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ArcGIS管道数据模型及GIS在数字化油气管道中的应用
摘要： 随着我国长输油气管道建设的快速发展，建设数字化油气管道(以下简称数字化管道)，提高管道管理效率，维护管道安全运行水平成为迫切需要。数字管道的概念来源于数字地球，是数字地球的具体应用。本文介绍了一种数字管道的设计与实现，我们的实施重点是管道GIS(地理信息系统)和VR(虚拟现实)应用。本文主要介绍了管道地理信息系统。管道GIS为数字管道提供了一个信息框架，它集中于GIS框架中二维空间和属性数据的获取、存储、处理、分析和共享。根据管道GIS的作用和功能，我们将其分为三个模块:数据管理模块、WebGIS模块和数据服务模块。每个模块根据用户不同的数据需求提供相应的功能。数据管理模块是采用C/S模式的桌面应用，它的目标是管理存储在GIS服务器中的管线数据。它还提供了专业的管道数据分析、日常管理和维护功能。WebGIS模块是采用B/S模式的基于web的GIS应用，其目的是通过将管道数据发布到internet并提供基于浏览器的管道数据显示、查询和分析来促进管道信息共享。数据服务模块存储管道数据库，为数据管理模块和WebGIS模块提供数据服务。数据服务模块的核心是管道数据库，它是一个ESRI地理数据库，它实现了一个管道数据模型，该模型是对ArcGIS管道数据模型(APDM)的扩展和细化。本文详细阐述了管道GIS的设计与实现过程，包括相关技术及其在系统中的应用。详细介绍了管道数据模型和数据库的建立，以及今后的工作。
关键词： 数字油气管道；ArcGIS管线数据模型；ArcGIS引擎；ArcObjects；WebGIS；ArcGIS的服务器
Ⅰ. 简介
1998年，美国副总统戈尔提出了数字地球的概念，引起了全世界的关注[1]。1999年，第二届跨部门数字地球研讨会通过了“数字地球是我们星球的虚拟代表，它使人们能够探索和与收集到的大量有关地球的自然和文化信息进行互动”的共识定义。数字地球的核心思想是通过数字手段全面解决地球信息问题，充分利用信息资源。数字地球的概念适用于不同领域的许多数字系统，如数字油田[2]、数字城市[3]、数字林业[4]。这些系统集中于它们自己的领域，目的相同:提高信息水平。由于条件的不同，这些制度有的处于理论阶段，有的已进入实施和应用阶段，并产生了初步的社会效益和经济效益。
与其他数字系统一样，数字管道的概念也来源于数字地球。它是数字地球的具体应用。虽然“数字管道”这个术语已经被提出很多年了，但是到目前为止还没有一个明确的定义。根据数字地球的定义，我们同样可以将“数字管道”定义为:“数字管道将是管道的虚拟表示，它使人能够探索和与收集到的关于管道的大量自然和文化信息进行交互”。更准确地说，数字管道是:“一个高效的数据采集、存储和处理平台，一个基于数字地球概念的管道勘测设计、施工和运营管理的数字管理和决策系统。”数字化管道以国家基础地理信息为基础，以多分辨率、多物种基础空间数据为支撑。它充分利用现代测绘、高速互联网连接、虚拟现实、数字通信等先进技术，将管道设施、环境、地质条件、经济、社会因素、文化数据等各种信息在三维地理坐标中进行整合。
然而，到目前为止，对数字管道的研究和实现还很少。本文介绍了管道地理信息系统(GIS)的设计与实现。本课题来源于中国石油化工集团公司支持的“永恒宁长输管道数字化”项目，永恒宁长输管道是我国东部从宁波至南京的一条原油管道。
管道GIS的主要目标是通过web和GIS应用，建立一个管道信息获取、存储、分发、管理、查询和分析的框架。完成我们工作的关键技术和工具是APDM、ArcGIS引擎和ArcGIS服务器。本文介绍了管道GIS的设计与实现以及上述技术和工具的应用。论文结构如下：第二部分介绍了管道GIS的体系结构，第三部分介绍了管道GIS的实现，第四部分是结论和未来工作的总结。
Ⅱ. 管道GIS体系结构
我们将管道GIS分为三个模块:数据管理模块、WebGIS模块和数据服务模块。每个模块根据用户不同的数据需求提供相应的功能。系统架构如图1所示。
数据管理模块是采用C/S模式的桌面应用，其中“Client”是ArcGIS Engine[5]开发的GIS应用，“Server”是GIS服务器。该模块的用户为管道管理员和工作人员，它的目标是管理存储在GIS服务器中的管线数据，它还提供了专业的管道数据分析、日常管理和维护功能。
