大型廠區(qū)二、三維一體化總圖管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉延磊，李 勇，何 慶，劉甲軍

(山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250100)

我國(guó)石化企業(yè)、鋼鐵冶金企業(yè)、裝備制造企業(yè)等大都具有廠區(qū)規(guī)模大、建廠時(shí)間久的特點(diǎn)，而且為了適應(yīng)生產(chǎn)、發(fā)展的需要，大多都進(jìn)行過(guò)多次改造，廠區(qū)基建資料繁雜、支離破碎、記憶不清，地下管線也較城市管線更加密集、復(fù)雜，致使有效管理十分不便、安全事故時(shí)有發(fā)生。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，廠區(qū)改造頻率將大大提高，因此大型廠區(qū)總圖管理采取先進(jìn)而有效的手段就顯得十分重要和緊迫。

隨著GIS應(yīng)用漸趨成熟，以及在城市管理各領(lǐng)域的成功應(yīng)用，部分大型企業(yè)率先將GIS技術(shù)引入到廠區(qū)總圖管理中。二、三維一體化技術(shù)融合二維和三維GIS優(yōu)勢(shì)，使一個(gè)系統(tǒng)中能夠同時(shí)包含二維和三維GIS的功能。采用二、三維一體化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大型廠區(qū)地上建筑物、地下管線等的綜合化、立體化管理，不僅能為土地利用、資源管理、工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃、管理決策、應(yīng)急響應(yīng)等提供翔實(shí)的信息支撐與服務(wù)，而且可對(duì)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

二、三維一體化總圖管理信息系統(tǒng)二維功能采用ArcGISEngine作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的底層組件，三維功能采用Skyline作為底層組件，采用微軟公司的Visual Studio2008為開(kāi)發(fā)工具，C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，以O(shè)racle為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，以ArcSDE為空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎來(lái)完成本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā);三維模型利用3ds Max軟件構(gòu)建。

如圖1所示，系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，提供地圖瀏覽、報(bào)表輸出、地圖打印、管線管理與編輯、管線更新、管線分析、信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、安全管理、系統(tǒng)管理;三維地圖瀏覽、管線分析、查詢、量測(cè)、二、三維聯(lián)動(dòng)等功能。C/S主要通過(guò)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享，更適合企業(yè)內(nèi)部管理、使用安全，滿足對(duì)地下管線的管理。

通過(guò)二、三維聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維模塊與三維模塊的結(jié)合，其中二維模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)、編輯管理、空間分析、輸出等;三維模塊主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)展現(xiàn)，特別是地下管線空間的關(guān)系，有利于了解當(dāng)前地下管線的敷設(shè)情況，避免事故的發(fā)生，指導(dǎo)廠區(qū)下一步的規(guī)劃改造。

二、數(shù)據(jù)庫(kù)建立

系統(tǒng)數(shù)據(jù)涉及的數(shù)據(jù)包括廠區(qū)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等，以及系統(tǒng)運(yùn)行的配置數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.數(shù)據(jù)獲取與處理

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

從廠區(qū)1∶500數(shù)字線劃地圖(DLG)中提取以下信息：水系及附屬設(shè)施、建筑用地及附屬設(shè)施、交通及附屬設(shè)施、植被、建筑名數(shù)據(jù)及其屬性、其他重要的設(shè)施信息點(diǎn)及其屬性。遵循和諧美觀、易識(shí)別等電子地圖配圖原則，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)地圖要素進(jìn)行詳細(xì)分層、地理編碼、命名、符號(hào)化、添加注記等，形成廠區(qū)電子地圖。

廠區(qū)高分辨率影像(0.05～0.5 m分辨率)一般有航片或衛(wèi)片(QuickBird等)，航片可通過(guò)航空攝影測(cè)量等獲取;高程模型DEM則可根據(jù)基礎(chǔ)測(cè)繪資料或探測(cè)成果生成。利用高分辨率影像及高程數(shù)據(jù)生成三維場(chǎng)景。

(2)索引數(shù)據(jù)

從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖層或廠區(qū)規(guī)劃圖中提取道路、重點(diǎn)建筑物、廠內(nèi)重要設(shè)施信息點(diǎn)等的位置信息，并對(duì)每一地物賦予準(zhǔn)確的名稱、地理編碼，作為地圖索引數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)廠區(qū)位置的快速定位調(diào)圖功能。索引數(shù)據(jù)要求盡量詳細(xì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(3)地下管線數(shù)據(jù)

