城市排水系统是重要的市政工程设施之一。近年来,作为“智慧城市”中不可或缺的内容,“智慧管网”的建设已上升至国家战略高度。智能化的城市排水系统,不仅要实现对现有设施的数字化管理,还需能够提供排水防涝的模拟分析、实时监测等功能,这就需要系统能够基于城市级、甚至“城市群”量级的管网数据执行准确而高效的空间拓扑分析。排水拓扑空间数据模型的选择体现出对排水系统拓扑特征的表达程度,并直接关系到空间拓扑分析的准确性和效率。当前的排水系统拓扑分析主要基于两种模型结构,一种是适用于小范围地下管网规划的拓扑模型。这类模型的运算效率较高,但在城市级管网数据量下,表现出很低的存储效率和较高的构建难度。另一种是属性拓扑结构。这种结构依赖于数据库,可高效执行大量数据的简单事务处理,被广泛用于城市级管网管理平台,然而对于空间拓扑分析的支持存在局限性。首先,对拓扑特征的表达不充分,使运算逻辑还有很大的优化空间;再者,其物理机制导致了在复杂的拓扑分析中运算效率不十分出色,将成为未来“城市群”大数据高效、实时空间分析的瓶颈。本研究旨在从理论上解决城市排水拓扑模型的拓扑表达和分析效率问题,为实现城市排水系统海量数据的高效空间分析提供解决方案,为大数据背景下的排水防涝决策提供更有力的支持。本文依托“国家水体污染控制与治理科技重大专项”的子课题“城市排水GIS系统构建技术研究”开展城市排水拓扑空间数据模型研究。在充分分析城市排水业务的基础上,提出面向管网特征的排水拓扑空间数据模型。模型将排水工程与地学特性相结合,一方面在逻辑层面完善了拓扑关系描述,提高了拓扑特征的表达程度;另一方面从物理层面提高了运算效率。主要研究过程和成果如下:(1)面向管网特征的排水拓扑空间数据模型本文使用面向对象的方法依次从概念模型、逻辑模型、物理模型与拓扑数据存储、拓扑构建及动态更新四个层面展开。在概念和逻辑层面,对排水拓扑关系和对象进行更为精细的抽象,并制定拓扑规则。在物理存储层面,基于排水系统有向图的特征构建物理模型及相应的拓扑存储方式,并构建了基于该存储方式的拓扑动态更新算法。(2)基于改进十字链表的管线复合体结构索引方法为避免访问海量排水管网数据时响应时间延长、效率低下的问题,本研究提出了基于改进十字链表的管线复合体结构索引方法:将管线复合体结构作为索引的基本对象,同时改进了十字链表数据结构,使之与R+索引关联,提高了访问管线数据的效率,为海量数据的高效实时拓扑分析提供技术依据。(3)模型应用与实验将以上研究成果应用于镇江市排水管网地理信息系统,在系统中通过实际功能验证模型有效性和效率。实验表明,模型有效性上,本文得出的分析结果正确;模型效率上,在数据量较大条件下,本文模型具有更高的数据访问效率。数据显示,在管网面积较小的范围内,传统模型和本文模型查询差距不大,甚至略优于本文模型,但随着管网面积的增加,本文模型运算效率显示出较大优势:如当管网面积为12.59km2时,本文模型访问效率约为传统模型的3倍。