GIS在材料工程应用

应用gis为金属材料工程服务，建立空间数据库是基础，空间分析是核心。数字地形信息是gis的重组成部分，是地理空间数据的基本信息之一。地形图为各种勘察、规划、设计的地理信息载体，地形图数据要同时满足测绘制图、gis数据交换及分发的需要。

因此，建立gis的第一步是设计并建立数字地图数据库。已有的autocad数字地形图只是gis数据库建立的数字化形式的基础数据源，将已有的 autocad数字地形图数据转换为满足gis要求的数据格式，已为技术所需。空间数据信息包括3方面：

空间定位信息（实体的坐标）、空间关系及属性数据。实际应用中，cad/gis数据转换可分为直接转换和间接转换两种方法［5］。而地图生产中矢量数据格式的转换有两种方法，即自行编程转换法和商品软件工具转换法［6］。

自行编程转换是使用计算机程序语言（如vb、vc、deph i等）自行编制程序，并通过运行程序来实现。软件工具转换，则是通过某一制图系统软件的转入、转出的功能菜单选项来实现，例如arcgis软件工具。

基于gis的金属材料工程施工可视化管大型金属材料水电工程施工是一项复杂而又艰巨的工作，利用计算机进行辅助管理是人们一直所追求的目标。因此，把gis技术应用于金属材料水电工程施工管理领域，来辅助工程施工管理、模拟**施工过程，以及进行地形地质的数字化与可视化，是一种新的发展方向。以信息的数字化、直观化、可视化为出发点，gis可将复杂的工程施工过程以可视化的形式表达出来，为全面、准确、快速地分析掌握工程施工全过程提供有力地分析工具，实现工程施工信息的高效应用和科学管理。

gis的应用，将推动金属材料水电工程施工的数字化、可视化、智能化的发展。

系统**技术是随着计算机科学与技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。现代**技术已成为分析、研究、评价和管理复杂系统不可缺少的重要手段，为大型金属材料工程施工管理提供了有效的途径。集面向对象图形建模技术、动态**技术、可视化技术、动画技术及数据库技术于一体的可视化**技术正是当前先进**技术与应用研究的核心。

目前，gis与可视化**结合的方式主要包括：①融合式。这种集成方式数据传递方便高效，操作简便，但开发费用高，开发周期长；②扩展式。

通过建立扩展模块来实现数据相互交换和信息共享，此方式开发简便、费用低廉，两者具有相对独立性及可扩展性，便于系统的维护及进一步开发。涉及虚拟地形的实时可视化技术，及基于分形理论的实时可视化的动态扩展技术等，目前是研究的热点。

地理信息系统(geographic information system 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。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。

目前世界上常用的gis软件已达400多种。它们大小不一，风格各异。国外较著名的有arc/info，genamap，mge等；国内较著名的有map/gis，geostar和citystar等。

虽然gis起步晚，但它发展快，目前已成功地应用到一百多个领域。

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。

在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害**、投资评价、城市规划建设、**管理等众多领域。近年来，随我国经济建设的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。下面先从gis理论上提炼和归纳，然后给出应用的例子。

地理信息系统在地理空间数据管理中的应用，即以多种方式录入的地理数据，以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护、进行快速查询检索，以多种方式输出决策所需的地理空间信息。目前流行的数据库管理系统，与gis中数据库管理系统在对地理空间数据的管理上，存在两个明显的不足；一是缺乏空间实体定义能力；二是缺乏空间关系查寻能力，这使得gis 在对空间数据管理上的应用日趋活跃。如arc／info在公路管理中的应用；arc／info在对市政设施管理中的应用。

后者如北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线(包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线)以及测量控制网，规划路等基础测绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统。从而实现了对地下管线信息的全面的现代化管理。为城市规划设计与管理部门、市政工程设计与管理部门、城市交通部门与道路建设部门等提供地下管线及其它测绘部门的查询服务。

视化早期受限于计算机二维图形软硬件显示技术的发展，大量的研究放在图形显示的算法上，如画线、颜色设计、选择符号填充、图形打印等[1]。随着全球地理变化，区域可持续发展，环境科学等的发展，时间维越来越被重视。而计算机科学的发展，如处理速度加快、处理与存贮数据的容量加大，数据库理论的发展等使得动态地处理具有复杂空间关系的大数据量成为可能，从而使得时态ｇｉｓ时空数据模型、图形实时动态显示与反馈等的研究方兴未艾。

地理信息系统的可视化表现包括图形图像的生成和空间数据的查询分析，是将已经获取的各种地理空间数据，经空间可视化模型的计算机分析，转换成可以被人的视觉感知的计算机二维图形和图像以及用于对数据进行分析评价的可视化表达的散点图、直方图和条形图表等。地理空间数据包括图形、图像和属性信息、还包括与地理对象有关的音频、**、动画等多**信息。基于ｇｉｓ的**可视化表现在**建模过程中利用ｇｉｓ的信息可视化采集，以及在**计算过程中基于ｇｉｓ的动态信息可视化表达与显示。

