基于三维GIS的现场管理信息系统研究

摘要：本文将三维GIS 技术与企业现场管理信息系统相结合，力图为企业管理的建设提供一个行之有效的决策方法和设计方案，在这些理论的基础上，设计了基于三维gis 的现场管理信息系统结构，并证明了该系统设计的可行性。

关键词：现场管理；三维GIS；信息系统

中图分类号： C93 文献标识码： A

引言

对于大型的施工现场，由于施工场地范围大，施工设备繁多，而且往往涉及到多个外包单位和施工作业的面比较立体，针对这些问题，必须依靠计算机和相应的软件对大量信息的处理，才能更好地保证工程施工的及时性、高效性和准确性。但目前国内的现场管理信息系统主要采用二维图形、数据来描述现场施工管理对象，并基于二维平面（地面）的建设，其缺乏立体性和直观性，不能完全满足现场管理的需要[1]。随着地理信息系统（GIS）、无线通信等学科理论和技术的发展，通过三维GIS 技术手段，采用Java 开发平台和Java 3D 图形平台，优化模型结构，建立统一数据库，实现了现场管理信息系统中资源配置、工程进度、施工流程和质量监督的集成化管理和动态控制，提供了一种新的决策支持，大大提高了现场施工管理的现代化和信息化水平。

一、三维GIS技术

三维地理信息系统（3D G1S）是指能对区域空间数据进行三维描述、分析和表现的GIS 系统，提供更加强大、直观的决策支持功能。三维GIS几乎可以包容所有的空间信息，为更好地洞察和理解现实世界提供了多种多样的选择。它具有对包括地形和各类地物在内的现实世界进行三维建模的能力，能较逼真地实现复杂地形和地物的三维可视化。与二维GIS 相比，三维GIS 对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，能够表达空间对象间的平面关系，另外，对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS 特有的功能。三维GIS 的基本功能包括以下几个方面：（1）三维数据管理： 主要包括三维数据录入、与其他系统数据的转换、数据基本分析、三维坐标转换、入库数据的有效整合和查询等；（2）三维对象管理： 基于三维数据的三维对象建模、三维对象模型可视化选择与查询、三维对象变化（平移、旋转等）；（3）三维空间分析： 三维布尔操作（交、并、差、切割断面、开挖等）、三维计算（计算体积、表面积、距离、方向等）。三维GIS 研发思路可归纳为两种，一种从三维可视化领域向三维GIS 系统扩展，这一点同二维GIS 来源于计算机制图系统一样，是三维GIS 从可视化角度出发； 另一种从数据库角度出发向三维GIS 发展，从关系数据库向非标准应用领域扩展，将三维空间信息的管理融入RDBMS（relationaldatabase management system） 中， 或者开发全新的面向空间的OODBMS（Object Oriented DataBase Management Systems）。

二、系统的分层构架及其设计

现场管理是企业管理一个重要模块，它结合人、机器、材料、方法和环境等生产要素，通过在施工现场的有机转化，输出符合社会需要的产品和劳务，在此过程中不断地输送反馈信息，从而促进各生产要素的进一步融合。如图1 所示：

三维GIS 技术模拟现场环境建立空间模型，获取三维数据并进行处理，在生产、施工过程中，对三维数据进转化和交换，通过三维可视化形式展现给用户。

1、基于三维GIS 的现场管理信息系统分层构架

层(layer) 体系架构把系统分解成各子系统，其中每个子系统处于一个特定的抽象层次上。按照层体系原理，现场管理信息系统分为：

1.1数据层

基础数据的管理，比如地形数据、线路数据、施工进度数据采集和处理。

1.2应用层

实现现场管理信息系统的数据管理、分析和编译功能。

1.3表现层

将数据生成直观的表现形式，为用户提供人机交互界面和可视化窗口。按照分层设计，系统的架构图。如图2 所示：

2、基于三维GIS 的现场管理系统的设计

针对三维GIS 的现场管理信息系统分层构架体系，提出该系的总体设计方案，其主要包括三维数据结构及存储方式的定义、各功能模块的设计和开发工具的选择等几方面。

2.1三维数据结构及存储方式

在三维GIS 模型中，数据结构有矢量数据和栅格数据两种。单纯复型作为过渡性矢量数据结构的表示方法，通过它可实现其他数据表示方法的相互转换。单纯复型是单纯形的有限集，主要包括曲线（由折线近似）、曲面、体等。采用单纯复型描述三维空间结构具有易用性、兼容性的优点。三维GIS 的数据类型归结为三大类： 属性数据、几何数据和纹理数据。属性数据描述实体或关系的相关信息，包括地理要素、地理要素属性之间的关系等，属性数据一般以表的形式储存在数据库中。几何数据和纹理数据分别描述了实体的设计属性和表现形式，如线路数据和施工进度数据等，它都以图形的形式存储。