WebGIS模块是采用B/S模式的基于web的GIS应用[6,7]。其目的是通过将管道数据发布到internet并提供基于浏览器的管道数据显示、查询和分析来促进管道信息共享。此模块的用户是对管道信息感兴趣的员工和人群。
数据服务模块存储管道数据库，为数据管理模块和WebGIS模块提供数据服务。数据管理模块可以读写数据库中的数据，而WebGIS模块只能从数据库中读取数据。但是，WebGIS模块也可以反映数据管理模块更新的最新数据，因为这两个模块使用相同的数据库。数据服务模块的GIS服务器也为WebGIS模块提供了GIS处理能力。细节将在第3.3节中说明。
图1所示 管线GIS的体系结构。
Ⅲ. 管道地理信息系统的实现
- 数据服务模块
管道数据库是数字管道系统的基础。通过对永和宁管道的数据需求分析，将其分为三个部分:APDM(ArcGIS管线数据模型，http://apdm.net)、数字高程模型(DEM)、遥感影像。利用DEM进行管线地形分析，遥感影像可以作为矢量图的背景来表征地貌特征。
管道数据存储在APDM中。APDM是为存储有关收集和传输管道，特别是气体和液体系统的信息而设计的。APDM被明确设计成ESRI地理数据库，用于ESRI的ArcGIS和ArcSDE产品。地理数据库是一种对象关系结构，用于在行业标准的关系数据库管理系统(RDBMS)中存储和管理地理数据。ArcSDE是一种能够在关系数据库管理系统(RDBMS)中存储和管理地理数据库的技术，如DB2、Informix、Oracle、SQL Server和SQL Server Express。
APDM并不是一个全面的或包含一切的模型。相反，APDM被设计为核心元素的初始模板，管道公司可以通过在APDM模板[8]定义的规则中添加特性或细化现有特性，从而根据其业务需求定制模型。
该模型的一个主要目标是考虑特征的线性引用(定位)。该模型的目的是提供一组核心对象和属性来描述和有效地处理驻留，以及一组核心抽象类，通过这些抽象类可以对大多数(如果不是全部的话)管道特性进行分类。提供核心特性集的目的是为管道和供应商公司提供一致的框架，以便根据模型开发应用程序，并在现有数据库之间传输数据。通过这种方法，任何管道公司都可以向模型添加特性，修改模型中的现有特性，或者根据业务需求[8]从模型中删除特性。
APDM中的所有特性都可以分为三类:1)抽象类，2)核心类，3)可选类。
在本研究中，我们通过扩展APDM的抽象类，并根据我们的实际需求对其可选类进行细化来实现APDM。在APDM中，我们将管道数据分为11个部分:管道、管道设施、现场设施、涂层、在线检测、腐蚀、泄漏、穿越、阴极保护、高后果区(HCA)、地质和环境。
APDM可以用存储在特征类中的特性(用x、y坐标存储几何图形)、事件表(由路由id和度量值动态生成几何图形)或两者的组合来实现。每种实现方法都有成本和收益。使用几何图形的优点是性能优良，可以通过GIS应用程序快速显示特征。当使用几何图形时出现的问题是，当底层的路由- id和测量值(或开始/结束路由- id和测量值)更新时，功能几何图形不会自动更新。使用事件的好处是，无论何时更新路由id和度量值，都可以快速刷新几何图形。使用事件的问题是每个特性都没有一个永久的几何图形，所以显示性能比较差[8]。
在我们的APDM实现中，流水线由它的核心类:ControlPoint和StationSeries来表示。为了保持显示性能和几何复杂性之间的平衡，一些使用固定坐标(如泵站)的设施被实现为特征类，而其他坐标经常变化的数据(如泄漏点)被实现为线性参考系统的事件。
- 数据管理模块
数据管理模块是由ArcGIS Engine开发的，它是一个基于Arcobjects[9]的可嵌入GIS组件的完整库，供开发人员构建自定义应用程序。ArcGIS的基础是Arcobjects。它是一组独立于平台的软件组件，用c 编写，提供服务来支持桌面和服务器上的GIS应用程序。使用ArcGIS引擎，我们可以将GIS功能嵌入到现有的应用程序中，并构建面向许多用户的高级GIS系统的定制应用程序。ArcGIS引擎由一个软件开发工具包(SDK)和一个为所有ArcGIS应用程序提供平台的可重新发布的运行时组成。ArcGIS Engine包含低级API和高级开箱即用开发人员控件，开发人员可以通过这些控件快速构建支持gis的强大应用程序来满足各种需求。
数据管理模块实现了管道数据的加载和显示，以及管道数据的管理和分析。管道数据存储在数据服务模块的GIS服务器上的APDM中。模块主界面如图2所示。
