三維輸油管線信息管理與安全預警系統研究

曹端廣 張子民 周 英 李 錦 邢華橋

1山東建筑大學測繪地理信息學院，山東 濟南，250101

隨著城市化的快速發展，城鎮基礎設施越來越完善，輸油管道穿越人口密集區、環境敏感區的情況日益突出，給管道企業安全平穩運營提出了嚴峻的挑戰。計算機技術和測繪技術的快速發展，地下管線數據管理也面臨著由二維平面向三維空間的轉變。地下管線三維模型能夠直觀再現地下管線縱橫交錯的空間位置關系，為輔助規劃建設、合理集約利用地下空間、保障管線安全提供有效技術支撐［1，2］。對于三維管線管理系統來講，目前國內外普遍采用GIS技術、仿真技術，通過建立數學模型進行管線的模擬和分析處理［3］。國內外三維GIS軟件產品繁多，選擇合適的平臺至關重要，關系著模型精度和顯示速度，在WEB端實現海量三維數據存儲和快速顯示是目前國內外學者的研究熱點［4］。盧丹丹等［1］在進行武漢市地下管線三維模型建設工作中研究出一種利用OpenGL實時繪制三維管線段的高精度自動三維建模技術；Mathias等［5］采用GPU射線投射的方式研究出基于體素（Voxel）的大型三維管線渲染方式；馬波等［6］基于地圖符號化思想，研究出一套適合城市地下管線二三維一體化存儲、更新、展示和應用的數據庫設計；畢天平等［7］采用視點相關球面LOD（levels of detail）算法和面向服務的架構進行三維管線系統的開發。本文利用SuperMap開發平臺，搭載傾斜攝影和三維輸油管線等模型，設計和實現了三維輸油管線信息管理與安全預警系統。在系統設計與實現的過程中解決了3個主要技術問題：一是選擇出最合適的三維管線建模方法；二是實現大數據量傾斜攝影實景三維模型在瀏覽器快速加載與顯示；三是利用緩沖區分析和Dijkstra算法結合實時交通信息數據進行安全預警。系統的設計與實現幫助油氣運輸企業進行信息化管理并在發生安全事件時提供決策支持。

1 系統設計與實現

1.1 系統總體結構

系統層次架構分為應用層、服務層、業務邏輯層和數據層。應用層有WEB服務接口、GIS服務系統和離線應用子系統；服務層包括WEB Service服務、GIS接口和ADO（active data objects）對象模型。業務邏輯層有GIS基礎平臺、工作流和中間件；數據層中包含3種數據，分別為基礎地理數據、傾斜攝影數據和三維管線數據。

系統技術架構采用SpringMVC作為總體架構，使用SuperMap iServer和Tomcat7.x作為WEB服務器引擎，前端渲染使用了Webgl和Echarts，地圖渲染使用了Cesium和SuperMap。數據庫使用了Oracle 11g數據庫。

1.2 系統功能

系統設計實現了圖層控制功能模塊、數據瀏覽功能模塊、查詢定位功能模塊、數據分析功能模塊、動態標注功能模塊和系統管理功能模塊，圖1為系統功能模塊圖。

圖1 系統功能模塊圖Fig.1 System Function Block Diagram

圖層控制功能模塊用于控制系統中不同圖層的開啟與關閉。圖層類型分為基礎圖層和三維要素圖層，基礎圖層包含影像圖層、矢量圖層、注記圖層等，三維要素圖層包含三維管線管點、傾斜攝影實景模型、三維地形模型。

數據瀏覽功能實現以不同方式瀏覽查看系統中的數據，其中包含分屏對比、場景卷簾、飛行漫游和VR展示。分屏對比可以實現二分屏、三分屏和四分屏；場景卷簾實現上下和左右卷簾；飛行漫游沿設置好的不同航線進行飛行瀏覽；VR展示功能可以查看系統中的VR場景數據。