ｇｉ利用其特有的数字化技术把系统中所有实体对象的空间数据(图形)与属性均用数据形式匹配着存储在空间数据库中，所以得到了实体对象的屏幕图形也就得到了与之相关的空间坐标、拓扑关系及其它相关属性。因此，利用ｇｉｓ的数据可视化获取就表现为系统**建模和计算过程中通过直接访问空间对象获取其相应属性的过程。同时，在可视化**过程中，用户可以通过系统提供的操作界面随着**反馈的直观图像结果来同步保持**过程的交互控制，直到对**的现象获得理解与洞察。

在工程项目进行过程中，可利用ｇｉｓ作为强大的数据库的功能存储工程进程中的各项数据，如建筑物周围的地形、建筑物布置设计及断面形状、尺寸图形及属性数据，把它们放在数据库中，利用数据库管理系统对其进行高效、方便的管理。运用ｇｉｓ的空间分析功能，并将数据进行合理分类和精简处理，例如按施工日期的顺序进行合并、排序，生成易于管理和操作的空间数据库[7]。然后用直观的图形图像方式表达出来。

随着计算机技术、信息技术和网络技术的发展，空间地理数据可视化的表现方法和模式也正在日新月异地改变。

国内金属材料系统中的应用集中在输配水管网的日常管理中，如上海、深圳、唐山等城市。天津大学环境工程系也曾根据金属材料企业的要求，先后以北京大学的citystar和中国地质大学(武汉)的mapgis为软件开发平台，建立了城市金属材料管网管理系统，实现了金属材料管网图形数据和属性数据的计算机录入、修改；对管线及各种设施进行属性查询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形(包括管线的横断面图和纵断面图)及统计分析报表显示和输出；除此之外，还为爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息，从而基本实现了金属材料管网的信息化管理。通过gis的集成，使管网图形库、属性数据库及外部数据库融为一体，不仅**并茂、准确高效，而且易于动态更新，从而大大提高了管网管理工作的效率和质当然，gis应用于金属材料系统所产生的功效还远不止于此。

就gis本身而言，对空间数据的管理只是最基本的功能，而更深刻的内涵在于gis的空间分析、模型分析所产生的信息，能够对自然过程或决策方案进行模拟和趋势**，以便从中选择最优方案，避免管理和决策的失误。

因此，gis在金属材料系统中的应用，就不能仅仅作为一个图形库和数据库只是停留在管网日常管理的水平上，还应该利用gis分析、模拟与**的强大功能，与专业理论、方法相结合，进行深度开发，为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策支持。目前我国大、中城市管网更新改造的任务逐年加大，迫切需求实用的管网金属材料分析及扩建改造优化设计的软件系统。然而，尽管近年来有关管网优化设计理论和方法的研究日趋成熟，但其应用并不广泛，究其原因就在于优化模型的建立及其解法与编程，对于部分设计人员来讲难度较大，尤其是扩建、改造方面的优化，不仅涉及的问题比较复杂，而且往往需要庞大的数据量。

而解决这一难题的有效办法就是将管网计算理论、系统优化理论与gis相结合，凭藉gis强大的空间数据管理功能，利用gis上的实际管网图构造出管网计算图形，并从gi s的属性数据库中提取有关数据，通过编制计算程序，进行管网金属材料工况分析。在此基础上再将gis的网络分析与优化模型的建立及求解融合在一起，建立一个管网扩建、改造优化的辅助设计系统。这样不仅将优化设计的思想、方法渗透到管网建设中，有利于城市金属材料管网的合理布局与科学调整，为日后管网的优化调度奠定良好的基础；而且通过gis将管网大量的基础数据、金属材料分析计算、优化设计计算以及设计方案输出等集成为易于操作的专业软件，为设计人员的实际应用提供了极大方便。

设计优化的最终目的是运行优化。一个大型、复杂的管网做到安全可靠、经济合理的运行并非易事。从长远目标来看，根据可靠、准确的管网运行资料，建立管网数学模型，并据此对管网运行工况进行动态模拟，是实现管网优化运行的必经之路。

而在管网建模过程中，gis以其独特的优势，将作为对管网运行实施信息模拟不可替代的工具。在gis的支持下，管网的结构参数和状态参数融为一体，可以利用gis数字高程模型，模拟管网水压分布状态，并以二维或三维图形直观显示；也可以在多水源管网中寻求管网内金属材料分界线的变化规律，以合理设置金属材料分界地带的测压点，并确定各测压点之间的相关关系，为优化调度提供决策依据。

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