三維地理信息系統(tǒng)在工廠中的建設(shè)與應(yīng)用

劉萍

（包鋼地質(zhì)勘察測繪研究院，內(nèi)蒙古 包頭014010）

0 概述

數(shù)字工廠是現(xiàn)代企業(yè)信息化發(fā)展的方向，是數(shù)字城市，數(shù)字地球的一部分，三維地理信息是數(shù)字工廠的重要基礎(chǔ)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(gòu)建出一個真實、直觀的虛擬工廠環(huán)境，為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者實施科學(xué)的、生態(tài)的、智能的管理提供有力的決策手段。

隨著21世紀(jì)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、3S（GIS、RS、GPS）技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等的飛速發(fā)展，給地理信息技術(shù)手段帶來前所未有的變革，通過對影像的平面高程、結(jié)構(gòu)、色彩等的數(shù)字化處理，按照統(tǒng)一坐標(biāo)無縫拼接而成可以迅速建立三維數(shù)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(tǒng)平面地圖的概念，疊加空間矢量數(shù)據(jù)，地物興趣點數(shù)據(jù)，以及三維模型數(shù)據(jù)可形成區(qū)域可視化三維數(shù)字模型，三維地理信息系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)的高度真實感，而且具有數(shù)據(jù)庫管理與分析應(yīng)用等功能，并且能與其它社會經(jīng)濟(jì)信息互聯(lián)，因而在城市及工廠空間信息科學(xué)領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注[1]。

1 系統(tǒng)總體要求

本系統(tǒng)的構(gòu)建緊密結(jié)合數(shù)字工廠的需要，以三維激光掃描數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和三維建筑模型數(shù)據(jù)為核心，充分利用影像和GIS與虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行技術(shù)集成，建立三維真實地理信息平臺。系統(tǒng)強調(diào)科學(xué)真實，標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)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(tǒng)的建立

為適應(yīng)包鋼集團(tuán)的長遠(yuǎn)發(fā)展和目標(biāo)實現(xiàn)，集團(tuán)公司開始著手稀土鋼板材公司三維建模的建設(shè)，建設(shè)包括有：燒結(jié)、焦化、煉鋼、煉鐵等多個區(qū)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(shè)施（如燃?xì)夤堋⒔o水管）、地上地下構(gòu)筑物等地下空間信息及地上建筑等信息生成三維虛擬環(huán)境，使不可見的復(fù)雜的地下空間變得直觀通透，實現(xiàn)地表、地下一體化和立體化管理。

3 三維系統(tǒng)建設(shè)

3.1 三維空間數(shù)據(jù)的采集與建模

三維空間數(shù)據(jù)是工廠三維信息的核心基礎(chǔ)，因此對其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與建模應(yīng)具有高效準(zhǔn)確性。本文中數(shù)據(jù)的采集是基于三維激光掃描技術(shù)的方法，三維激光掃描技術(shù)，又稱“實景復(fù)制技術(shù)”。它通過高速激光掃描測量的方法，直接實現(xiàn)各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的實體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)完整的采集，進(jìn)而快速重構(gòu)出實體目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)[2]，是一種快速建立物體的三維影像模型的技術(shù)手段。

三維激光掃描系統(tǒng)內(nèi)容包括：快速獲取包鋼稀土鋼板材場區(qū)三維場景數(shù)據(jù)；實現(xiàn)包鋼稀土鋼板材場區(qū)建筑、設(shè)備、復(fù)雜管線等三維模型的快速構(gòu)建。利用三維激光掃描儀對包鋼稀土鋼板材場區(qū)內(nèi)的廠房（外部與內(nèi)部），道路，機器設(shè)備，管線等進(jìn)行掃描，生成了初始點云數(shù)據(jù)，初始點云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)的拼接、濾波、抽隙等預(yù)處理后，應(yīng)用Cyclone軟件實現(xiàn)建構(gòu)筑物及設(shè)備設(shè)施的粗略模型建設(shè)，然后利用3DMax建模工具進(jìn)行精細(xì)建模。

3.2 數(shù)據(jù)處理

包鋼稀土鋼板材公司地理信息建設(shè)涉及大量的規(guī)劃數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地上地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)、電纜隧道數(shù)據(jù)、生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)和環(huán)保設(shè)施數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)格式大不相同，這些不同格式的數(shù)據(jù)需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和格式轉(zhuǎn)換，才能滿足信息系統(tǒng)的要求，數(shù)據(jù)加工處理的具體內(nèi)容包括：

3.2.1 規(guī)劃數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，包鋼稀土鋼板材公司的規(guī)劃數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)和管線處理等都是以CAD格式保存，把這些數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后保存到綜合數(shù)據(jù)庫中。

