摘要：天津市市政设施种类较多，各类设施属性要求比较独立，而构建数据管理系统可以帮助数据维护人员完成数据规整、检查、入库、备份和恢复工作，以保证市政设施数据库的完整性、规范性、现势性和安全性。并实现市政设施数据的预处理、入库、更新、编辑、管理、浏览、定位、查询分析、数据提取与输出、地图制图、报表统计、空间分析、历史数据管理与回溯以及数据维护管理等功能。本论文结合工程实践，提出了具体的解决方案。
关键词：市政设施 数据管理 系统
一、引言
近20年，天津市高速发展，城市人口不断增长，规模不断扩大，城市基础设施数量巨大，种类繁杂。但是由于信息割据，科学的城市管理手段和城市基础市政管理平台等极度缺乏，导致无法及时掌握基础市政具体情况。如果市政公路局管理工作效率得不到提高，就会严重制约城市高效发展后劲和城市管理效能跃升。所以，建设“数字市政”，是构建“和谐天津”的必然要求。
道路、桥梁、排水等市政公路基础设施，就像城市的骨架、血管和神经，对整个城市系统的正常运转起着举足轻重的作用。它不仅包括基础设施建设，而且包括系统化的运营管理和持续性的维护更新。通过“数字市政”的建设可以较以往更准确地掌握市政公路设施的运行状态和养护状况，并提出科学、合理的养护计划和措施，将有效地降低维护管理费用，提高市政公路设施的运行效能。在遇到突发事件时，通过“数字市政”平台，可以快速地查阅、分析相关信息，系统可以根据突发事件或灾害事件的类型、严重程度等各种条件的不同，启动相应的应急预案，为各类抢险赢得宝贵时间。
数据库管理系统主要面向数据库管理部门，主要实现基础地理数据和市政数据的预处理、入库、更新、编辑、管理、浏览、定位、查询分析、数据提取与输出、地图制图、报表统计、空间分析、历史数据管理与回溯以及数据维护管理等功能。
二、总体设计
1、系统设计总体原则
本系统采用面向对象的设计方法，根据需求将系统中功能相近的组织成模块，将模块中共用的处理封装成相应处理类。具体来说，设计时考虑从三个层面进行组织：逻辑处理层、界面控制层、界面表现层。
（1）分层设计原则，将逻辑处理和界面、以及人机交互处理分离，以提高代码和模块的重用性；
（2）灵活性原则，系统功能的实现要易修改和易配置；
（3）易扩展原则，系统框架的设计和核心模块的设计，需易于扩展，以满足未来功能扩展的需要；
（4）易用原则，系统中易理解和实现的功能，设计尽量简略；应尽量采用默认设置以减少用户的操作步骤；对于系统中的核心功能、用户比较关注的功能要尽量详细。
2、系统总体结构设计
采用客户机/服务器（Client/Server，简称C/S）架构模式，基于Microsoft Visual Studio 2005进行开发，GIS开发平台为ArcGIS Engine 9.3。
3、用户交互设计
本系统存在较多GIS应用，人机交互频繁且复杂。为让用户高效完成工作，系统所有的人机交互都采用向导式界面指导用户一步步完成交互操作，同时，在交互过程中，尽量提供默认设置，以尽量减少用户输入的数据，并提供详细的说明，帮助用户完成操作。
采用Windows的图形用户界面（GUI）标准和界面风格，使用菜单、工具按钮、快捷键、帮助提示。在地图浏览显示时支持鼠标快速操作，如鼠标双击显示全图区域，鼠标右键拖动进行地图平移。支持操作标准界面的用户屏幕分辨率不低1024*768，增强16位色。界面元素表现基本规范有：
（1）鼠标光标样式统一，没有特殊需要的情况下全部使用Windows系统标准；
（2）提示信息、帮助文档文字表达必须遵循以下准则：口语化、客气、多用您、请，不要用或少用专业术语，杜绝错别字；断句逗号句号顿号分号的用法，提示信息比较多的话，应该分段；警告、信息和错误应使用Windows操作系统对应的表示方法；使用统一的语言描述，例如对于关闭功能按钮，可以描述为退出、返回、关闭，则应该统一规定其代表的含义；
