城市排水防涝设施科学管理是城市排水防涝的核心工作。建立科学、完善的城市排水防涝管理系统,是保障城市防涝设施正常运行,有效提升城市防灾减灾能力的基本要求,也是城市排水设施管理水平及生态文明社会建设的重要体现^[1]。

　　 在我国多个城市和地区,由于防涝设施数量多,空间网络结构复杂,排水设施属性信息与运行状态数据长期缺失,以及城市排水系统建设速度快、规模大、更新快等特点,对排水设施海量信息管理的难度越来越大。长期以来排水防涝设施管理中存在的问题也日益显现,主要包括以下4个方面^[2~4]:(1)没有统一的防涝设施管理法规和相关技术体系,缺乏完善可靠的防涝设施普查数据管理技术规范,各个城市间设施管理水平和技术标准差异较大;(2)“家底”不清,资料利用效率低,缺乏统一的防涝设施管理平台。大部分城市排水管网建设时期长,资产数据不完整、不准确,数据资料管理方式分散、不系统,各种格式的数据并存,变化数据也不能及时更新并统一存储,对防涝设施现状不能进行全面掌握;(3)缺乏全面完整、科学有效的普查数据标准规范,不能定量掌握管网运行动态及负荷空间分布,缺少进行优化调度科学分析的数据基础,无法为城市排水防涝的具体业务工作提供全面翔实的分析数据和技术支持;(4)管理模式分散、不系统以及缺少高效的查询分析方法,使得复杂排水管网的网络特征及上下游关系难以识别,由于数据体系不完整,无法支持利用数学模型分析排水防涝设施运行状况,不能为管理者提供科学决策支持。

　　 现状普查是城市排水防涝系统规划、建设与管理的重要基础工作,为科学、规范地开展城市排水防涝设施普查工作,住房和城乡建设部组织编制了《城市排水防涝设施普查数据采集与管理技术导则》(以下简称“导则”)。“导则”通过现场测绘、地理信息系统、网络拓扑分析等技术方法,实现了普查数据从“现场勘测”到“共享应用”的技术保障,确保了普查成果的系统性、准确性、实用性以及完整性,可帮助各个城市或地区形成规范化的排水防涝设施普查数据库;同时,也为评估城市排水防涝能力和风险提供了重要的依据,为后期建立智能化管控平台创造条件^[5]。

　　 “导则”涵盖了普查工作全过程的技术指导及要求,规定了城市排水防涝设施普查的技术路线与方法,确定了数据采集、数据录入、数据校核等关键环节的技术要求,明确了城市排水防涝设施普查数据库的基本内容,适用于城市排水防涝设施的规划设计、建设、运营管理等环节的数据采集与管理。“导则”主要包括以下技术要点:

　　 (1)技术总则。对排水防涝设施普查工作应遵循的原则、普查工作内容、普查方法以及普查工作技术路线进行了明确规定,为普查工作提供总体技术指导。

　　 (2)全面的数据采集要求及方法。对数据采集过程中数据编码规则、数据收集内容、现场测绘方法、监测和检测方法以及数据采集过程中坐标系统、高程系统等进行了详细要求,为科学规范地采集各类普查数据提供参考。

　　 (3)详细的数据录入过程。明确了普查数据库的设计原则、不同格式的数据标准化方法以及数据的编辑维护应满足的软件功能,形成了统一的数据标准规范,并保证普查数据的标准化录入。

　　 (4)普查数据检查校验。对入库后的普查数据的校核方式及内容作了详细的规定和要求,包括数据的完整性、异常值以及拓扑关系等,以保障普查数据的完整性、准确性和系统性。

　　 (5)明确普查成果内容。对城市排水防涝设施普查工作成果进行了相关规定,包括城市排水防涝设施数量、规格的分类统计,数据质量状况,排水管道缺陷的评估分析和分类统计等,并最终以普查数据库和基于普查数据库自动统计的普查报告体现最终成果。

