基于Skyline煤层气管网三维可视化管理系统探讨

赵国梁，赵国林，吴满意

（1.西安科技大学 测绘学院， 陕西 西安 710054；2.空军预警学院， 湖北 武汉 430019；3.陕西省第二测绘工程院， 陕西 西安 710054 ）

基于Skyline煤层气管网三维可视化管理系统探讨

赵国梁1，赵国林2，吴满意3

（1.西安科技大学 测绘学院， 陕西 西安 710054；2.空军预警学院， 湖北 武汉 430019；3.陕西省第二测绘工程院， 陕西 西安 710054 ）

在中石油煤层气公司韩城分公司煤层气管网精确测量数据基础上，以Skyline作为软件开发平台，以3Dmax作为三维建模软件，对地下管网、附属设施和地表三维场景进行真实建模，采用Geodatabase空间数据库管理方式，通过ArcSDE空间数据引擎对煤层气管线二三维数据进行调用，实现二三维联动的设计，采用C#面向对象编程技术，开发了煤层气管网三维可视化管理系统。该系统实现了三维视图的浏览控制、管网的统计查询以及管线分析等功能，对煤层气安全生产提供分析和决策支持。

Skyline；管网三维可视化；三维建模；管线分析

三维地理信息系统通过精确的地理环境底层数据，将地表和地下的物体特征以三维可视化的状态进行真实模拟，在农林畜牧业、矿产地质普查、公共管理事业、资源勘探开发等领域都得到广泛应用。中石油煤层气有限责任公司在渭北地区已建成韩城区块产能建设工程，形成复杂的大型煤层气采气管线网络，采气管网所在地区地形复杂，起伏较大，管网密集程度远远大于常规油气管网，管线精确描述和数据管理困难。本文选择中石油煤层气公司韩城分公司作为系统的研究区域，将外业勘测成果进行内业录入成图并建立管网信息管理系统的一体化数据库，进而建立煤层气管网三维可视化平台，利用GIS和虚拟现实技术建立包括输入输出、查询定位、统计分析、更新维护等应用功能的三维煤层气采气管网可视化应用管理系统，使用户通过可视化管理，实现对管线的检测、维护的数字化管理，为后期管网扩建及安全运行维护作保障。

1 技术路线

本文首先利用探测仪器在实地探查出各管线的类别、管径或断面、管（沟）内底高、管外顶高等，同时要将各特征点在实地标出，完成煤层气管线数据库的设计、数据处理、三维管线模型的构建后进行管线三维可视化系统开发。系统开发利用C#程序设计语言，采用ArcEngine作为二维GIS开发的基础控件和组件、TerraDeveloper6.5作为三维GIS平台进行开发。采用ArcSDE空间数据库引擎，使得ArcGIS Engine访问通过访问ArcGIS SDE管理的二维地图数据，实现一系列二维功能；使用TerraDeveloper来实现三维功能，使得本系统具备三维操作、信息查询、管线分析等功能，最终呈现给用户一个二三维一体化的可视化信息管理系统。系统设计整体技术路线如图1所示。

图1 系统设计技术路线

2 系统设计

2.1 总体架构设计

系统总体架构设计结构如图2所示，采用5层架构，分别是基础设施层、数据层、数据访问层、应用支持层、应用系统层。

图2 系统总体架构

2.2 三维管线数据采集和建模

2.2.1 数据采集

数据采集工作是管线管理系统建设的首要步骤，也是系统用以决策的必要基础。采集的过程分为外业测量和管网信息核查2个部分。外业测量包括测区地形测量、控制测量以及管网设施点联测。管线的信息核查工作则需要进行前期准备工作以及实地调查工作。根据野外测量数据和调查成果得到管线数据，录入管线和管点的名称、编号、管径、材质、起止位置。同时要将野外探测的附属物点的属性、坐标信息和类型按调查内容进行入库。

2.2.2 数据库设计

煤层气管网数据的存储采用ArcSDE空间数据引擎作为数据库与系统的枢纽，ArcGIS平台提供的Geodatabase空间数据模型作为存储方式来建立地下管线数据库。在空间数据引擎中通过数据分层表以及各要素的属性字段定义来实现数据的存储与管理。在管线数据结构中，将物探点号作为管线点表的唯一主键，在内业整理的过程中依据一定的规则进行管点编码而成。通过唯一编号，确定点线的连接关系，从而建立管线的几何网络结构，为分析提供数据支持。