查詢定位功能模塊可以進行屬性查詢和閥室定位。屬性查詢可以查詢管線的屬性信息也可以查詢傾斜攝影模型單體化信息，屬性查詢可以查詢管線的類型、材質、形狀、尺寸等屬性，雙擊查詢結果列表可以定位管線所在位置。閥室定位功能通過閥室編號快速定位閥室所在位置。傾斜攝影單體化之后的模型屬性包含名稱、行政隸屬、人口數、所屬單位等信息。

數據分析功能模塊中包含空間量算和空間分析兩個子功能模塊?？臻g量算功能可以實現距離量算、面積量算和高度量算，距離量算通過點擊選取三維空間中兩個坐標點位并計算其空間距離；面積量算是計算空間中3個及以上點位形成的平面的面積；高度量算是計算空間中兩個點位的垂直高度?？臻g分析功能模塊包含橫斷面分析、開挖分析、緩沖區分析和應急預案模擬4個子功能，橫斷面分析是在管線區域畫一條橫截面線，使其與地下管線相交，根據相交情況獲得地下管線橫截面和埋深等信息，此功能可以為道路施工等相關單位提供決策支持［8］。開挖分析進行傾斜攝影開挖，將選中區域的傾斜攝影模型隱藏，顯示模型下方的管線管點模型。緩沖區分析是以點或線為基礎，建立周圍一定寬度范圍內的緩沖區圖層并查詢此范圍內的管線管點信息。

動態標注功能模塊是用戶對風險性高、容易發生安全事故的POI（point of interest）信息進行標注入庫，在后期的運維過程中用戶重點關注這部分信息，從而提高信息管理的效率，其中包括標注信息的展示和標注信息的管理。

系統管理功能模塊是對系統用戶和系統使用的說明指導，包括系統用戶管理和系統幫助文檔兩部分。系統用戶管理可以對系統用戶基本信息進行增刪改查等基本操作，同時可以對不同用戶的權限進行設置，以滿足不同用戶角色的需求。點擊系統幫助文檔可以在線查看系統的操作說明。

2 系統實現的關鍵技術

2.1 輸油管線的精細化三維建模技術

當前三維建模技術主要有兩種：一是數字表面模型集成地物手工三維模型，即在包含了地表建筑設施、水系、植被等的數字表面模型上疊加研究所需的地物手工三維模型［9］；二是傾斜攝影模型結合地物單體化操作，將傾斜攝影實景三維模型進行切割單體化，使地物成為帶有屬性信息的個體［10］。系統集成了多種三維模型，綜合各種建模技術特點，考慮到建模工作量和投入，對于大場景采用數字表面模型，輸油管線沿線地物采用傾斜攝影模型，輸油管線設施設備采用手工三模模型。

三維管線管點建模方法種類繁多，大致可分為以下3種類型：手工精細化建模、基于規則的建模和符號化建模。綜合三種管線建模方法，系統采用符號化建模方法。利用SuperMap符號化建模方法對部分管線管點二維矢量數據進行建模流程如2所示。首先將矢量數據導入軟件中，利用數據類型轉換功能將二維點和二維線轉換為三維管點管線，轉換依據為點數據高程值和線數據的起始點、終止點高程值，通過拓撲構網方式將三維管點管線構建三維網絡并將生成的三維網絡數據集添加到三維場景中；然后使用制作專題圖實現三維數據符號化，將符號風格、符號顏色、符號大小與數據屬性表中相應的字段進行關聯，關聯成功之后按符號風格進行顯示，圖3為顯示效果；最后將配圖好的三維場景生成場景緩存，如果需要在前端調用，則使用SuperMap iServer將場景發布為服務。

圖2 管線管點建模流程圖Fig.2 Flow Chart of Pipeline Point Modeling

圖3 管線管點建模效果圖Fig.3 Pipeline Point Modeling Effect Diagram

2.2 傾斜攝影實景三維模型的快速可視化技術

傾斜攝影實景三維模型是使用Smart3D軟件（即ContextCapture）對傾斜攝影所得影像數據進行實景建模，生成的三維模型數據為三維引擎定義的osgb格式。實景三維模型具有數據獲取效率高、模型顯示效果逼真等特點。模型的空間分辨率很高，可達0.1 cm甚至更高，因此其數據量巨大，如何在瀏覽器中快速加載和顯示傾斜攝影模型，是需要解決的一個重要問題［11］。為解決此問題，系統在加載實景三維模型前對模型進行壓縮，在不影響顯示效果的前提下提高加載速度，壓縮使用了合并根節點和紋理壓縮兩種壓縮方法。

