基于Skyline的地下洞庫三維系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

史少維，姚鵬君，林巨超

(1.北京東方新星石化工程股份有限公司(BNEC)，北京 100070；2.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100070)

基于Skyline的地下洞庫三維系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

史少維1，2，姚鵬君1，林巨超1

(1.北京東方新星石化工程股份有限公司(BNEC)，北京 100070；2.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100070)

隨著國家能源儲備戰(zhàn)略的推進(jìn)，石化行業(yè)中儲存油氣的地下工程規(guī)模日益擴(kuò)大，但地下工程建設(shè)過程中的環(huán)境限制給項目的考察與管理帶來了困難。本文提出利用三維GIS技術(shù)對地下工程進(jìn)行虛擬可視化的信息管理方法，依托地下洞庫工程項目，基于Skyline三維軟件平臺，結(jié)合B/S系統(tǒng)框架和NHibernate數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計與開發(fā)了地下洞庫的三維信息管理系統(tǒng)平臺。

Skyline；地下洞庫；三維模型；數(shù)據(jù)庫；NHibernate；TerraExplorer；ISGWorld65接口

一、引 言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油需求量上升，對外依存度加大，石油儲備安全問題越來越重要。其中地下水封洞庫以其儲存量大、安全性高、應(yīng)急能力強(qiáng)、使用壽命長，成為目前國際上石油、天然氣等產(chǎn)品的主要儲存方式。國內(nèi)地下儲能洞庫處于剛剛起步的階段，為推進(jìn)地下洞庫的建設(shè)，本文利用三維GIS虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計與開發(fā)配套的地下洞庫三維信息管理系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)地下洞庫建設(shè)的數(shù)字化決策管理。

當(dāng)前，主流的三維 GIS平臺有 Skyline、Worldwind、Google Earth、OSG等，在城市數(shù)字化建設(shè)中都發(fā)揮著各自的優(yōu)勢。其中Skyline平臺在石化行業(yè)中石油煉油廠區(qū)的數(shù)字化建設(shè)及地下管線三維可視化項目中有所應(yīng)用，從底層數(shù)據(jù)庫到專業(yè)應(yīng)用層提供著全面的技術(shù)支持。因此，本文圍繞三維GIS虛擬技術(shù)，基于Skyline平臺，為地下洞庫工程研發(fā)三維信息管理系統(tǒng)。

二、Skyline三維平臺

Skyline是國外研制的較為先進(jìn)的三維地理信息系統(tǒng)平臺，擁有著強(qiáng)大的三維空間建模與分析技術(shù)，為多領(lǐng)域提供著功能強(qiáng)大的三維地理信息系統(tǒng)解決方案[1]。

Skyline平臺主要有TerraBuilder、TerraExplorer、TerraGate 3個組成部分。TerraBuilder負(fù)責(zé)三維地形模型數(shù)據(jù)和空間對象模型數(shù)據(jù)的構(gòu)建；TerraExplorer主要是對三維數(shù)據(jù)操作分析等功能的實現(xiàn)；TerraGate是在服務(wù)器端對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行Internet發(fā)布，客戶端用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)登錄訪問數(shù)據(jù)庫。

Skyline支持javaScript/HTML、C＃、VB.NET、C＋＋等多種語言開發(fā)，提供了豐富的API接口，不僅可以實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)瀏覽操作，信息樹、層、對象的創(chuàng)建與管理等，還包含數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展模塊，實現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)庫的連接，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、查詢與更新等操作，具有海量數(shù)據(jù)的容納能力。

三、Skyline三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

地下洞庫的三維數(shù)據(jù)主要包括MPT、FLY，以及地下洞庫工程的管道、豎井、儲洞室、監(jiān)測設(shè)備(測縫針、應(yīng)力計等)、紋理貼圖等數(shù)據(jù)；其中使用Skyline TerraBuilder生成MPT與FLY文件數(shù)據(jù)，使用3ds Max根據(jù)設(shè)計與測量數(shù)據(jù)構(gòu)建地下工程具體三維模型。根據(jù)實際項目生產(chǎn)的數(shù)據(jù)模型敘述如下。

1.地形數(shù)據(jù)建模

MPT地形數(shù)據(jù)文件通過數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)構(gòu)建三維地形模型；三維空間對象模型具體需要設(shè)計數(shù)據(jù)，在二維平面圖通過Skyline中的構(gòu)建地面建筑模型的building命令快速構(gòu)建。首先使用TerraBuilder對項目區(qū)域的航片通過預(yù)處理：利用ERDAS、ENVI對影像進(jìn)行正射糾正、重采樣，得到正射影像 DOM；之后將DOM與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，構(gòu)建三維地形數(shù)據(jù)MPT文件。

