城市地下空間三維模型建設與應用關鍵技術研究

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)

城市地下空間三維模型建設與應用關鍵技術研究

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需要三維建模的對象進行了分析研究，總結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準。然后針對不同地下空間建模對象的特點，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用的基礎。目前能夠很好地建立三維地質模型的軟件有Go-CAD、MieroLynx、Micromine、MVS CTech、Vulean、Surpae等。這些軟件在地質建模方面所采用的數據模型主要有基于體表示的三維柵格模型、線框模型、實體模型和基于面表示的不規則三角網模型、格網模型等。然而，這些模型在表達具有真三維連續性、不確定性較大的復雜地質對象時都存在各自的不足，并且建模過程中模型動態修改的自由度小，不能對包括地下工程構筑物等在內的地下空間對象統一建模。因而，地下空間的三維建模技術有著很大的發展空間。

目前，武漢市測繪研究院承擔了精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室2011年開放基金項目《城市地下三維模型集成應用技術研究》，按照項目總體方案設計的要求，項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、人防工程、地下室、地下停車場等地下空間對象；項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準、探索不同地下空間地物三維模型的制作方法、建立統一的可視化平臺對各種地下空間地物三維模型進行集成與整合、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性、多樣性、非線性、分散性和時態性等特征。多專業性是指地下空間三維模型制作都是依據不同專業領域的分析需要，如地質調查、管線探測、地下水文觀測等專業領域；多樣性是指地下空間模型的類型多種多樣，多樣性還表現在模型的數據格式、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雜的特征；分散性是指地下空間模型依據各自業務領域不同，分散應用在城市國土資源、規劃、建設、市政、城建檔案、人防、交通、管線權屬單位以及各企事業單位等；時態性是指隨著城市建設的發展和時間的推移，地下空間模型會發生變更，需要對地下空間模型進行更新維護，以保證模型的現勢性。

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、生活、交通、環保、能源、安全、防災減災等需要而進行開發、建設與利用的空間。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)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。導入鉆孔描述數據，經過地層地質推斷及Kring內插，建立實體模型，經過等值線輸出，獲得分層的曲面，經過格式轉換后，導入3ds Max內進行精細模型加工處理，賦予紋理。另外，模型細節可以調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腳本程序進行CAD幾何建模:①分別提取城市地下管線GIS數據庫內的管線點與管線段的管線類型，坐標，高程，斷面尺寸，材質等屬性值，生成XML或者文本等數據交換文件；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準模型庫，批量完成管線附屬物的生成；④在3ds Max內進行管線連接細節修飾，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)筑物模型的建模方式

地下建(構)筑物模型的建模方式采用:①提取地下建(構)筑物GIS數據庫內目標對象的圖形邊界，房屋基底高程，凈空值，層數等屬性值，生成XML或者文本等數據交換文件；②在3ds Max利用腳本程序讀取，批量完成地下建(構)筑物模型的體塊模型生成。③在3ds Max，依據目標對象的施工圖或竣工圖，進行人工修飾處理。主要處理模型與其地上建筑物的出入口關系，模型細節依據實際應用需要來控制模型表現程度。

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，以鉆孔數據、水文觀測數據作為數據源，建立地質數據庫。利用水文地質的工程經驗，建立實體模型，經過格式轉換后，導入3ds Max內進行精細模型加工處理，賦予紋理。另外，模型細節可以通過地下水觀測數據的分布密度來控制。

4 地下空間三維模型表現形式

4.1 剖面式

剖面式是對地下空間實體進行斷面剖分，以獲得局部端面結構。一般適合內部結構比較復雜的實體模型，如淺部地層模型的土層詳細斷面、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12 km2的淺部地層概況模型為例，提取200個鉆孔數據，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體沿著路徑或者范圍邊界進行“挖槽”或者“切蛋糕”的方式，突出地下空間對象局部結構細節與相互關系。一般適合地下空間不同對象之間相互關系緊密，細節程度又不統一的情況，如對比分析地下管線、地下基礎、地層之間的相互關系。以武漢市漢口常青路后襄河路段的道路開挖為例，以“路槽”方式較真實反映地層、管線的相互關系，以“切蛋糕”方式較直觀反映建筑地下室結構，如圖3所示。

圖3 開挖式展示地下管線和地下建(構)筑物

4.3 隧道式

隧道式是對地下空間的地層進行內部開挖的方式，即以空間曲線為中心軸線，某一半徑進行空間放樣，獲得內部中空的模型實體。一般適合地鐵、隧道等大型地下工程的展示應用。以武漢市漢口地鐵范湖車站地下隧道開挖為例，以“隧道”方式較真實反映地層、地下基礎、地下管線的相互關系，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行透明化或對地下空間的某些要素塌陷、隱藏等操作，以重點突出地上與地下之間的平面與豎向空間的整體相互關系效果。一般適合城市規劃管理、城市應急管理，如圖5所示。

圖5 地上地下一體化展示地下停車場

5 結 語

本文對城市地下空間三維的特點、建設方法和展示方式進行了系統的研究，并在精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室2011年開放式基金項目《城市地下三維模型集成應用技術研究》中進行了大量的實踐。目前武漢市已基本建成主城區范圍內地層三維模型、地下管線三維模型，正在開展地下建(構)筑物和地下水三維模型的建設研究工作。實踐證明本文的地下空間三維模型建設方法和展示方式總體上是可行的、實用的，能夠為城市地下空間規劃與開發提供科學的依據和直觀的展示。

但是，由于地下空間對象隱蔽性的限制，三維模型建設方法還需要進一步加強準確性。由于地下空間連續性的限制，三維模型展示方式還需要進一步加強直觀性。這些都是下一步研究的重點內容。

[1] 陳軍，鄒倫.數字中國地理空間基礎框架[M].北京:科學出版社

[2] 宋大各，胡卸文.三維建模技術在城市環境地質評價中的應用[J].四川省水文地質工程地質學術交流會，2008

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

[4] 朱慶，李德仁，龔健雅.數碼城市GIS的設計與實現[J].武漢大學學報(信息科學版)，2001(1)

[5] 韓李濤.地下空間三維數據模型分析與設計[J].計算機工程與應用，2005(3)

[6] 朱良峰，莊智一.城市地下空間信息三維數據模型研究[J].華東師范大學學報(自然科學版)，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用、地理信息系統應用、三維GIS和三維城市模型研究。

精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室2011年開放基金(PF2011－27)

1672－8262(2012)02－5－03

P208.2

A