譚仁春，肖建華，王厚之，彭清山

(武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022)

城市地下空間三維模型建設(shè)與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

譚仁春?，肖建華，王厚之，彭清山

(武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022)

首先對城市地下空間和空間內(nèi)需要三維建模的對象進(jìn)行了分析研究，總結(jié)了地下空間的各種特征，并提出了城市地下空間三維模型的分類標(biāo)準(zhǔn)。然后針對不同地下空間建模對象的特點(diǎn)，分別提出了各自的三維建模方法。最后針對不同三維模型和應(yīng)用需要，提出了剖面式、開挖式、隧道式和地上地下一體化等不同的地下空間三維模型展示方法。

地下空間；地層；地下管線

1 概 述

地下空間三維模型是城市地下空間三維應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前能夠很好地建立三維地質(zhì)模型的軟件有Go-CAD、MieroLynx、Micromine、MVS CTech、Vulean、Surpae等。這些軟件在地質(zhì)建模方面所采用的數(shù)據(jù)模型主要有基于體表示的三維柵格模型、線框模型、實(shí)體模型和基于面表示的不規(guī)則三角網(wǎng)模型、格網(wǎng)模型等。然而，這些模型在表達(dá)具有真三維連續(xù)性、不確定性較大的復(fù)雜地質(zhì)對象時(shí)都存在各自的不足，并且建模過程中模型動態(tài)修改的自由度小，不能對包括地下工程構(gòu)筑物等在內(nèi)的地下空間對象統(tǒng)一建模。因而，地下空間的三維建模技術(shù)有著很大的發(fā)展空間。

目前，武漢市測繪研究院承擔(dān)了精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2011年開放基金項(xiàng)目《城市地下三維模型集成應(yīng)用技術(shù)研究》，按照項(xiàng)目總體方案設(shè)計(jì)的要求，項(xiàng)目的研究對象包括地下管線、隧道、地鐵、地下街、建筑地基基礎(chǔ)、人防工程、地下室、地下停車場等地下空間對象；項(xiàng)目的主要工作包括研究制定城市地下空間三維模型分類標(biāo)準(zhǔn)、探索不同地下空間地物三維模型的制作方法、建立統(tǒng)一的可視化平臺對各種地下空間地物三維模型進(jìn)行集成與整合、提供多種形象、逼真的地下空間三維模型展示方式，方便地下空間三維模型應(yīng)用。

2 地下空間三維模型的特征與分類

2.1 地下空間三維模型的特征

城市地下空間模型具有多專業(yè)性、多樣性、非線性、分散性和時(shí)態(tài)性等特征。多專業(yè)性是指地下空間三維模型制作都是依據(jù)不同專業(yè)領(lǐng)域的分析需要，如地質(zhì)調(diào)查、管線探測、地下水文觀測等專業(yè)領(lǐng)域；多樣性是指地下空間模型的類型多種多樣，多樣性還表現(xiàn)在模型的數(shù)據(jù)格式、存儲方式的多樣性；非線性是指地下空間模型各屬性之間復(fù)雜的特征；分散性是指地下空間模型依據(jù)各自業(yè)務(wù)領(lǐng)域不同，分散應(yīng)用在城市國土資源、規(guī)劃、建設(shè)、市政、城建檔案、人防、交通、管線權(quán)屬單位以及各企事業(yè)單位等；時(shí)態(tài)性是指隨著城市建設(shè)的發(fā)展和時(shí)間的推移，地下空間模型會發(fā)生變更，需要對地下空間模型進(jìn)行更新維護(hù)，以保證模型的現(xiàn)勢性。

2.2 地下空間三維模型的分類

城市地下空間是指城市地表以下，為滿足人類社會生產(chǎn)、生活、交通、環(huán)保、能源、安全、防災(zāi)減災(zāi)等需要而進(jìn)行開發(fā)、建設(shè)與利用的空間。城市地下空間三維模型可以劃分為以下4類:①淺部地層模型；②地下管線模型；③地下建(構(gòu))筑物模型；④地下水模型。每一大類又可分為若干小類，如圖1所示。

