冉慧敏,劉全海

(1.常州市測(cè)繪院,江蘇常州 213002; 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心,江蘇常州 2130021; 3.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,湖北武漢 430070)

基于規(guī)劃核實(shí)的地下建構(gòu)筑物三維建模方法

冉慧敏1,2?,劉全海1,2,3

(1.常州市測(cè)繪院,江蘇常州 213002; 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心,江蘇常州 2130021; 3.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,湖北武漢 430070)

地上下一體化三維建模是智慧規(guī)劃和管理決策的基礎(chǔ)。在地上、地表三維模型的基礎(chǔ)上,如何實(shí)現(xiàn)快速、高精度、低成本、高效率的地下空間三維建模,實(shí)現(xiàn)地上下的三維一體化成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文在分析地下空間規(guī)劃核實(shí)的基礎(chǔ)上,提出了基于規(guī)劃核實(shí)的參數(shù)化地下建構(gòu)筑物的三維建模方法,并以常州為實(shí)例,通過(guò)地下空間三維可視化系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用,驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和有效性。

地下空間;建(構(gòu))筑物;規(guī)劃核實(shí);參數(shù)化建模

1 引 言

城市土地利用資源越來(lái)越少,地下空間的開(kāi)發(fā)利用引起了城市規(guī)劃和建設(shè)部門的高度重視。王夢(mèng)恕[1]院士指出“2l世紀(jì)是城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的年代”。因此,建立普查地下空間現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)以及管理應(yīng)用,對(duì)城市建設(shè)與管理有著積極意義。

由于地下空間的復(fù)雜性、隱蔽性和不可視等特點(diǎn)以及目前對(duì)重地下空間的開(kāi)發(fā)利用的重視,其三維建模成為一個(gè)年輕而具有活力的研究方向。目前國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究,如朱合華等[2]提出了數(shù)字地下空間與工程概念。朱良峰[4]等針對(duì)城市地下空間信息三維建模、可視化分析的特點(diǎn)和要求,設(shè)計(jì)了面向空間結(jié)構(gòu)信息和空間屬性信息建模與可視化的三維空間數(shù)據(jù)模型;琚娟[2]等研究了基于B.Rep進(jìn)行地下空間一體化建模,并給出了基于預(yù)分塊技術(shù)的城市地下空間對(duì)象空間索引方法。地下空間建模研究目前大多還集中在地下管線三維建模、地層建模[1～3],對(duì)地下構(gòu)筑物考慮較少[4]。

本文結(jié)合規(guī)劃行業(yè)特點(diǎn),有效利用規(guī)劃平面圖、審查后建筑施工圖、并結(jié)合規(guī)劃核實(shí)與驗(yàn)收的需求,實(shí)現(xiàn)地下建構(gòu)筑物的快速三維建模及更新,提出了基于規(guī)劃核實(shí)的參數(shù)化地下空間三維建模方法,并以常州為實(shí)例,通過(guò)地下空間三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)的集成應(yīng)用,驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和有效性。

2 地下建構(gòu)筑物的規(guī)劃核實(shí)測(cè)繪

2.1 地下空間分類與特征

廣義的地下空間信息包括地下建設(shè)工程信息和地質(zhì)環(huán)境信息,地下建設(shè)工程信息又包括地下建構(gòu)筑物和地下管線信息。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和管理需要,可增加基礎(chǔ)地理信息和城市規(guī)劃信息。數(shù)字地下空間與工程研究的信息具有尺度特征、空間特征、時(shí)間特征以及工程特征。

考慮到地質(zhì)環(huán)境信息和地下管線信息的采集、獲取相對(duì)獨(dú)立以及文篇幅所限,本文重點(diǎn)介紹狹義的地下空間——地下建構(gòu)筑物的采編。

