基于數(shù)字地下空間與工程的人防信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

1、( 2007-07-03)引言相對(duì)于以空氣為介質(zhì)的地上空間而言，地下空間泛指地表以下以巖土體和地下水為主要介質(zhì)的空間領(lǐng)域，地下空間被認(rèn)為是人類開發(fā)宇宙、海洋并列的新開拓領(lǐng)域。隨著地下管線、隧道工程、地鐵工程、地下變電站、地下車庫、地下商業(yè)街、地下綜合體、地下交通樞紐、地下道路、共同溝、地下廠房、地下船塢、地下儲(chǔ)氣設(shè)施、地下雨水儲(chǔ)存設(shè)施、地下垃圾站房及人防工程等地下工程建設(shè)規(guī)模迅速增長(zhǎng)，地下空間開發(fā)利用已經(jīng)進(jìn)入了淺地層大規(guī)模開發(fā)階段1。數(shù)字地下空間與工程（Geo-digital Underground Space and Project，以下簡(jiǎn)稱Geo-digital）是指以三維數(shù)字地層2-4為

2、依托，采用計(jì)算機(jī)信息化手段對(duì)地下建（構(gòu)）筑物和管線的勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中和高效的管理，實(shí)現(xiàn)地下空間與工程的三維直觀顯示、空間分析和數(shù)據(jù)查詢與挖掘、專業(yè)應(yīng)用和解釋等，目的為地下工程建設(shè)過程及后期的養(yǎng)護(hù)和管理、健康狀態(tài)評(píng)估提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)信息、施工數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)信息等，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)地下工程全生命周期的數(shù)字化，建成數(shù)據(jù)共享的信息管理平臺(tái)。人防工程是為保障人民防空指揮、通信及人員、物質(zhì)掩蔽等需要而修建的防空工程。它關(guān)系到未來高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，能否有效地抵抗敵軍戰(zhàn)略空襲和遠(yuǎn)程火力打擊，保存戰(zhàn)爭(zhēng)潛力，保持戰(zhàn)略全局穩(wěn)定，創(chuàng)造有利于我而不利于敵的戰(zhàn)場(chǎng)條件的大問題，人防工程建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜

3、的系統(tǒng)5，需要充分考慮到武器裝備技術(shù)的發(fā)展、城市規(guī)劃、城市建設(shè)及城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；人防工程建設(shè)是我國(guó)積極防御戰(zhàn)略的積極體現(xiàn)，同時(shí)在城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活中發(fā)揮著重要的作用；人防工程建設(shè)在我國(guó)有較長(zhǎng)的歷史，隨著建設(shè)的不斷發(fā)展，工程數(shù)量不斷增加，相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控、應(yīng)用和管理等信息量呈指數(shù)增加；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人防工程的規(guī)劃、建設(shè)、管理需要科學(xué)化、正規(guī)化。人防工程的管理還應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的要求，達(dá)到快速反應(yīng)，符合戰(zhàn)時(shí)指揮自動(dòng)化的要求6-7?，F(xiàn)有人防信息管理系統(tǒng)的建設(shè)多利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)對(duì)城市地面、地下人防設(shè)施進(jìn)行管理，基于GIS的城市人防管理系統(tǒng)較大的不足是信息處理

4、平臺(tái)僅為平面電子地圖，可視化查詢、空間分析和數(shù)據(jù)處理的直觀性、層次性、專業(yè)性和實(shí)用性有待進(jìn)一步提高；而將Geo-digital的理念引入人防信息管理系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、智能技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)建立高度綜合的、統(tǒng)一的、開放的和真三維的、與平面電子地圖無縫耦合的人防工程信息系統(tǒng)(CDEIS)是目前城市管理的重要研究?jī)?nèi)容之一。1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想是先將城市人防工程信息納入數(shù)字地下空間與工程分類與編碼體系；其次根據(jù)分類和編碼體系建立人防工程信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；隨后以空間圖形為載體，在平面電子地圖上和真三維數(shù)字地下空間中管理城

5、市人防工程各種信息。1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將時(shí)間數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)高效集成，建立高度綜合的、統(tǒng)一的、開放的和一體化的人防工程信息管理系統(tǒng)是總體設(shè)計(jì)的目標(biāo)8，其結(jié)構(gòu)包括：建立能夠綜合時(shí)空信息、屬性信息的數(shù)據(jù)庫、人防工程元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和組織；基于數(shù)字地下空間與工程的信息輸入與輸出、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交換與共享、信息瀏覽、三維空間雙向查詢、人防工程全生命周期管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)挖掘(城市人防工程設(shè)備的承載力、輻射范圍緩沖區(qū)、人口疏散隱蔽最佳路徑和其它空間分析)等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1  System collectivity structure1.2

