基于三維GIS的石化管網(wǎng)模型實現(xiàn)技術研究

摘 要：對于開發(fā)三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)來說，管網(wǎng)的三維建模是最重要的基礎工作。首先從系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)結構這兩方面探討了三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)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(wǎng)三維建模的實現(xiàn)技術，并提出了基于管網(wǎng)數(shù)據(jù)和管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)這兩種三維建模的實現(xiàn)方法。

關鍵詞：三維建模；石化管網(wǎng)；三維GIS；管網(wǎng)系統(tǒng)

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(yè)管網(wǎng)系統(tǒng)復雜化程度的不斷加深，與管網(wǎng)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(tǒng)）來構建石化管網(wǎng)系統(tǒng)，可以很好地描述管網(wǎng)的復雜空間關系，從而輔助石化企業(yè)做好管網(wǎng)規(guī)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(wǎng)系統(tǒng)，管網(wǎng)（包括管線和管網(wǎng)節(jié)點）的三維建模是最重要的基礎工作，也是開發(fā)此類系統(tǒng)的難點之一。

1 三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)需求

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

1.1 系統(tǒng)功能分析

石化企業(yè)內(nèi)部管網(wǎng)有油、氣、水、電、通信等多種類型，根據(jù)管道功能和傳輸物質(zhì)等因素還可以分成許多小類。本文根據(jù)石化企業(yè)對管網(wǎng)管理的實際需求，只研究油管網(wǎng)、氣管網(wǎng)、水管網(wǎng)這三類管網(wǎng)的三維GIS。根據(jù)石化企業(yè)在管網(wǎng)規(guī)劃、建設、管理等方面的業(yè)務需求，三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)可以分成三維建模、數(shù)據(jù)管理、GIS操作、管網(wǎng)應用等四大功能子系統(tǒng)。其中，三維建模子系統(tǒng)包括管線三維建模、節(jié)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(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)導出、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)查詢、用戶管理等功能；GIS操作子系統(tǒng)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(tǒng)計等功能；管網(wǎng)應用子系統(tǒng)包括連通分析、相交分析、爆管分析、預警分析（管網(wǎng)壓力等數(shù)據(jù)不正常時預警）、影響分析（根據(jù)爆管、泄漏等狀況分析其影響區(qū)域）、應急指揮、造價概算等功能。

1.2 數(shù)據(jù)結構設計

為了開發(fā)出能夠很好地輔助石化企業(yè)做好管網(wǎng)規(guī)劃、建設、管理等工作的三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)，結合石化企業(yè)對管網(wǎng)系

統(tǒng)的功能需求，本文管線、管網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)結構如表1、表2所示。需要說明的是，這種管網(wǎng)數(shù)據(jù)結構設計是存在一定的數(shù)據(jù)冗余問題的，但為了便于數(shù)據(jù)查詢和管網(wǎng)模型的自動生成，本文還是采用了這種數(shù)據(jù)結構設計。

2 石化管網(wǎng)三維建模的實現(xiàn)技術

當前，市場上有不少三維GIS平臺系統(tǒng)，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(tǒng)的三維建模工作，選用瀏覽性能優(yōu)異、地圖資源豐富的Google Earth（中文名稱“谷歌地球”）作為石化管網(wǎng)系統(tǒng)的GIS基礎平臺。

2.1 石化管網(wǎng)三維建模的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)生成、更新其中的數(shù)據(jù)信息，因此對于選用SketchUp和Google Earth來開發(fā)的石化管網(wǎng)系統(tǒng)而言，KML是最佳的三維模型數(shù)據(jù)存儲文件類型。

2.2 石化管網(wǎng)三維建模的實現(xiàn)方法

根據(jù)表1、表2所示的石化管網(wǎng)數(shù)據(jù)結構表完成石化企業(yè)管網(wǎng)（管線和管網(wǎng)節(jié)點）的數(shù)據(jù)采集后，三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)能夠利用這些管網(wǎng)數(shù)據(jù)生成KML文件，從而通過SketchUp平臺完成石化管網(wǎng)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(wǎng)數(shù)據(jù)。由于管網(wǎng)是由管線和管網(wǎng)節(jié)點相連而構成的網(wǎng)絡，因此對于如何生成存儲三維模型數(shù)據(jù)的KML文件，有基于管網(wǎng)數(shù)據(jù)和管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)這兩種管網(wǎng)三維建模實現(xiàn)方法。