2.地下洞庫設(shè)備建模

地下洞室、巷道、豎井、泵站等需要根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)、素描圖、紋理數(shù)據(jù)通過3ds Max來構(gòu)建，轉(zhuǎn)換成Skyline的特有輕量級的 xpl2數(shù)據(jù)格式，通過 3d Model命令加載到FLY工程文件中，進(jìn)行模型的參數(shù)和屬性的設(shè)置，以調(diào)整位置、方向與大小。

3.三維工程文件(FLY文件)

FLY文件由TerraExplorer pro生成，是三維數(shù)據(jù)的索引文件，包含網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)地址，即將MPT三維地形數(shù)據(jù)地址、點數(shù)據(jù)地址、設(shè)備模型數(shù)據(jù)地址、二維平面圖地址、影像數(shù)據(jù)地址等整合到一個FLY文件中，并通過加裝FLY文件，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)信息樹目錄、二維導(dǎo)航圖的顯示。在信息樹中點擊子節(jié)點，可以在Skyline平臺上實現(xiàn)特有的對象三維定位飛入顯示效果。

四、基于Skyline的系統(tǒng)開發(fā)框架設(shè)計

本案將系統(tǒng)框架設(shè)計為B/S 3層結(jié)構(gòu)：表示層、中間層與數(shù)據(jù)層。表示層是客戶端系統(tǒng)操作界面層，通過用戶的命令實現(xiàn)相應(yīng)的功能；中間層是為數(shù)據(jù)的傳輸和Skyline功能接口提供服務(wù)；數(shù)據(jù)層是在服務(wù)器端利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與管理。系統(tǒng)開發(fā)框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框架設(shè)計

1.表示層設(shè)計

本系統(tǒng)使用VS2010可視化集成環(huán)境的開發(fā)工具，采用C＃語言開發(fā)Web的工程項目，利用JavaS-cript腳本來調(diào)用Skyline的API功能函數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)。其頁面布局采用Html/CSS，并結(jié)合ext.net框架進(jìn)行布局優(yōu)化設(shè)計，提供美觀流暢的網(wǎng)頁界面。

2.系統(tǒng)中間層功能設(shè)計

利用TerraExplorer Pro二次開發(fā)函數(shù)庫，搭建三維數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺，為地下工程提供強(qiáng)大的三維空間輔助決策支持與分析功能。

Skyline接口服務(wù)中的TerraExlporer對象提供統(tǒng)一的ISGWorld65開發(fā)接口，在ISGWorld65接口中包含著 IProject65、INavigate65、IProjectree65、ICommand、ICreator65等功能接口；通過這些接口定義的屬性與方法操作 TE3DWindowEx、TEInformationWindow、TENavigationMap窗口控件可實現(xiàn)相應(yīng)的系統(tǒng)功能。Skyline開發(fā)接口服務(wù)體系如圖2所示。

圖2 Skyline TerraExplorer的開發(fā)接口體系

3.數(shù)據(jù)層海量數(shù)據(jù)存儲

三維模型的空間數(shù)據(jù)以MPT和FLY文件形式通過權(quán)限加密存儲于TerraDateBase服務(wù)器中。根據(jù)地下工程的特性，大量的設(shè)備屬性信息需要進(jìn)行存儲查詢，因此對于量的空間對象的屬性數(shù)據(jù)利用Nhibernate技術(shù)存儲于MSS或Oracle數(shù)據(jù)庫中。

Nhibernate是一種面向.NET開發(fā)環(huán)境的對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫映射工具，利用對象關(guān)系映射技術(shù)，可把對象與基于SQL的關(guān)系表結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來，將表數(shù)據(jù)作為對象來進(jìn)行操作開發(fā)，對象實例化，即通過對象的方法來實現(xiàn)表數(shù)據(jù)查詢、添加、刪除、更新的功能，從而可以避免過多繁瑣的SQL語句，提高開發(fā)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的效率。Nhibernate體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Nhibernate體系結(jié)構(gòu)

首先建立數(shù)據(jù)庫關(guān)系表，根據(jù)數(shù)據(jù)庫表定義相應(yīng)的persistent objects對象持久類，在結(jié)合關(guān)系表與對象持久類創(chuàng)建相互關(guān)聯(lián)的xml.mapping映射文件，再通過app.config與web.config等配置文件來連接訪問Database數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫表；在application程序中定義對象的操作函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫表數(shù)據(jù)的增刪改操作，其中繁瑣的SQL語句及數(shù)據(jù)庫訪問接口細(xì)節(jié)封裝在NHibernate框架內(nèi)，在開發(fā)利用過程中，只需要關(guān)注數(shù)據(jù)庫表、對象持久類及對應(yīng)的映射文件，即可存儲大量數(shù)據(jù)庫表及提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

五、數(shù)字洞庫系統(tǒng)主要功能開發(fā)

依據(jù)系統(tǒng)框架設(shè)計及Skyline接口服務(wù)體系，對主要的功能模塊進(jìn)行開發(fā)，各功能模塊開發(fā)效果如圖4—圖9所示。

