3DGIS技术的发展与应用

第２５卷第８期甘肃科技蹦．２５Ｎｏ．８

２００９年４月ＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｐｒ．

２００９

３Ｄ—ＧＩＳ技术的发展与应用王瑜，刘西涛，李健玲，王春磊（兰州石化公司研究院，甘肃兰州７３００６０）

摘要：简要介绍了３Ｄ—ＧＩＳ技术的由来及发展趋势，并对３Ｄ—ＧＩＳ的几个关键技术问题进行了综述和讨论，如，三维空间数据获取方式，三维空间模型及建模方法，同时提出了３Ｄ—ＧＩＳ在石化企业的应用和建议。关键词：３Ｄ—ＧＩＳ技术；三维空间；地理信息系统中图分类号：ＴＰ３９１

１３Ｄ—ＧＩＳ技术的发展概述地理信息系统（ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，简称ＧＩＳ）是一种获取、存贮、检索、分析、显示空间数据的计算机系统，其基本特点是按照地理坐标和一定的数据格式对空间数据及属性数据进行统一的存贮与管理，具有较强的图形功能。ＧＩＳ作为地理学、测量学、制图学、遥感学、图形图像学等学科融合发展形成的一门边缘学科。它的概念和基础施于地理和测绘，技术支撑施于计算机技术，应用领域施于地理、规划与管理等许多行业。通常人们将以平面制图和平面分析为主要功能的ＧＩＳ称为２Ｄ—ＧＩＳ（二维地理信息系统），随着组件技术、网格计算和三维可视化技术的发展，基于图层管理的经典２Ｄ—ＧＩＳ模式已渐渐不能满足实际工作需要。直接面向三维空间实体及其关系的新一代ＧＩＳ研究正在兴起。所谓３Ｄ—ｇｒｓ（三维地理信息系统），它是将三维空间坐标（ｘ，ｙ，ｚ）作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模，其数学表示为：Ｆ＝ｆ（ｘ，Ｙ，ｚ），因而所建立的模型不仅可以实现三维可视化，还可以进行三维空间分析。围绕３Ｄ—ＣＩｓ的研发议题如：三维空间数据模型、三维拓扑数据模型、三维空间数据库、三维空间查询和三维可视化等等已成为ＧＩＳ领域的研究热点方向。２３Ｄ—ＧＩＳ的数据获取方法空间数据获取是ＧＩＳ建设和运行的基础，如果能够实现三维空间信息的实时廉价获取，将促使３Ｄ—ＧＬＳ获得更加迅猛的发展。随着现代测绘、地质勘探和地球物理技术的发展，３Ｄ空间数据获取技术不断发展和丰富，已经由传统的大地测量和工程测量方式发展到一些更方便和快捷的获取３Ｄ空间数据的技术方法，如表１所示…，其中激光扫描测量技术因其快速高效而倍受青睐。表１３Ｄ—Ｇｌ￥空间数据获取方法分类

激光扫描测量技术的原理是通过主动发射激光信号并测量从被测目标反射回来的激光信号，来高密度、高精度获取目标体的数字距离信息，进而得到目标的几何信息。３Ｄ激光扫描测量技术使传统的单点数据获取提升为连续自动数据获取，不仅提高了观测精度和速度，而且很好的解决了柔性物体、珍贵文物和危险区域的非接触式测量问题。通过激光扫描，可以快速的获取物体表面每个采样点的３Ｄ空间坐标，再经适当处理即可进行３Ｄ建模。激光扫描系统分为机载和地面扫描系统两类。（１）机载激光扫描系统机载激光扫描系统是应用激光扫描仪和实时动态ＧＰＳ对地面进行高精度、准实时测量的系统，主要用于快速获取大面积的３Ｄ地形数据。扫描时，扫描器以每秒２０００—３０００个脉冲进行扫描，系统同时接收反射回波。地面３Ｄ数据的获取基于两部分，即扫描器的空间位置和扫描器的测量数据。扫描器的空间位置由机载差分ＧＰＳ和地面参考点确定。为保证３Ｄ数据的精度，需要稳定扫描中心垂线，为此，系统中都配置有一个高性能的ＩＮＳ。飞行完毕后，根据扫描时刻的ＧＰＳ、ＩＮＳ和扫描数据，可精确计算每一回波的点位信息，经数据处

