基于Skyline煤層氣管網(wǎng)三維可視化管理系統(tǒng)探討

趙國梁，趙國林，吳滿意

（1.西安科技大學 測繪學院， 陜西 西安 710054；2.空軍預警學院， 湖北 武漢 430019；3.陜西省第二測繪工程院， 陜西 西安 710054 ）

基于Skyline煤層氣管網(wǎng)三維可視化管理系統(tǒng)探討

趙國梁1，趙國林2，吳滿意3

（1.西安科技大學 測繪學院， 陜西 西安 710054；2.空軍預警學院， 湖北 武漢 430019；3.陜西省第二測繪工程院， 陜西 西安 710054 ）

在中石油煤層氣公司韓城分公司煤層氣管網(wǎng)精確測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以Skyline作為軟件開發(fā)平臺，以3Dmax作為三維建模軟件，對地下管網(wǎng)、附屬設(shè)施和地表三維場景進行真實建模，采用Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫管理方式，通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎對煤層氣管線二三維數(shù)據(jù)進行調(diào)用，實現(xiàn)二三維聯(lián)動的設(shè)計，采用C#面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，開發(fā)了煤層氣管網(wǎng)三維可視化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了三維視圖的瀏覽控制、管網(wǎng)的統(tǒng)計查詢以及管線分析等功能，對煤層氣安全生產(chǎn)提供分析和決策支持。

Skyline；管網(wǎng)三維可視化；三維建模；管線分析

三維地理信息系統(tǒng)通過精確的地理環(huán)境底層數(shù)據(jù)，將地表和地下的物體特征以三維可視化的狀態(tài)進行真實模擬，在農(nóng)林畜牧業(yè)、礦產(chǎn)地質(zhì)普查、公共管理事業(yè)、資源勘探開發(fā)等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。中石油煤層氣有限責任公司在渭北地區(qū)已建成韓城區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)工程，形成復雜的大型煤層氣采氣管線網(wǎng)絡(luò)，采氣管網(wǎng)所在地區(qū)地形復雜，起伏較大，管網(wǎng)密集程度遠遠大于常規(guī)油氣管網(wǎng)，管線精確描述和數(shù)據(jù)管理困難。本文選擇中石油煤層氣公司韓城分公司作為系統(tǒng)的研究區(qū)域，將外業(yè)勘測成果進行內(nèi)業(yè)錄入成圖并建立管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的一體化數(shù)據(jù)庫，進而建立煤層氣管網(wǎng)三維可視化平臺，利用GIS和虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立包括輸入輸出、查詢定位、統(tǒng)計分析、更新維護等應(yīng)用功能的三維煤層氣采氣管網(wǎng)可視化應(yīng)用管理系統(tǒng)，使用戶通過可視化管理，實現(xiàn)對管線的檢測、維護的數(shù)字化管理，為后期管網(wǎng)擴建及安全運行維護作保障。

1 技術(shù)路線

本文首先利用探測儀器在實地探查出各管線的類別、管徑或斷面、管（溝）內(nèi)底高、管外頂高等，同時要將各特征點在實地標出，完成煤層氣管線數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、三維管線模型的構(gòu)建后進行管線三維可視化系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)利用C#程序設(shè)計語言，采用ArcEngine作為二維GIS開發(fā)的基礎(chǔ)控件和組件、TerraDeveloper6.5作為三維GIS平臺進行開發(fā)。采用ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎，使得ArcGIS Engine訪問通過訪問ArcGIS SDE管理的二維地圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一系列二維功能；使用TerraDeveloper來實現(xiàn)三維功能，使得本系統(tǒng)具備三維操作、信息查詢、管線分析等功能，最終呈現(xiàn)給用戶一個二三維一體化的可視化信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計整體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)路線

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用5層架構(gòu)，分別是基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪問層、應(yīng)用支持層、應(yīng)用系統(tǒng)層。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 三維管線數(shù)據(jù)采集和建模

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集工作是管線管理系統(tǒng)建設(shè)的首要步驟，也是系統(tǒng)用以決策的必要基礎(chǔ)。采集的過程分為外業(yè)測量和管網(wǎng)信息核查2個部分。外業(yè)測量包括測區(qū)地形測量、控制測量以及管網(wǎng)設(shè)施點聯(lián)測。管線的信息核查工作則需要進行前期準備工作以及實地調(diào)查工作。根據(jù)野外測量數(shù)據(jù)和調(diào)查成果得到管線數(shù)據(jù)，錄入管線和管點的名稱、編號、管徑、材質(zhì)、起止位置。同時要將野外探測的附屬物點的屬性、坐標信息和類型按調(diào)查內(nèi)容進行入庫。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

煤層氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲采用ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎作為數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)的樞紐，ArcGIS平臺提供的Geodatabase空間數(shù)據(jù)模型作為存儲方式來建立地下管線數(shù)據(jù)庫。在空間數(shù)據(jù)引擎中通過數(shù)據(jù)分層表以及各要素的屬性字段定義來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與管理。在管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，將物探點號作為管線點表的唯一主鍵，在內(nèi)業(yè)整理的過程中依據(jù)一定的規(guī)則進行管點編碼而成。通過唯一編號，確定點線的連接關(guān)系，從而建立管線的幾何網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為分析提供數(shù)據(jù)支持。

根據(jù)煤層氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)類型與附屬設(shè)施分類，以簡化數(shù)據(jù)層管理、便于用戶進行數(shù)據(jù)錄入與更新為目的，對系統(tǒng)中所涉及到的數(shù)據(jù)類型進行分層與命名說明，如表1所示。

