基于三维GIS的石化管网模型实现技术研究

摘 要：对于开发三维GIS石化管网系统来说，管网的三维建模是最重要的基础工作。首先从系统功能、数据结构这两方面探讨了三维GIS石化管网系统的开发需求，然后基于三维建模软件SketchUp和GIS软件Google Earth探讨了石化管网三维建模的实现技术，并提出了基于管网数据和管网节点数据这两种三维建模的实现方法。

关键词：三维建模；石化管网；三维GIS；管网系统

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0016-02

相关资料表明，随着石化企业管网系统复杂化程度的不断加深，与管网相关的装备故障越来越多（占所有装备故障的70%～80%）。运用三维GIS（地理信息系统）来构建石化管网系统，可以很好地描述管网的复杂空间关系，从而辅助石化企业做好管网规划、建设、管理等方面的工作。而要基于三维GIS来构建石化管网系统，管网（包括管线和管网节点）的三维建模是最重要的基础工作，也是开发此类系统的难点之一。

1 三维GIS石化管网系统的开发需求

所谓“管网”，通常是指由管网节点将管线连接起来而构成的网络系统。在石化企业中，管线包括管道、管块、管沟等；管网节点包括管井、管阀和其他连接器件等。

1.1 系统功能分析

石化企业内部管网有油、气、水、电、通信等多种类型，根据管道功能和传输物质等因素还可以分成许多小类。本文根据石化企业对管网管理的实际需求，只研究油管网、气管网、水管网这三类管网的三维GIS。根据石化企业在管网规划、建设、管理等方面的业务需求，三维GIS石化管网系统可以分成三维建模、数据管理、GIS操作、管网应用等四大功能子系统。其中，三维建模子系统包括管线三维建模、节点三维建模、其他（比如厂房、道路和其他设备等）三维建模等功能；数据管理子系统包括数据导入、数据导出、数据编辑、数据查询、用户管理等功能；GIS操作子系统包括地图工具（比如平移、缩放、打印等）、空间测量、剖面分析、地图制作、查询统计等功能；管网应用子系统包括连通分析、相交分析、爆管分析、预警分析（管网压力等数据不正常时预警）、影响分析（根据爆管、泄漏等状况分析其影响区域）、应急指挥、造价概算等功能。

1.2 数据结构设计

为了开发出能够很好地辅助石化企业做好管网规划、建设、管理等工作的三维GIS石化管网系统，结合石化企业对管网系

统的功能需求，本文管线、管网节点的数据结构如表1、表2所示。需要说明的是，这种管网数据结构设计是存在一定的数据冗余问题的，但为了便于数据查询和管网模型的自动生成，本文还是采用了这种数据结构设计。

2 石化管网三维建模的实现技术

当前，市场上有不少三维GIS平台系统，比如Google Earth、ArcGIS、Skyline、Supermap等。这些三维GIS通常在地图查询、模型浏览、空间分析等方面具有很好的性能，但在三维建模方面的性能通常比较弱，因此，对于三维GIS的三维建模通常选用其他擅长三维建模的软件来完成。为此，本文选用易于使用、

市场占有率高的3D设计软件Google SketchUp（中文名称“草图大师”）来完成系统的三维建模工作，选用浏览性能优异、地图资源丰富的Google Earth（中文名称“谷歌地球”）作为石化管网系统的GIS基础平台。

2.1 石化管网三维建模的数据存储

物体的三维模型构建完成后，需要以某种类型的文件将物体的三维模型数据存储起来。KML文件是Google公司支持的一种用来描述、保存和显示各种空间信息的文件格式。Google Earth和SketchUp都支持这种三维模型数据存储文件格式。由于KML文件还是一种采用XML文件的语法格式和文件结构的纯文本文件，非常适用于系统生成、更新其中的数据信息，因此对于选用SketchUp和Google Earth来开发的石化管网系统而言，KML是最佳的三维模型数据存储文件类型。

2.2 石化管网三维建模的实现方法

根据表1、表2所示的石化管网数据结构表完成石化企业管网（管线和管网节点）的数据采集后，三维GIS石化管网系统能够利用这些管网数据生成KML文件，从而通过SketchUp平台完成石化管网的三维建模，进而导入GIS操作平台（谷歌地球）形成三维GIS管网数据。由于管网是由管线和管网节点相连而构成的网络，因此对于如何生成存储三维模型数据的KML文件，有基于管网数据和管网节点数据这两种管网三维建模实现方法。

