三维地理信息系统在工厂中的建设与应用

刘萍

（包钢地质勘察测绘研究院，内蒙古 包头014010）

0 概述

数字工厂是现代企业信息化发展的方向，是数字城市，数字地球的一部分，三维地理信息是数字工厂的重要基础空间信息。三维工厂的建立能够全方位地、直观地给人们提供工厂的各种具有真实感的场景信息，构建出一个真实、直观的虚拟工厂环境，为企业领导者实施科学的、生态的、智能的管理提供有力的决策手段。

随着21世纪的互联网技术、计算机技术、3S（GIS、RS、GPS）技术、虚拟现实等的飞速发展，给地理信息技术手段带来前所未有的变革，通过对影像的平面高程、结构、色彩等的数字化处理，按照统一坐标无缝拼接而成可以迅速建立三维数字影像，人们可以直观地从影像上判断出山川、河流、楼宇、道路等。借助于系统平面地图的概念，叠加空间矢量数据，地物兴趣点数据，以及三维模型数据可形成区域可视化三维数字模型，三维地理信息系统不仅具有传统虚拟现实表现的高度真实感，而且具有数据库管理与分析应用等功能，并且能与其它社会经济信息互联，因而在城市及工厂空间信息科学领域受到了越来越多的关注[1]。

1 系统总体要求

本系统的构建紧密结合数字工厂的需要，以三维激光扫描数据、地形数据和三维建筑模型数据为核心，充分利用影像和GIS与虚拟仿真技术进行技术集成，建立三维真实地理信息平台。系统强调科学真实，标准，经济实用，安全可靠，操作灵活，能够支持对三维模型实时编缉，基于三维空间对象的查询分析等功能。

2 三维系统的建立

为适应包钢集团的长远发展和目标实现，集团公司开始着手稀土钢板材公司三维建模的建设，建设包括有：烧结、焦化、炼钢、炼铁等多个区域。

将包钢稀土钢板材公司地下空间与地上建筑作为整体研究对象，将能源动力设施（如燃气管、给水管）、地上地下构筑物等地下空间信息及地上建筑等信息生成三维虚拟环境，使不可见的复杂的地下空间变得直观通透，实现地表、地下一体化和立体化管理。

3 三维系统建设

3.1 三维空间数据的采集与建模

三维空间数据是工厂三维信息的核心基础，因此对其数据进行采集与建模应具有高效准确性。本文中数据的采集是基于三维激光扫描技术的方法，三维激光扫描技术，又称“实景复制技术”。它通过高速激光扫描测量的方法，直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据[2]，是一种快速建立物体的三维影像模型的技术手段。

三维激光扫描系统内容包括：快速获取包钢稀土钢板材场区三维场景数据；实现包钢稀土钢板材场区建筑、设备、复杂管线等三维模型的快速构建。利用三维激光扫描仪对包钢稀土钢板材场区内的厂房（外部与内部），道路，机器设备，管线等进行扫描，生成了初始点云数据，初始点云数据经过数据的拼接、滤波、抽隙等预处理后，应用Cyclone软件实现建构筑物及设备设施的粗略模型建设，然后利用3DMax建模工具进行精细建模。

3.2 数据处理

包钢稀土钢板材公司地理信息建设涉及大量的规划数据、基础地理数据、地上地下管网数据、电缆隧道数据、生产安全数据和环保设施数据，这些数据格式大不相同，这些不同格式的数据需进行标准化处理和格式转换，才能满足信息系统的要求，数据加工处理的具体内容包括：

3.2.1 规划数据标准化处理，包钢稀土钢板材公司的规划数据、建筑数据和管线处理等都是以CAD格式保存，把这些数据标准化处理后保存到综合数据库中。

3.2.2 坐标转换，包钢集团有自己的坐标系统，不同来源的数据坐标系统不一致，在数据使用前必须把不同坐标系转换为统一的坐标系统。

3.2.3 应用三维模型建模工具，完成包钢稀土钢板材公司地表建筑模型和设备设施模型的构建。

3.2.4 综合管网数据为实测数据，对施测数据标准化处理形成了包钢稀土钢板材公司地下管网综合数据库。

三维模型与属性数据挂接，应用包钢稀土钢板材公司地理信息系统可以实现从地图查询模型属性信息，通过模型属性信息定位三维模型。并且准确判断建筑物的体量、高度、色彩、与周边建筑的关系，通视情况等。