　　 城市排水防涝设施普查信息平台由清华大学环境学院与北京清控人居环境研究院有限公司根据国内排水设施运营管理的实际需求自主研发,通过排水普查与规划模拟QQ群免费提供给城市排水防涝设施管理相关的主管部门、技术支撑单位、地方规划设计院等单位使用,目前已有近百名从事城市排水防涝设施普查工作的用户使用该软件。普查平台不仅具备便捷的海量数据导入导出及编辑维护功能,而且具备完善的数据查询校验和网络拓扑分析能力,实现了“普查数据导入、设施数据统一管理、设施信息查询编辑、数据校验及网络分析、普查报告自动生成、普查数据共享使用”的一体化集成与管理,是一个可扩展的通用排水防涝设施普查信息管理平台。基于该平台进行功能定制化开发,可构建排水设施智能化管控平台,实现在线监测、巡查养护、事故应急、模拟决策等工作的信息化支撑,提高城市排水系统运行调度、预警预判、应急处置的管理水平^[6]。城市排水防涝设施普查信息平台总体框架如图1所示。

　　 城市排水防涝设施普查信息平台将先进的数据库管理技术、GIS技术与网络拓扑分析技术进行紧密集成,充分发挥GIS技术的优势,利用GIS提供的空间数据浏览管理和空间分析能力,开发了排水防涝设施GIS专用应用功能,包括多源数据集成显示查询、防涝设施复杂网络拓扑关系动态维护、基于地图的防涝设施连通分析与上下游分析。并在此技术基础上,结合城市排水防涝设施实际管理需求,设计开发了相应的数据管理模块,实现了基于GIS的可视化显示、普查数据标准化与导入导出、数据检查与校验以及普查数据的应用与共享。下面详细介绍普查信息平台的应用功能。

　　 城市排水防涝设施管理涉及多源、多类型、复杂多变的海量数据,完整的排水防涝设施数据库不仅需要多种类型的空间基础数据(基础地形图、影像航片、DEM等)的支持,更需要大量防涝设施空间与属性数据的支撑。通过对不同来源格式、不同空间尺度的数据进行集成管理,才能更加有效地实现大量防涝设施普查数据的地图可视化显示、查询及分析,并为城市排水防涝设施的规划设计及运行管理提供全面详实、不同尺度、不同显示模式的基础数据支持。

　　 城市排水防涝设施普查信息平台数据库结构设计如图2所示,包括空间数据库和属性数据库。空间数据库用于存储设施的空间信息以及设施所在区域的基础地形信息;属性数据库用于存储防涝设施的基本属性信息和其他扩展参数信息。这为普查信息平台的建立提供了一个全面完整的数据体系结构,满足防涝设施普查数据显示、综合查询分析以及拓扑网络分析等多种不同应用管理模式的数据需求。数据库建立过程中可以利用现有的防涝设施GIS数据、Excel数据、CAD数据以及图纸等不同格式数据,按照不同的数据标准化处理方法,建立完善的防涝设施普查数据库,从而实现防涝设施数据的统一、高效与科学的信息化管理。数据库的建立是系统功能实现和应用的基础,在此基础上,普查平台提供地名查询、防涝设施属性条件查询、复杂规则的查询等功能,可以充分利用数据库中的海量数据进行快速的检索查询,最终结果以直观地图或图表的形式进行显示。

　　 测绘数据的标准化以及已有数据的快速导入是实现防涝设施数据统一管理的关键环节。由于普查数据格式类型的多样性,对不同类型数据应按照不同方法进行标准化,通过统一的数据接口导入普查信息平台,实现排水防涝设施普查数据的标准化管理。不同格式数据标准化方法可按照如图3所示的流程实现。

　　 城市排水防涝设施普查信息平台提供Shape-File格式、Excel格式及CAD等多种格式数据的导入,用户根据不同数据类型按照上述方法进行标准化,建立对应的数据项映射关系,在普查信息平台中即可实现数据的一键批量导入,并自动建立排水防涝设施之间的拓扑关系。普查信息平台数据导入界面如图4所示。

　　 防涝设施普查数据的完整性、异常性以及设施之间的拓扑关系不仅对摸清现状有重要作用,更对后期建立数学模型与智能化管控平台至关重要,因此建立一个快捷、有效的数据校验机制也是城市防涝设施普查的重要内容。普查信息平台提供了对数据完整性、异常性及常见拓扑关系错误的检查校验功能。首先,完整性校验实现对普查数据中必填内容的快速检查,保证普查数据库内容的完整性。其次,为保证普查数据的正确性和可用性,节点、管线的位置及数值型属性数据还必须在该地区规划建设的正常范围内,对超出正常范围的数据进行自动筛选。最后,利用拓扑规则检查排水防涝设施之间的上下游关系是否合理。