2.2 地下建構(gòu)筑物

地下建構(gòu)筑物包括以下內(nèi)容:地下公共設(shè)施、地下市政設(shè)施、地下交通設(shè)施、地下人防及防災(zāi)、地下工業(yè)與倉(cāng)儲(chǔ)、地下綜合體、地下井。地下空間的實(shí)體劃分為:點(diǎn)、線、面和注記四類實(shí)體。其中點(diǎn)實(shí)體又分為簡(jiǎn)單點(diǎn)實(shí)體(SP)和簡(jiǎn)單有向點(diǎn)(DP);線實(shí)體分為簡(jiǎn)單無(wú)向線實(shí)體(SL)、簡(jiǎn)單有向線實(shí)體(DL)和復(fù)合線實(shí)體(CL);面實(shí)體(PG)表示閉合的多邊形實(shí)體;圖面注記實(shí)體(TX)。各個(gè)對(duì)象設(shè)置屬性項(xiàng)。以地下構(gòu)筑物為例,其基本屬性如表1,附加屬性如表2所示。

地下構(gòu)筑物基本屬性特征數(shù)據(jù) 表1

地下構(gòu)筑物附加屬性特征數(shù)據(jù) 表2

2.3 幾何結(jié)構(gòu)采編

地下建構(gòu)筑物的規(guī)劃核實(shí)測(cè)繪包括城市地下人防工程、過(guò)街地道、地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)和地下隱蔽工程的現(xiàn)狀測(cè)量。

地下空間設(shè)施平面圖采用解析法或圖解法分層施測(cè),其測(cè)繪調(diào)查的主要內(nèi)容包括:地下建筑的位置、用途、性質(zhì)、外內(nèi)外輪廓范圍、地道出入口(分階梯、斜坡和樓梯等)、坑道出入口、豎井、通道、廳室、墻柱、地下地坪標(biāo)高、地下建筑凈高、出入口地面高及附屬設(shè)施等。建筑物的外輪廓往往幾何要素相對(duì)簡(jiǎn)單,只需將建筑物的外輪廓線進(jìn)行簡(jiǎn)單采編,而在進(jìn)行三維建模時(shí)需要將紋理進(jìn)行仿真的建設(shè)。針對(duì)于地下空間幾何尺寸如墻體厚度、高度等要求會(huì)極高,否則各類要素之間會(huì)出現(xiàn)不接邊等問(wèn)題。下面就地下空間常用的幾何結(jié)構(gòu)采編方式做相關(guān)介紹。

(1)基于設(shè)計(jì)與竣工圖的數(shù)據(jù)采編

地下構(gòu)筑物的建筑及結(jié)構(gòu)竣工圖紙資料來(lái)源為城建檔案管理部門、民防管理部門以及其他相關(guān)權(quán)屬單位,從建筑物平面設(shè)計(jì)圖(平面、立面、剖面與天頂平面圖)、大比例尺地形圖(或地籍圖、房產(chǎn)圖)中獲得,并分割成獨(dú)立的建筑平面主體,這種方法獲得的數(shù)據(jù)精度高,局部更新方便,適用于小范圍單體建筑物三維數(shù)據(jù)采集。

(2)基于地面LiDAR采集方法

利用激光雷達(dá)掃描儀獲得地下建構(gòu)筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù),從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取建構(gòu)筑物特征線,而且獲得的是三維坐標(biāo)。這種方法獲得的數(shù)據(jù)精度高,但數(shù)據(jù)處理量較大,受場(chǎng)地空間限制、功能分割造成的遮擋,而且需要用專業(yè)的軟件來(lái)完成,適用于小范圍的不規(guī)則單體建構(gòu)筑物三維數(shù)據(jù)的采集。

(3)綜合測(cè)繪法

通過(guò)RTK布設(shè)控制點(diǎn),利用全站儀、激光測(cè)距儀或掃描儀直接測(cè)得建構(gòu)筑物特征點(diǎn)的高度,這種方法獲得的數(shù)據(jù)精度高,適用于小范圍單體建筑物(尤其是不規(guī)則單體建筑物)特征點(diǎn)的高度。

