王芳

摘要：指出了數(shù)字城市是對(duì)城市地理空間實(shí)體的信息化建設(shè)，對(duì)城市規(guī)劃管理起到一定的輔助作用。地下空間作為數(shù)字城市的重要組成部分，其規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)開發(fā)影響著城市空間利用的效率。三維技術(shù)是地下空間相關(guān)研究中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，在地下空間模型及信息化建設(shè)、資源評(píng)價(jià)、開發(fā)利用過程中，三維技術(shù)都發(fā)揮著重要作用。

關(guān)鍵詞：地下空間;三維技術(shù);數(shù)據(jù)模型

中圖分類號(hào)：P426.616 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）20-0201-03

1引言

“數(shù)字城市”出現(xiàn)于20世紀(jì)末，并在21世紀(jì)掀起數(shù)字城市建設(shè)的熱潮。數(shù)字城市是指對(duì)城市空間組合和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息化，從而達(dá)到綜合統(tǒng)一的管理與開發(fā)。數(shù)字城市是現(xiàn)代化發(fā)展的產(chǎn)物，對(duì)城市地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行有組織的規(guī)劃設(shè)計(jì)，并統(tǒng)一管理，這實(shí)現(xiàn)了資源的有效利用，同時(shí)增加了信息的共享性，也對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)有一定的作用，是城市可持續(xù)發(fā)展的體現(xiàn)。

地下空間是一個(gè)城市的重要部分，在協(xié)調(diào)城市建設(shè)與功能方面起到重要作用，而對(duì)于地下空間的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及開發(fā)建設(shè)分析是對(duì)傳統(tǒng)城市的改進(jìn)，與城市地上、地面空間相整合，實(shí)現(xiàn)城市集約，充分發(fā)揮城市的效能，提高城市空間利用效率。

三維技術(shù)已廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市各個(gè)領(lǐng)域，是數(shù)字城市建設(shè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。隨著地下空間的逐漸開發(fā)與發(fā)展，三維技術(shù)也逐步應(yīng)用于地下空間，無論是地下空間三維模型的建立、地下空間信息化建設(shè)，還是地下空間資源評(píng)價(jià)或開發(fā)利用過程，三維技術(shù)都不可或缺。

2地下空間三維建模

地下空間的三維數(shù)據(jù)模型主要來源于傳統(tǒng)的三維地質(zhì)模型和三維城市空間模型，基于城市地下空間的特征，在傳統(tǒng)三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)造與改進(jìn)，目前地下空間的三維數(shù)據(jù)模型已趨于成熟。三維數(shù)據(jù)模型的關(guān)鍵在于模型的類型以及建模方法。

2.1三維數(shù)據(jù)模型

當(dāng)前對(duì)于地下空間三維技術(shù)的研究人員主要來自于城市規(guī)劃管理、地理信息系統(tǒng)、傳統(tǒng)地學(xué)等領(lǐng)域，不同的領(lǐng)域結(jié)合自身的知識(shí)對(duì)于地下空間三維建模也有不同的特點(diǎn)，因此產(chǎn)生了不同類型的三維數(shù)據(jù)模型。

從地學(xué)角度來看，當(dāng)前三維地學(xué)模擬分析方面的研究采用的三維模型主要可以分為：三維體元模型、三維矢量模型、混合數(shù)據(jù)模型和集成數(shù)據(jù)模型這4種三維模型。這4類模型在地學(xué)研究方面都尤其各自的優(yōu)點(diǎn)，但綜合他們的缺點(diǎn)，可以總結(jié)為：無法在完整的表達(dá)城市地下空間實(shí)體的相關(guān)息的同時(shí)，又很好的描述其拓補(bǔ)關(guān)系，且不是所有的模型都可以進(jìn)行空間操作和分析。從城市規(guī)劃管理的角度出發(fā)，根據(jù)城市地下空間單元的不同，地下空間三維模型分為淺部地層、地下管線、地下建構(gòu)筑物和地下水這4類模型，每種模型又可以分為各自的組成單元，例如地下管線模型可分為給水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)等。

