劉萍

（包鋼地質勘察測繪研究院，內蒙古 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(huán)境，為企業(yè)領導者實施科學的、生態(tài)的、智能的管理提供有力的決策手段。

隨著21世紀的互聯(lián)網(wǎng)技術、計算機技術、3S（GIS、RS、GPS）技術、虛擬現(xiàn)實等的飛速發(fā)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(shù)字化處理，按照統(tǒng)一坐標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)庫管理與分析應用等功能，并且能與其它社會經(jīng)濟信息互聯(lián)，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(tǒng)總體要求

本系統(tǒng)的構建緊密結合數(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與虛擬仿真技術進行技術集成，建立三維真實地理信息平臺。系統(tǒng)強調科學真實，標準，經(jīng)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(tǒng)的建立

為適應包鋼集團的長遠發(fā)展和目標實現(xiàn)，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(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(huán)境，使不可見的復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

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，因此對其數(shù)據(jù)進行采集與建模應具有高效準確性。本文中數(shù)據(jù)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(xiàn)各種大型的、復雜的、不規(guī)則、標準或非標準的實體或實景三維數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)[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(tǒng)內容包括：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(qū)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(shù)據(jù)，初始點云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)的拼接、濾波、抽隙等預處理后，應用Cyclone軟件實現(xiàn)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(shù)據(jù)處理

包鋼稀土鋼板材公司地理信息建設涉及大量的規(guī)劃數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)、地上地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)、電纜隧道數(shù)據(jù)、生產安全數(shù)據(jù)和環(huán)保設施數(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)需進行標準化處理和格式轉換，才能滿足信息系統(tǒng)的要求，數(shù)據(jù)加工處理的具體內容包括：

3.2.1 規(guī)劃數(shù)據(jù)標準化處理，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)標準化處理后保存到綜合數(shù)據(jù)庫中。

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

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(wǎng)數(shù)據(jù)為實測數(shù)據(jù)，對施測數(shù)據(jù)標準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(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實是近年來出現(xiàn)的高新技術，也稱靈境技術或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡傳輸、語音輸入輸出技術等。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫

錯綜復雜的地上地下管道、管線系統(tǒng)等是應用數(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，管理各類基礎地理信息、綜合管網(wǎng)信息、基礎設置信息等。實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效存儲，利用數(shù)據(jù)庫的訪問權限管理機制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的授權共享訪問。

基于數(shù)據(jù)庫技術、互聯(lián)網(wǎng)技術實現(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)絡從數(shù)據(jù)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(huán)保設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、地上設備設施、地下管線、電纜隧道等信息查詢功能。此數(shù)據(jù)庫可將公司建設過程中的基礎數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)，成果數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)或屬性數(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，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。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筑物、設備設施、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(shù)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(xiàn)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?shù)取?/p>

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(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術，把工廠三維地面模型，廠區(qū)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(shù)字化的工廠三維景觀，可以為企業(yè)的建設、發(fā)展提供強大的信息化服務。現(xiàn)代化企業(yè)的遠景規(guī)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(xiàn)在以下幾個方面：

（1）揭開建筑物的屋頂或建筑物墻體,查看建筑物內部設備設施。

（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(fā)展，以三維可視化、網(wǎng)絡化、智能化為主要特征的地理信息系統(tǒng)應用日趨廣泛，在城市交通、工程設計、環(huán)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(yè)集團的規(guī)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(tǒng)與各行業(yè)專業(yè)系統(tǒng)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(shù)據(jù)的實時獲取、建模與可視化[M].武漢：武漢大學出版社,2003.