基于三維GIS的石化管網模型實現技術研究

摘 要：對于開發三維GIS石化管網系統來說，管網的三維建模是最重要的基礎工作。首先從系統功能、數據結構這兩方面探討了三維GIS石化管網系統的開發需求，然后基于三維建模軟件SketchUp和GIS軟件Google Earth探討了石化管網三維建模的實現技術，并提出了基于管網數據和管網節點數據這兩種三維建模的實現方法。

關鍵詞：三維建模；石化管網；三維GIS；管網系統

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）24-0016-02

相關資料表明，隨著石化企業管網系統復雜化程度的不斷加深，與管網相關的裝備故障越來越多（占所有裝備故障的70%～80%）。運用三維GIS（地理信息系統）來構建石化管網系統，可以很好地描述管網的復雜空間關系，從而輔助石化企業做好管網規劃、建設、管理等方面的工作。而要基于三維GIS來構建石化管網系統，管網（包括管線和管網節點）的三維建模是最重要的基礎工作，也是開發此類系統的難點之一。

1 三維GIS石化管網系統的開發需求

所謂“管網”，通常是指由管網節點將管線連接起來而構成的網絡系統。在石化企業中，管線包括管道、管塊、管溝等；管網節點包括管井、管閥和其他連接器件等。

1.1 系統功能分析

石化企業內部管網有油、氣、水、電、通信等多種類型，根據管道功能和傳輸物質等因素還可以分成許多小類。本文根據石化企業對管網管理的實際需求，只研究油管網、氣管網、水管網這三類管網的三維GIS。根據石化企業在管網規劃、建設、管理等方面的業務需求，三維GIS石化管網系統可以分成三維建模、數據管理、GIS操作、管網應用等四大功能子系統。其中，三維建模子系統包括管線三維建模、節點三維建模、其他（比如廠房、道路和其他設備等）三維建模等功能；數據管理子系統包括數據導入、數據導出、數據編輯、數據查詢、用戶管理等功能；GIS操作子系統包括地圖工具（比如平移、縮放、打印等）、空間測量、剖面分析、地圖制作、查詢統計等功能；管網應用子系統包括連通分析、相交分析、爆管分析、預警分析（管網壓力等數據不正常時預警）、影響分析（根據爆管、泄漏等狀況分析其影響區域）、應急指揮、造價概算等功能。

1.2 數據結構設計

為了開發出能夠很好地輔助石化企業做好管網規劃、建設、管理等工作的三維GIS石化管網系統，結合石化企業對管網系

統的功能需求，本文管線、管網節點的數據結構如表1、表2所示。需要說明的是，這種管網數據結構設計是存在一定的數據冗余問題的，但為了便于數據查詢和管網模型的自動生成，本文還是采用了這種數據結構設計。

2 石化管網三維建模的實現技術

當前，市場上有不少三維GIS平臺系統，比如Google Earth、ArcGIS、Skyline、Supermap等。這些三維GIS通常在地圖查詢、模型瀏覽、空間分析等方面具有很好的性能，但在三維建模方面的性能通常比較弱，因此，對于三維GIS的三維建模通常選用其他擅長三維建模的軟件來完成。為此，本文選用易于使用、

市場占有率高的3D設計軟件Google SketchUp（中文名稱“草圖大師”）來完成系統的三維建模工作，選用瀏覽性能優異、地圖資源豐富的Google Earth（中文名稱“谷歌地球”）作為石化管網系統的GIS基礎平臺。

2.1 石化管網三維建模的數據存儲

物體的三維模型構建完成后，需要以某種類型的文件將物體的三維模型數據存儲起來。KML文件是Google公司支持的一種用來描述、保存和顯示各種空間信息的文件格式。Google Earth和SketchUp都支持這種三維模型數據存儲文件格式。由于KML文件還是一種采用XML文件的語法格式和文件結構的純文本文件，非常適用于系統生成、更新其中的數據信息，因此對于選用SketchUp和Google Earth來開發的石化管網系統而言，KML是最佳的三維模型數據存儲文件類型。

2.2 石化管網三維建模的實現方法

根據表1、表2所示的石化管網數據結構表完成石化企業管網（管線和管網節點）的數據采集后，三維GIS石化管網系統能夠利用這些管網數據生成KML文件，從而通過SketchUp平臺完成石化管網的三維建模，進而導入GIS操作平臺（谷歌地球）形成三維GIS管網數據。由于管網是由管線和管網節點相連而構成的網絡，因此對于如何生成存儲三維模型數據的KML文件，有基于管網數據和管網節點數據這兩種管網三維建模實現方法。