6、系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，尤其是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、穩(wěn)定性和安全性的提高，為適應(yīng)于社會(huì)各行業(yè)和部門的需求，CDEIS采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式將更高效服務(wù)于用戶，瀏覽器端無需安裝特殊的軟件，只要具有IE瀏覽器及與Internet相連即可；服務(wù)器端負(fù)責(zé)響應(yīng)瀏覽端請(qǐng)求，連接數(shù)據(jù)庫，向?yàn)g覽端加載應(yīng)用程序等?；贐/S模式開發(fā)CDEIS，采用3層結(jié)構(gòu)：邏輯上分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，技術(shù)上分為前端瀏覽器、Web服務(wù)器、人防工程信息數(shù)據(jù)庫?？蛻舳瞬捎肳indows操作系統(tǒng)，利用瀏覽器IE實(shí)現(xiàn)HTTP訪問請(qǐng)求；業(yè)務(wù)層采用Microsoft Windows XP Professional的IIS6

7、.0作為其運(yùn)行環(huán)境，系統(tǒng)中Geo-digital平臺(tái)應(yīng)具有獨(dú)立開發(fā)、三維圖形顯示、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能、接受并處理網(wǎng)絡(luò)客戶端的各種操作要求，完成后臺(tái)數(shù)據(jù)處理并通過矢柵一體化的方式向客戶端返回相應(yīng)的結(jié)果；在服務(wù)器端，IIS6.0動(dòng)態(tài)托管服務(wù)器網(wǎng)頁ASP.NET(Active server pages)根據(jù)用戶訪問實(shí)現(xiàn)不同功能，在IIS和Geo-digital之間，可以通過圖元編碼以及接口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)二者的信息交互，協(xié)同完成特定的反饋與顯示；綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及安全性等因素，數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)平臺(tái)擬采用Oracle9i,利用其空間信息處理模塊Oracle Spatial和多媒體處理模塊Oracle Interm

8、edia強(qiáng)大功能，業(yè)務(wù)層與數(shù)據(jù)層的通信利用ADO技術(shù)，將用戶請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成SQL查詢語句，通過ADO訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的相關(guān)信息，將訪問的結(jié)果動(dòng)態(tài)生成圖形和網(wǎng)頁返回瀏覽端客戶，或?qū)⒃L問信息、控制信息轉(zhuǎn)換成SQL語句存入數(shù)據(jù)庫。三層技術(shù)結(jié)構(gòu)圖詳見圖2,充分體現(xiàn)軟件工程設(shè)計(jì)的針對(duì)性、規(guī)范性、完備性、可擴(kuò)充性和安全性。圖2  CDEIS 技術(shù)結(jié)構(gòu)Fig.2  The technical structure of CDEIS城市人防工程數(shù)據(jù)特征及組織CDEIS數(shù)據(jù)包括Geo-digital基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和城市人防的工程數(shù)據(jù)等。Geo-digital基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要用于工程分布定位和基礎(chǔ)環(huán)境背景信

9、息的顯示，包括基礎(chǔ)地理的注記、交通設(shè)施、綠地、水系、公用設(shè)施、行政區(qū)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素以及不同比例尺的城市電子平面地圖；也包括城市地質(zhì)中的三維地層、地下水等數(shù)據(jù)；另外一些重要的地下工程建筑物(諸如地鐵、地下管線、共同溝等)數(shù)據(jù)也應(yīng)適當(dāng)收集。2.1城市人防工程設(shè)施分布特征及空間結(jié)構(gòu)基于Geo-digital建設(shè)CDEIS最大的特點(diǎn)是可以在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)三維人防工程，而目前GIS技術(shù)只能表達(dá)平面電子地圖，人防工程設(shè)施三維空間特性難以真實(shí)保存和應(yīng)用。城市人防工程種類較多，比如坑(地)道式人防工程、單建式人防工程、防空地下室、戰(zhàn)時(shí)可利用地下空間等，但其空間結(jié)構(gòu)基本一致，一般由人防工程點(diǎn)、人防工程及附屬設(shè)施

