基于ArcGIS的數(shù)字油庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

項(xiàng) 楠， 劉大千， 黃 悅， 王 帥， 王衛(wèi)強(qiáng)

(1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2.葛洲壩燃?xì)庥邢薰?，湖?宜昌 443000)

基于ArcGIS的數(shù)字油庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

項(xiàng) 楠1， 劉大千1， 黃 悅1， 王 帥2， 王衛(wèi)強(qiáng)1

(1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2.葛洲壩燃?xì)庥邢薰?，湖?宜昌 443000)

介紹了數(shù)字油庫的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，以GIS(地理信息系統(tǒng))作為空間數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)，三維GIS相關(guān)技術(shù)及理論為基礎(chǔ)，以Arccatalog為空間數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)，Arcmap作為二維油庫的制作平臺(tái)，Arcscene作為三維油庫制作及展示平臺(tái)，構(gòu)建了基于ArcGIS的數(shù)字化油庫信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息管理、定位查詢、三維顯示等功能。實(shí)例表明，系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，信息顯示直觀，能夠提高工作效率，為提升油庫管理水平提供技術(shù)支撐。

油庫； 數(shù)字化； 地理信息系統(tǒng)； 信息管理； 空間數(shù)據(jù)

目前成品油庫大部分還采用老舊的管理模式，生產(chǎn)作業(yè)自動(dòng)化水平低、技術(shù)落后，使得油庫的安全運(yùn)作與日常管理復(fù)雜繁瑣。同時(shí)，隨著油庫的運(yùn)營，包括人員和設(shè)備在內(nèi)的諸多因素都會(huì)對(duì)油庫的安全造成影響。所以，為了適應(yīng)社會(huì)需求，簡化油庫管理流程，保障油庫安全運(yùn)行，對(duì)油庫進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)己迫在眉睫[1]。

1 數(shù)字油庫關(guān)鍵技術(shù)

1.1 GIS相關(guān)技術(shù)

GIS是一種基于計(jì)算機(jī)的信息管理工具，可以把地圖的可視化效果、分析功能與數(shù)據(jù)庫操作結(jié)合在一起[2]。三維 GIS是指能對(duì)空間內(nèi)的對(duì)象進(jìn)行三維展示、三維場(chǎng)景瀏覽、三維空間分析的GIS系統(tǒng)，可以立體展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，給人以更加直觀的感受，極大地豐富了用戶的想象空間。20世紀(jì)90年代開始，人們對(duì)于三維GIS的需求越來越迫切，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為此提供了強(qiáng)大的支持[3-5]。

1.2 三維模型格式

在三維油庫地理信息系統(tǒng)的研發(fā)中，一個(gè)生動(dòng)真實(shí)的三維場(chǎng)景包含多種形象逼真、能夠支持三維顯示的模型，這類模型的格式有多種，可將各類模型相互聯(lián)系起來使用，互相補(bǔ)充，使模型逼真。常見的三維數(shù)據(jù)模型格式如表1所示。

表1 常見的三維數(shù)據(jù)模型格式

1.3 三維可視化平臺(tái)

在ArcGIS Desktop中，用于展現(xiàn)三維場(chǎng)景的平臺(tái)有ArcGlobe、ArcScene，ArcGlobe與ArcScene功能差別如表2所示。具體應(yīng)用時(shí)，要進(jìn)行對(duì)比選擇。

表2 ArcGlobe與ArcScene功能差別

注：“√”表示支持此項(xiàng)功能；“×”表示不支持此項(xiàng)功能。 以三維GIS相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，分析可視化實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)。因油庫是一個(gè)小場(chǎng)景，故選擇ArcScene作為實(shí)現(xiàn)三維可視化的平臺(tái)。

2 數(shù)字油庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字油庫管理系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為儀器儀表層、數(shù)據(jù)傳輸層和控制管理層。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字油庫管理系統(tǒng)主要為實(shí)現(xiàn)油庫自身收、發(fā)、存作業(yè)的操作，油庫地理信息、設(shè)備設(shè)施屬性信息的管理，以及對(duì)重點(diǎn)區(qū)域及設(shè)備的實(shí)時(shí)定位、屬性查詢等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是地理信息技術(shù)的核心環(huán)節(jié)。大量的實(shí)測(cè)地理數(shù)據(jù)、運(yùn)營記錄等資源需要進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理。

系統(tǒng)主要涉及到三類數(shù)據(jù)：空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及文檔數(shù)據(jù)，采用分步存儲(chǔ)方式，海量屬性數(shù)據(jù)均采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)[6]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用實(shí)例