2.2.1 基于管網數據的實現方法

對于石化管網三維建模，基于管網數據的實現方法是：①整理管網圖紙，并將圖紙分為油管、氣管、水管等類型；②對某種類型的管網圖紙，按表1、表2所示的數據結構表采集管線和管網節點數據（其中有些數據項可通過推導獲得），并生成相應的數據庫；③根據管網節點數據，按節點類型將管網節點制作成三維模型符號；④根據起點坐標（X，Y，Z）、終點坐標（X，Y，Z）、管徑、埋設類型、起點埋深、終點埋深、材質等管線數據生成描述管線三維模型的KML代碼；⑤結合三維模型符號，根據節點類型、節點符號坐標（X，Y，Z）、節點符號繞軸轉角（x，y，z）、埋設類型、地面高程、埋深、節點符號形狀參數、附屬物參數、材質等管網節點數據生成描述管網節點三維模型的KML代碼；⑥綜合步驟④和步驟⑤的KML代碼，按KML格式要求生成KML文件；⑦用SketchUp打開KML文件，修改完善管網的三維模型。

這種方法在管網圖紙和相關數據比較齊全的情況下是比較容易實現的，而且制作出來的模型比較精細。然而，在管網數據缺漏不全的情況下，許多數據可能還需要用現場測量等方法來采集，這時，此方法實現起來比較困難。

2.2.2 基于管網節點數據的實現方法

在管網數據缺漏不全的情況下，為了更便捷地完成石化管網的三維建模任務，本文提出了基于管網節點數據的石化管網三

維建模方法，具體為：①整理管網圖紙，并將圖紙分為油管、氣管、水管等類型；②分析某種類型管網圖紙的管網節點，并按表2所示的數據結構表采集所設定管網節點的相關數據；③根據表2中相連節點數據項的內容（與此節點有管線連接的其他節點的數據記錄），按表3所示的數據結構表采集相關數據；④根據管網節點數據，按節點類型將管網節點制作成三維模型符號；⑤結合三維模型符號，根據節點類型、節點符號坐標（X，Y，Z）、節點符號繞軸轉角（x，y，z）、埋設類型、地面高程、埋深、節點符號形狀參數、附屬物參數、材質等管網節點數據生成描述管網節點三維模型的KML代碼；⑥按表3所采集的數據生成描述管線三維模型的KML代碼；⑦綜合步驟⑤和步驟⑥的KML代碼，按KML格式要求生成KML文件；⑧用SketchUp打開KML文件，修改完善管網的三維模型。需要注意的是，在應用此方法時，必須確保步驟⑤所列的管網節點三維建模所需數據項和表3當前所列數據項的完整性，其他數據項則可根據相關應用來選擇。

這種方法所需要采集的數據比前一種方法少，有利于減少數據采集和整理的工作量，因而適用于管網數據缺漏不全的情況，但是其所構建的管網模型可能不如前一種精細，有些應用也可能會因為缺少數據而無法實現。

3 結束語

綜上所述，目前石化企業油、氣、水等類型的管網越來越復雜，而發生在管網上的裝備故障越來越多。基于擅長描述復雜空間關系的三維GIS技術來構成石化管網系統，為石化管網的管理打下了厚實的基礎。管網的三維建模是開發和應用三維GIS石化管網系統最重要的基礎工作。為此，本文在分析三維GIS石化管網系統需求的基礎上，探討了石化管網的三維建模技術，并提出了兩種具體的實現方法，以期為石化企業做好管網工作提供有益的參考。

參考文獻

[1]馬玉潔.GIS在石化裝置信息管理中的應用研究[D].大慶：大慶石油學院，2006.

[2]龔建橋.三維綜合管線管理系統關鍵技術研究與實現[D].武漢：華中師范大學，2012.

[3]姜波.三維地下綜合管網系統的設計及實現[J].城市勘測，2013（4）：53-55.

[4]陳子輝，胡建平，董春華.城市地下管網三維可視化實現技術研究[J].工程圖學學報，2010（6）：139-145.

————————

作者簡介：朱冠華（1979—），男，廣東韶關人，碩士，高級工程師，從事計算機應用、數字出版等方面的研究。

〔編輯：劉曉芳〕

2.2.2 基于管網節點數據的實現方法

在管網數據缺漏不全的情況下，為了更便捷地完成石化管網的三維建模任務，本文提出了基于管網節點數據的石化管網三

維建模方法，具體為：①整理管網圖紙，并將圖紙分為油管、氣管、水管等類型；②分析某種類型管網圖紙的管網節點，并按表2所示的數據結構表采集所設定管網節點的相關數據；③根據表2中相連節點數據項的內容（與此節點有管線連接的其他節點的數據記錄），按表3所示的數據結構表采集相關數據；④根據管網節點數據，按節點類型將管網節點制作成三維模型符號；⑤結合三維模型符號，根據節點類型、節點符號坐標（X，Y，Z）、節點符號繞軸轉角（x，y，z）、埋設類型、地面高程、埋深、節點符號形狀參數、附屬物參數、材質等管網節點數據生成描述管網節點三維模型的KML代碼；⑥按表3所采集的數據生成描述管線三維模型的KML代碼；⑦綜合步驟⑤和步驟⑥的KML代碼，按KML格式要求生成KML文件；⑧用SketchUp打開KML文件，修改完善管網的三維模型。需要注意的是，在應用此方法時，必須確保步驟⑤所列的管網節點三維建模所需數據項和表3當前所列數據項的完整性，其他數據項則可根據相關應用來選擇。