2.2 系统功能模块设计

基于三维GIS 技术的现场管理信息系统是以三维图形数据为核心的，提供三维数据的查询、编译及分析功能。系统针对不同类型的原始数据，通过转换生成面向对象的基本数据结构，并存放到图形数据库。

（1）数据管理模块

三维GIS 模型中的原始数据有两种： 一是不规则的离散数据，二是有解析表达式的规则形体。离散数据分为平面上的数字高程数据，空间的表面数据，空间立体数据等。平面离散分布的数字高程数据，通过平面Delaunay 实现三角剖分法生成三维模型； 对于分层的或近似分层的空间表面数据，可将每一层看作是建立在平面上的数字高程，利用平面三角剖分法实现三维建模，然后将边界处连接，从而形成三维空间上的三角剖分； 对于真正意义上的空间立体数据，可以对其进行三维四面体的Delaunay 立体剖分。对于规则空间表面形体， 在建模时先用NURBUS 曲面来描述，然后将NURBUS 曲面转换成三角片段。

（2）分析编译模块

本模块的主要功能是通过读取空间数据，实时对地理要素进行三维可视化分析，从而同步反映数据的编译状态。由于三维GIS 在计算机屏幕上呈现的图像是一种三维空间场景在二维平面上的投影，所以无法直接处理三维空间中的几何特征。利用COM 组件的方式可以实现编辑功能和表现功能的集成，实现点、线、面、体等几何实体的三维实时编辑。

（3）查询和显示模块

现场管理信息系统支持各业务部门对相关数据进行管理、维护。系统人机交互模块不仅提供了业务数据的增、删、改、查等基本功能，而且支持输出数据、生成图表的功能，同时预留其他程序接口，保证了系统中信息的流通和共享。为了加快三维图形可视化查询和分析的速度，系统采用细节层次模型（Level of details）。该模型可以根据实体与视点间的距离及角度，选用合适的空间实体细节进行显示，如对近处的生产因素可进行详细的细节模型，而对远的生产因素采用简略的细节模型，从而兼顾三维可视化的速度及显示信息的完整性。

2.3 实现技术

鉴于上述的系统设计思想，系统采用Java 语言进行可视化及用户交互界面开发，Java 语言具有良好的跨平台特性，而且更易于移植到Web 服务的应用。对于后台数据库的操作，按照基于OODBMS 内嵌的开发工具来完成。在三维可视化引擎方面，Java 平台提供的Java 3D 三维图形开发工具提供了出色的三维图形编程API，相对于OPENGL 和DIRECTX 等技术来说Java 3D 更易于实现，而且保持了与前台语言的一致性。

结束语

现场管理系统是一个庞大而复杂的系统工程，它涉及对企业资源配置、制度保障和安全生产的各个方面。在现场管理信息系统设计过程中，本文引用三维GIS 模型，通过对基础数据管理、分析编译、人机界面进行设计从而解决现场施工过程中生产要素的定位和可视化管理问题。基于三维GIS 的现场管理信息系统的建设不仅可以满足以往施工管理信息系统所需要达到的目标，而且通过在三维可视化环境中引入空间数据，能够为决策者提供直观的三维图形展示，从而实时地掌握资源分配情况和工程动态，同时也是生产安全很好的保障。

参考文献

[1] 王晶, 贾经冬, 周泓等. 生产现场管理综合评价方法研究及软件开发[J]. 工业工程与管理,2004,03:25-31

[2] 王继周, 李成名, 林宗坚. 三维GIS 的基本问题与研究进展[J]. 计算机工程与应用,2003,24:40-44

[3] 罗忠文, 谢忠. 三维GIS 系统框架模型[J]. 计算机工程与应用,2002,13:227-231