DLL，递x,y坐标到服务器端处理，生成新的栅格图传递到客户端显示，增加了服务器和网络传输的负担。

服务器插件或者是ORB对象的方案，它们都需要HTTP和Web服务器作为中介，来协调服务器和客户机对象之间的通信。

一个客户机对象无法直接调用服务器对象，客户机与服务器对象之间交互的基本形式仍然是HTML表格。

对于象WebGIS这样复杂的客户/服务器应用来说，网络通信量相当大，采用这种方式很难进一步提高速度。

为了解决这个问题，1997年6月诞生了Web的一种分布式对象方案，称为“ObjectWeb”.ObjectWeb将是Internet变革中的又一个新浪潮。

基于ObjectWeb规范的WebGIS可以称为分布式对象WebGIS,这是WebGIS的最新发展方向。

基于ObjectWeb开发的WebGIS可以有效避免CGI形成的瓶颈，允许客户机直接调用服务器上的方法。

分布式对象平台提供一种可以伸缩的由服务器到服务器的体系结构，服务器对象可以运行在多个服务器上，从而可以动态平衡客户端请求的负载。

目前，有两套不同的ObjectWeb规范正在进行着激烈的竞争：

一个是ObjectManagementGroup和Javasoft公司的联合推出的CORBA/Java标准，另一个是Microsoft公司提出的DCOM/ActiveX标准。

两个标准各有千秋，相持不下。

尽管Java编译器在不断改进，但是CORBA/Java在运行速度上仍然不如DCOM/ActiveX。

和Java一样，CORBA/Java规范的最大优势仍然在于其跨平台能力，适用于Windows,Macintosh,UNIX等，而DCOM/ActiveX目前还只能运行于32位Windows系列操作系统。

不过，Windows系列操作系统的市场占有率达80%以上，在Internet客户端的计算机市场里，其占有率则可能更高。

究竟选用何种规范来开发WebGIS，需要根据软件的设计目标来权衡各方面的因素。

进行WebGIS设计的另外一个重要选择是，在客户端使用矢量地图或者栅格地图。

如果使用矢量图形，一般需要在客户端事先安装插件（plug-in）,或者运行时自动下载JavaApplet抑或ActiveX控件；在客户端使用栅格图像则不需要而任何额外程序。

不过，正因为在客户端使用了插件、JavaApplet或者ActiveX控件，采用矢量图形方式可以在本地执行许多操作，比如：

地图放大缩小、漫游、就地选择并高亮显示，在一定程度上减少了服务器端的负载和网络上的数据传输量；采用栅格图像方式，在客户端只能读得鼠标的x,y坐标，进行地图缩放、平移和选择等操作都要传递x,y坐标到服务器端处理，生成新的栅格图传递到客户端显示，增加了服务器和网络传输的负担。

2.3WEBGIS主要系统平台

国外已有许多WebGIS产品,如MapInfoMapXtreme,GeoMediaWebMap,ArcViewIMS,MapGuide,AutodeskMapGuide,GeoBeans,GeoSurf,CDWebGIS等。

与传统的GIS相比，WebGIS系列产品具有更广泛的访问范围；客户端平台独立,信息更新快；可以降低系统成本,减少各行业基础数据的重复建设；具有更简便的操作；平衡高效的计算负荷等特点。

WebGIS软件可以应用在农业、土地管理、城市建设、人口、水利等领域,特别是在一些公共信息服务如公交路线查询、旅游线路选择、气象服务和土地价格公布等领域应用较为广泛。

WebGIS的实现方法主要有CGI（CommonGatewayInterface,通用网关接口）方法、服务器应用程序接口方法（ServerAPI方法）、插件方法（Plugin方法）、JavaApplet方法以及ActiveX方法等。