在實(shí)際工作中,比較快速有效地辦法是在收集的各類圖紙的基礎(chǔ)上,通過(guò)坐標(biāo)配準(zhǔn)、矢量化、外業(yè)核實(shí)、綜合處理、三維建庫(kù)等流程,發(fā)揮三種方式的綜合優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)地下建構(gòu)筑物的三維采編。

2.4 紋理數(shù)據(jù)采編

由于地下建構(gòu)筑物紋理相對(duì)單一,除地下通道和地下商場(chǎng)進(jìn)行裝飾,色彩多樣外,一般地面均為水泥地,墻面均為白色墻體。另外,城市規(guī)劃關(guān)注的是范圍線,重要結(jié)構(gòu)的幾何位置、地下高程和高度,并不像地面建筑一樣需關(guān)注建筑色彩。因此,對(duì)于地下建構(gòu)筑物的主體部分的紋理數(shù)據(jù)主要通過(guò)建立基本紋理庫(kù),如地面、立面和頂面采用紋理庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)紋理,對(duì)于個(gè)性化的紋理變化,采用相機(jī)拍攝并按傳統(tǒng)方法進(jìn)行紋理處理和映射處理。

3 地下建構(gòu)筑物三維一體化建模的關(guān)鍵技術(shù)

規(guī)劃部門結(jié)合人防建設(shè),建立地下空間竣工核實(shí)機(jī)制,采用測(cè)繪的手段,對(duì)地下管線、地下建筑物進(jìn)行規(guī)劃核實(shí)測(cè)繪。建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、高精度、基準(zhǔn)統(tǒng)一的地下建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)庫(kù)是三維建模的必要準(zhǔn)備?；谝?guī)劃核實(shí)測(cè)繪成果,實(shí)現(xiàn)地下建構(gòu)筑物的邊界表達(dá)、面向地下空間實(shí)體并顧及拓?fù)潢P(guān)系的三維矢量數(shù)據(jù)模型,能夠完整、無(wú)縫的表達(dá)地下構(gòu)筑物三維模型中的幾何信息和拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

3.1 總體思路

本文以地下空間的規(guī)劃核實(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)建立地下空間建構(gòu)筑物模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),研究附屬設(shè)施自動(dòng)生成、紋理自動(dòng)映射的三維建模方法和算法,基于3ds Max開(kāi)發(fā)自動(dòng)分類及紋理映射的插件,或者M(jìn)utigen Creater建模工具,完成地下空間數(shù)據(jù)的整體自動(dòng)建模,最終與地上建筑物、道路及景觀模三維模型、地形模型乃至地下管線等的集成統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)。

3.2 地下空間數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)地下空間的三維可視化,其前提是需要對(duì)二維線劃圖轉(zhuǎn)化為三維矢量圖。因此,對(duì)規(guī)劃核實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

地下空間要素的分類和編碼是建立基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ),直接影響到系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的組織、采集、存取、編輯和使用等方面,更影響到數(shù)據(jù)的共享和交換,必須標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、合理。按照《城市地下空間設(shè)施分類與代碼》GB/T28590-2012標(biāo)準(zhǔn),對(duì)地下空間進(jìn)行要素分類。要素分類既要反映要素的類型特征,又要反映要素的屬性、要素間相互關(guān)系,具有完整性,并適應(yīng)信息發(fā)展的需要。在要素的擴(kuò)展信息上設(shè)置了可擴(kuò)展項(xiàng),保證其科學(xué)的擴(kuò)展。在地下空間普查和日常的規(guī)劃核實(shí)工作中,以此標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。對(duì)在此基礎(chǔ)上,對(duì)收集到的規(guī)劃設(shè)計(jì)圖、竣工圖按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行空間化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 地下空間數(shù)據(jù)測(cè)技術(shù)路線