　　 在城市排水防涝设施普查数据的管理中,将排水防涝设施概化成节点、管线和区域等不同类型的要素,这些要素之间通过一定的拓扑关系有机组合。排水防涝设施之间的拓扑关系主要包括^[7]:(1)同类型的要素图形之间不能重合;(2) 节点图层中的点元素必须为排水管线图层中线段的起点或者终点;(3) 管网系统中各管线的起点和终点必须为节点图层中的某个点元素;(4) 管网系统中不能存在环状管网;(5) 管线上游管底高程应大于下游管底高程;(6) 节点的下游管底高程应小于上游管顶高程。基于上述拓扑关系,可以对设施之间的管线错接、管线反向、连接管线缺失、管线逆坡、环状管网或断头管、管线重复、管线中间断开等多种数据错误进行检查。对于发现的数据拓扑错误,应该根据数据情况通过连通性分析、上下游分析、属性数据表查看等方式判断拓扑错误的原因,并结合实地勘查对与现实不符的数据进行处理修正,对现实中客观存在的问题进行标记,以便后期在改造工程规划设计中重点考虑。

　　 利用普查信息平台可快速地进行数据完整性、异常性及拓扑关系的校验,系统以表格形式详细列出当前数据中错误信息,在错误列表中选择相应的记录,可以快速定位要素所在地图区域,并结合编辑功能进行数据修正或标记。

　　 普查数据是城市排水防涝系统规划、建设的重要基础,数据的系统性、准确性和完整性将对排水防涝设施的规划建设产生深远的影响。利用普查信息平台建立规范化、标准化的普查数据库,对当前防涝设施运行状态、数据质量状况等信息进行统计分析,并基于真实排水防涝设施信息自动统计形成普查成果报告(如图5所示),可为排水防涝各项应用管理提供数据依据。另外,普查数据库提供信息共享接口,为在线监测数据分析、巡查养护管理、模拟决策等相关排水信息系统建设及应用提供相应的数据支持,实现普查成果的全面应用与共享。

　　 同时,普查数据应在使用过程中不断进行更新完善,排水主管部门也应更多关注数据的更新应用以及对排水规划管理的支撑作用,建立数据动态纠错与反馈机制,对数据在应用过程中发现的各类问题,及时进行现场核实与编辑维护,不宜将花费大量资金测绘的排水防涝设施相关数据仅仅存档入库,而不与实际应用管理工作相结合。普查信息平台中提供了多种数据编辑维护功能,支持设施空间数据与属性信息间的联动编辑,以及普查数据的批量更新修改,从而保证普查数据的长期有效更新,为排水防涝各类分析应用提供更好的技术支撑。只有建立了普查数据库的持续维护与更新机制,及时更新新建及改造设施的数据,不断修正数据库中的错误和问题,才能最终形成客观实际的动态数据库,有效提高城市排水防涝设施的管理和决策水平。

　　 城市排水防涝设施普查信息平台基于国内防涝设施普查管理的数字化需求,利用先进的GIS技术、网络拓扑分析技术和数据库管理技术进行集成开发,为防涝设施普查数据的可视化显示及查询分析、管网系统的网络空间分析以及数据的高效管理提供了一个可实现的平台,并为后期建立智能化管控平台,实现专业应用开发和分析功能提供一个基础的拓展平台。

　　 利用免费使用的城市排水防涝设施普查信息平台,可以为各级排水主管部门建立统一完整、长期有效的普查数据库,为摸清现状和科学管理提供数据依据,为下一步建立数学模型及信息化管控平台奠定基础。各级排水主管部门可以在“统一规划,分步实施”的指导思想下,基于标准的普查数据库进行功能扩展,构建排水设施智能化管控平台,通过持续的专业化模块开发、排水防涝设施数据的动态更新和相应硬件支撑平台的建设,全面提升排水防涝设施的运营管理水平和规划决策水平,为预防城市内涝灾害、保障城市基础设施安全运行提供现代化的信息管理手段。