基于ArcGIS的數字油庫設計與實現(xiàn)

項 楠， 劉大千， 黃 悅， 王 帥， 王衛(wèi)強

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2.葛洲壩燃氣有限公司，湖北 宜昌 443000)

基于ArcGIS的數字油庫設計與實現(xiàn)

項 楠1， 劉大千1， 黃 悅1， 王 帥2， 王衛(wèi)強1

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2.葛洲壩燃氣有限公司，湖北 宜昌 443000)

介紹了數字油庫的特點及優(yōu)勢，以GIS(地理信息系統(tǒng))作為空間數據的管理平臺，三維GIS相關技術及理論為基礎，以Arccatalog為空間數據的管理平臺，Arcmap作為二維油庫的制作平臺，Arcscene作為三維油庫制作及展示平臺，構建了基于ArcGIS的數字化油庫信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息管理、定位查詢、三維顯示等功能。實例表明，系統(tǒng)實用性強，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支撐。

油庫； 數字化； 地理信息系統(tǒng)； 信息管理； 空間數據

目前成品油庫大部分還采用老舊的管理模式，生產作業(yè)自動化水平低、技術落后，使得油庫的安全運作與日常管理復雜繁瑣。同時，隨著油庫的運營，包括人員和設備在內的諸多因素都會對油庫的安全造成影響。所以，為了適應社會需求，簡化油庫管理流程，保障油庫安全運行，對油庫進行數字化建設己迫在眉睫[1]。

1 數字油庫關鍵技術

1.1 GIS相關技術

GIS是一種基于計算機的信息管理工具，可以把地圖的可視化效果、分析功能與數據庫操作結合在一起[2]。三維 GIS是指能對空間內的對象進行三維展示、三維場景瀏覽、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90年代開始，人們對于三維GIS的需求越來越迫切，虛擬現(xiàn)實技術為此提供了強大的支持[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，一個生動真實的三維場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，互相補充，使模型逼真。常見的三維數據模型格式如表1所示。

表1 常見的三維數據模型格式

1.3 三維可視化平臺

在ArcGIS Desktop中，用于展現(xiàn)三維場景的平臺有ArcGlobe、ArcScene，ArcGlobe與ArcScene功能差別如表2所示。具體應用時，要進行對比選擇。

表2 ArcGlobe與ArcScene功能差別

注：“√”表示支持此項功能；“×”表示不支持此項功能。 以三維GIS相關技術為基礎，分析可視化實現(xiàn)的平臺。因油庫是一個小場景，故選擇ArcScene作為實現(xiàn)三維可視化的平臺。

2 數字油庫系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構設計

數字油庫管理系統(tǒng)從結構上可分為儀器儀表層、數據傳輸層和控制管理層。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

2.2 功能模塊設計

數字油庫管理系統(tǒng)主要為實現(xiàn)油庫自身收、發(fā)、存作業(yè)的操作，油庫地理信息、設備設施屬性信息的管理，以及對重點區(qū)域及設備的實時定位、屬性查詢等功能。系統(tǒng)功能結構如圖2所示。

2.3 數據庫設計

數據是地理信息技術的核心環(huán)節(jié)。大量的實測地理數據、運營記錄等資源需要進行統(tǒng)一的數據管理。

系統(tǒng)主要涉及到三類數據：空間數據、屬性數據以及文檔數據，采用分步存儲方式，海量屬性數據均采用SQL Server 2008數據庫進行存儲[6]。

圖1 系統(tǒng)總體結構

圖2 系統(tǒng)功能結構

3 應用實例

以國內某油庫為實例，對所構建的基于ArcGIS數字化油庫建設進行介紹。

3.1 二維油庫構建

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，對圖層進行新建、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)應用所需的地圖符號、線形圖案、色塊涂料和各種字體，并支持多種數據格式的輸入和輸出，坐標格網和經緯網的自動生成，地圖的標注功能也極具個性化。