该模块的其他功能是在GIS服务器上远程连接管道空间数据库，首先加载管道数据。管道数据的加载和显示发生在MapControl中，这是一个用于显示GIS地图的ArcGIS Engine developer控件。MapControl步骤:1)创建一个PropertySet类的实例并设置连接属性,包括远程服务器的IP地址,管线数据库的位置,数据库实例,数据库名称,ArcSDE的名字,ArcSDE密码,ArcSDE版本等。2)执行数据库连接通过SdeWorkspaceFactory类的一个实例;3)打开数据库中的特征层;4)在MapControl中加载和显示图层，不可显示的管道数据可以使用类似的技术加载。
加载管道数据后，可以使用ArcGIS引擎工具和命令集合或ArcObjects来实现管道数据的管理和分析。下面是一个用ArcObjects修改泵站特性的泵数属性的代码示例。
图2所示 数据管理模块主界面。
IWorkspace IWorkspace=null;
IWorkspaceEdit workspaceEdit = null;
workspace=(((selectedLayer as IFeatureLayer).FeatureClass as IDataset)).Workspace;
workspaceEdit=workspace as IWorkspaceEdit; workspaceEdit.StartEditing(false);
workspaceEdit.StartEditOperation();
IFeatureClass featureClass=null;
featureClass = (selectedLayer as
IFeatureLayer).FeatureClass;
IFeatureCursor featureCursor=null;
IFeature feature = null;
IQueryFilter queryFilter = new QueryFilterClass(); queryFilter.WhereClause = 'name=rsquo;Mo zhanrsquo;'; featureCursor = featureClass.Search(null, false); if ((feature = featureCursor.NextFeature()) != null) {
for (int i = 0; i lt; feature.Fields.FieldCount; i )
{if(feature.Fields.get_Field(i).Name=='pump number') { feature.set_Value(i,6);}
}
feature.Store();
}
workspaceEdit.StopEditOperation(); workspaceEdit.StopEditing(true);
我们还设计了泄漏缓冲分析、管道剖面显示、管道水力梯度分析、异常分析等功能，实现了该模型中管道数据的专业分析和GIS功能。下面提供了两个示例。图1中标记了一个圆圈特性，它表示一个泄漏缓冲区。圆圈内的区域表示如果发生泄漏事件，将会受到影响的区域。
根据APDM中存储的内联检测数据和阴极保护检测数据，通过异常分析制定维护计划。
- WebGIS模块
WebGIS模块由ArcGIS Server[10]开发，包括它的服务器API、.NET ADF (Application Developer Framework)和ASP.NET。在这个模块中，接口使用瘦客户机设计，允许用户通过web浏览器进行交互。主界面如图3所示。
ArcGIS Server是一个基于arcobjects的企业WebGIS开发平台。它用于构建企业GIS应用程序和服务，支持基于internet支持的多用户、集中管理和高级GIS功能。它打算在分布式环境中实现地理数据管理、制图、空间分析和其他GIS功能。
该模块由GIS服务器、Web服务器和Web浏览器组成。Web浏览器由一个ASP。NET页面，提供用户和模块之间的接口，负责向web服务器发送数据请求，以及接收和显示来自web服务器的请求结果。Web服务器负责与GIS服务器协作处理来自客户机的请求，并将处理后的结果传递给客户机。GIS服务器负责处理各种空间数据请求，并通过ArcObjects进行分析。
ArcObjects组件是ArcG
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