2.2.1 基于管网数据的实现方法

对于石化管网三维建模，基于管网数据的实现方法是：①整理管网图纸，并将图纸分为油管、气管、水管等类型；②对某种类型的管网图纸，按表1、表2所示的数据结构表采集管线和管网节点数据（其中有些数据项可通过推导获得），并生成相应的数据库；③根据管网节点数据，按节点类型将管网节点制作成三维模型符号；④根据起点坐标（X，Y，Z）、终点坐标（X，Y，Z）、管径、埋设类型、起点埋深、终点埋深、材质等管线数据生成描述管线三维模型的KML代码；⑤结合三维模型符号，根据节点类型、节点符号坐标（X，Y，Z）、节点符号绕轴转角（x，y，z）、埋设类型、地面高程、埋深、节点符号形状参数、附属物参数、材质等管网节点数据生成描述管网节点三维模型的KML代码；⑥综合步骤④和步骤⑤的KML代码，按KML格式要求生成KML文件；⑦用SketchUp打开KML文件，修改完善管网的三维模型。

这种方法在管网图纸和相关数据比较齐全的情况下是比较容易实现的，而且制作出来的模型比较精细。然而，在管网数据缺漏不全的情况下，许多数据可能还需要用现场测量等方法来采集，这时，此方法实现起来比较困难。

2.2.2 基于管网节点数据的实现方法

在管网数据缺漏不全的情况下，为了更便捷地完成石化管网的三维建模任务，本文提出了基于管网节点数据的石化管网三

维建模方法，具体为：①整理管网图纸，并将图纸分为油管、气管、水管等类型；②分析某种类型管网图纸的管网节点，并按表2所示的数据结构表采集所设定管网节点的相关数据；③根据表2中相连节点数据项的内容（与此节点有管线连接的其他节点的数据记录），按表3所示的数据结构表采集相关数据；④根据管网节点数据，按节点类型将管网节点制作成三维模型符号；⑤结合三维模型符号，根据节点类型、节点符号坐标（X，Y，Z）、节点符号绕轴转角（x，y，z）、埋设类型、地面高程、埋深、节点符号形状参数、附属物参数、材质等管网节点数据生成描述管网节点三维模型的KML代码；⑥按表3所采集的数据生成描述管线三维模型的KML代码；⑦综合步骤⑤和步骤⑥的KML代码，按KML格式要求生成KML文件；⑧用SketchUp打开KML文件，修改完善管网的三维模型。需要注意的是，在应用此方法时，必须确保步骤⑤所列的管网节点三维建模所需数据项和表3当前所列数据项的完整性，其他数据项则可根据相关应用来选择。

这种方法所需要采集的数据比前一种方法少，有利于减少数据采集和整理的工作量，因而适用于管网数据缺漏不全的情况，但是其所构建的管网模型可能不如前一种精细，有些应用也可能会因为缺少数据而无法实现。

3 结束语

综上所述，目前石化企业油、气、水等类型的管网越来越复杂，而发生在管网上的装备故障越来越多。基于擅长描述复杂空间关系的三维GIS技术来构成石化管网系统，为石化管网的管理打下了厚实的基础。管网的三维建模是开发和应用三维GIS石化管网系统最重要的基础工作。为此，本文在分析三维GIS石化管网系统需求的基础上，探讨了石化管网的三维建模技术，并提出了两种具体的实现方法，以期为石化企业做好管网工作提供有益的参考。

参考文献

[1]马玉洁.GIS在石化装置信息管理中的应用研究[D].大庆：大庆石油学院，2006.

[2]龚建桥.三维综合管线管理系统关键技术研究与实现[D].武汉：华中师范大学，2012.

[3]姜波.三维地下综合管网系统的设计及实现[J].城市勘测，2013（4）：53-55.

[4]陈子辉，胡建平，董春华.城市地下管网三维可视化实现技术研究[J].工程图学学报，2010（6）：139-145.

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作者简介：朱冠华（1979—），男，广东韶关人，硕士，高级工程师，从事计算机应用、数字出版等方面的研究。

〔编辑：刘晓芳〕

2.2.2 基于管网节点数据的实现方法

在管网数据缺漏不全的情况下，为了更便捷地完成石化管网的三维建模任务，本文提出了基于管网节点数据的石化管网三

维建模方法，具体为：①整理管网图纸，并将图纸分为油管、气管、水管等类型；②分析某种类型管网图纸的管网节点，并按表2所示的数据结构表采集所设定管网节点的相关数据；③根据表2中相连节点数据项的内容（与此节点有管线连接的其他节点的数据记录），按表3所示的数据结构表采集相关数据；④根据管网节点数据，按节点类型将管网节点制作成三维模型符号；⑤结合三维模型符号，根据节点类型、节点符号坐标（X，Y，Z）、节点符号绕轴转角（x，y，z）、埋设类型、地面高程、埋深、节点符号形状参数、附属物参数、材质等管网节点数据生成描述管网节点三维模型的KML代码；⑥按表3所采集的数据生成描述管线三维模型的KML代码；⑦综合步骤⑤和步骤⑥的KML代码，按KML格式要求生成KML文件；⑧用SketchUp打开KML文件，修改完善管网的三维模型。需要注意的是，在应用此方法时，必须确保步骤⑤所列的管网节点三维建模所需数据项和表3当前所列数据项的完整性，其他数据项则可根据相关应用来选择。