3.3 地下空間采集體系建立

地下空間數(shù)據(jù)有別于地形圖數(shù)據(jù),相關(guān)構(gòu)件、墻體等繪制方法又相似于建筑施工圖,為此,需要研究相關(guān)的數(shù)據(jù)采集體系。

本文通過(guò)在CAD下研發(fā)相關(guān)的模塊,具體由數(shù)據(jù)輸入模塊、民防工程模塊、地下交通模塊、地下商業(yè)模塊、地下居住模塊、地下工業(yè)模塊、地下其他模塊、搜索查詢模塊、圖層與編碼處理模塊、數(shù)據(jù)檢查模塊、數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊等組成,把數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各建(構(gòu))筑物符號(hào)化,信息化處理。尤其搜索查詢模塊、圖層與編碼處理模塊、數(shù)據(jù)檢查模塊,對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量快速查詢、定位、處理及修改提供極大便利.

其中符號(hào)化是最核心的功能,根據(jù)地下構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)用途分類,以不同的符號(hào)對(duì)地下構(gòu)筑物進(jìn)行圖形表達(dá),是對(duì)DWG格式的地下構(gòu)筑物空間位置數(shù)據(jù)成果進(jìn)行符號(hào)化表達(dá)的一種方式。具體研究成果如圖2、圖3所示。

圖2 民防工程符號(hào)化菜單

圖3 地下居住符號(hào)化菜單

另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)位二三維線的編輯功能,其主要解決二三維線的編輯與三維線上的高程處理。其功能包含“二維與三維數(shù)據(jù)互換”、“三維線偏移”、“三維線添加節(jié)點(diǎn)”、“去除節(jié)點(diǎn)”、“線拼接”、“線換向”以及“二維線的抽稀”等21個(gè)小功能。為三維參數(shù)化建模提供了強(qiáng)有力的。

3.4 參數(shù)化建模技術(shù)

參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的地下建構(gòu)筑物建模。使用約束條件來(lái)表達(dá)三維對(duì)象的形態(tài)特征,通過(guò)定義一組參數(shù)以控制表現(xiàn)結(jié)果,從而能夠通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改地下建構(gòu)筑物的三維對(duì)象模型。地下建構(gòu)筑物的三維對(duì)象模型可表示為{{Ci},{(Tj,Tj,Vj)},R|i=1,2,1m.j=1, 2,1n}.Ci是地下建構(gòu)筑物建模對(duì)象的三維坐標(biāo),(Tj, Tj,Vj)是地下建構(gòu)筑物的紋理集合,R是(Tj,Tj,Vj)與地下建構(gòu)筑物上每一個(gè)對(duì)象的對(duì)應(yīng)規(guī)則。

如地下交通設(shè)施中地鐵線路及隧道是具有線狀模型,紋理比較單一,幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)比較規(guī)則,構(gòu)造實(shí)體幾何法是很好的選擇。巷道軸線因?yàn)樾问胶?jiǎn)單,采用參數(shù)方程表達(dá)非常方便,因此,采用Creator軟件強(qiáng)大的LOFT放樣功能,通過(guò)參考線(如軌道中心線,或者隨道邊線),可以事先建立巷道實(shí)體模型與軸線之間的對(duì)應(yīng)連接關(guān)系,通過(guò)軸線參與空間分析計(jì)算。

通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的地下建構(gòu)筑物建模方法,實(shí)現(xiàn)在三維數(shù)字城市環(huán)境下,地下建構(gòu)物的快速建模與交互式調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)地下建構(gòu)物的精細(xì)和逼真表達(dá),并滿足應(yīng)用分析、評(píng)估與成果輸出的需要。

4 實(shí)踐與分析

采用本文方法,基于CAD開(kāi)發(fā)了地下空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并進(jìn)行了地下空間數(shù)據(jù)預(yù)處理,給予三維對(duì)象相應(yīng)的高度和紋理信息。然后轉(zhuǎn)出DXF文件,在3DMAX下開(kāi)發(fā)自動(dòng)分類及紋理映射的插件,或者M(jìn)utigen Creater建模工具,實(shí)現(xiàn)了常州市軌道交通一號(hào)線的地下空間普查數(shù)據(jù)的三維化,地下空間面積約200萬(wàn)平方米,并建立了軌道交通站臺(tái)的三維模型,通過(guò)參數(shù)化建立了軌道線的三維模型,如圖4所示。

