基于GIS的油库三维可视化方法研究

基于GIS的油库三维可视化方法研究

刘道乾

中国石化销售有限公司华中分公司湖北武汉430023

摘要：本文基于目前数字化油库基础信息不统一、三维模型比较粗糙的特点，提出进行施工过程全生命周期数据采集，1：1精细化模型构建方法及建立油库三维可视化系统的流程步骤。结合对国内某储备库三维可视化建设实例，进一步阐述了数据采集内容和模型制作内容，并实现了油库三维模型的浏览、查询功能。

关键词：油库；过程采集；模型制作；三维可视化

随着中国石油化工工业的发展，石油储运工业发展也很快。实现油库的信息化管理，建设“数字化油库”是一种重要的管理模式的改变和发展趋势。

1引言

在进行管道工程数字化采集的过程中发现，以中石化的智能化管线系统为代表的国内管线管理系统大多采用管道竣工数据表现长距离输油气管道的基本特征及可视化，而缺少对油库等设施的三维可视化；同时采集的数据仅是管道建成后的静止数据，缺少工程建设的可追溯性。

国内的油库可视化系统存在以下特点：1）数据结构简单不能满足智能化管线的系统要求。黄坤等人认为油库的数字化管理，应该实现数据实时采集，局域网信息传输与办公，并指出国内数字化油库建设中存在的数据结构不统一、自动化水平低等特点[1]。张宝良等利用ArcGIS组件构建了南三油库的可视化信息系统，并实现简单的空间分析功能[2]；2）模型结构简单，不能对油库设施进行精细表达。金勇等在建立油库三维模型时，树木、路灯等模型直接选用符号库数据，模型比较粗糙[3]。寇可心利用ArcGIS构建了B/S模式的二维油库应急管理系统，数据结构也比较简单[4]；3）数据采集不全面，不能实现工程施工回溯。

油库三维可视化系统是以三维GIS软件为基础，通过叠加外业采集数据，构建设施1：1精细化建模，可以进行三维浏览、数据查询、地理分析、施工回溯等功能的地理信息系统[5]。

针对数据结构不统一、数据采集不完全、模型粗糙等因素，本文的油库三维可视化系统利用工程施工全生命周期采集的数据为基础，构建1：1精细化实体模型，建立了油库三维地理数据库。通过三维GIS软件实现对相关数据的调用，进行三维浏览、空间分析等功能；同时利用工程施工全生命周期的数据采集成果实现工程建设过程的可追溯。

2油库三维可视化的建设过程

油库三维可视化的建设包含施工过程全生命周期数据采集，设备设施模型构建，油库数据库建设与三维系统建设[6]。

图1数字化油库建设过程

2.1施工过程全生命周期数据采集

1、基础数据采集。

基础地理信息主要收集采集库区地形图、影像图、高程数据及设施空间三维坐标等。

2、属性数据采集

油库建设数据采集以新建站场、油库内场地平整、储罐基础施工、主体安装、上水试验、罐体防腐为主线，其它供暖、通讯、供电、建构筑物、道路等施工及设计、采购为辅，对库区建设过程的全生命周期罐区内地下工程、管墩管架、工艺管网、消防、给排水、期进行数字化采集。

属性数据分为通用信息、专用信息、施工信息及检测实验信息等。①通用信息：对象ID、供应商/生产商、材质、几何尺寸；②专用信息：额定功率、压力、温度、容积等；③检测/试验信息：检测承包方、检测人员、检测时间、检测记录、检测报告；④施工信息采集内容涵盖承包商、施工方法、施工人员、施工时间、施工记录等。

3、施工过程数据采集

施工过程现场数据采集与处理的内容包括以下几个方面的内容。

1）土建专业数据采集

总平面布置图基准点信息、建构筑物信息、储罐基础信息、储罐垫层信息、储罐环梁信息数据及储罐阴保信息数据等。

2）工艺专业数据采集

工艺管段数据信息、工艺进出站管道数据、工艺管件安装信息、工艺仪表安装信息、工艺阀井、地漏施工信息及工艺土方施工信息等。

3）电力专业数据采集

电力电缆数据、电力设备安装信息、电力检查井施工信息与电缆土方施工信息等。

4）阴保专业数据采集

阴保电缆数据、阳极地床施工信息、参比电极安装信息、阴保设备安装信息测试、监察装置安装信息和阴保土方施工信息等。

5）通讯专业数据采集

通信电（光）缆敷数据、通信管道数据、通信设备安装和通讯土方施工信息等。

6）仪表专业数据采集

仪表电缆数据、仪表安装信息与仪表信息。

7）给水消防专业数据采集

消防给排水井池数据、消防管道数据、给水管道数据、工业污水管道数据、生活污水管道数据、土方施工信息及设备安装信息等。

8）热力专业数据采集

包含热力管道数据、热力设备安装与热力土方施工。

9）储罐专业数据采集

储罐信息数据、储罐附件信息数据、储罐开口接管信息、储罐浮顶信息数据、储罐防腐信息数据与储罐保温信息数据。

10）储罐工程无损检测数据采集

储罐工程射线检测、储罐工程超声波检测、储罐工程渗透检测、储罐工程真空试漏检测

11）站场工程无损检测数据采集：站场工程射线检测与站场工程超声波检测。

12）物资设备数据采集：设备数据采集与工艺管件数据采集信息。

数据处理包括各种采集数据整合、检查、入库，数据格式转换等。

4、数据库建设

数据库主要源自油库建设阶段通过外业采集的施工进度信息、空间位置信息、属性信息等。其中施工进度信息包含施工单位、施工设备、工作量、施工时间、方法、检测信息、监理信息等；空间位置信息有平面坐标、高程、高度等；属性信息包括供应商、材质、几何尺寸、特征参数（功率、直径等）。