圖1 城市地下空間三維模型分類圖

3 地下空間三維建模方法

3.1 淺部地層模型的建模方式

淺部地層模型的建模主要利用美國MVS CTech軟件。導(dǎo)入鉆孔描述數(shù)據(jù)，經(jīng)過地層地質(zhì)推斷及Kring內(nèi)插，建立實(shí)體模型，經(jīng)過等值線輸出，獲得分層的曲面，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入3ds Max內(nèi)進(jìn)行精細(xì)模型加工處理，賦予紋理。另外，模型細(xì)節(jié)可以調(diào)整鉆孔的密度來控制。

3.2 管線模型的建模方式

管線模型的建模方式采用基于3ds Max腳本程序進(jìn)行CAD幾何建模:①分別提取城市地下管線GIS數(shù)據(jù)庫內(nèi)的管線點(diǎn)與管線段的管線類型，坐標(biāo)，高程，斷面尺寸，材質(zhì)等屬性值，生成XML或者文本等數(shù)據(jù)交換文件；②在3ds Max利用腳本程序讀取，批量完成管線段模型生成；③在3ds Max通過匹配管線附屬物的標(biāo)準(zhǔn)模型庫，批量完成管線附屬物的生成；④在3ds Max內(nèi)進(jìn)行管線連接細(xì)節(jié)修飾，完成變徑、垂直交叉連接、管線斷面圓滑等處理。

3.3 地下建(構(gòu))筑物模型的建模方式

地下建(構(gòu))筑物模型的建模方式采用:①提取地下建(構(gòu))筑物GIS數(shù)據(jù)庫內(nèi)目標(biāo)對象的圖形邊界，房屋基底高程，凈空值，層數(shù)等屬性值，生成XML或者文本等數(shù)據(jù)交換文件；②在3ds Max利用腳本程序讀取，批量完成地下建(構(gòu))筑物模型的體塊模型生成。③在3ds Max，依據(jù)目標(biāo)對象的施工圖或竣工圖，進(jìn)行人工修飾處理。主要處理模型與其地上建筑物的出入口關(guān)系，模型細(xì)節(jié)依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要來控制模型表現(xiàn)程度。

3.4 地下水模型的建模方式

地下水模型的建模主要利用美國Surpac軟件，以鉆孔數(shù)據(jù)、水文觀測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。利用水文地質(zhì)的工程經(jīng)驗(yàn)，建立實(shí)體模型，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入3ds Max內(nèi)進(jìn)行精細(xì)模型加工處理，賦予紋理。另外，模型細(xì)節(jié)可以通過地下水觀測數(shù)據(jù)的分布密度來控制。

4 地下空間三維模型表現(xiàn)形式

4.1 剖面式

剖面式是對地下空間實(shí)體進(jìn)行斷面剖分，以獲得局部端面結(jié)構(gòu)。一般適合內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的實(shí)體模型，如淺部地層模型的土層詳細(xì)斷面、地下水的潛水層分布、地下管線的三維斷面。以武漢市漢口某地區(qū)12 km2的淺部地層概況模型為例，提取200個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，制作其鉆孔三維模型。并利用鉆孔三維模型制作不同地層的分解曲面三維模型，這樣基本能夠反映武漢市局部區(qū)域的淺部地層概況，如圖2所示。

圖2 剖面式展示局部地層概況

4.2 開挖式

開挖式是對地下空間實(shí)體沿著路徑或者范圍邊界進(jìn)行“挖槽”或者“切蛋糕”的方式，突出地下空間對象局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與相互關(guān)系。一般適合地下空間不同對象之間相互關(guān)系緊密，細(xì)節(jié)程度又不統(tǒng)一的情況，如對比分析地下管線、地下基礎(chǔ)、地層之間的相互關(guān)系。以武漢市漢口常青路后襄河路段的道路開挖為例，以“路槽”方式較真實(shí)反映地層、管線的相互關(guān)系，以“切蛋糕”方式較直觀反映建筑地下室結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 開挖式展示地下管線和地下建(構(gòu))筑物