地下管線數(shù)據(jù)以及地上管廊數(shù)據(jù)一般來(lái)自地下管線探測(cè)普查。由具有地下管線探測(cè)資質(zhì)的公司按照地下管線探測(cè)規(guī)程進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，形成外業(yè)探測(cè)管線庫(kù)，然后將外業(yè)探測(cè)庫(kù)經(jīng)過(guò)管線、點(diǎn)一致性等檢查后，進(jìn)行管線成圖，生成矢量管線庫(kù)。所有管線、管點(diǎn)屬性表結(jié)構(gòu)應(yīng)完全相同，地下管線的屬性一般包括材質(zhì)、管徑、建設(shè)年代、起點(diǎn)高程、起點(diǎn)埋深、起點(diǎn)管點(diǎn)編號(hào)、終點(diǎn)高程、終點(diǎn)埋深、終點(diǎn)管點(diǎn)編號(hào)等。管點(diǎn)屬性一般包括X、Y坐標(biāo)、特征、附屬物、高程、埋深等。

2.三維模型處理

三維建模流程一般為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取，紋理數(shù)據(jù)獲取，模型制作，模型檢查和成果提交。地上建筑物模型表面紋理利用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍射獲取，以使模型更加接近真實(shí)世界，利用3ds Max軟件人工逐一構(gòu)建建筑物模型。地下管線三維模型是由程序根據(jù)管線的坐標(biāo)、高程、埋深、材質(zhì)、管徑等信息自動(dòng)生成，抽象生成的管線模型盡量接近客觀世界的三維符號(hào)、簡(jiǎn)明且易判別。

3.數(shù)據(jù)建庫(kù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)等統(tǒng)一采用Geodatabase數(shù)據(jù)模型進(jìn)行存儲(chǔ)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的Geodatabase使用范圍廣，支持海量數(shù)據(jù)以及多用戶并發(fā)訪問(wèn)、版本管理等。系統(tǒng)采用目前空間數(shù)據(jù)的主流管理方式：ArcSDE+Oracle。將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)集中在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，借助關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、有效的管理，保證空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)間的一致性和完整性。根據(jù)不同的應(yīng)用功能，建立了系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶權(quán)限數(shù)據(jù)庫(kù)、地圖定義數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)界面控制數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)庫(kù)、專題應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)異常信息數(shù)據(jù)庫(kù)等。

三、二、三維一體化

GIS的優(yōu)勢(shì)在于能夠直觀直接地展示復(fù)雜的地理信息，同時(shí)具有強(qiáng)大的空間分析功能。二維GIS擁有成熟的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、多種多樣的專題圖和統(tǒng)計(jì)圖、豐富的查詢、強(qiáng)大的分析手段、成熟的業(yè)務(wù)處理流程等。三維GIS相比二維GIS更接近于人的視覺(jué)習(xí)慣，具有更加直觀、更加具體的優(yōu)勢(shì)，能夠更具體地表達(dá)空間關(guān)系，容易被更多的用戶所接受。二、三維一體化技術(shù)融合了二維和三維GIS的優(yōu)勢(shì)，使一個(gè)系統(tǒng)中能夠同時(shí)包含二維和三維GIS的功能。

在大型廠區(qū)二、三維一體化總圖管理信息系統(tǒng)中，采用二、三維一體化技術(shù)對(duì)綜合構(gòu)建地上建筑物、地下管線等的三維實(shí)景模型，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)管線的查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析、數(shù)據(jù)編輯更新、應(yīng)急決策、輔助設(shè)計(jì)、三維空間分析等功能，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)總圖綜合化、可視化管理。

四、系統(tǒng)主要功能模塊

1.基本功能

系統(tǒng)提供GIS系統(tǒng)常規(guī)的地圖操作功能，如地圖瀏覽、地圖定位、屬性查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、量測(cè)標(biāo)注、輸出等，這些操作相互配合使用，能夠幫助用戶快速的了解廠區(qū)總圖現(xiàn)狀信息，并可將相關(guān)信息打印輸出。

2.管線分析

提供管線橫斷面分析、縱斷面分析等功能，并將分析結(jié)果以圖件和數(shù)字的形式展現(xiàn)給用戶，使用戶更加直觀地了解該具體位置的地下管線情況(見(jiàn)圖2)。