（3）对于查询类功能需求，要本着尽可能减少输入的原则，设计实现查询，比如对于文本输入信息查询，应首先在列表中提供可选的查询项，并在文本输入中提供模糊输入、列表项自动过滤的功能，来提高用户确定查询对象的速度和操作上的易用性；
（4）窗体中控件的Tab按键激活顺序为从上到下，从左到右；
（5）对于窗体操作，要设置默认加速键，回车表示激活当前窗口设置为default的按钮动作，esc表示关闭窗口（在调用default按钮动作和关闭动作时，不应该做有破坏性的操作，避免用户错误操作产生危害程度，例如不能把删除数据等功能的按钮作为缺省按钮。当用户要提交很多数据时，应该屏蔽Esc，或者做退出提示，询问用户是否保存提交）；
（6）窗口弹出位置要明显（点击一个控件，弹出窗口或者菜单时，应该给用户明显提示，最低要求是覆盖刚才点击的位置，让用户轻松跳转到新的界面）。
4、物理模块命名规则
本项目中新开发模块的命名规则如下：
（1）对于市政专用的各子系统公共模块，以DS_开头，后加模块的名称的英文单词缩写，如：DS_AppAnalysisUI；
（2）对于数据库管理系统中使用的各个模块，模块的名称应根据相关功能使用英文单词缩写，如：用于分析功能的模块DS_AppAnalysisUC；
（3）界面模块一般以UI结尾，逻辑处理以UC结尾，框架以Frame结尾。
5、代码目录组织形式
代码目录组织形式将完全遵循软件行业《通用代码规范》及开发公司发布的代码规范标准中规定的目录组织形式。
6、系统保密设计
系统数据采用集中式数据存储管理方案。
(1)通常情况下，数据库安装部署完成后，应及时修改Oracle系统的缺省系统用户sys、system用户口令。
(2)对于空间数据库引擎ArcSDE的系统用户，要修改其缺省的用户口令“SDE”，以免其他用户通过空间数据库系统外的工具连接空间数据库并访问获取空间数据。
7、功能设计
除具有通用的GIS功能外，还提供数据检查入库、查询定位、统计分析、应用分析、数据调阅、打印制图和历史数据管理，数据恢复与备份等功能。
三、功能实现
1、系统运行环境
（1）服务器
硬件环境：
CPU：2GHz以上4核，内存：8GB以上，可用硬盘空间: 400GB以上（支持raid备份）。
软件环境：
服务器操作系统： Windows2003 server，数据库： Oracle 10g，SDE服务器： ArcSDE9.3 for Oracle10g。
（2）客户端
硬件环境： CPU 3GHz以上，内存4G以上，硬盘200G以上。
软件环境：.Net Framework2.0、ArcGIS Engine 9.3 Runtime + SP1、Oracle 10g客户端、Ms Office2003或更高、AutoCAD 2004以上、DevExpress8.2.2开发环境。
（3）开发环境
操作系统：Windows XP
开发软件：Visual Studio .Net 2005，同时需Developer Express界面库
GIS开发软件：ArcGIS Engine 9.3 Develop Kit
GIS应用软件：ArcGIS Desktop 9.3（用于数据浏览和结果测试）
设计软件：Enterprise Architect 7.0，MicroSoft Office Visio 2003或更高
数据库环境：Oracle10g
数据引擎软件：ArcSDE9.3
2、系统功能界面
功能如下：
（1）数据规整