4.3 隧道式

隧道式是對地下空間的地層進(jìn)行內(nèi)部開挖的方式，即以空間曲線為中心軸線，某一半徑進(jìn)行空間放樣，獲得內(nèi)部中空的模型實(shí)體。一般適合地鐵、隧道等大型地下工程的展示應(yīng)用。以武漢市漢口地鐵范湖車站地下隧道開挖為例，以“隧道”方式較真實(shí)反映地層、地下基礎(chǔ)、地下管線的相互關(guān)系，如圖4所示。

圖4 隧道式展示方式

4.4 地上地下一體化

地上地下一體化是對地上空間進(jìn)行透明化或?qū)Φ叵驴臻g的某些要素塌陷、隱藏等操作，以重點(diǎn)突出地上與地下之間的平面與豎向空間的整體相互關(guān)系效果。一般適合城市規(guī)劃管理、城市應(yīng)急管理，如圖5所示。

圖5 地上地下一體化展示地下停車場

5 結(jié) 語

本文對城市地下空間三維的特點(diǎn)、建設(shè)方法和展示方式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并在精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2011年開放式基金項(xiàng)目《城市地下三維模型集成應(yīng)用技術(shù)研究》中進(jìn)行了大量的實(shí)踐。目前武漢市已基本建成主城區(qū)范圍內(nèi)地層三維模型、地下管線三維模型，正在開展地下建(構(gòu))筑物和地下水三維模型的建設(shè)研究工作。實(shí)踐證明本文的地下空間三維模型建設(shè)方法和展示方式總體上是可行的、實(shí)用的，能夠?yàn)槌鞘械叵驴臻g規(guī)劃與開發(fā)提供科學(xué)的依據(jù)和直觀的展示。

但是，由于地下空間對象隱蔽性的限制，三維模型建設(shè)方法還需要進(jìn)一步加強(qiáng)準(zhǔn)確性。由于地下空間連續(xù)性的限制，三維模型展示方式還需要進(jìn)一步加強(qiáng)直觀性。這些都是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

[1] 陳軍，鄒倫.數(shù)字中國地理空間基礎(chǔ)框架[M].北京:科學(xué)出版社

[2] 宋大各，胡卸文.三維建模技術(shù)在城市環(huán)境地質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用[J].四川省水文地質(zhì)工程地質(zhì)學(xué)術(shù)交流會，2008

[3] 叢威青，潘懋，莊莉莉.三維GIS技術(shù)在城市地下空間規(guī)劃中的應(yīng)用分析[J].工程勘察，2008(S1)

[4] 朱慶，李德仁，龔健雅.數(shù)碼城市GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2001(1)

[5] 韓李濤.地下空間三維數(shù)據(jù)模型分析與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005(3)

[6] 朱良峰，莊智一.城市地下空間信息三維數(shù)據(jù)模型研究[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009

Key Technologies Research of Construction and Application for Three－dimensional Model of Urban Underground Space

Tan Renchun，Xiao Jianhua，Wang Houzhi，Peng Qingshan
(Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

This paper firstly analyzes objects need to be modeled in urban underground，summarizes the various features of underground space and put forwards a classification criteria for three－dimensional model of underground space in Wuhan.Then respectively presented modeling method according to different characteristics of the object modeling in underground space.Finally according to different three－dimensional models and their different requirement for application，put forward four different representation methods for underground space three－dimensional model.

Underground Space；Strata；Underground Pipeline

2011—08—24

譚仁春(1978—)，男，博士、高級工程師，主要從事地圖制圖應(yīng)用、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用、三維GIS和三維城市模型研究。

精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2011年開放基金(PF2011－27)

1672－8262(2012)02－5－03

P208.2

A