3.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，包鋼集團(tuán)有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，不同來源的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，在數(shù)據(jù)使用前必須把不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)。

3.2.3 應(yīng)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(shè)備設(shè)施模型的構(gòu)建。

3.2.4 綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)為實測數(shù)據(jù)，對施測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理形成了包鋼稀土鋼板材公司地下管網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)庫。

三維模型與屬性數(shù)據(jù)掛接，應(yīng)用包鋼稀土鋼板材公司地理信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(zhǔn)確判斷建筑物的體量、高度、色彩、與周邊建筑的關(guān)系，通視情況等。

3.3 三維關(guān)鍵技術(shù)

三維關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下三個方面：

3.3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)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(nèi)的事物。

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

3.3.2 數(shù)據(jù)庫

錯綜復(fù)雜的地上地下管道、管線系統(tǒng)等是應(yīng)用數(shù)據(jù)庫管理的必然，綜合管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，管理各類基礎(chǔ)地理信息、綜合管網(wǎng)信息、基礎(chǔ)設(shè)置信息等。實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效存儲，利用數(shù)據(jù)庫的訪問權(quán)限管理機制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的授權(quán)共享訪問。

基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)重要信息的快速搜索查詢和傳輸功能。本文的綜合數(shù)據(jù)庫采用oracle log作為數(shù)據(jù)庫的運行平臺，通過數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)層，支持通過網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)庫中存取設(shè)備設(shè)施信息、建筑信息、管線信息、電纜隧道信息、環(huán)保設(shè)備信息和其他各種自定義數(shù)據(jù)信息，以實現(xiàn)場景、地面建筑、地上道路、地上設(shè)備設(shè)施、地下管線、電纜隧道等信息查詢功能。此數(shù)據(jù)庫可將公司建設(shè)過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)，成果數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)的方式保存到oracle數(shù)據(jù)庫中。

3.3.3 三維建模

三維模型是三維系統(tǒng)平臺展示的三維空間基礎(chǔ)，主要分為地形模型、地物模型兩大類。地形是數(shù)字工廠中最重要的地理對象，是工廠實體的三維空間基礎(chǔ)。利用正射影像加數(shù)字高程模型(DEM)可以生成三維地形的圖形表示，數(shù)字高程模型是地形表面形態(tài)的數(shù)字表示。在地物模型中主要考慮建構(gòu)筑物、設(shè)備設(shè)施、道路、鐵路、綠化、地上地下管網(wǎng)等地物的建模，對于建筑物，人們不只是關(guān)心其外形的描述，而且要求知道其幾何結(jié)構(gòu)和屬性信息，以便對其進(jìn)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(dá)是三維數(shù)字工廠建模研究的重要內(nèi)容。

應(yīng)用3DMax軟件對Cyclone軟件處理的建筑模型進(jìn)行三維精細(xì)建模，進(jìn)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(xiàn)場拍照，模型的外觀與建筑外觀完全一致。

設(shè)備設(shè)施模型采用三維掃描、3DMax建模、紋理和透明貼圖等進(jìn)行三維建模，設(shè)備設(shè)施模型可以精細(xì)到閥門、螺絲釘?shù)取?/p>

4 在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用

本文的應(yīng)用于工廠的三維地理信息系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，把工廠三維地面模型，廠區(qū)內(nèi)道路，建筑物，市政設(shè)施等的三維立體模型融合在一起，構(gòu)造數(shù)字化的工廠三維景觀，可以為企業(yè)的建設(shè)、發(fā)展提供強大的信息化服務(wù)?，F(xiàn)代化企業(yè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃一直是三維可視化技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，其應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。體現(xiàn)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(nèi)部設(shè)備設(shè)施。

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

（3）管網(wǎng)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(wǎng)斷面分析，各個管網(wǎng)之間的距離及各管網(wǎng)距離地面的距離。

（6）鐵路和公路運輸網(wǎng)分布查詢。

（7）有毒、有害、可燃?xì)怏w檢測設(shè)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(jié)束語

隨著測繪高新技術(shù)的速猛發(fā)展，以三維可視化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主要特征的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用日趨廣泛，在城市交通、工程設(shè)計、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域都得到應(yīng)用，包鋼集團(tuán)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(yè)集團(tuán)的規(guī)劃建設(shè)提供有力的空間信息決策支持與服務(wù)。將三維地理信息系統(tǒng)與各行業(yè)專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行擴展和融合，推進(jìn)更深層次的應(yīng)用是我們今后努力的方向。

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

［2］李清泉,楊必勝,史文中,等.三維空間數(shù)據(jù)的實時獲取、建模與可視化[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2003.