盡管地下空間三維數(shù)據(jù)模型從不同的分析角度出發(fā)，有著完全不同的分類，且各種模型有其自身的特點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以充分考慮模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并且可以跨領(lǐng)域?qū)δＰ瓦M(jìn)行組合，從而達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高工作精度和效率，方便完成目標(biāo)任務(wù)。

三維矢量模型是當(dāng)前城市三維空間數(shù)據(jù)模型的主流。其主要優(yōu)點(diǎn)為數(shù)據(jù)量小，便于實(shí)現(xiàn)建模和模型更新，但對(duì)于三維空間拓補(bǔ)關(guān)系的描述較為困難，對(duì)于空間分析功能有所欠缺?；诖丝梢詫⑹噶磕Ｐ秃蜄鸥衲Ｐ拖嘟Y(jié)合，實(shí)現(xiàn)矢刪一體化，既可以反應(yīng)地下空間的形態(tài)及關(guān)系，又可以描述其拓補(bǔ)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)空間特征分析，從而提高表達(dá)精度和效率。除了將同一角度下的不同類型的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行組合，還可以跨領(lǐng)域結(jié)合構(gòu)建三維數(shù)據(jù)模型。在城市地下空間三維建模的研究中，對(duì)于地下建構(gòu)筑物三維數(shù)據(jù)模型的研究層次較淺，不能從多比例尺度下深入討論。因此，有學(xué)者提出一種地下建構(gòu)筑物多細(xì)節(jié)層次三維模型。這種模型是從幾何和語義層次，將地下建構(gòu)筑物分為點(diǎn)線面體的幾何以及地上地下各具體建構(gòu)筑物的語義，從而建立了地下建構(gòu)筑物三維語義模型。

2.2建模方法

城市三維建模方法主要依據(jù)為空間信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，這兩種方法分別在效率和精度方面表現(xiàn)出自己的優(yōu)勢(shì)，為了實(shí)現(xiàn)城市三維快速建模，需要將這兩種方法進(jìn)行結(jié)合，依托城市測(cè)繪相關(guān)的數(shù)據(jù)資源和遙感影像數(shù)據(jù)，利用人機(jī)交互工具，實(shí)現(xiàn)快速精確地城市三維建模。城市地下空間屬于城市建設(shè)的一部分，但是還由于地下空間無法通過遙感的手段得到其實(shí)際情況，因此城市地下空間建模主要依靠測(cè)繪相關(guān)的數(shù)據(jù)資源，依據(jù)二維信息，結(jié)合地下空間屬性信息實(shí)現(xiàn)三維建模。

地下空間三維建模主要包括地質(zhì)環(huán)境和地下設(shè)施的建模，基于鉆孔的工程地質(zhì)三維建模方法多應(yīng)用于地質(zhì)環(huán)境建模中，通過地質(zhì)勘察得到的鉆孔數(shù)據(jù)主要包含地下空間的地層情況;而對(duì)于地下設(shè)施的建模，主要可根據(jù)建筑設(shè)施的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模，記錄其水平投影圖形以及地上高度和地下深度，再通過拉伸建立三維模型。

地下空間同地上空間一樣，都有權(quán)屬劃分，不同于地下空間的宗地，地下空間具有立體性，其不同深度范圍的權(quán)屬也有所不同，因此，在實(shí)現(xiàn)城市地下空間數(shù)字化的過程中，需要對(duì)地下空間地籍實(shí)現(xiàn)三維建模。地下空間三維地籍模型的建立較為簡(jiǎn)單，邊界表示模型就可以滿足三維地籍建模的要求，基于城市地下空間地籍測(cè)量得到的界址點(diǎn)、三維坐標(biāo)，根據(jù)地下空間相關(guān)三維模型建立三維立體地籍圖。

