三維地理信息系統在工廠中的建設與應用

劉萍

（包鋼地質勘察測繪研究院，內蒙古 包頭014010）

0 概述

數字工廠是現代企業信息化發展的方向，是數字城市，數字地球的一部分，三維地理信息是數字工廠的重要基礎空間信息。三維工廠的建立能夠全方位地、直觀地給人們提供工廠的各種具有真實感的場景信息，構建出一個真實、直觀的虛擬工廠環境，為企業領導者實施科學的、生態的、智能的管理提供有力的決策手段。

隨著21世紀的互聯網技術、計算機技術、3S（GIS、RS、GPS）技術、虛擬現實等的飛速發展，給地理信息技術手段帶來前所未有的變革，通過對影像的平面高程、結構、色彩等的數字化處理，按照統一坐標無縫拼接而成可以迅速建立三維數字影像，人們可以直觀地從影像上判斷出山川、河流、樓宇、道路等。借助于系統平面地圖的概念，疊加空間矢量數據，地物興趣點數據，以及三維模型數據可形成區域可視化三維數字模型，三維地理信息系統不僅具有傳統虛擬現實表現的高度真實感，而且具有數據庫管理與分析應用等功能，并且能與其它社會經濟信息互聯，因而在城市及工廠空間信息科學領域受到了越來越多的關注[1]。

1 系統總體要求

本系統的構建緊密結合數字工廠的需要，以三維激光掃描數據、地形數據和三維建筑模型數據為核心，充分利用影像和GIS與虛擬仿真技術進行技術集成，建立三維真實地理信息平臺。系統強調科學真實，標準，經濟實用，安全可靠，操作靈活，能夠支持對三維模型實時編緝，基于三維空間對象的查詢分析等功能。

2 三維系統的建立

為適應包鋼集團的長遠發展和目標實現，集團公司開始著手稀土鋼板材公司三維建模的建設，建設包括有：燒結、焦化、煉鋼、煉鐵等多個區域。

將包鋼稀土鋼板材公司地下空間與地上建筑作為整體研究對象，將能源動力設施（如燃氣管、給水管）、地上地下構筑物等地下空間信息及地上建筑等信息生成三維虛擬環境，使不可見的復雜的地下空間變得直觀通透，實現地表、地下一體化和立體化管理。

3 三維系統建設

3.1 三維空間數據的采集與建模

三維空間數據是工廠三維信息的核心基礎，因此對其數據進行采集與建模應具有高效準確性。本文中數據的采集是基于三維激光掃描技術的方法，三維激光掃描技術，又稱“實景復制技術”。它通過高速激光掃描測量的方法，直接實現各種大型的、復雜的、不規則、標準或非標準的實體或實景三維數據完整的采集，進而快速重構出實體目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據[2]，是一種快速建立物體的三維影像模型的技術手段。

三維激光掃描系統內容包括：快速獲取包鋼稀土鋼板材場區三維場景數據；實現包鋼稀土鋼板材場區建筑、設備、復雜管線等三維模型的快速構建。利用三維激光掃描儀對包鋼稀土鋼板材場區內的廠房（外部與內部），道路，機器設備，管線等進行掃描，生成了初始點云數據，初始點云數據經過數據的拼接、濾波、抽隙等預處理后，應用Cyclone軟件實現建構筑物及設備設施的粗略模型建設，然后利用3DMax建模工具進行精細建模。

3.2 數據處理

包鋼稀土鋼板材公司地理信息建設涉及大量的規劃數據、基礎地理數據、地上地下管網數據、電纜隧道數據、生產安全數據和環保設施數據，這些數據格式大不相同，這些不同格式的數據需進行標準化處理和格式轉換，才能滿足信息系統的要求，數據加工處理的具體內容包括：

3.2.1 規劃數據標準化處理，包鋼稀土鋼板材公司的規劃數據、建筑數據和管線處理等都是以CAD格式保存，把這些數據標準化處理后保存到綜合數據庫中。

3.2.2 坐標轉換，包鋼集團有自己的坐標系統，不同來源的數據坐標系統不一致，在數據使用前必須把不同坐標系轉換為統一的坐標系統。

3.2.3 應用三維模型建模工具，完成包鋼稀土鋼板材公司地表建筑模型和設備設施模型的構建。

3.2.4 綜合管網數據為實測數據，對施測數據標準化處理形成了包鋼稀土鋼板材公司地下管網綜合數據庫。

三維模型與屬性數據掛接，應用包鋼稀土鋼板材公司地理信息系統可以實現從地圖查詢模型屬性信息，通過模型屬性信息定位三維模型。并且準確判斷建筑物的體量、高度、色彩、與周邊建筑的關系，通視情況等。