以國內(nèi)某油庫為實(shí)例，對(duì)所構(gòu)建的基于ArcGIS數(shù)字化油庫建設(shè)進(jìn)行介紹。

3.1 二維油庫構(gòu)建

在二維油庫的繪制工作中，主要用到的工具是ArcMap和ArcCatalog。二者都由ArcGIS軟件提供，功能完善且操作靈活。ArcMap主要用于二維圖形的繪制，ArcCatalog則類似于地圖圖層的管理工具，用戶可以使用ArcCatalog提供的管理功能，對(duì)圖層進(jìn)行新建、修改、刪除等操作。通常情況下，二者配合使用能夠使二維地圖的繪制工作流程清晰、操作便捷。ArcMap中包含了囊括各行業(yè)應(yīng)用所需的地圖符號(hào)、線形圖案、色塊涂料和各種字體，并支持多種數(shù)據(jù)格式的輸入和輸出，坐標(biāo)格網(wǎng)和經(jīng)緯網(wǎng)的自動(dòng)生成，地圖的標(biāo)注功能也極具個(gè)性化。

打開ArcCatalog，連接到目標(biāo)文件夾，新建shapefile文件，在彈出窗口，即可對(duì)創(chuàng)建的要素類型進(jìn)行點(diǎn)、線或面的定義，并且可以設(shè)置要素的坐標(biāo)系。

ArcGIS中支持兩種文字方式表示場(chǎng)景中的地理信息。一種是動(dòng)態(tài)Label，另一種是注記Annotation。二維地圖制作只要在地圖上依次地編輯各個(gè)圖層，每建立一個(gè)要素類需要在ArcMap中添加一次屬性數(shù)據(jù)，要素以圖層形式存在ArcMap中，在ArcCatalog中可對(duì)每一個(gè)圖層添加屬性。繪制的二維油庫以及相關(guān)屬性添加如圖3—4所示。

圖3 二維油庫圖

圖4 屬性數(shù)據(jù)錄入

3.2 三維油庫構(gòu)建

三維油庫地圖的制作[7]，是從傳統(tǒng)的平面化地圖符號(hào)制作轉(zhuǎn)變?yōu)槿S地形、地物的構(gòu)建。在三維虛擬的條件中，模擬人在自然環(huán)境下對(duì)地理的認(rèn)知與理論研究。

三維油庫的核心內(nèi)容是三維模型(建筑物、油罐、樹木等)和地圖要素(居民地、道路、水系等)，通過三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織起來，進(jìn)行三維地形、地物和地圖要素的可視化。三維油庫地圖關(guān)鍵問題是：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)合成、三維可視化和應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)布[8]。

油庫三維地圖的可視化過程大致為：用紋理映射的方法處理獲取到的油罐、建筑、樹木等地圖要素層數(shù)據(jù)，即將油罐、樹木等地圖要素?cái)?shù)據(jù)形成三維地圖場(chǎng)景，此為地形、地貌的三維可視化[9]。

ArcGIS可以轉(zhuǎn)換體狀要素三維模型數(shù)據(jù)的格式，實(shí)現(xiàn)三維模型在不同的地理信息系統(tǒng)中靈活運(yùn)用。在ArcGIS中可使用工具箱中的空間處理工具，將.3ds文件導(dǎo)出為Multipatch多面體要素類，完成體狀要素向Multipatch數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

3.3 三維數(shù)字油庫實(shí)現(xiàn)

在添加數(shù)據(jù)時(shí)，定義圖層的Z值(高程點(diǎn)標(biāo)高)，就可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的三維效果，使用屬性設(shè)置圖層的基準(zhǔn)高程是定義圖層的常用方法。為了保證地理信息的完整性，有些新要素還需要在地圖表面上來進(jìn)行添加，然后貼上影像紋理，再將圖層顯示方式設(shè)置為瀏覽時(shí)顯示。這樣，就可以完成對(duì)油庫的三維構(gòu)建。

3.3.1 三維視圖顯示 對(duì)油罐、建筑物、植被等實(shí)體建模完成后，根據(jù)不同的空間數(shù)據(jù)將不同的三維模型放在指定位置，將最終生成的場(chǎng)景文件通過Geodatabase進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字油庫虛擬場(chǎng)景的生成[10]。油庫全景視圖、油庫俯視圖如圖5—6所示。

圖5 油庫全景視圖

圖6 油庫俯視圖

3.3.2 屬性信息查詢 油庫設(shè)施的屬性信息查詢分為二維屬性信息查詢和三維屬性信息查詢，用戶選擇工具欄中的識(shí)別工具，將識(shí)別工具在任意圖層處點(diǎn)擊即可彈出此圖層的屬性信息，例如用識(shí)別工具點(diǎn)擊油罐處，彈出油罐屬性信息表，包括油罐坐標(biāo)位置、油罐的規(guī)格、型號(hào)、容量、內(nèi)徑、工作狀態(tài)及安裝位置等相關(guān)屬性信息。二維屬性信息如圖7所示。