2.3.1CGI-通用网关接口模式

基于CGI模式的WebGIS的实现原理如图2.1所示。

浏览器

WebServer

请求

地图数据库

返回HTML

栅格图像CGI

MapServer

关系数据库

客户端服务器端

图2.1CGI-通用网关结构图

2.3.2PLUG-INSGIS插件

基于CGI的系统仅提供给用户端（Client）有限的GIS功能，传给用户的信息都是静态的，而且用户的GIS操作都需要由服务器来处理。

解决这个问题的方法是把一部分服务器上的功能移到用户端上，这样不仅加快了用户操作的反应速度，而且也减少了互联网上的流量。

一种方法是安装额外能和网络浏览器交换信息的专门GIS软件。

这种增加网络浏览器功能的方法就叫“插入法”Plug-ins.为便于其它软件厂商发展插入型软件，Netscape公司专门提供了一套应用程序接口（API）。

目前这种插入软件已被普遍采用，在多媒体领域尤为明显。

这种插入软件不但可以增加网络浏览器处理地理空间数据的能力。

使人们更容易获取地理数据，而且可以减少网络服务器的信息流量从而使服务器更有效地为更多的用户服务，因为大多数用户的数据处理功能可以由网络浏览器插入软件来完成。

2.3.3JAVAAPPLET

浏览器

JAVAApplet

客户端

Web服务器

CGI、NSAPI、ISAPI

服务器端

数据库服务器

应用服务器（多线程）

RMI

IDL

ASP

RMI

JDBC

Servlet

CORBAIDL

ODBC

图2.2Applet结构图

尽管插件可以和网络浏览器一起有效处理空间数据，但这种方法仍有不少缺陷。

首先，它将导致用户端负担过重，因为几乎每个软件厂商都希望它的软件能与互联网兼容。

这显然不符合标准网络浏览器便宜简单设计思想。

其次，众多的插入软件的管理会成为信息技术部门的一个大问题，因为任何人只要可以连上互联网都可以接收最新的插入软件，为解决上述各种问题，互联网程序语言应运而生。

互联网程序语言的出现标志着WebGIS的开始，目前最普及的互联网程序语言是由SUN公司开发的Java。

Java是一种面向对象的计算机语言，它借鉴了C,Smalltalk,ObjectC＋＋和Cedar/Mesa等面向对象语言的优点，其特点是简洁动态适应性强，运行稳定、安全，对网络而言，与计算机结构体系无关，容易移植，在一种系统下发展的应用软件可以直接在完全不同的系统下运行。

事实上Java编译器产生的是一种独立于任何操作系统的字节码Bitecode,这种字节码程序可以在任何一台Java虚拟机JavaVirtualMachine-JVM上运行，任何系统只要支持Java虚拟机就可以运行Java程序，而与程序在何种系统下发展和编译无关，目前Netscape和微软公司的网络浏览器都直接支持Java程序。

第二种互联网程序语言是由微软公司提出的ActiveX,其实ActiveX控制是由OLE控制OCX加上一些新的互联网的界面函数发展起来的，ActiveX仍然依赖现有OLE编程体系来达到增加互联网的交互性目的，方法之一是利用一个OLE文件实体DocObject作为一个通用控制容器Container。

例如，微软公司的网络浏览器Explorer就可以发展成为一个文件实体的控制容器，然后加入GIS引擎作为文个实体的服务器函数。

这样扩充后的网络浏览器就能显示和处理地理空间数据。

ActiveX也可以作为服务器，例如，微软公司的分布式COM（DistributedCommonObjectModel），将使在用户和服务器两端的Active控制互相交换信息，从而把整个网络上的负荷分布到各个不同的子网上。

与Java相比，ActiveX目前还没有解决非常重要的网络安全问题。

基于JAVAAPPLET模式的WebGis软件简介：

（1）国家遥感工程技术中心的地网GeoBeans1.017

GeoBeans由于采用了构件化技术，方便了用户的二次开发。

用户可根据自己的需求，用JAVA定制自己的Internet应用和普通的桌面应用，具有较高的灵活性。

它采用了JDBC和ODBC技术，可以与多种大型数据库相连，简化了对数据的操作和管理，实现了对分布式数据库的访问。

还具备了直方图、曲线图、饼图等专题图功能，以及路径分析功能。

使用自己的gbd格式,也可转换其它常见GIS数据格式，如Arc/InfoCoverage,ArcView的SHAPE,MapInfo,MapGIS等。

2.3.4基于分布式超图模式

基于分布式超图模式其优点是显而易见的譬如说：

矢量图形数据；任务分离；分布式计算；分布式服务器和客户端；多数据源的互操作性。

但也有不少缺点：

应该说基于分布式超图模式的WebGIS是一种很有前途的产品，但正如JAVA本身的雷声大雨点小，其整体效率还有待提高。

基于分布式超图模式的WebGis软件简介：

（1）武汉吉奥信息工程技术有限公司开发的国产软件的GeoSurf

基于分布式超图模式GeoSurf是100％的纯JAVA软件,它使客户机、WebServer和数据库服务器任务分离。

WebServer负责Web服务，数据库服务器负责数据库管理和数据服务，其它任务由客户机完成。

在客户机端，用户能完成放大、缩小、漫游、查询、统计、分析等基本操作。

通过Java和JDBC可直接与GeoStar主系统选用的数据库无缝连接，如Sybase,SQLServer等，并能获取不同层次的数据信息。

安全性强。

客户机虽能获取数据信息，但不能修改数据库，不能将获取的数据在客户机端保存。

图形分层调用、显示和管理；专题图制作；SQL查询及图形属性互查；最佳路径分析；多种语言（汉、英、日语）根据用户需要实时转换即加即用，解决网络交流障碍。

使用系统自身的DHM数据格式，也可转换Arc/Info,MapInfo,MGE,GeoStar,AutoCAD等数据格式。

（2）GeoSurf2D——二维文件版

GeoSurf2D包含配置管理、服务引擎、客户端浏览器、二次开发包，以文件方式来组织和管理空间矢量数据。

为二次开发用户提供JavaBeans组件来进行应用开发。

GeoSurf2D服务端用GeoSurf2DAdmin来管理和配置要发布的矢量数据和影像文件数据，启动服务后，通过GeoSurf2DViewer在Web浏览器中浏览发布的数据，二次开发用户通过二次开发包定制自己的应用和界面。

GeoSurf2D功能包括：

获取多种格式的数据源，GIS的基本操作，分层显示，图形与属性互查的功能，专题制图功能，空间分析功能，影像显示与叠加功能。

（3）GeoSurf3D——三维文件版

GeoSurf3D包含配置管理、客户端浏览器、二次开发包，目前提供文件管理版本，发布的数据以CCGIS软件制作的数据为基础，通过服务端配置管理软件GeoSurf3DAdmin