大型厂区二、三维一体化总图管理信息系统的设计与实现

叶延磊，李 勇，何 庆，刘甲军

(山东正元地理信息工程有限责任公司，山东济南250100)

我国石化企业、钢铁冶金企业、装备制造企业等大都具有厂区规模大、建厂时间久的特点，而且为了适应生产、发展的需要，大多都进行过多次改造，厂区基建资料繁杂、支离破碎、记忆不清，地下管线也较城市管线更加密集、复杂，致使有效管理十分不便、安全事故时有发生。随着科学技术的进步，厂区改造频率将大大提高，因此大型厂区总图管理采取先进而有效的手段就显得十分重要和紧迫。

随着GIS应用渐趋成熟，以及在城市管理各领域的成功应用，部分大型企业率先将GIS技术引入到厂区总图管理中。二、三维一体化技术融合二维和三维GIS优势，使一个系统中能够同时包含二维和三维GIS的功能。采用二、三维一体化技术能够实现对大型厂区地上建筑物、地下管线等的综合化、立体化管理，不仅能为土地利用、资源管理、工程设计和规划、管理决策、应急响应等提供翔实的信息支撑与服务，而且可对企业可持续发展提供强有力的保障。

一、系统总体设计

二、三维一体化总图管理信息系统二维功能采用ArcGISEngine作为系统开发的底层组件，三维功能采用Skyline作为底层组件，采用微软公司的Visual Studio2008为开发工具，C#为开发语言，以Oracle为数据库管理系统，以ArcSDE为空间数据库引擎来完成本系统的开发;三维模型利用3ds Max软件构建。

如图1所示，系统采用C/S结构，提供地图浏览、报表输出、地图打印、管线管理与编辑、管线更新、管线分析、信息查询、数据统计、安全管理、系统管理;三维地图浏览、管线分析、查询、量测、二、三维联动等功能。C/S主要通过企业内网实现信息共享，更适合企业内部管理、使用安全，满足对地下管线的管理。

通过二、三维联动，实现二维模块与三维模块的结合，其中二维模块主要实现数据查询统计、编辑管理、空间分析、输出等;三维模块主要是进行数据展现，特别是地下管线空间的关系，有利于了解当前地下管线的敷设情况，避免事故的发生，指导厂区下一步的规划改造。

二、数据库建立

系统数据涉及的数据包括厂区基础地形数据、索引数据、地下管线数据、三维模型数据等，以及系统运行的配置数据库。

1.数据获取与处理

(1)基础数据

从厂区1∶500数字线划地图(DLG)中提取以下信息：水系及附属设施、建筑用地及附属设施、交通及附属设施、植被、建筑名数据及其属性、其他重要的设施信息点及其属性。遵循和谐美观、易识别等电子地图配图原则，对基础数据地图要素进行详细分层、地理编码、命名、符号化、添加注记等，形成厂区电子地图。

厂区高分辨率影像(0.05～0.5 m分辨率)一般有航片或卫片(QuickBird等)，航片可通过航空摄影测量等获取;高程模型DEM则可根据基础测绘资料或探测成果生成。利用高分辨率影像及高程数据生成三维场景。

(2)索引数据

从基础数据图层或厂区规划图中提取道路、重点建筑物、厂内重要设施信息点等的位置信息，并对每一地物赋予准确的名称、地理编码，作为地图索引数据，以实现厂区位置的快速定位调图功能。索引数据要求尽量详细。

图1 系统结构图

(3)地下管线数据

地下管线数据以及地上管廊数据一般来自地下管线探测普查。由具有地下管线探测资质的公司按照地下管线探测规程进行实地探测，形成外业探测管线库，然后将外业探测库经过管线、点一致性等检查后，进行管线成图，生成矢量管线库。所有管线、管点属性表结构应完全相同，地下管线的属性一般包括材质、管径、建设年代、起点高程、起点埋深、起点管点编号、终点高程、终点埋深、终点管点编号等。管点属性一般包括X、Y坐标、特征、附属物、高程、埋深等。

2.三维模型处理

三维建模流程一般为基础数据获取，纹理数据获取，模型制作，模型检查和成果提交。地上建筑物模型表面纹理利用数码相机实地拍射获取，以使模型更加接近真实世界，利用3ds Max软件人工逐一构建建筑物模型。地下管线三维模型是由程序根据管线的坐标、高程、埋深、材质、管径等信息自动生成，抽象生成的管线模型尽量接近客观世界的三维符号、简明且易判别。

3.数据建库

基础数据、索引数据、管线数据等统一采用Geodatabase数据模型进行存储，基于数据库的Geodatabase使用范围广，支持海量数据以及多用户并发访问、版本管理等。系统采用目前空间数据的主流管理方式：ArcSDE+Oracle。将空间数据和属性数据集中在关系数据库管理系统，借助关系数据库管理系统对数据进行统一、有效的管理，保证空间数据和属性数据间的一致性和完整性。根据不同的应用功能，建立了系统配置数据库、用户权限数据库、地图定义数据库、系统界面控制数据库、数据字典数据库、专题应用数据库、系统异常信息数据库等。

