基于Skyline煤層氣管網三維可視化管理系統探討

趙國梁，趙國林，吳滿意

（1.西安科技大學 測繪學院， 陜西 西安 710054；2.空軍預警學院， 湖北 武漢 430019；3.陜西省第二測繪工程院， 陜西 西安 710054 ）

基于Skyline煤層氣管網三維可視化管理系統探討

趙國梁1，趙國林2，吳滿意3

（1.西安科技大學 測繪學院， 陜西 西安 710054；2.空軍預警學院， 湖北 武漢 430019；3.陜西省第二測繪工程院， 陜西 西安 710054 ）

在中石油煤層氣公司韓城分公司煤層氣管網精確測量數據基礎上，以Skyline作為軟件開發平臺，以3Dmax作為三維建模軟件，對地下管網、附屬設施和地表三維場景進行真實建模，采用Geodatabase空間數據庫管理方式，通過ArcSDE空間數據引擎對煤層氣管線二三維數據進行調用，實現二三維聯動的設計，采用C#面向對象編程技術，開發了煤層氣管網三維可視化管理系統。該系統實現了三維視圖的瀏覽控制、管網的統計查詢以及管線分析等功能，對煤層氣安全生產提供分析和決策支持。

Skyline；管網三維可視化；三維建模；管線分析

三維地理信息系統通過精確的地理環境底層數據，將地表和地下的物體特征以三維可視化的狀態進行真實模擬，在農林畜牧業、礦產地質普查、公共管理事業、資源勘探開發等領域都得到廣泛應用。中石油煤層氣有限責任公司在渭北地區已建成韓城區塊產能建設工程，形成復雜的大型煤層氣采氣管線網絡，采氣管網所在地區地形復雜，起伏較大，管網密集程度遠遠大于常規油氣管網，管線精確描述和數據管理困難。本文選擇中石油煤層氣公司韓城分公司作為系統的研究區域，將外業勘測成果進行內業錄入成圖并建立管網信息管理系統的一體化數據庫，進而建立煤層氣管網三維可視化平臺，利用GIS和虛擬現實技術建立包括輸入輸出、查詢定位、統計分析、更新維護等應用功能的三維煤層氣采氣管網可視化應用管理系統，使用戶通過可視化管理，實現對管線的檢測、維護的數字化管理，為后期管網擴建及安全運行維護作保障。

1 技術路線

本文首先利用探測儀器在實地探查出各管線的類別、管徑或斷面、管（溝）內底高、管外頂高等，同時要將各特征點在實地標出，完成煤層氣管線數據庫的設計、數據處理、三維管線模型的構建后進行管線三維可視化系統開發。系統開發利用C#程序設計語言，采用ArcEngine作為二維GIS開發的基礎控件和組件、TerraDeveloper6.5作為三維GIS平臺進行開發。采用ArcSDE空間數據庫引擎，使得ArcGIS Engine訪問通過訪問ArcGIS SDE管理的二維地圖數據，實現一系列二維功能；使用TerraDeveloper來實現三維功能，使得本系統具備三維操作、信息查詢、管線分析等功能，最終呈現給用戶一個二三維一體化的可視化信息管理系統。系統設計整體技術路線如圖1所示。

圖1 系統設計技術路線

2 系統設計

2.1 總體架構設計

系統總體架構設計結構如圖2所示，采用5層架構，分別是基礎設施層、數據層、數據訪問層、應用支持層、應用系統層。

圖2 系統總體架構

2.2 三維管線數據采集和建模

2.2.1 數據采集

數據采集工作是管線管理系統建設的首要步驟，也是系統用以決策的必要基礎。采集的過程分為外業測量和管網信息核查2個部分。外業測量包括測區地形測量、控制測量以及管網設施點聯測。管線的信息核查工作則需要進行前期準備工作以及實地調查工作。根據野外測量數據和調查成果得到管線數據，錄入管線和管點的名稱、編號、管徑、材質、起止位置。同時要將野外探測的附屬物點的屬性、坐標信息和類型按調查內容進行入庫。

2.2.2 數據庫設計

煤層氣管網數據的存儲采用ArcSDE空間數據引擎作為數據庫與系統的樞紐，ArcGIS平臺提供的Geodatabase空間數據模型作為存儲方式來建立地下管線數據庫。在空間數據引擎中通過數據分層表以及各要素的屬性字段定義來實現數據的存儲與管理。在管線數據結構中，將物探點號作為管線點表的唯一主鍵，在內業整理的過程中依據一定的規則進行管點編碼而成。通過唯一編號，確定點線的連接關系，從而建立管線的幾何網絡結構，為分析提供數據支持。