3.3 三維關鍵技術

三維關鍵技術主要包括以下三個方面：

3.3.1 虛擬現實技術

虛擬現實是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、無限制地觀察三維空間內的事物。

虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺、力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。

3.3.2 數據庫

錯綜復雜的地上地下管道、管線系統等是應用數據庫管理的必然，綜合管網信息管理系統采用數據庫技術，管理各類基礎地理信息、綜合管網信息、基礎設置信息等。實現海量數據的高效存儲，利用數據庫的訪問權限管理機制，實現對數據庫的授權共享訪問。

基于數據庫技術、互聯網技術實現重要信息的快速搜索查詢和傳輸功能。本文的綜合數據庫采用oracle log作為數據庫的運行平臺，通過數據庫管理數據層，支持通過網絡從數據庫中存取設備設施信息、建筑信息、管線信息、電纜隧道信息、環保設備信息和其他各種自定義數據信息，以實現場景、地面建筑、地上道路、地上設備設施、地下管線、電纜隧道等信息查詢功能。此數據庫可將公司建設過程中的基礎數據，原始數據，成果數據以空間數據或屬性數據的方式保存到oracle數據庫中。

3.3.3 三維建模

三維模型是三維系統平臺展示的三維空間基礎，主要分為地形模型、地物模型兩大類。地形是數字工廠中最重要的地理對象，是工廠實體的三維空間基礎。利用正射影像加數字高程模型(DEM)可以生成三維地形的圖形表示，數字高程模型是地形表面形態的數字表示。在地物模型中主要考慮建構筑物、設備設施、道路、鐵路、綠化、地上地下管網等地物的建模，對于建筑物，人們不只是關心其外形的描述，而且要求知道其幾何結構和屬性信息，以便對其進行空間分析和不同圖層的屬性查詢。建筑物建模分為幾何形狀建模和紋理映射建模，建筑物的三維幾何形體的表達是三維數字工廠建模研究的重要內容。

應用3DMax軟件對Cyclone軟件處理的建筑模型進行三維精細建模，進行模型展開、烘焙、貼圖，烘焙后的模型帶陰影，立體感更強，貼圖采用現場拍照，模型的外觀與建筑外觀完全一致。

設備設施模型采用三維掃描、3DMax建模、紋理和透明貼圖等進行三維建模，設備設施模型可以精細到閥門、螺絲釘等。

4 在生產實踐中的應用

本文的應用于工廠的三維地理信息系統采用虛擬現實技術，把工廠三維地面模型，廠區內道路，建筑物，市政設施等的三維立體模型融合在一起，構造數字化的工廠三維景觀，可以為企業的建設、發展提供強大的信息化服務。現代化企業的遠景規劃一直是三維可視化技術應用的主要領域，其應用具有深遠的意義。體現在以下幾個方面：

（1）揭開建筑物的屋頂或建筑物墻體,查看建筑物內部設備設施。

（2）能源動力系統（包括地下管網模型和地上管網模型），在系統中能夠可視化展示。

（3）管網屬性查詢，諸如：熱力管線、給排水管線等。

（4）電壓在10kV及以上的電纜屬性查詢。

（5）綜合管網斷面分析，各個管網之間的距離及各管網距離地面的距離。

（6）鐵路和公路運輸網分布查詢。

（7）有毒、有害、可燃氣體檢測設施位置分布展示。

（8）消防指揮中心、控制室、泵站專題展示。

5 結束語

隨著測繪高新技術的速猛發展，以三維可視化、網絡化、智能化為主要特征的地理信息系統應用日趨廣泛，在城市交通、工程設計、環境保護、地質災害防治等領域都得到應用，包鋼集團公司整合自身所擁有的豐富的空間信息資源，重點研建此工程項目，將會為企業集團的規劃建設提供有力的空間信息決策支持與服務。將三維地理信息系統與各行業專業系統進行擴展和融合，推進更深層次的應用是我們今后努力的方向。

［1］劉曉燕,等.虛擬城市建設原理與方法[M].北京:科學出版社,2003.

［2］李清泉,楊必勝,史文中,等.三維空間數據的實時獲取、建模與可視化[M].武漢：武漢大學出版社,2003.