10、組成，在Geo-digital中可用點(diǎn)、線、面、體進(jìn)行描述。人防工程設(shè)施的分布特征可以借用城市綜合地下管線的實(shí)體一關(guān)系模型(E-R模型)9，將原模型管線點(diǎn)的信息移植為人防工程點(diǎn)的信息，管線段的信息移植為人防工程設(shè)施線或體的信息如人防的地下空間設(shè)施等，模型做相應(yīng)的改變?nèi)鐖D所示，根據(jù)該模型，可以確定人防工程實(shí)體的基本組成及其相互關(guān)系，便于下一步數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和各種專業(yè)挖掘功能的實(shí)現(xiàn)。圖  人防工程實(shí)體關(guān)系模型Fig.3  E-R model of civil defense engineering2.2城市人防工程數(shù)據(jù)庫層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人防工程數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從兩方面進(jìn)行考慮：首先

11、便于數(shù)據(jù)的組織、管理與應(yīng)用，既能滿足一般城市建設(shè)管理部門的需要，又要滿足人防管理部門的需要；其次便于人防工程空間分析模型建立與實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭臻g分析模型的建立與實(shí)現(xiàn)依賴于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如前所述，CDEIS包括Geo-digital基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和城市人防的工程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖  人防工程數(shù)據(jù)庫層次模型Fig.4  The hierarchical database model of civil defense engineering2.3人防工程數(shù)據(jù)采集與處理人防工程數(shù)據(jù)的獲取主要依靠工程設(shè)計(jì)圖紙和施工記錄檔案等途徑；地理信息獲取以1:2000和1：500等地形圖和

12、地下工程規(guī)劃圖為基礎(chǔ)，通過實(shí)地修測(cè)以后，以掃描數(shù)字化的方式，建立矢量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立電子地圖庫；三維數(shù)字地層和地下水的信息的獲取主要依靠工程地質(zhì)鉆孔和水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，輔以地質(zhì)剖面圖加以修正。自主開發(fā)的Geo-digital開發(fā)平臺(tái)完成基于三維圖形的各種功能。對(duì)三維圖形進(jìn)行分層管理，是計(jì)算機(jī)對(duì)圖形管理的主要內(nèi)容。對(duì)CDEIS內(nèi)容分層應(yīng)根據(jù)地形、地物和地質(zhì)要素的數(shù)據(jù)類型和專題內(nèi)容，同時(shí)適合人防工程管理的需求以及圖形編輯和圖形輸出的條件進(jìn)行分層。對(duì)CDEIS分層如表所示表1 圖層劃分圖 層類 別說 明地形信息線、面地貌、等高線(DEM)、高程數(shù)據(jù)(DLG/DOM/DRG)、植被等地理信息點(diǎn)、線、面行

13、政區(qū)、水系、交通、居民地、土地利用、景區(qū)、防空警報(bào)器等地層信息線、體基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等地下建筑物信息體人防工程、管道、地鐵、地下停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)、地下倉庫等注記文本注記市區(qū)名稱、街道名、地名、建筑物名稱、重要標(biāo)志等3 CDEIS功能城市人防工程信息管理系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、人防工程管理、專業(yè)挖掘、輔助決策、業(yè)務(wù)鏈接、信息發(fā)布等。其中數(shù)據(jù)處理是基礎(chǔ)；人防工程管理是開發(fā)研究的關(guān)鍵性問題；專業(yè)挖掘和輔助決策是優(yōu)化思想的體現(xiàn)；業(yè)務(wù)鏈接體現(xiàn)了現(xiàn)代辦公一體化的需求；信息發(fā)布是為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、專題匯報(bào)、系統(tǒng)管理等工作提供的一種工作方式。CDEIS功能結(jié)構(gòu)參照文獻(xiàn)7并加以改進(jìn)，詳

14、見圖。圖  城市人防信息管理系統(tǒng)功能Fig.5  The function of CDEIS4 系統(tǒng)操作及特點(diǎn)CDEIS采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式，在操作上劃分為兩大部分，即客戶端信息查詢模塊和服務(wù)器端信息維護(hù)和服務(wù)模塊。數(shù)字人防建設(shè)是國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)在地下領(lǐng)域的延伸，同樣也是數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分，其特點(diǎn)區(qū)別于一般GIS技術(shù)。4.1系統(tǒng)操作1.服務(wù)器端功能介紹(1)空間信息的管理和維護(hù)：包括城市平面電子電圖、三維數(shù)字地層和地下工程圖形數(shù)據(jù)的增加、刪除、編輯功能；三維圖形可視化處理，紋理、光照、填充、渲染、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、漫游；圖形繪制、編輯、繪制、鏡像、拉