数据规整在CAD中进行操作，是个单独的数据处理工具，数据规整模块里面包含了数据规整和数据检测两大部分。
启动CAD并加载数据检测与规整工具。
主要功能有：根据注册名删除扩展属性、删除所有扩展属性、注记转换为属性、提取实体边界、反转polyline方向、批量做块、还有显示符号意义、几何类型、生产扩展属性、扩展数据管理器、扩展属性复制、图案填充边界、提取多边线边界、、自动分层等功能。
（2）数据检测
数据是GIS系统的血液，GIS系统分析和决策的依据就是各个领域的业务或者空间数据，所以保证GIS数据的完整性和正确性是保证GIS系统正常运行的基础条件。然而面对大量的GIS数据，难免会有些脏数据或者冗余数据的存在，通过数据检测，我们可以找出有问题的数据，并做相应的操作处理，保证数据的正确性。
主要功能有：删除碎线和空注记、悬挂线、回头线以及自相交线检测、多扩展属性检查、几何编码检测、必填扩展属性核查、导入并定位图元。
（3）数据检查
实现对基础地理数据、公路设施数据和道桥设施数据的检查功能。只有通过检查的数据方能入库，才能保证数据的正确性和规范性。具体功能包括：创建工程、创建检查任务、执行检查任务、打开检查任务和检查结果审核。数据在入库之前需要进行监理检查，检查合格的数据才能入库。检查内容包括：检查空值、编码唯一性、拓扑关系、通过sql语句检查数据类型、长度等。
执行创建好的检查任务，根据检查任务的设定，使用相应的检查方案对相应的数据进行入库检查，检查完成后给出相应的检查结果。
（4）数据导入
将检查合格的数据导入系统数据库。在数据入库的过程中，需保存入库日志，便于用户查询、追溯入库过程中出现错误的数据内容。
数据检查完成通过审查之后，先录入工作库，待系统所有功能运行正常，未发现数据异常之后再经过审核方能录入正式库，避免数据直接录入正式库造成的系统风险，整个入库流程需要严格控制，以使数据入库更新风险可控，保证系统安全。
（5）数据应用
数据应用主要分两个模块：设施查询和应用分析。
设施查询有选择查询、地名查询、多边形条件查询和条件查询等多种查询方式。各个查询方式可以设置不同的查询条件，最后把查询结果高亮显示在地图上。数据查询是GIS的一个重要功能，一般定义为作用在GIS数据上的函数，它返回满足条件的内容。查询是用户与系统交流的途径。查询是GIS用户最经常使用的功能，用户提出的很大一部分问题都可以以查询的方式解决，查询的方法和查询的范围在很大程度上决定了GIS的应用程度和应用水平。数据查询是GIS的一个非常重要的功能，定位空间对象、提取对象信息，是地理信息系统进行高层次空间分析的基础。
由于GIS数据包括图形信息、属性信息，因此GIS数据查询实际上主要包含了图形和属性的双向查询。空间查询就是通过鼠标在地图上的操作查找相关地物，高亮显示查到的地物，并列出其属性如名称等。属性查询是通过输入属性，如名称等，查找地图上的地物，显示在地图中央，并显示其坐标等信息。
GIS系统区别于其他管理信息系统的最主要特征，是它具有管理地理空间数据，并能按照其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力。它对地理空间数据的这种处理分析功能，组成了地理信息系统实际应用的主要方面，使GIS更具规划、管理、决策作用。
缓冲区是根据点、线、面地理实体，建立起周围一定宽度范围内的扩展距离图，缓冲区的作用是用来限定所需处理的专题数据的空间范围，一般认为缓冲区以内的信息均是与构成缓冲区的核心实体相关的，及邻接或关联关系，而缓冲区以外的数据与分析无关。
（6）数据调阅