根據煤層氣管網數據類型與附屬設施分類，以簡化數據層管理、便于用戶進行數據錄入與更新為目的，對系統中所涉及到的數據類型進行分層與命名說明，如表1所示。

表1 煤層氣采氣管網數據分層命名

2.2.3 三維管線自動化建模

制作管線數據時必須要使得三維管線數據與基礎地理要素、地形模型起伏相符合。以二維數據的精度和高程信息為基礎，通過三維符號化發布與三維地表模型、地形模型疊加形成的三維虛擬數據。主要工作是：DOM與DEM模型疊加制作三維地形模型；二維管網數據與高程信息疊加制作三維管網模型。目前管線數據在三維顯示的對象主要是圓柱體對象[1]。因此，可以將管線分為直管和連接于直管之間的彎管。管線的空間幾何屬性可由位置、長度、斷面半徑、厚度等參數度量，在管線三維建模與可視化時不考慮管壁厚度將其看作是薄壁圓筒幾何體。對管線三維建模主要采用管線三維表面重建的方法，一般采用將管線表面分段構造四邊形建立管線三維模型、基于規則格網建模、管線斷面切片構建三維模型和基于輪廓線的管線數據可視化方法。本文采用基于斷面和體面三角剖分擬合的方法構建管線三維模型[2-4]。

3 系統功能實現

本系統利用C#程序設計語言，采用ArcEngine作為二維GIS開發的基礎控件和組件、TerraDeveloper6.5作為三維GIS平臺進行開發。采用ArcSDE空間數據庫引擎，使得ArcGIS Engine訪問通過訪問ArcGIS SDE管理的二維地圖數據，實現一系列二維功能；使用TerraDeveloper來實現三維功能，使得本系統具備基本的三維操作、信息查詢、管線分析等功能[5-7]。

3.1 瀏覽控制

瀏覽控制主要包括：①圖層控制，系統具有靈活的圖層操作功能，能夠顯示或隱藏圖層信息、添加刪除圖層、修改圖層名稱，并能添加多級圖層，支持直接縮放圖層到適當的顯示范圍。②三維漫游，系統可以實現對采氣管網360°全方位觀察；可以實現三維管網數據的平移、縮放、俯仰、旋轉等基本操作。③視圖，視圖能控制地形不透明度，以及控制比例尺、中心十字、時間滑塊、狀態欄的顯示和隱藏。④飛行瀏覽，點擊“飛行瀏覽”，使用鼠標移動顯示范圍從而瀏覽三維場景。⑤地下模式，進入地下模式后能看到地下的物體，主要是地下的管線和管點。地下模式關閉后，能看到地下管線[8]。

3.2 管線編輯與查詢統計

1）管線編輯，管線編輯模塊可以對管線的屬性進行更改，并且能夠根據用戶需求進行管點、管線的增加和刪除，最后保存編輯結果。

2）管線信息查詢，包括管線空間查詢、組合查詢和管線信息統計，如圖3所示。

圖3 空間查詢功能

3.3 管線分析

管線分析是該系統實現的重要功能，包括水平凈距判斷分析、垂直凈距判斷分析、橫斷面分析、縱斷面分析、緩沖區分析、交叉口分析、地面開挖模擬等功能，如圖4所示。

圖4 管線分析

3.4 系統擴展接口

擴展系統的接口能夠使得本系統可與煤層氣井場管理SCADA系統、PNS管網仿真軟件進行數據對接。系統接口主要包括：與數據存儲中心數據庫服務器的接口、與SCADA系統之間的接口、與PNS軟件之間的接口。①與SCADA系統之間的接口：系統為數據采集與監視控制系統提供接口以便在未來的規劃中能夠實現用戶在三維場景下的實時監控并對煤層氣的開采工作與安全維護輔助領導層決策。監控系統安裝后將以60 s的固定周期采集整個采氣管網以及附屬設施的各個物理量實時參數。②與PNS軟件之間的接口：系統提供數據接口實現與PNS仿真軟件的對接，實現建模數據的快速、準確和自動錄入，為管網仿真的分析結果在三維場景中的顯示提供支持。

4 結 語

本文所研究的煤層氣地下管網三維可視化系統利用高精度DEM和DOM，構建符合真實三維仿真環境，以三維地理信息軟件Skyline作為構架，在野外地下管網數據精確測量基礎上，針對中石油煤層氣公司進行了系統的需求分析，根據用戶需求與實際情況對系統的組織結構以及功能模塊進行了設計與規劃，主要實現的功能模塊有管線的靜態信息查詢、管線信息統計以及管線信息分析等。系統功能的實現與完善對上層部門的決策提供了更權威、更精準、更直觀的可視化管理平臺，促進采氣礦區不同層次之間的信息共享、交流，為各個部門進行安全生產提供輔助宏觀決策和科學管理。

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P208

B

1672-4623（2015）04-0020-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.008

趙國梁，博士，講師，研究方向為虛擬現實和三維地理信息系統。

2014-08-22。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（40572155）；現代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（ES_ SBSM(06)_07）。