三、二、三维一体化

GIS的优势在于能够直观直接地展示复杂的地理信息，同时具有强大的空间分析功能。二维GIS拥有成熟的数据结构、多种多样的专题图和统计图、丰富的查询、强大的分析手段、成熟的业务处理流程等。三维GIS相比二维GIS更接近于人的视觉习惯，具有更加直观、更加具体的优势，能够更具体地表达空间关系，容易被更多的用户所接受。二、三维一体化技术融合了二维和三维GIS的优势，使一个系统中能够同时包含二维和三维GIS的功能。

在大型厂区二、三维一体化总图管理信息系统中，采用二、三维一体化技术对综合构建地上建筑物、地下管线等的三维实景模型，开发实现管线的查询统计、空间分析、数据编辑更新、应急决策、辅助设计、三维空间分析等功能，实现厂区总图综合化、可视化管理。

四、系统主要功能模块

1.基本功能

系统提供GIS系统常规的地图操作功能，如地图浏览、地图定位、属性查询、数据统计、量测标注、输出等，这些操作相互配合使用，能够帮助用户快速的了解厂区总图现状信息，并可将相关信息打印输出。

2.管线分析

提供管线横断面分析、纵断面分析等功能，并将分析结果以图件和数字的形式展现给用户，使用户更加直观地了解该具体位置的地下管线情况(见图2)。

管线垂直净距分析、水平净距分析、覆土深度分析等用于判断具体位置的管线敷设是否符号国家管线埋设规范;首先选定管线上的某个点，判定管线类型，然后进行空间运算内插得到该管线该点处的空间位置、埋深等信息，计算相应的水平、垂直净距、埋深等，将数值与管线埋设规范比较，以判断是否符合规范，如不符则给出提示。

当某段给水或燃气管线发生爆管事故时，可利用该功能在地图上搜索需要关闭的阀门，并帮助用户快速定位到应关闭的阀门位置，得知相应的阀门属性信息，最大限度减少损失，避免引起人身安全。

图2 纵断面分析图

3.管线编辑

当对地下管线进行改造、更新时，及时对系统内的管线数据进行相应的编辑，以保证数据的有效性，方便管理。包括添加、删除管线、管点，修改管线、管点属性，改变管线走向等。

4.地形编辑

当厂区部分区域重新规划或进行修建性改造时，需及时对系统内的地形数据进行编辑管理，以保证地形数据的有效性，方便管理。包括添加、删除地物点、线、面，修改属性信息，修改点、线、面位置等。

5.辅助设计

当城市内某条道路要进行扩建时，利用道路扩建分析功能可对因道路扩建影响到的房屋、绿地、管线等进行统计分析，计算出受影响的范围，生成报表。

利用管线规划设计功能设计新管线，使设计的管线符合各规范值(水平净距、垂直净距、覆土深度等)。

当某区域发拆迁改造时，可以利用范围拆迁功能对该区域进行分析，确定该区域内因拆迁而影响到的建筑物、绿地、控制点、管线等，生成报表。

6.三维空间分析

三维模块同样提供管线垂直净距分析、水平净距分析功能，分析结果更加直观。同时提供地面挖洞分析、沿道路挖洞分析等开挖功能，帮助用户随时了解具体位置地下管线的空间位置信息，对施工、决策提供参考。

五、应用案例

攀钢集团是中国最大、世界第二的产钒企业，有40多年的历史，冷轧厂规模巨大，所处地理位置地形起伏较大，并且为适应企业发展，厂区经过多次改造、建设，并有大量的人员变动，导致基建资料杂乱无章，特别是地下管线现状不清，总图管理十分不便。为了更加有效地进行总图管理，摸清现状，攀钢集团投入大量人力、物力建设完成攀钢二、三维一体化总图管理信息系统，构建了地上建筑和地下管线的三维实景模型，开发完成了地下管线的查询统计、空间分析、应急决策、辅助设计、数据更新等功能，实现总图管理工作的可视化，大大提高了总图管理信息化进程和管理效率(如图3、图4所示)。

图3 攀钢二、三维一体化总图管理信息系统的二维界面

图4 攀钢二、三维一体化总图管理信息系统的三维界面

六、结束语

总图管理信息化是大型生产制造企业信息化工作的重要组成部分。基于大型厂区总图管理现状，综合运用二、三维一体化技术，整理总图资料，构建厂区地上建筑和地下管线的三维实景模型，建设二、三维一体化的总图管理系统，能够使厂区总图管理工作可视化、具体化，使总图管理工作能够适应并满足企业的发展需要和信息化进程。

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