打開ArcCatalog，連接到目標文件夾，新建shapefile文件，在彈出窗口，即可對創(chuàng)建的要素類型進行點、線或面的定義，并且可以設置要素的坐標系。

ArcGIS中支持兩種文字方式表示場景中的地理信息。一種是動態(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圖層，每建立一個要素類需要在ArcMap中添加一次屬性數據，要素以圖層形式存在ArcMap中，在ArcCatalog中可對每一個圖層添加屬性。繪制的二維油庫以及相關屬性添加如圖3—4所示。

圖3 二維油庫圖

圖4 屬性數據錄入

3.2 三維油庫構建

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

三維油庫的核心內容是三維模型(建筑物、油罐、樹木等)和地圖要素(居民地、道路、水系等)，通過三維數據結構組織起來，進行三維地形、地物和地圖要素的可視化。三維油庫地圖關鍵問題是：數據獲取、數據合成、三維可視化和應用系統(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據，即將油罐、樹木等地圖要素數據形成三維地圖場景，此為地形、地貌的三維可視化[9]。

ArcGIS可以轉換體狀要素三維模型數據的格式，實現(xiàn)三維模型在不同的地理信息系統(tǒng)中靈活運用。在ArcGIS中可使用工具箱中的空間處理工具，將.3ds文件導出為Multipatch多面體要素類，完成體狀要素向Multipatch數據格式的轉換。

3.3 三維數字油庫實現(xiàn)

在添加數據時，定義圖層的Z值(高程點標高)，就可實現(xiàn)場景的三維效果，使用屬性設置圖層的基準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行添加，然后貼上影像紋理，再將圖層顯示方式設置為瀏覽時顯示。這樣，就可以完成對油庫的三維構建。

3.3.1 三維視圖顯示 對油罐、建筑物、植被等實體建模完成后，根據不同的空間數據將不同的三維模型放在指定位置，將最終生成的場景文件通過Geodatabase進行管理，實現(xiàn)數字油庫虛擬場景的生成[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別工具，將識別工具在任意圖層處點擊即可彈出此圖層的屬性信息，例如用識別工具點擊油罐處，彈出油罐屬性信息表，包括油罐坐標位置、油罐的規(guī)格、型號、容量、內徑、工作狀態(tài)及安裝位置等相關屬性信息。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，單擊識別工具，點擊任意處，即可彈出該位置相關屬性表，不同之處是三維點擊的位置不再是圖層，而是三維模型，如點擊油罐三維模型，即彈出油罐相關屬性表，三維屬性信息如圖8所示。

圖8 三維屬性信息

4 結論與展望

油庫技術和地理信息系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢表明，傳統(tǒng)紙質化油庫轉向數字化是必然趨勢。將三維GIS技術應用于油庫數字化管理，采用平面規(guī)劃圖與三維場景互動顯示的形式實現(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，將業(yè)務數據與空間數據結合，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)內設備設施的位置關系以及屬性等信息，也可做多方面分析研究，如風險評價、應急處理以及員工培訓等，從而實現(xiàn)油庫的數字化管理。我國油庫數字化改造大多只在軍用油庫投入實施，而建立適合全部油庫的數字化管理平臺將是未來油庫建設的重點[11-12]。

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

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

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

[4] 王衛(wèi)強，王勇，吳明.GIS在長輸油氣管道的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].油氣儲運，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，吳明，李平.基于WebGIS數字管道信息管理系統(tǒng)構建[J].石油化工高等學校學報，2008， 21(1)：70-73.

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

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

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

[10] 毛澤紅，王山東.基于ArcGlobe的三維數字城市建模研究與實現(xiàn)[J].計算機與數字工程，2013,41(8)：1347-1349.

[11] 李勇.油庫管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2011.

[12] 金勇，田野.基于GIS的三維數字油庫的設計與實現(xiàn)[J].油氣儲運，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

投稿網址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-05

2016-10-10

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

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

TE978

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.01.013