合并根節點壓縮技術：傾斜攝影模型數據通常采用分塊（Tile）方式存儲，即在一定空間范圍的模型劃為一個塊并存儲在一個文件夾中，每個文件夾下包含一個根節點文件和若干子節點文件［12］。系統通過索引文件記錄根節點相對路徑加載模型。當模型空間范圍廣、數據量龐大，使得模型被劃分為很多個根節點，讀取這些根節點花費時間較長導致加載模型較慢，通過合并根節點來提升加載效率。合并根節點是將相鄰一定空間范圍的根節點合并為一個根節點，即向上抽稀形成一層更為粗糙的LOD層級，每合并一次，模型根節點數量減少為原始數量的1/4，合并根節點后示意圖如圖4所示。

圖4 合并根節點后示意圖Fig.4 Schematic Diagram After Merging Root Nodes

傾斜攝影紋理壓縮技術：紋理壓縮是將傾斜攝影切片的紋理壓縮成適合特定設備的紋理格式從而優化傾斜攝影數據在三維場景中的渲染功能。根據適用設備，紋理壓縮分為3種壓縮類型：DDS（direct draw surface）是以定長壓縮形式存儲圖形數據，在PC端直接被顯卡支持，從而節省大量的顯存。iOS系列設備移動端壓縮紋理是針對iOS系列設備的壓縮紋理格式，壓縮比高達16∶1，在該比例下仍然保持較好的貼圖質量，由于移動設備資源有限，其顯存往往與內存共用，此壓縮方式可以在不損失貼圖質量的情況下節省大量的內存。Android系列設備移動端壓縮紋理是針對Android系列設備的壓縮紋理格式，在OpenGL ES 2.0中定義，適用于所有支持OpenGL ES 2.0的Android平臺設備［13］。

2.3 輸油管線的安全預警技術

當輸油管線某處發生泄露或火災情況時，系統可以進行應急預案模擬。在地圖中添加事故點位置，系統首先通過緩沖區分析，查詢出距離事故點最近的安全巡檢工人和此管線上游閥室，系統從數據庫中調出巡檢工人的個人信息，管理員撥打巡檢工人電話通知其去關閉上游閥室。同時緩沖區分析還查詢出距離事故點最近的消防隊、醫院和警察局的坐 標位 置，系 統基 于Dijkstra算 法［14，15］計 算 出消防車、救護車和警車到達事故點的最短路徑，系統在選擇最佳路徑時，除了要考慮路線長短，還要考慮每段道路的擁堵程度，所以利用通行時間最短作為選擇依據最為合理。通行時間屬性通過距離和通行速度的商值確定，系統通過解析實時交通信息（real-time information of China，RTIC）數據獲取道路的通行速度，以道路網中路段長度作為通行距離［16］。如圖5所示，在地圖中展示3種車輛按照此路徑模擬從出發到抵達事故點進行救援的行駛路線。

圖5 應急預案模擬效果圖Fig.5 Emergency Plan Simulation Effect Diagram

3 結束語

三維輸油管線信息管理與安全預警系統的開發為石油運輸企業提供了更加科學、直觀的管理手段，在發生管線泄漏、火災等安全事件時能夠輔助管理者進行決策。對比分析不同三維管線建模方法，找出以SupMap軟件為代表的符號化建模方法更加適用于城市級別的三維管線批量快速建模。通過合并根節點和紋理壓縮技術將傾斜攝影實景模型進行壓縮，可以有效提高模型的顯示速度。利用緩沖區分析和最短路徑Dijkstra算法的安全預警技術，生動形象地進行應急預案模擬，為管理者提供直觀、可靠的決策依據。