3地下空間信息化

信息化建設(shè)如今已成為各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵詞，城市的發(fā)展也促進(jìn)著地下空間的信息化建設(shè)。對(duì)于城市地下空間的信息化建設(shè)，可以很好的解決在許多資料記錄缺失、低效的人工處理問題，隨著城市地下空間大規(guī)模的開發(fā)，以及對(duì)動(dòng)態(tài)管理與分析技術(shù)需求的增加，實(shí)現(xiàn)地下空間信息化建設(shè)越來越迫切。

3.1信息化建設(shè)內(nèi)容

城市地下空間涉及大量的基礎(chǔ)資料，主要可以分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)和地下建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)四大類。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要是指地下空間在開發(fā)建設(shè)過程中占用的巖層和土層，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)信息主要包括巖層信息（地層名稱、時(shí)代、傾向、厚度，巖石構(gòu)造、密度、抗壓強(qiáng)度等）、土層信息（土層名稱、顏色、濕度等）和勘察點(diǎn)信息（勘探點(diǎn)編號(hào)、深度、地下水位等）;基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)主要指地下空間主要的地質(zhì)構(gòu)造、水文、地震、環(huán)境和資源等，這些數(shù)據(jù)是地下空間相應(yīng)建設(shè)選址的主要依據(jù);地下管線數(shù)據(jù)涉及給排水、電力、熱力等八大城市地下管線，包括管線的性質(zhì)、走向、材質(zhì)等信息;地下建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)是指人類對(duì)地下空間進(jìn)行開發(fā)利用中認(rèn)為建設(shè)的工程設(shè)施，包括地下交通、地下公共服務(wù)設(shè)施、地下生產(chǎn)儲(chǔ)藏設(shè)施等，信息內(nèi)容主要為三維空間位置、結(jié)構(gòu)、維護(hù)情況等。對(duì)于城市地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要采用專門的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行信息采集，主要包括控制測(cè)量和地下空間測(cè)繪。

針對(duì)以上4種地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，我國(guó)近年來也對(duì)其進(jìn)行了較多的信息建設(shè)，巖石地層數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工程、三維城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目、城市綜合地下管線信息系統(tǒng)等都有所建設(shè)，但目前對(duì)于地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的綜合管理、統(tǒng)一協(xié)調(diào)方面有所欠缺，信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間很難實(shí)現(xiàn)交換與共享。

3.2信息化系統(tǒng)

城市地下空間信息化最終產(chǎn)物是建立信息化系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、管理、分析于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等相關(guān)資料的整合，構(gòu)建一個(gè)綜合、開放、完整的地下空間信息管理系統(tǒng)。

地下空間信息化平臺(tái)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)、技術(shù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)中，主要依托信息化建設(shè)內(nèi)容作為信息系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、地形數(shù)據(jù)庫(kù)。除了這3個(gè)基本的數(shù)據(jù)庫(kù)之外，還可以根據(jù)需要建立其他專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，例如，需要應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃分析時(shí)需要加入規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用功能之間的橋梁，主要包括操作模式下相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，一般的管理系統(tǒng)都采用B/s模式（瀏覽器/服務(wù)器）。應(yīng)用層主要是針對(duì)不同使用對(duì)象的不同目標(biāo)，構(gòu)建專門的應(yīng)用平臺(tái)，可以將其分為公眾應(yīng)用層、管理應(yīng)用層和專業(yè)應(yīng)用層。

4應(yīng)用中的三維技術(shù)

三維技術(shù)除了在城市地下空間的數(shù)據(jù)模型建模中有一定的應(yīng)用，其在城市地下空間資源評(píng)價(jià)、開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)以及具體開發(fā)利用等方面也有重要的作用。

4.1三維評(píng)價(jià)