这种方法所需要采集的数据比前一种方法少，有利于减少数据采集和整理的工作量，因而适用于管网数据缺漏不全的情况，但是其所构建的管网模型可能不如前一种精细，有些应用也可能会因为缺少数据而无法实现。

3 结束语

综上所述，目前石化企业油、气、水等类型的管网越来越复杂，而发生在管网上的装备故障越来越多。基于擅长描述复杂空间关系的三维GIS技术来构成石化管网系统，为石化管网的管理打下了厚实的基础。管网的三维建模是开发和应用三维GIS石化管网系统最重要的基础工作。为此，本文在分析三维GIS石化管网系统需求的基础上，探讨了石化管网的三维建模技术，并提出了两种具体的实现方法，以期为石化企业做好管网工作提供有益的参考。

参考文献

[1]马玉洁.GIS在石化装置信息管理中的应用研究[D].大庆：大庆石油学院，2006.

[2]龚建桥.三维综合管线管理系统关键技术研究与实现[D].武汉：华中师范大学，2012.

[3]姜波.三维地下综合管网系统的设计及实现[J].城市勘测，2013（4）：53-55.

[4]陈子辉，胡建平，董春华.城市地下管网三维可视化实现技术研究[J].工程图学学报，2010（6）：139-145.

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作者简介：朱冠华（1979—），男，广东韶关人，硕士，高级工程师，从事计算机应用、数字出版等方面的研究。

〔编辑：刘晓芳〕

2.2.2 基于管网节点数据的实现方法

在管网数据缺漏不全的情况下，为了更便捷地完成石化管网的三维建模任务，本文提出了基于管网节点数据的石化管网三

维建模方法，具体为：①整理管网图纸，并将图纸分为油管、气管、水管等类型；②分析某种类型管网图纸的管网节点，并按表2所示的数据结构表采集所设定管网节点的相关数据；③根据表2中相连节点数据项的内容（与此节点有管线连接的其他节点的数据记录），按表3所示的数据结构表采集相关数据；④根据管网节点数据，按节点类型将管网节点制作成三维模型符号；⑤结合三维模型符号，根据节点类型、节点符号坐标（X，Y，Z）、节点符号绕轴转角（x，y，z）、埋设类型、地面高程、埋深、节点符号形状参数、附属物参数、材质等管网节点数据生成描述管网节点三维模型的KML代码；⑥按表3所采集的数据生成描述管线三维模型的KML代码；⑦综合步骤⑤和步骤⑥的KML代码，按KML格式要求生成KML文件；⑧用SketchUp打开KML文件，修改完善管网的三维模型。需要注意的是，在应用此方法时，必须确保步骤⑤所列的管网节点三维建模所需数据项和表3当前所列数据项的完整性，其他数据项则可根据相关应用来选择。

这种方法所需要采集的数据比前一种方法少，有利于减少数据采集和整理的工作量，因而适用于管网数据缺漏不全的情况，但是其所构建的管网模型可能不如前一种精细，有些应用也可能会因为缺少数据而无法实现。

3 结束语

综上所述，目前石化企业油、气、水等类型的管网越来越复杂，而发生在管网上的装备故障越来越多。基于擅长描述复杂空间关系的三维GIS技术来构成石化管网系统，为石化管网的管理打下了厚实的基础。管网的三维建模是开发和应用三维GIS石化管网系统最重要的基础工作。为此，本文在分析三维GIS石化管网系统需求的基础上，探讨了石化管网的三维建模技术，并提出了两种具体的实现方法，以期为石化企业做好管网工作提供有益的参考。

参考文献

[1]马玉洁.GIS在石化装置信息管理中的应用研究[D].大庆：大庆石油学院，2006.

[2]龚建桥.三维综合管线管理系统关键技术研究与实现[D].武汉：华中师范大学，2012.

[3]姜波.三维地下综合管网系统的设计及实现[J].城市勘测，2013（4）：53-55.

[4]陈子辉，胡建平，董春华.城市地下管网三维可视化实现技术研究[J].工程图学学报，2010（6）：139-145.

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作者简介：朱冠华（1979—），男，广东韶关人，硕士，高级工程师，从事计算机应用、数字出版等方面的研究。

〔编辑：刘晓芳〕