3.3 三维关键技术

三维关键技术主要包括以下三个方面：

3.3.1 虚拟现实技术

虚拟现实是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、无限制地观察三维空间内的事物。

虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉、力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。

3.3.2 数据库

错综复杂的地上地下管道、管线系统等是应用数据库管理的必然，综合管网信息管理系统采用数据库技术，管理各类基础地理信息、综合管网信息、基础设置信息等。实现海量数据的高效存储，利用数据库的访问权限管理机制，实现对数据库的授权共享访问。

基于数据库技术、互联网技术实现重要信息的快速搜索查询和传输功能。本文的综合数据库采用oracle log作为数据库的运行平台，通过数据库管理数据层，支持通过网络从数据库中存取设备设施信息、建筑信息、管线信息、电缆隧道信息、环保设备信息和其他各种自定义数据信息，以实现场景、地面建筑、地上道路、地上设备设施、地下管线、电缆隧道等信息查询功能。此数据库可将公司建设过程中的基础数据，原始数据，成果数据以空间数据或属性数据的方式保存到oracle数据库中。

3.3.3 三维建模

三维模型是三维系统平台展示的三维空间基础，主要分为地形模型、地物模型两大类。地形是数字工厂中最重要的地理对象，是工厂实体的三维空间基础。利用正射影像加数字高程模型(DEM)可以生成三维地形的图形表示，数字高程模型是地形表面形态的数字表示。在地物模型中主要考虑建构筑物、设备设施、道路、铁路、绿化、地上地下管网等地物的建模，对于建筑物，人们不只是关心其外形的描述，而且要求知道其几何结构和属性信息，以便对其进行空间分析和不同图层的属性查询。建筑物建模分为几何形状建模和纹理映射建模，建筑物的三维几何形体的表达是三维数字工厂建模研究的重要内容。

应用3DMax软件对Cyclone软件处理的建筑模型进行三维精细建模，进行模型展开、烘焙、贴图，烘焙后的模型带阴影，立体感更强，贴图采用现场拍照，模型的外观与建筑外观完全一致。

设备设施模型采用三维扫描、3DMax建模、纹理和透明贴图等进行三维建模，设备设施模型可以精细到阀门、螺丝钉等。

4 在生产实践中的应用

本文的应用于工厂的三维地理信息系统采用虚拟现实技术，把工厂三维地面模型，厂区内道路，建筑物，市政设施等的三维立体模型融合在一起，构造数字化的工厂三维景观，可以为企业的建设、发展提供强大的信息化服务。现代化企业的远景规划一直是三维可视化技术应用的主要领域，其应用具有深远的意义。体现在以下几个方面：

（1）揭开建筑物的屋顶或建筑物墙体,查看建筑物内部设备设施。

（2）能源动力系统（包括地下管网模型和地上管网模型），在系统中能够可视化展示。

（3）管网属性查询，诸如：热力管线、给排水管线等。

（4）电压在10kV及以上的电缆属性查询。

（5）综合管网断面分析，各个管网之间的距离及各管网距离地面的距离。

（6）铁路和公路运输网分布查询。

（7）有毒、有害、可燃气体检测设施位置分布展示。

（8）消防指挥中心、控制室、泵站专题展示。

5 结束语

随着测绘高新技术的速猛发展，以三维可视化、网络化、智能化为主要特征的地理信息系统应用日趋广泛，在城市交通、工程设计、环境保护、地质灾害防治等领域都得到应用，包钢集团公司整合自身所拥有的丰富的空间信息资源，重点研建此工程项目，将会为企业集团的规划建设提供有力的空间信息决策支持与服务。将三维地理信息系统与各行业专业系统进行扩展和融合，推进更深层次的应用是我们今后努力的方向。

［1］刘晓燕,等.虚拟城市建设原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.

［2］李清泉,杨必胜,史文中,等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M].武汉：武汉大学出版社,2003.