地下空間資源是城市空間資源的重要組成部分，也占據(jù)人類可利用資源的一部分，地下空間的資源儲(chǔ)存數(shù)量與質(zhì)量、開發(fā)適宜性都關(guān)系了城市地下空間的開發(fā)利用程度。因此，對(duì)地下空間資源及開發(fā)等相關(guān)特征進(jìn)行評(píng)價(jià)有一定的必要性。地下空間資源與開發(fā)受到很多因素的限制，基于其位于地下難于測(cè)量。跟傳統(tǒng)地理學(xué)的評(píng)價(jià)不同，地下空間的評(píng)價(jià)需要建立在三維空間基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)因子的立體化，再根據(jù)相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型或方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

地下空間資源的評(píng)價(jià)主要基于傳統(tǒng)地理數(shù)學(xué)方法建立評(píng)估模型，利用三維GIS技術(shù)，進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。層次分析法、灰色系統(tǒng)理論、綜合指數(shù)法、模糊集理論等方法都在地下空間評(píng)價(jià)中得以應(yīng)用。評(píng)價(jià)過程中，有兩種實(shí)現(xiàn)三維立體化的方法：一種是確定評(píng)價(jià)因子后進(jìn)行空間配準(zhǔn)，統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，從而形成三維實(shí)體;另一種是建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后依托相應(yīng)模型確定評(píng)價(jià)單元體，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域進(jìn)行三維剖分。對(duì)地下空間進(jìn)行三維評(píng)價(jià)主要是基于地下空間的立體特征，除了對(duì)地下空間資源及開發(fā)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)外，還可以實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的三維可視化。

4.2開發(fā)利用

三維技術(shù)在地下空間的開發(fā)利用中也有廣泛的應(yīng)用，尤其是三維GIS技術(shù)，針對(duì)三維數(shù)據(jù)模型建立的三維地下空間系統(tǒng)，利用GIS強(qiáng)大的空間分析功能，可以有效的實(shí)現(xiàn)地下空間的充分合理的開發(fā)利用。

基于3D GIS的特點(diǎn)，地下空間規(guī)劃三維輔助信息系統(tǒng)被開發(fā)，彌補(bǔ)了地下空間規(guī)劃開發(fā)過程中缺少真實(shí)感的三維規(guī)劃方案設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，這樣的三維技術(shù)用于地下空間規(guī)劃，也利于角色者對(duì)方案的理解。關(guān)于地下空間權(quán)屬的三維地籍建立也對(duì)地下空間的優(yōu)化布局有一定的改進(jìn)作用。另外，城市地下空間作為城市的重要組成部分，在城市統(tǒng)一管理的情況下，三維地下空間對(duì)于城市決策也有一定的作用。

5總結(jié)與展望

地下空間在城市發(fā)展進(jìn)程中占據(jù)一定重要性，隨著數(shù)字城市的逐漸成熟，地下空間數(shù)字化也越來越重要，基于地下空間的立體性，實(shí)現(xiàn)其三維立體化尤為必要。基于三維模型以及計(jì)算機(jī)的進(jìn)步與發(fā)展，三維技術(shù)應(yīng)用于地下空間已必不可少。本文綜合整理了數(shù)字城市地下空間有關(guān)的三維技術(shù)，從三維模型、三維信息化以及三維技術(shù)在地下空間開發(fā)利用中的主要應(yīng)用等方面，分析了地下空間的三維技術(shù)特點(diǎn)與主要內(nèi)容。

通過整理分析，可以看出當(dāng)前對(duì)于地下空間三維技術(shù)的應(yīng)用主要集中在三維建模方面，這也是地下空間相關(guān)研究的基礎(chǔ)。對(duì)于地下空間的深層次評(píng)價(jià)分析較少，今后在應(yīng)用三維技術(shù)研究城市地下空間的過程中，可以考慮按照傳統(tǒng)地理學(xué)的方法，結(jié)合成熟的三維技術(shù)，對(duì)地下空間進(jìn)行深層次地分析與評(píng)價(jià)。