　万方数据５８甘肃科技第２５卷理即可获得厘米级精度的３Ｄ地形数据。根据这些数据即可生成数字表面模型（ＤＳＭ）。（２）地面扫描系统地面扫描系统主要是由三维激光扫描仪和软件系统包组成。激光扫描仪获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到的是一个点的集合，称为点云。同样的点云数据可以进行不同的拼接，可以得到不同的３Ｄ模型。３三维空间数据模型及三维空间构模方法３Ｄ—ＧＩＳ的实现关键在于三维数据模型的建立。对空间实体及空间关系的准确、有效表达是三维空间建模的主要任务。目前研究提出了二十余种三维空间数据模型，围绕这些不同模型的研究和比较，人们对三维空间模型进行了分类，如表２所示，即单一三维构模、混合三维构模和集成三维构模。表２三维空间数据模型及三维空间构模方法分类‘２】单一构模混合构模集成构模

表面模型（Ｓｕｒｆａｃｅ）面元模型不规则三角网模型（咧）体元模型混合模型集成模型规则体元结构实体几何（ＣＳＧ）非规则体元四面体格网（ＴＥＮ）

格网模型（Ｇｒｉｄ）体素（Ｖｏｘｄ）金字塔（Ｐｙｒａｍｉｄ）边界表示模型（Ｂ—Ｒｅｐ）线框（ＷｉｒｅＦｒａｍｅ）或相连切片（ＬｉｎｋｅｄＳｌｉｃｅｓ）

断面（Ｓｅｃｔｉｏｎ）多层ＤＥＭＴＩＮ＋Ｇｒｉｄ混合Ｓｅｃｔｉｏｎ＋ＴＩＮ混合八叉树（ｏｃｔｒｅｅ）（鉴怒）Ｂ—Ｒｅｐ＋ＣＳＧ混合规则块体）（非规则体块）ｏｃ讹ｅ＋ＴＥａｅｇｕｌａｒＢｌｏｃｋＩｒｒｅｇｕｌａｒＢｌｏｃｋＮ混合（）（）…”

实体（ＳｏＬｄ）３ＤＶｏｒｏｎｏｉ图

广！；［＝榜样ｆＧＴＰ）

ＴＩＮ＋ＣＳＧ集成ＴＩＮ＋Ｏｅｔｒｅｅ集成（Ｈｙｂｒｉｄ模型）

注：斜体部分为栅格模型；多层ＤＥＭ在采用ＴＩＮ建模时为矢量模型，若采用Ｇｒｉｄ建模，则为栅格模型；其他为矢量模型或矢栅混合、矢栅集成模型。其中，单一三维构模是指采用单一的面元模型和体元模型实现对三维空间对象的几何描述；混合构模则是采用两种或两种以上的面元模型或体元模型同时对同一三维空间对象进行几何描述和三维建模；集成构模则是采用两种或两种以上的不同模型分别对系统中不同的三维空间对象进行几何描述和三维建模，分别建立的三维模型集成起来即形成对系统的完整三维表示。４３Ｄ—ＧＩＳ技术在石化行业的应用以石化行业为例，据粗略估计，其中９０％以上的工作都与地理信息技术有关。从初始的勘探，油气资源的获取与加工生产，到最终的销售，地理信息系统都能提供相应的功能满足多种业务需求［３】。但是目前石化企业的地理信息管理系统都是二维投影数据管理，本质上是基于抽象符号的系统，只能处理平面ｘ、Ｙ轴上的信息，不能处理铅垂方向ｚ轴上的信息，不能给人以自然界的本原感受。随着地理信息系统应用的深入，第三维的空间数据信息显得越来越重要。石化企业生产装置３Ｄ—ＧＩＳ是利用三维数据采集技术，实现石化装置的各种实物（管网、设备、框架等）的空间信息（ｘ、Ｙ、Ｚ）和属性信息（基本参数、运行参数、检维修参数等）的地理信息系统动态管理，将比２Ｄ—ＧＩＳ能够更好地满足用户的需求，将实现三维可视化、网络化运行，尤其是地形、地物、管线等实物，采用３Ｄ—ＧＩＳ可以直观的显示现场场景，并具有真实的空间和属性数据，使管理人员既能直观的观察现场情况，又可以掌握各类属性信息。（１）三维立体装置图为操作员提供了装置现场环境的空间视觉真实感受。装置操作人员通过岗位培训，利用三维立体图可以更加直观、方便、快捷地了解掌握装置的工艺流程、设备的属性参数，可提高操作员岗位培训的实效性。（２）三维立体装置图为设备工程师提供了设备管理、更新维护的新思路。（下转第７５页）

　万方数据第８期赵玉祥等：闪电多站电场同步观测试验７５Ｒｌ。ｌ毪．·—一Ｋ．

【Ｒ３Ｌ

时问（ｔ／ｍｓ）图３４个测站观测到的一次负地闪快电场变化波形参考文献：［１］Ｖ．Ａ．Ｂａｋｏｖ，Ｍ．Ａ．Ｕｍａｎ．Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ：Ｐｈｙｓｉｃｓａｎｄ