圖6 軌道交通

通過(guò)地下空間的整體自動(dòng)建模,大大減少人工三維手動(dòng)建模的時(shí)間和成本,更為地下空間的大數(shù)據(jù)的瓦片金字塔制作奠定基礎(chǔ),為三維數(shù)字城市建設(shè),特別是在三維視角下進(jìn)行地下管線的管理、規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工提供關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

解決城市地下空間整體、批量、精細(xì)化的三維可視化表達(dá)是當(dāng)前3DGIS的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。本文針對(duì)地下空間建構(gòu)筑物三維建模的特點(diǎn),提出基于規(guī)劃核實(shí)的地下空間三維建模方法,并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的采集及三維預(yù)處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地下建構(gòu)筑物的一體化快速建模。通過(guò)試驗(yàn)證明是一種可行的技術(shù)途徑。下一步的工作主要包括:與復(fù)雜附屬物的匹配、三維數(shù)據(jù)更新和動(dòng)態(tài)維護(hù)等。

[1] 王夢(mèng)恕.譚忠盛.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué),2010,12(12):4～10.

[2] 李清泉,嚴(yán)勇,楊必勝等.地下管線的三維可視化研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2003,28(3):277～282.

[3] 胡金虎.數(shù)字地下空間與工程三維地質(zhì)建模及應(yīng)用研究[D].同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,2008.

[4] 魏占營(yíng),王寶山,李青元.地下巷道的三維建模及c.H實(shí)現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2005,30(7):650～653.

[5] 陳亞?wèn)|,胡建平,王麗.城市地下三維管網(wǎng)建模技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2010(8):77～79.

[6] 劉華堯,文思.基于本體的道路數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法[J].城市勘測(cè),2014(3):56～59.

[7] 唐相楨.面向城市設(shè)計(jì)的參數(shù)化參維建模方法初探[J].城市勘測(cè),2014(3):72～74.

[8] 扈震,徐獅.地下管網(wǎng)設(shè)施三維精細(xì)化模擬技術(shù)研究[J].中國(guó)給水排水,2012,28(17):68～72.

[9] 高志國(guó),李長(zhǎng)輝.基于地面LiDAR的三維竣工測(cè)量方法研究[J].城市勘測(cè),2014(3):31～33.

[10] 周立國(guó),馮學(xué)智,余江峰等.城市綜合地下管線信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的探討[J].遙感信息,2008 (2):80～85.

[11] 劉強(qiáng),李軍,甘仞初.面向信息共享的數(shù)字城市地下管線信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004, 24(5):466～468.

Build Three-dimensional Modeling of Underground Structure Based on Planning Verification

Ran Huimin1,2,Liu Quanhai1,2,3
(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute,Changzhou 213002,China; 2.Changzhou Geospatial Information Intelligence Technology Center,Changzhou 213002,China; 3.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430070,China)

Integratedsurface and subsurface three-dimensional modeling is the foundation of wisdom planning and management decisions.How to achieve fast,high-precision,low-cost,high-efficiency three-dimensional modeling of underground space basis on the three-dimensional surface model to achieve the three-dimensional integrated is the key and difficult research.This article proposed parametric verification of underground structures 3D modeling methods based on the verification of underground space planning,and in Changzhou for instance,through the promotion and application of underground space visualization system to verify the utility of this method and effectiveness.

underground space;building(structure);planning verification;parametric modeling

1672-8262(2014)06-59-04

P208.2

B

2014—08—13

冉慧敏(1981—),女,工程師,主要研究方向三維數(shù)字城市建設(shè)理論。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃(2013-S5-4)