這種方法所需要采集的數據比前一種方法少，有利于減少數據采集和整理的工作量，因而適用于管網數據缺漏不全的情況，但是其所構建的管網模型可能不如前一種精細，有些應用也可能會因為缺少數據而無法實現。

3 結束語

綜上所述，目前石化企業油、氣、水等類型的管網越來越復雜，而發生在管網上的裝備故障越來越多。基于擅長描述復雜空間關系的三維GIS技術來構成石化管網系統，為石化管網的管理打下了厚實的基礎。管網的三維建模是開發和應用三維GIS石化管網系統最重要的基礎工作。為此，本文在分析三維GIS石化管網系統需求的基礎上，探討了石化管網的三維建模技術，并提出了兩種具體的實現方法，以期為石化企業做好管網工作提供有益的參考。

參考文獻

[1]馬玉潔.GIS在石化裝置信息管理中的應用研究[D].大慶：大慶石油學院，2006.

[2]龔建橋.三維綜合管線管理系統關鍵技術研究與實現[D].武漢：華中師范大學，2012.

[3]姜波.三維地下綜合管網系統的設計及實現[J].城市勘測，2013（4）：53-55.

[4]陳子輝，胡建平，董春華.城市地下管網三維可視化實現技術研究[J].工程圖學學報，2010（6）：139-145.

————————

作者簡介：朱冠華（1979—），男，廣東韶關人，碩士，高級工程師，從事計算機應用、數字出版等方面的研究。

〔編輯：劉曉芳〕

2.2.2 基于管網節點數據的實現方法

在管網數據缺漏不全的情況下，為了更便捷地完成石化管網的三維建模任務，本文提出了基于管網節點數據的石化管網三

維建模方法，具體為：①整理管網圖紙，并將圖紙分為油管、氣管、水管等類型；②分析某種類型管網圖紙的管網節點，并按表2所示的數據結構表采集所設定管網節點的相關數據；③根據表2中相連節點數據項的內容（與此節點有管線連接的其他節點的數據記錄），按表3所示的數據結構表采集相關數據；④根據管網節點數據，按節點類型將管網節點制作成三維模型符號；⑤結合三維模型符號，根據節點類型、節點符號坐標（X，Y，Z）、節點符號繞軸轉角（x，y，z）、埋設類型、地面高程、埋深、節點符號形狀參數、附屬物參數、材質等管網節點數據生成描述管網節點三維模型的KML代碼；⑥按表3所采集的數據生成描述管線三維模型的KML代碼；⑦綜合步驟⑤和步驟⑥的KML代碼，按KML格式要求生成KML文件；⑧用SketchUp打開KML文件，修改完善管網的三維模型。需要注意的是，在應用此方法時，必須確保步驟⑤所列的管網節點三維建模所需數據項和表3當前所列數據項的完整性，其他數據項則可根據相關應用來選擇。

這種方法所需要采集的數據比前一種方法少，有利于減少數據采集和整理的工作量，因而適用于管網數據缺漏不全的情況，但是其所構建的管網模型可能不如前一種精細，有些應用也可能會因為缺少數據而無法實現。

3 結束語

綜上所述，目前石化企業油、氣、水等類型的管網越來越復雜，而發生在管網上的裝備故障越來越多。基于擅長描述復雜空間關系的三維GIS技術來構成石化管網系統，為石化管網的管理打下了厚實的基礎。管網的三維建模是開發和應用三維GIS石化管網系統最重要的基礎工作。為此，本文在分析三維GIS石化管網系統需求的基礎上，探討了石化管網的三維建模技術，并提出了兩種具體的實現方法，以期為石化企業做好管網工作提供有益的參考。

參考文獻

[1]馬玉潔.GIS在石化裝置信息管理中的應用研究[D].大慶：大慶石油學院，2006.

[2]龔建橋.三維綜合管線管理系統關鍵技術研究與實現[D].武漢：華中師范大學，2012.

[3]姜波.三維地下綜合管網系統的設計及實現[J].城市勘測，2013（4）：53-55.

[4]陳子輝，胡建平，董春華.城市地下管網三維可視化實現技術研究[J].工程圖學學報，2010（6）：139-145.

————————

作者簡介：朱冠華（1979—），男，廣東韶關人，碩士，高級工程師，從事計算機應用、數字出版等方面的研究。

〔編輯：劉曉芳〕