圖7 二維屬性信息

三維屬性信息查詢與二維屬性信息相同，單擊識(shí)別工具，點(diǎn)擊任意處，即可彈出該位置相關(guān)屬性表，不同之處是三維點(diǎn)擊的位置不再是圖層，而是三維模型，如點(diǎn)擊油罐三維模型，即彈出油罐相關(guān)屬性表，三維屬性信息如圖8所示。

圖8 三維屬性信息

4 結(jié)論與展望

油庫技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)表明，傳統(tǒng)紙質(zhì)化油庫轉(zhuǎn)向數(shù)字化是必然趨勢(shì)。將三維GIS技術(shù)應(yīng)用于油庫數(shù)字化管理，采用平面規(guī)劃圖與三維場(chǎng)景互動(dòng)顯示的形式實(shí)現(xiàn)了油庫的三維可視化，使油庫的三維地圖信息得到了展示。通過二次開發(fā)出適合油庫的信息管理平臺(tái)，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)結(jié)合，統(tǒng)一管理和查詢多種信息，立體展示油料工藝區(qū)的空間分布、油庫廠區(qū)內(nèi)設(shè)備設(shè)施的位置關(guān)系以及屬性等信息，也可做多方面分析研究，如風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、應(yīng)急處理以及員工培訓(xùn)等，從而實(shí)現(xiàn)油庫的數(shù)字化管理。我國油庫數(shù)字化改造大多只在軍用油庫投入實(shí)施，而建立適合全部油庫的數(shù)字化管理平臺(tái)將是未來油庫建設(shè)的重點(diǎn)[11-12]。

[1] 黃坤，宋歡歡，劉蘇，等.數(shù)字化油庫建設(shè)探討[J].天然氣與石油，2012,30(1)：1-4.

[2] 馬甲生.基于ArcGIS技術(shù)的地理信息系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2011(12)：72-74.

[3] 廖抿宇.GIS地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(16)：28-29.

[4] 王衛(wèi)強(qiáng)，王勇，吳明.GIS在長輸油氣管道的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007, 26(7)：1-5.

[5] Haklay M E. Virtual reality and GIS：Applications，trends and directions[J].Virtual Reality in Geography，2002：47-57.

[6] 王衛(wèi)強(qiáng)，吳明，李平.基于WebGIS數(shù)字管道信息管理系統(tǒng)構(gòu)建[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2008， 21(1)：70-73.

[7] 周靜.三維地圖制圖與應(yīng)用課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].科技展望，2015(18)：216.

[8] 龐中磊.基于OpenGL的三維場(chǎng)景可視化研究及實(shí)現(xiàn)[D].天津：天津師范大學(xué)，2011.

[9] 張明旺.基于ArcGIS和3ds Max的數(shù)字廠區(qū)三維可視化系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

[10] 毛澤紅，王山東.基于ArcGlobe的三維數(shù)字城市建模研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013,41(8)：1347-1349.

[11] 李勇.油庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[12] 金勇，田野.基于GIS的三維數(shù)字油庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010,29(1)：38-40.

(編輯 陳 雷)

Design and Implementation of Digital Oil Depot Based on ArcGIS

Xiang Nan1， Liu Daqian1， Huang Yue1， Wang Shuai2， Wang Weiqiang1

(1.CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China； 2.GezhoubaDamGasCo.，Ltd.,YichangHubei443000，China)

The characteristics and advantages of digital oil depot was introduced. The information management system of digital oil depot was established based on ArcGIS, with geographic information system (GIS) as spatial data management platform and 3D GIS technology as theoretical basis，and with Arccatalog as the spatial data management platform，Arcmap as the production platform of 2D oil depot，Arcscene as 3D oil depot production and display platform. The function of information management, location query and 3D display were realized. The practical example showed that the system was practical and intuitive to display, the work efficiency can be improvedand, which also can provide technical support for improving the management level of oil depot.

Oil depot; Digitization; Geographic information system; Information management; Space data

1672-6952(2017)01-0065-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-05

2016-10-10

項(xiàng)楠(1990-)，女，碩士研究生，從事長距離管道輸送技術(shù)方面研究；E-mail：448257629@qq.com。

王衛(wèi)強(qiáng)(1974-)，男，博士，教授，從事油氣管道輸送、管道風(fēng)險(xiǎn)管理、管道地理信息技術(shù)等方面的研究；E-mail：wwq920285@163.com。

TE978

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.01.013