2.2三维模型构建

三维模型构建采用第三方数据建模软件如3DMAX等，根据设施设备的几何尺寸进行1：1精细化建模。在可视化系统中，需要进行三维模型的快速三维浏览、三维飞行等功能，对模型大小提出更为严格的要求。层次细节技术（LevelofDetail，LOD）对于距离视点较远的区域用粗糙的模型绘制；反之，如果模型区域离视点较近，就用较精细的模型来绘制[7]。这个技术参考了人类视觉认知的自然法则，根据视线的主方向、景物离视点的距离等因素综合决定物体应该选择的细节层次[8]。

三维模型构建以几何数据、设备贴图等组成。几何尺寸应以设计图纸为准，辅以现场人员采集数据；模型贴图则全部由现场人员拍照获取。针对复杂、不规则模型（如图2）采用常规的数据获取方式则不能满足需求，主要采用3D激光扫描点云数据逆向建模方法，以保证模型的真实性及精度的可靠性。

图2阀门模型

模型建立应遵循以下原则：

①所有模型及纹理命名必须唯一；②三维模型纹理贴图应与模型名称相对应，宜采用“模型名称、编号、顺序号”进行编码；③在满足模型细节表现要求的情况下，模型应尽量精简，单个模型面数不宜大于8000；④模型的网格分布要合理。平直的结构宜使用较少的网格分段数，而主体模型和主要表现场景则可以适当增加细节。

2.3三维GIS系统展示

1、三维数据入库

首先将采集的基础地理信息数据经检查后导入油库地理数据库，完成测绘数据入库；其次，将依据图纸、规划图等制作的1：1精细模型通过插件进行分拆。利用转换工具将模型导入数据库并与包含设备信息的属性库相关联，完成模型入库；最后，利用软件调取相应的数据实现三维浏览、数据查询、建设过程回溯等功能[9]。

2、施工过程回溯

基于施工过程全生命周期的数据采集赋予模型实体时间属性，依据这个特点可以通过软件追溯场站乃至罐体壁板的施工过程。

图3罐体施工追溯

3某储备库三维可视化油库建设实例

国内某储备库共设8个原油罐组，每罐组设4个原油储罐，每罐均为10×104m3。库区内部建设输油泵站、计量站、配电间、消防站、消防泵站、泡沫站、污水提升泵站、综合办公楼（包括办公设施、中心控制室、通信设施等）、维修间、仓库及车库等辅助设施。针对此油库的三维可视化系统建设应如下进行：

3.1基础数据的采集

数据采集内容主要包括基础地形数据、空间位置数据、属性数据以及施工信息，检测数据、监理信息等。

测绘数据包含库区1：500数字线划地图（DLG）、1：1000数字正射影像图（DOM）、1m×1m数字高程模型（DEM）；空间位置数据主要包括库区施工对象的三维坐标，采用实测法及解析法对其进行定位。

本次工程共收集包含各种专用、通用属性信息和12种专业施工过程数据在内的表格共87项（如表1）。

表1收集部分数据表格名称

表2部分流量计统计信息

3.2模型构建

建筑物LOD模型的建立需要考虑特征的可识别性、LOD模型的稳健性、几何与纹理的统一、基于体元构建LOD及建筑物LOD模型的连续性[10]。以此确定工程模型制作的主要技术指标如下：

表3三维模型平面精度

本次工程主要采用3DMax建模软件制作模型。其中规则模型采用现场人员采集的测量数据，对于复杂及不规则的设备则采用三维激光扫描点云逆向建模方法构建模型。模型制作内容如下表所示：

表6模型制作内容

下图是经过3DMax软件制作的部分设备模型：

图6油库三维可视化系统

3.5施工进度展示

本次工程数据采集贯穿于工程施工全过程，采集的数据具有动态可持续性。例如罐体壁板施工信息记录于数据库中，通过时间属性的调用，全程追溯工程施工全过程（图7所示）。

图7罐体施工进度展示

4总结

本文利用工程施工全生命周期采集的数据为基础构建属性数据库、地理数据库，结合现场人员采集的贴图制作精细三维模型。最后导入数据库，通过三维GIS系统的调用，实现油库的三维可视化浏览。

油库的三维可视化系统既可以满足现有智能化管线系统要求的所有数据又可以直观地显示油库建设过程；同时利用1：1精细模型统计的材料表则可与设计图纸对比用于工程建设中。

在工程实施过程中，存在以下问题：三维模型制作效率不高；模型数据量大及开发的3DGIS软件不够成熟导致施工过程的回溯存在一些问题。在今后的工作中，需要对规则模型实现程序自动建模，优化模型结构以适应施工过程回溯的数据访问要求。

参考文献：

[1]黄坤，宋欢欢，刘苏等.数字化油库建设探讨[J].天然气与石油，2012，30（1）：1-5.

[2]张宝良，孙建刚，聂凯.南三油库可视化信息系统设计[J].大连民族学院学报，2014，16（1）：66-68.

[3]金勇，田野.基于GIS的三维数字油库的设计与实现[J].油气储运，2010，29（1）：38-40.

[4]寇可心.基于ArcGIS的油库应急管理系统研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2013.

[5]陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社，1999.

[6]董秀兰.基于GIS的三维虚拟校园的设计与实现[D].淮南：安徽理工大学，2012.

[7]王涛.三维中的动态目标表示及其可视化[D].武汉：武汉大学，2005.

[8]朱庆，林晖.数码城市地理信息系统[M].武汉：武汉大学出版社，2004.

[9]艾丽双.三维可视化GIS在城市规划中的应用研究[D].北京：清华大学，2004.

[10]周燕，朱庆，黄铎.三维城市模型中建筑物LOD模型研究[J].测绘科学，2006，31（5）：74-77.