2.2.1 基于管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法

對于石化管網(wǎng)三維建模，基于管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法是：①整理管網(wǎng)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(wǎng)圖紙，按表1、表2所示的數(shù)據(jù)結構表采集管線和管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)（其中有些數(shù)據(jù)項可通過推導獲得），并生成相應的數(shù)據(jù)庫；③根據(jù)管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)，按節(jié)點類型將管網(wǎng)節(jié)點制作成三維模型符號；④根據(jù)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(zhì)等管線數(shù)據(jù)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(jù)節(jié)點類型、節(jié)點符號坐標（X，Y，Z）、節(jié)點符號繞軸轉角（x，y，z）、埋設類型、地面高程、埋深、節(jié)點符號形狀參數(shù)、附屬物參數(shù)、材質(zhì)等管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)生成描述管網(wǎng)節(jié)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(wǎng)的三維模型。

這種方法在管網(wǎng)圖紙和相關數(shù)據(jù)比較齊全的情況下是比較容易實現(xiàn)的，而且制作出來的模型比較精細。然而，在管網(wǎng)數(shù)據(jù)缺漏不全的情況下，許多數(shù)據(jù)可能還需要用現(xiàn)場測量等方法來采集，這時，此方法實現(xiàn)起來比較困難。

2.2.2 基于管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法

在管網(wǎng)數(shù)據(jù)缺漏不全的情況下，為了更便捷地完成石化管網(wǎng)的三維建模任務，本文提出了基于管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)的石化管網(wǎng)三

維建模方法，具體為：①整理管網(wǎng)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(wǎng)圖紙的管網(wǎng)節(jié)點，并按表2所示的數(shù)據(jù)結構表采集所設定管網(wǎng)節(jié)點的相關數(shù)據(jù)；③根據(jù)表2中相連節(jié)點數(shù)據(jù)項的內(nèi)容（與此節(jié)點有管線連接的其他節(jié)點的數(shù)據(jù)記錄），按表3所示的數(shù)據(jù)結構表采集相關數(shù)據(jù)；④根據(jù)管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)，按節(jié)點類型將管網(wǎng)節(jié)點制作成三維模型符號；⑤結合三維模型符號，根據(jù)節(jié)點類型、節(jié)點符號坐標（X，Y，Z）、節(jié)點符號繞軸轉角（x，y，z）、埋設類型、地面高程、埋深、節(jié)點符號形狀參數(shù)、附屬物參數(shù)、材質(zhì)等管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)生成描述管網(wǎng)節(jié)點三維模型的KML代碼；⑥按表3所采集的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)節(jié)點三維建模所需數(shù)據(jù)項和表3當前所列數(shù)據(jù)項的完整性，其他數(shù)據(jù)項則可根據(jù)相關應用來選擇。

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

3 結束語

綜上所述，目前石化企業(yè)油、氣、水等類型的管網(wǎng)越來越復雜，而發(fā)生在管網(wǎng)上的裝備故障越來越多?；谏瞄L描述復雜空間關系的三維GIS技術來構成石化管網(wǎng)系統(tǒng)，為石化管網(wǎng)的管理打下了厚實的基礎。管網(wǎng)的三維建模是開發(fā)和應用三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)最重要的基礎工作。為此，本文在分析三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)需求的基礎上，探討了石化管網(wǎng)的三維建模技術，并提出了兩種具體的實現(xiàn)方法，以期為石化企業(yè)做好管網(wǎng)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(tǒng)關鍵技術研究與實現(xiàn)[D].武漢：華中師范大學，2012.

[3]姜波.三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[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(wǎng)三維可視化實現(xiàn)技術研究[J].工程圖學學報，2010（6）：139-145.