根据煤层气管网数据类型与附属设施分类，以简化数据层管理、便于用户进行数据录入与更新为目的，对系统中所涉及到的数据类型进行分层与命名说明，如表1所示。

表1 煤层气采气管网数据分层命名

2.2.3 三维管线自动化建模

制作管线数据时必须要使得三维管线数据与基础地理要素、地形模型起伏相符合。以二维数据的精度和高程信息为基础，通过三维符号化发布与三维地表模型、地形模型叠加形成的三维虚拟数据。主要工作是：DOM与DEM模型叠加制作三维地形模型；二维管网数据与高程信息叠加制作三维管网模型。目前管线数据在三维显示的对象主要是圆柱体对象[1]。因此，可以将管线分为直管和连接于直管之间的弯管。管线的空间几何属性可由位置、长度、断面半径、厚度等参数度量，在管线三维建模与可视化时不考虑管壁厚度将其看作是薄壁圆筒几何体。对管线三维建模主要采用管线三维表面重建的方法，一般采用将管线表面分段构造四边形建立管线三维模型、基于规则格网建模、管线断面切片构建三维模型和基于轮廓线的管线数据可视化方法。本文采用基于断面和体面三角剖分拟合的方法构建管线三维模型[2-4]。

3 系统功能实现

本系统利用C#程序设计语言，采用ArcEngine作为二维GIS开发的基础控件和组件、TerraDeveloper6.5作为三维GIS平台进行开发。采用ArcSDE空间数据库引擎，使得ArcGIS Engine访问通过访问ArcGIS SDE管理的二维地图数据，实现一系列二维功能；使用TerraDeveloper来实现三维功能，使得本系统具备基本的三维操作、信息查询、管线分析等功能[5-7]。

3.1 浏览控制

浏览控制主要包括：①图层控制，系统具有灵活的图层操作功能，能够显示或隐藏图层信息、添加删除图层、修改图层名称，并能添加多级图层，支持直接缩放图层到适当的显示范围。②三维漫游，系统可以实现对采气管网360°全方位观察；可以实现三维管网数据的平移、缩放、俯仰、旋转等基本操作。③视图，视图能控制地形不透明度，以及控制比例尺、中心十字、时间滑块、状态栏的显示和隐藏。④飞行浏览，点击“飞行浏览”，使用鼠标移动显示范围从而浏览三维场景。⑤地下模式，进入地下模式后能看到地下的物体，主要是地下的管线和管点。地下模式关闭后，能看到地下管线[8]。

3.2 管线编辑与查询统计

1）管线编辑，管线编辑模块可以对管线的属性进行更改，并且能够根据用户需求进行管点、管线的增加和删除，最后保存编辑结果。

2）管线信息查询，包括管线空间查询、组合查询和管线信息统计，如图3所示。

图3 空间查询功能

3.3 管线分析

管线分析是该系统实现的重要功能，包括水平净距判断分析、垂直净距判断分析、横断面分析、纵断面分析、缓冲区分析、交叉口分析、地面开挖模拟等功能，如图4所示。

图4 管线分析

3.4 系统扩展接口

扩展系统的接口能够使得本系统可与煤层气井场管理SCADA系统、PNS管网仿真软件进行数据对接。系统接口主要包括：与数据存储中心数据库服务器的接口、与SCADA系统之间的接口、与PNS软件之间的接口。①与SCADA系统之间的接口：系统为数据采集与监视控制系统提供接口以便在未来的规划中能够实现用户在三维场景下的实时监控并对煤层气的开采工作与安全维护辅助领导层决策。监控系统安装后将以60 s的固定周期采集整个采气管网以及附属设施的各个物理量实时参数。②与PNS软件之间的接口：系统提供数据接口实现与PNS仿真软件的对接，实现建模数据的快速、准确和自动录入，为管网仿真的分析结果在三维场景中的显示提供支持。

4 结 语

本文所研究的煤层气地下管网三维可视化系统利用高精度DEM和DOM，构建符合真实三维仿真环境，以三维地理信息软件Skyline作为构架，在野外地下管网数据精确测量基础上，针对中石油煤层气公司进行了系统的需求分析，根据用户需求与实际情况对系统的组织结构以及功能模块进行了设计与规划，主要实现的功能模块有管线的静态信息查询、管线信息统计以及管线信息分析等。系统功能的实现与完善对上层部门的决策提供了更权威、更精准、更直观的可视化管理平台，促进采气矿区不同层次之间的信息共享、交流，为各个部门进行安全生产提供辅助宏观决策和科学管理。

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P208

B

1672-4623（2015）04-0020-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.008

赵国梁，博士，讲师，研究方向为虚拟现实和三维地理信息系统。

2014-08-22。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（40572155）；现代工程测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目（ES_ SBSM(06)_07）。