对于纷杂庞大的gis数据，有时候我们需要针对某个区域或某个要素进行查看和分析。调图功能将地图定位到较小，较准确的范围，这样既可以排除其他地图信息在视觉上对用户的干扰，还可以减少查询和分析条件，从而能更快更准确的获取结果。
（7）历史数据管理
历史数据管理包括归档标识管理、归档数据浏览和恢复、归档数据导出、归档数据删除等。
数据的现势性对于一个信息系统来说是非常关键的，因此需要定期或者不定期对数据进行更新，以保证信息系统对业务活动做出贴合实际情况的决策分析。事实证明，很多信息系统的功能非常强大，但由于数据的陈旧而不能发挥应有的作用，最终导致系统的瘫痪。
除了数据的现势性非常重要以外，数据更新过程中产生的历史数据也非常重要，因为它蕴含丰富的信息，可以提炼出很多有价值的信息。因此历史数据管理也是一项非常重要的工作，历史数据归档是arcgis系统提供的一种历史数据管理方式。
历史数据归档实际上是将空间数据库的所有变化都保存下来，记录其变化的时间和变化后的状态，并且提供工具访问某一时刻或者某一时间段的数据库状态。历史数据归档功能所创建的历史数据档案库，因为具备时间属性，因此可以利用时间动画、动画图表以及历史数据回放功能，实现历史数据档案库的动态显示，反映事物和现象的动态变迁过程，更加直观。
（8）地图制作与打印
可进行标准图制作、线缓冲制图、选择集缓冲制图和矩形选择区域制图。可在制图窗口进行要素的增删、图面整饰等工作。
制图打印输出是GIS系统的常用功能之一，可以根据用户的需要制作打印整饰专题图。
（9）地图菜单
地图浏览主要实现空间图形（设施、基础地理）的浏览，包括：全图、前后视图、缩放、漫游、旋转等，其中，对于缩放功能，能实现固定倍数、固定比例和鼠标滚轮、拖放模式的缩放。
GIS数据的组织是有一定层次结构和不同的粒度，正是这样的结构使得我们有能力而且更加方便的管理和使用大量的gis数据。
（10）设施数据编辑
设施数据编辑模块主要包括要素的选择/增加/删除以及节点的编辑、捕捉、属性编辑、撤销/恢复等功能。
数据在入临时库过程中，如检查数据发现数据错误，需要对数据进行修改，此时可使用编辑功能，修改数据中的图形和属性错误。数据入正式库之后，在系统应用的过程如果需要进行少量的设施数据修改，如添加、删除少量设施或者修改少量设施的属性，也可以使用编辑功能。
在设施数据编辑之前首先要启动编辑。
（11）空间数据备份与恢复工具
数据是GIS系统的血液，GIS系统分析和决策的依据就是各个领域的业务或者空间数据，所以保证gis数据的完整性和正确性是保证gis系统正常运行的基础条件。GIS系统在运行过程中可能会遇到断电、操作人员的错误操作，操作系统被病毒攻击等异常情况，这些都有可能造成gis数据破坏或丢失，为了保证数据的正确性和一致性，备份和恢复功能尤为重要。
3、系统更新管理
系统数据获取和维护机制是系统建设的重要内容和系统长期运行的保证条件，定期组织进行数据的更新，这种方式有效地保证了系统数据的准确性和可维护性。
并结合ArcGIS技术提供离线编辑和版本更新机制，主要是通过数据迁出、数据迁入、并行版本控制等操作来实现。
四、系统质量评价
系统质量评价经过项目组12轮测试和用户的试用，系统的安装、功能、可靠性等测试用例执行结果都达到了测试完成标准，缺陷状态也满足测试完成标准，缺陷验证任务已基本完成。测试反映出bug大多与系统的代码质量和页面设计有关。系统总体的质量比较高，系统运行稳定。
按照缺陷等级统计，该系统一级、二级缺陷占总缺陷的84.0%，严重缺陷个数较少，版本质量相对较高；按照缺陷类型统计，该系统的缺陷类型多属于代码错误和界面缺陷，这两类缺陷各占总缺陷的91.1%。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。