管線垂直凈距分析、水平凈距分析、覆土深度分析等用于判斷具體位置的管線敷設(shè)是否符號(hào)國(guó)家管線埋設(shè)規(guī)范;首先選定管線上的某個(gè)點(diǎn)，判定管線類型，然后進(jìn)行空間運(yùn)算內(nèi)插得到該管線該點(diǎn)處的空間位置、埋深等信息，計(jì)算相應(yīng)的水平、垂直凈距、埋深等，將數(shù)值與管線埋設(shè)規(guī)范比較，以判斷是否符合規(guī)范，如不符則給出提示。

當(dāng)某段給水或燃?xì)夤芫€發(fā)生爆管事故時(shí)，可利用該功能在地圖上搜索需要關(guān)閉的閥門，并幫助用戶快速定位到應(yīng)關(guān)閉的閥門位置，得知相應(yīng)的閥門屬性信息，最大限度減少損失，避免引起人身安全。

圖2 縱斷面分析圖

3.管線編輯

當(dāng)對(duì)地下管線進(jìn)行改造、更新時(shí)，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編輯，以保證數(shù)據(jù)的有效性，方便管理。包括添加、刪除管線、管點(diǎn)，修改管線、管點(diǎn)屬性，改變管線走向等。

4.地形編輯

當(dāng)廠區(qū)部分區(qū)域重新規(guī)劃或進(jìn)行修建性改造時(shí)，需及時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯管理，以保證地形數(shù)據(jù)的有效性，方便管理。包括添加、刪除地物點(diǎn)、線、面，修改屬性信息，修改點(diǎn)、線、面位置等。

5.輔助設(shè)計(jì)

當(dāng)城市內(nèi)某條道路要進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)，利用道路擴(kuò)建分析功能可對(duì)因道路擴(kuò)建影響到的房屋、綠地、管線等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出受影響的范圍，生成報(bào)表。

利用管線規(guī)劃設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)新管線，使設(shè)計(jì)的管線符合各規(guī)范值(水平凈距、垂直凈距、覆土深度等)。

當(dāng)某區(qū)域發(fā)拆遷改造時(shí)，可以利用范圍拆遷功能對(duì)該區(qū)域進(jìn)行分析，確定該區(qū)域內(nèi)因拆遷而影響到的建筑物、綠地、控制點(diǎn)、管線等，生成報(bào)表。

6.三維空間分析

三維模塊同樣提供管線垂直凈距分析、水平凈距分析功能，分析結(jié)果更加直觀。同時(shí)提供地面挖洞分析、沿道路挖洞分析等開(kāi)挖功能，幫助用戶隨時(shí)了解具體位置地下管線的空間位置信息，對(duì)施工、決策提供參考。

五、應(yīng)用案例

攀鋼集團(tuán)是中國(guó)最大、世界第二的產(chǎn)釩企業(yè)，有40多年的歷史，冷軋廠規(guī)模巨大，所處地理位置地形起伏較大，并且為適應(yīng)企業(yè)發(fā)展，廠區(qū)經(jīng)過(guò)多次改造、建設(shè)，并有大量的人員變動(dòng)，導(dǎo)致基建資料雜亂無(wú)章，特別是地下管線現(xiàn)狀不清，總圖管理十分不便。為了更加有效地進(jìn)行總圖管理，摸清現(xiàn)狀，攀鋼集團(tuán)投入大量人力、物力建設(shè)完成攀鋼二、三維一體化總圖管理信息系統(tǒng)，構(gòu)建了地上建筑和地下管線的三維實(shí)景模型，開(kāi)發(fā)完成了地下管線的查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析、應(yīng)急決策、輔助設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)更新等功能，實(shí)現(xiàn)總圖管理工作的可視化，大大提高了總圖管理信息化進(jìn)程和管理效率(如圖3、圖4所示)。

圖3 攀鋼二、三維一體化總圖管理信息系統(tǒng)的二維界面

圖4 攀鋼二、三維一體化總圖管理信息系統(tǒng)的三維界面

六、結(jié)束語(yǔ)

總圖管理信息化是大型生產(chǎn)制造企業(yè)信息化工作的重要組成部分。基于大型廠區(qū)總圖管理現(xiàn)狀，綜合運(yùn)用二、三維一體化技術(shù)，整理總圖資料，構(gòu)建廠區(qū)地上建筑和地下管線的三維實(shí)景模型，建設(shè)二、三維一體化的總圖管理系統(tǒng)，能夠使廠區(qū)總圖管理工作可視化、具體化，使總圖管理工作能夠適應(yīng)并滿足企業(yè)的發(fā)展需要和信息化進(jìn)程。

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