隧ｅｃｔｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，

２００３．［２］ＳｃｈｏｎｌａｎｄＢＦＪ．ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅＬｉｇｈｔｎｉｎｇ，ＩＶ—ＴｈｅＤｉｓ—ｃｈａｒｇｅＭｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ．Ｒｏｙｓ．Ｓｏｃ．，１９３８．Ｓｅｒ．Ａ，１６４：１３２—１５０．［３］ＭａｌａｎＤＪ．ａｎｄＳｃｈｏｎｌａｎｄＢＦＪ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃ

ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ

ｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｖａｌｓｂｅｔｗ∞ｎｔｈｅｓｔｒｏｋｅｓｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇｄｉｓ—ｃｈ晔［Ｊ］．Ｐｒｏｃ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．Ｌａｎｄｏｎ，１９５１．Ｓｅｔ．Ａ，

２０６：１４５—１６３．［４］ＫｒｅｈｂｉｄＰ

Ｒ．Ａｎａｎａｌｙｓｉｓ０ｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ

ｃｈａｎｇｅ

ｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｌｉｇｈｔｎｉｎｇ［Ｄ］．Ｕｎｉｖ．ｏｆＭａｎｃｈｅｓｔｅｒＩｎｓｔ．ｏｆ

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［５］ＫｒｅｈｂｉｅｌＰＲ，ＢｒｏｏｋＭ，ＭｃＣｒｏｒｙＲＡ．Ａｎ肌由８ｉＢ０ｆ

ｔｈｅｃｈａｒｇｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＬｉｉｇｈ协ｉｎｇＤｉｓｃｈａｒｇｅｔｏＧｒｏｕｎｇ

［Ｊ］．Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１９７９．８４：２４３２—２４５６．［６］ＳｍｉｔｈＤＡ，ＥａｃｋＫＢ，ＨａｒｌｉｎＪ，ｅｔ

ａ１．ＴｈｅＬｏｓＡｌａｍｃｓ

ＳｆｅｒｉｃＡｒｒａｙ：Ａｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｏｌｆｏｒｌｉｇｈ“ｎｇｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ

［Ｊ］，Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１０７（Ｄ１３）：４１８３．［７］ＰｒｏｃｔｏｒＤＥ，ＵｙｔｅｎｂｏｇａａｒｄｔＲ，ＭｅｒｅｄｉｔｈＢＭ．ＶＨＦ

ｍ．

ｃｌｉｏｐｉｃｔｕｒｅｓ０ｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇ

ｆｌａｓｈｅｓｔｏｇｒｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｊ．Ｇｅｏ－

ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１９８８．９３（ＤＩＯ），１２６８３—１２７２７．［８］ＰｒｏｃｔｏｒＤＥ．ＡｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃｓｙｓｔｅｍｆｏｒｏｂｔａｉｎｉｎｇＶＨＦｒａｄｉｏｐｉｅｃｅｓｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇ［Ｊ］．ＪＧｅｏｖｈｙｓＲｅｓ，１９７１（７６）：

１４８７。１４８９．

（上接第５８页）石化企业设备工程师通常对设备的管理和更新维护局限在图纸资料、平面操作图及现场查询，增加了装置三维立体图的应用，设备工程师能够在计算机中灵活查询管线、反应塔、阀门、仪器设备的形状、数量、尺寸及分布；并可以在计算机中完成管线、弯头、仪器设备的更换与设计，大大地减少了劳动强度。（３）三维立体装置图为炼化装置安全管理员展示了一幅数字化工厂安全管理图。利用三维立体装置图的强大安全管理功能，炼化装置安全管理员可以全面掌握、浏览安全防护设备的安放点；‘一旦确定危险源或事故隐患发生险情，能够及时查询预定的应急预案；显示危险源和事故隐患点周边环境；实时显示撤离通道、消防通道、救援通道等信息，从而提高安全管理水平。５结论石化企业三维地理信息系统，是将三维ＧＩＳ技术应用于石化企业地理信息系统，实现石化装置各种实物的动态管理，使管理、操作人员方便、直观的掌握装置各类实物的各种信息，科学的指导生产和操作，将为石化企业生产、安全管理等提供更科学的分析决策方法，必然带动相应市场需求的快速发展。

参考文献：［Ｉ］史文中，吴立新，李清泉，等．三维空间信息系统模型与算法［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７：２１－３６．［２］吴立新，史文中．论三维地学空间数据构模［Ｊ］．地理．与地理信息科学，２００５，２１（１）：１－４．［３］宋跃滨，孙晓生．石油行业ＧＩＳ技术应用现状与展望［Ｊ］．测绘与空间地理信息，２００７，３０（１）：５４６０．