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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(shù)字出版等方面的研究。

〔編輯：劉曉芳〕

2.2.2 基于管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法

在管網(wǎng)數(shù)據(jù)缺漏不全的情況下，為了更便捷地完成石化管網(wǎng)的三維建模任務，本文提出了基于管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)的石化管網(wǎng)三

維建模方法，具體為：①整理管網(wǎng)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(wǎng)圖紙的管網(wǎng)節(jié)點，并按表2所示的數(shù)據(jù)結構表采集所設定管網(wǎng)節(jié)點的相關數(shù)據(jù)；③根據(jù)表2中相連節(jié)點數(shù)據(jù)項的內(nèi)容（與此節(jié)點有管線連接的其他節(jié)點的數(shù)據(jù)記錄），按表3所示的數(shù)據(jù)結構表采集相關數(shù)據(jù)；④根據(jù)管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)，按節(jié)點類型將管網(wǎng)節(jié)點制作成三維模型符號；⑤結合三維模型符號，根據(jù)節(jié)點類型、節(jié)點符號坐標（X，Y，Z）、節(jié)點符號繞軸轉角（x，y，z）、埋設類型、地面高程、埋深、節(jié)點符號形狀參數(shù)、附屬物參數(shù)、材質(zhì)等管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)生成描述管網(wǎng)節(jié)點三維模型的KML代碼；⑥按表3所采集的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)節(jié)點三維建模所需數(shù)據(jù)項和表3當前所列數(shù)據(jù)項的完整性，其他數(shù)據(jù)項則可根據(jù)相關應用來選擇。

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

3 結束語

綜上所述，目前石化企業(yè)油、氣、水等類型的管網(wǎng)越來越復雜，而發(fā)生在管網(wǎng)上的裝備故障越來越多?；谏瞄L描述復雜空間關系的三維GIS技術來構成石化管網(wǎng)系統(tǒng)，為石化管網(wǎng)的管理打下了厚實的基礎。管網(wǎng)的三維建模是開發(fā)和應用三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)最重要的基礎工作。為此，本文在分析三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)需求的基礎上，探討了石化管網(wǎng)的三維建模技術，并提出了兩種具體的實現(xiàn)方法，以期為石化企業(yè)做好管網(wǎng)工作提供有益的參考。

參考文獻

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

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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(shù)字出版等方面的研究。

〔編輯：劉曉芳〕

2.2.2 基于管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法

在管網(wǎng)數(shù)據(jù)缺漏不全的情況下，為了更便捷地完成石化管網(wǎng)的三維建模任務，本文提出了基于管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)的石化管網(wǎng)三

維建模方法，具體為：①整理管網(wǎng)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(wǎng)圖紙的管網(wǎng)節(jié)點，并按表2所示的數(shù)據(jù)結構表采集所設定管網(wǎng)節(jié)點的相關數(shù)據(jù)；③根據(jù)表2中相連節(jié)點數(shù)據(jù)項的內(nèi)容（與此節(jié)點有管線連接的其他節(jié)點的數(shù)據(jù)記錄），按表3所示的數(shù)據(jù)結構表采集相關數(shù)據(jù)；④根據(jù)管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)，按節(jié)點類型將管網(wǎng)節(jié)點制作成三維模型符號；⑤結合三維模型符號，根據(jù)節(jié)點類型、節(jié)點符號坐標（X，Y，Z）、節(jié)點符號繞軸轉角（x，y，z）、埋設類型、地面高程、埋深、節(jié)點符號形狀參數(shù)、附屬物參數(shù)、材質(zhì)等管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)生成描述管網(wǎng)節(jié)點三維模型的KML代碼；⑥按表3所采集的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)節(jié)點三維建模所需數(shù)據(jù)項和表3當前所列數(shù)據(jù)項的完整性，其他數(shù)據(jù)項則可根據(jù)相關應用來選擇。

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

3 結束語

綜上所述，目前石化企業(yè)油、氣、水等類型的管網(wǎng)越來越復雜，而發(fā)生在管網(wǎng)上的裝備故障越來越多?；谏瞄L描述復雜空間關系的三維GIS技術來構成石化管網(wǎng)系統(tǒng)，為石化管網(wǎng)的管理打下了厚實的基礎。管網(wǎng)的三維建模是開發(fā)和應用三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)最重要的基礎工作。為此，本文在分析三維GIS石化管網(wǎng)系統(tǒng)需求的基礎上，探討了石化管網(wǎng)的三維建模技術，并提出了兩種具體的實現(xiàn)方法，以期為石化企業(yè)做好管網(wǎng)工作提供有益的參考。

參考文獻

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

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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(shù)字出版等方面的研究。

〔編輯：劉曉芳〕