表1 煤層氣采氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)分層命名

2.2.3 三維管線自動化建模

制作管線數(shù)據(jù)時必須要使得三維管線數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理要素、地形模型起伏相符合。以二維數(shù)據(jù)的精度和高程信息為基礎(chǔ)，通過三維符號化發(fā)布與三維地表模型、地形模型疊加形成的三維虛擬數(shù)據(jù)。主要工作是：DOM與DEM模型疊加制作三維地形模型；二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)與高程信息疊加制作三維管網(wǎng)模型。目前管線數(shù)據(jù)在三維顯示的對象主要是圓柱體對象[1]。因此，可以將管線分為直管和連接于直管之間的彎管。管線的空間幾何屬性可由位置、長度、斷面半徑、厚度等參數(shù)度量，在管線三維建模與可視化時不考慮管壁厚度將其看作是薄壁圓筒幾何體。對管線三維建模主要采用管線三維表面重建的方法，一般采用將管線表面分段構(gòu)造四邊形建立管線三維模型、基于規(guī)則格網(wǎng)建模、管線斷面切片構(gòu)建三維模型和基于輪廓線的管線數(shù)據(jù)可視化方法。本文采用基于斷面和體面三角剖分擬合的方法構(gòu)建管線三維模型[2-4]。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)利用C#程序設(shè)計語言，采用ArcEngine作為二維GIS開發(fā)的基礎(chǔ)控件和組件、TerraDeveloper6.5作為三維GIS平臺進行開發(fā)。采用ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎，使得ArcGIS Engine訪問通過訪問ArcGIS SDE管理的二維地圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一系列二維功能；使用TerraDeveloper來實現(xiàn)三維功能，使得本系統(tǒng)具備基本的三維操作、信息查詢、管線分析等功能[5-7]。

3.1 瀏覽控制

瀏覽控制主要包括：①圖層控制，系統(tǒng)具有靈活的圖層操作功能，能夠顯示或隱藏圖層信息、添加刪除圖層、修改圖層名稱，并能添加多級圖層，支持直接縮放圖層到適當?shù)娘@示范圍。②三維漫游，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對采氣管網(wǎng)360°全方位觀察；可以實現(xiàn)三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)的平移、縮放、俯仰、旋轉(zhuǎn)等基本操作。③視圖，視圖能控制地形不透明度，以及控制比例尺、中心十字、時間滑塊、狀態(tài)欄的顯示和隱藏。④飛行瀏覽，點擊“飛行瀏覽”，使用鼠標移動顯示范圍從而瀏覽三維場景。⑤地下模式，進入地下模式后能看到地下的物體，主要是地下的管線和管點。地下模式關(guān)閉后，能看到地下管線[8]。

3.2 管線編輯與查詢統(tǒng)計

1）管線編輯，管線編輯模塊可以對管線的屬性進行更改，并且能夠根據(jù)用戶需求進行管點、管線的增加和刪除，最后保存編輯結(jié)果。

2）管線信息查詢，包括管線空間查詢、組合查詢和管線信息統(tǒng)計，如圖3所示。

圖3 空間查詢功能

3.3 管線分析

管線分析是該系統(tǒng)實現(xiàn)的重要功能，包括水平凈距判斷分析、垂直凈距判斷分析、橫斷面分析、縱斷面分析、緩沖區(qū)分析、交叉口分析、地面開挖模擬等功能，如圖4所示。

圖4 管線分析

3.4 系統(tǒng)擴展接口

擴展系統(tǒng)的接口能夠使得本系統(tǒng)可與煤層氣井場管理SCADA系統(tǒng)、PNS管網(wǎng)仿真軟件進行數(shù)據(jù)對接。系統(tǒng)接口主要包括：與數(shù)據(jù)存儲中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的接口、與SCADA系統(tǒng)之間的接口、與PNS軟件之間的接口。①與SCADA系統(tǒng)之間的接口：系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)提供接口以便在未來的規(guī)劃中能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在三維場景下的實時監(jiān)控并對煤層氣的開采工作與安全維護輔助領(lǐng)導層決策。監(jiān)控系統(tǒng)安裝后將以60 s的固定周期采集整個采氣管網(wǎng)以及附屬設(shè)施的各個物理量實時參數(shù)。②與PNS軟件之間的接口：系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與PNS仿真軟件的對接，實現(xiàn)建模數(shù)據(jù)的快速、準確和自動錄入，為管網(wǎng)仿真的分析結(jié)果在三維場景中的顯示提供支持。

4 結(jié) 語

本文所研究的煤層氣地下管網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)利用高精度DEM和DOM，構(gòu)建符合真實三維仿真環(huán)境，以三維地理信息軟件Skyline作為構(gòu)架，在野外地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)精確測量基礎(chǔ)上，針對中石油煤層氣公司進行了系統(tǒng)的需求分析，根據(jù)用戶需求與實際情況對系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)以及功能模塊進行了設(shè)計與規(guī)劃，主要實現(xiàn)的功能模塊有管線的靜態(tài)信息查詢、管線信息統(tǒng)計以及管線信息分析等。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與完善對上層部門的決策提供了更權(quán)威、更精準、更直觀的可視化管理平臺，促進采氣礦區(qū)不同層次之間的信息共享、交流，為各個部門進行安全生產(chǎn)提供輔助宏觀決策和科學管理。

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P208

B

1672-4623（2015）04-0020-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.008

趙國梁，博士，講師，研究方向為虛擬現(xiàn)實和三維地理信息系統(tǒng)。

2014-08-22。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（40572155）；現(xiàn)代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（ES_ SBSM(06)_07）。