1.Skyline控件的定義

在ASPX文件頁面的分區(qū)元素中，通過＜o(jì)bject＞對象標(biāo)簽定義容納 TerraExlporer的控件，包括TE3DWindow、TEInformationwindow、TENavigationMap 3個布局控件，對應(yīng)實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的加載顯示、FLY工程文件的信息樹目錄加載及二維平面圖導(dǎo)航的功能。地下洞庫系統(tǒng)界面搭建如圖4所示，主要代碼如下：

2.FLY三維工程文件的加載顯示

創(chuàng)建JavaScript腳本文件，添加int()初始函數(shù)，并通過SGWorld65對象中Project接口的Open方法來打開在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器指定的FLY工程文件。代碼如下：

圖4 基于Skyline地下洞庫系統(tǒng)主界面

圖5 空間量測功能

3.基本的操作瀏覽顯示功能的實現(xiàn)

對模型數(shù)據(jù)的基本操作功能可通過INavigate和ICommand接口實現(xiàn)，在ICommand接口中定義了固定的id，在參數(shù)中輸入指定的數(shù)值就可以方便快捷地實現(xiàn)相應(yīng)功能的二次開發(fā)。放縮、平拖、旋轉(zhuǎn)、空間量測等功能的主要代碼如下：

4.洞庫飛行漫游

FLY工程文件在TE3DWindow窗口控件加載顯示之后，為了更加方便快捷地了解和觀察洞室的內(nèi)部地質(zhì)情況，在系統(tǒng)框架上開發(fā)了洞庫飛行漫游的功能模塊，按照設(shè)定的飛行路線進(jìn)行三維漫游瀏覽。本案的路線設(shè)計是從公共交通巷道到連接巷道，再從連接巷道到主洞室，選擇預(yù)先采集定義的路徑進(jìn)行飛行漫游，在漫游過程中可以上下左右進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到最佳的觀察顯示效果。漫游功能效果如圖6所示，主要實現(xiàn)步驟代碼如下：

圖6 地下洞庫飛行漫游

5.定點放縮環(huán)視功能

定點放縮環(huán)視功能可以為用戶提供強(qiáng)大的三維環(huán)視效果，尤其進(jìn)入地下工程模型內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)觀察時，操作相當(dāng)困難。在Skyline中開啟碰撞偵測模式下，就可以在三維模型內(nèi)部進(jìn)行360°全景環(huán)視，觀察視點周圍構(gòu)造情況。這里首選是添加碰撞偵測模式命令，在開發(fā)環(huán)視功能時主要調(diào)用Skyline中Lookaround文件的rander.js、slider.js、timer.js腳本文件實現(xiàn)；定點放縮環(huán)視功能效果如圖7所示，其中主要的功能代碼如下：

圖7 定點放縮環(huán)視功能

6.洞庫設(shè)備信息存儲及三維定位

地下工程施工建設(shè)階段要對地質(zhì)巖層情況進(jìn)行勘察，項目中采用鉆孔智能電視成像技術(shù)獲取地質(zhì)影像信息數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中要進(jìn)行存儲管理[11]。在MSS數(shù)據(jù)庫表中存儲鉆孔影像的路徑信息時，實體影像數(shù)據(jù)以文件的形式存儲在工程目錄下，元數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分開存儲有利于減輕系統(tǒng)負(fù)荷及提高效率。通過檢索鉆孔id號字段可以讀取鉆孔影像，同時在TE3DWindow窗口對鉆孔設(shè)備模型進(jìn)行三維定位，用戶可以全方位地進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢?yōu)g覽。洞庫設(shè)備信息存儲及三維定位功能效果如圖8、圖9所示，其主要代碼如下：

圖8 地質(zhì)模型信息管理

圖9 洞庫監(jiān)測設(shè)備信息查詢與三維聯(lián)動定位

六、結(jié)束語

本文從三維模型數(shù)據(jù)的構(gòu)建出發(fā)，結(jié)合NHibernate技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲管理，圍繞Skyline explorer強(qiáng)大的接口服務(wù)體系進(jìn)行地下洞庫系統(tǒng)功能的開發(fā)，很好地滿足了工程實踐中的應(yīng)用需求；通過路徑漫游功能及定點環(huán)視功能為觀察地下工程提供了很好的參考，同時集成了大量設(shè)備模型數(shù)據(jù)存儲及三維聯(lián)動查詢模塊，為用戶提供了三維地下洞庫加載顯示、數(shù)據(jù)存儲查詢一體化的信息化管理系統(tǒng)。

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Research on 3D Underground Caverns System Based on Skyline

SHI Shaowei，YAO Pengjun，LIN Juchao

P208

B

0494-0911(2014)12-0101-04

史少維，姚鵬君，林巨超.基于Skyline的地下洞庫三維系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].測繪通報，2014(12)：101-104.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0409

2013-10-08

史少維(1986—)，男，河北保定人，碩士，工程師，研究方向為數(shù)據(jù)庫及三維GIS應(yīng)用與開發(fā)。