15、伸、修剪、打斷、縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、輸出。屬性信息和多媒體信息的管理和維護(hù):包括圖形通過圖元ID鏈接數(shù)據(jù)庫定義、修改、關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)；人防工程屬性數(shù)據(jù)的錄入和編輯；多媒體信息的錄入和鏈接等功能；屬性信息和多媒體信息輸出等功能。2.客戶端功能介紹(1)圖形操作：三維圖形和平面電子地圖放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、輸出、漫游等操作。(2)信息查詢: 包括點(diǎn)、線、面、體查詢，在圖形上高亮度顯示出查詢結(jié)果；在網(wǎng)頁上顯示出對(duì)應(yīng)圖形屬性信息；在多媒體瀏覽窗口顯示對(duì)應(yīng)的多媒體信息。(3)空間分析：距離、面積、體積等實(shí)體幾何特征的量算；三維圖形切割分析、緩沖區(qū)分析、空間疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、挖填方、水淹災(zāi)害分析。(4)專

16、業(yè)挖掘與輔助決策：根據(jù)人防工程所在區(qū)域的人口密度以及其承載力指標(biāo)、進(jìn)行緩沖區(qū)分析，得到人防工程可以覆蓋的范圍。也可以根據(jù)人防工程覆蓋情況，針對(duì)人防設(shè)施覆蓋比較薄弱的地區(qū)，智能選取擬建人防工程位置或者諸如報(bào)警器的安裝，對(duì)已有人防工程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估；根據(jù)具體區(qū)域人防工程的承載力和位置，確定戰(zhàn)時(shí)指揮系統(tǒng)、人員動(dòng)員、最佳隱蔽路線選擇、物資儲(chǔ)備和調(diào)度等工作。4.2系統(tǒng)特點(diǎn)CDEIS作為數(shù)字人防的基礎(chǔ)性工程，對(duì)于城市防空、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)、保存戰(zhàn)時(shí)有機(jī)力量具有重要價(jià)值；同時(shí)克服了地下空間與工程復(fù)雜性和隱蔽性，滿足了信息化管理的要求。CDEIS具有如下特點(diǎn)：(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一方面應(yīng)當(dāng)考慮用戶使用的方便，另一

17、方面要體現(xiàn)軟件工程設(shè)計(jì)的原則：針對(duì)性、規(guī)范性、完備性、可擴(kuò)充性、安全性。(2)基于Geo-digital建設(shè)CDEIS對(duì)數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)和編碼的探討數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立是實(shí)現(xiàn)資源共享，實(shí)現(xiàn)縱橫向信息媒介互通的紐帶，對(duì)于GIS技術(shù)而言,現(xiàn)有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范諸如國(guó)土基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)分類與代碼、城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與成果三維可視化信息系統(tǒng)建設(shè)指南(試用版)等10-12對(duì)整個(gè)行業(yè)有序發(fā)展的作用是巨大的；而對(duì)于城市地下空間與工程的重視近些年才起步，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范化的研究國(guó)內(nèi)外尚是一片空白，于是將CDEIS納入Geo-digital分類和編碼體系，可以很好地解決數(shù)據(jù)的規(guī)范性問題，在此基礎(chǔ)上建立人防

18、工程元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，采用XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同操作系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)庫、不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息交換。(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開放性CDEIS采用先進(jìn)數(shù)字地下空間與工程技術(shù)，真三維反映工程分布空間信息與反映工程類型、性能等屬性信息有機(jī)集成，并將圖片、錄像、文本等多媒體信息結(jié)合起來，突出地下工程的可視化；系統(tǒng)既可以單獨(dú)應(yīng)用，同時(shí)具有良好接口，通過超鏈接的方式訪問相關(guān)部門，達(dá)到信息共享的目的。(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性CDEIS采用B/S結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的安全性提出了很高的安全性要求，系統(tǒng)通過用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)備份等方法，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，保證系統(tǒng)運(yùn)行的流暢和信息安全。4.3數(shù)字地下空間與工程示例下面通過一個(gè)數(shù)字地層和地下結(jié)構(gòu)的三維顯示實(shí)例，著重介紹一下地下空間與工程的數(shù)字化工作。首先將對(duì)象納入Geo-digital分類和編碼體系；其次根據(jù)分類和編碼結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫組織，錄入原始數(shù)據(jù)；隨后根據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，三維地層基于工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)采用三棱柱模型13-16生成；地下結(jié)構(gòu)物的生成采用實(shí)體建模的方法生成；模型生成以后可進(jìn)行可視化查詢、空間分析等工作。三維數(shù)字地層以及屬性信息見圖6；三維地下結(jié)構(gòu)