地下空間綜合管理信息平臺建設的探究

吳素芝，楊衛(wèi)軍，郭 亮

（廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060）

一、引 言

廣州市“十二五”信息化發(fā)展規(guī)劃提出要“建設管線管網、道路交通、國土管理、房屋管理、市政管理等空間實體透明化管理體系，全面提升城市規(guī)劃和地上、地下空間實體的管理及服務水平”。因此，摸清家底、建立全市集中統(tǒng)一的地下空間綜合管理信息平臺是一項十分重要的基礎性工作。

自20世紀90年代起，廣州即開始了對地下空間的開發(fā)利用，至今積累了大量地質勘探數(shù)據(jù)、地下空間建設工程竣工測量數(shù)據(jù)，以及地下管線竣工測量和普查數(shù)據(jù)等。地下空間綜合管理信息平臺建設應在二維、三維一體化技術體系下，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，重點研究解決地下空間三維數(shù)據(jù)模型、三維建模自動化處理方法、一體化表達和分析技術。課題組選取廣州市地下空間開發(fā)強度最大、設施最為復雜的珠江新城為示范區(qū)（該地區(qū)有多條地鐵線和多個地鐵站點、一條旅客自動輸送系統(tǒng)，以及多個地下商場和停車場等），初步搭建地下空間綜合管理信息平臺，實現(xiàn)了對示范區(qū)各類地下空間設施的集中管理，并提供自動建模、一體化表達和空間分析工具。

二、地下空間數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)建庫

1.數(shù)據(jù)模型

在過去10余年中，地學領域專家對三維空間信息進行了大量探索，有TEN（tetrahedral network）模型［2］、3D FDS（3D formal data structure）模型［3］等。三維空間信息模型大致可分為矢量模型、柵格模型和集成模型。

矢量模型側重于三維空間實體的表面表示，如地形表面、地質層面等，優(yōu)點是便于顯示和數(shù)據(jù)更新，缺點是難以進行空間分析，如TIN和GRID模型。柵格模型將三維空間物體抽象為一系列鄰接但不交叉的三維體元的集合，其數(shù)據(jù)結構簡單，便于實現(xiàn)空間分析；規(guī)則體元模型并不適合表達地質體，非規(guī)則體元雖然適合表達地質體，可是構模算法復雜，模型更新困難，如TEN模型。集成模型采用以上兩種模型分別對系統(tǒng)中的空間對象進行幾何描述和建模，對建立的三維模型集成起來，即形成對系統(tǒng)的完整三維表示。

考慮到地下空間設施的多樣性和復雜性，平臺采用集成模型，其中地下建（構）筑物和地下管線采用矢量模型，地質層采用柵格模型。通過建立基于節(jié)點、分層和分塊的多重數(shù)據(jù)表達模式，統(tǒng)一組織和管理各類數(shù)據(jù)，把自然地形地貌、地面建（構）筑物、地下管線、地下空間等地面要素和地下要素納入二、三維一體化的數(shù)據(jù)模型中［4］。平臺的數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

圖1 地下空間數(shù)據(jù)的集成模型

2.數(shù)據(jù)建模方法

由于勘探測量、規(guī)劃設計的成果數(shù)據(jù)普遍為二維矢量圖，因此基于二維矢量數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)建模技術是地下空間信息化的一項關鍵技術。當前的研究熱點主要集中在地質層、地下管線方面，對于地下構筑物信息化方面的研究則處于空白［5］。本平臺借鑒Esri CityEngine思路，采用基于規(guī)則的三維建模方法，對二維數(shù)據(jù)進行拉伸、造型處理，實時生成三維數(shù)據(jù)。

1）建模規(guī)則。制定一套滿足地下空間各類設施信息整合、表達和應用的數(shù)據(jù)標準，內容包括地下空間設施分類編碼體系和各類設施的地圖圖示、注記規(guī)格、屬性結構及三維表達等方面的標準，并通過數(shù)據(jù)標準，針對不同空間數(shù)據(jù)類型建立二維數(shù)據(jù)到三維數(shù)據(jù)的轉換規(guī)則。

佛山地鐵3號線鎮(zhèn)安站主體圍護結構設計合理性分析………………………………………………………… 付葉能（9-8）

2）管線數(shù)據(jù)的三維建模自動化處理，分為管線段建模和管點建模。管線段建模根據(jù)管線的管徑、長度、埋深等信息自動生成符合規(guī)則的三維管線數(shù)據(jù)；管點建模則先構建地下管線的管點實體模型庫，如圖2所示。在地下管線實時三維可視化的過程中，需要做好三維地下管線的管線接頭處理工作。

圖2 三維管點模型庫的構建

3）地質數(shù)據(jù)的三維建模自動化處理。在地質鉆孔信息數(shù)據(jù)庫的基礎上，采用克里金、趨勢面等插值算法生成地質曲面數(shù)據(jù)，然后分別針對規(guī)則地層和不規(guī)則地層進行可視化建模。

4）地下建（構）筑物數(shù)據(jù)的三維建模自動化處理。通過對建（構）筑物數(shù)據(jù)不同要素進行分層分類，根據(jù)其二維空間數(shù)據(jù)及基底高程、凈空值等屬性信息，生成地下建（構）筑物三維數(shù)據(jù)模型，如圖3所示。地鐵隧道的生成較為特殊，通過地鐵中心線和地鐵隧道寬度、高度、形狀（如紡錘形、拱形、矩形）等信息，可以得到其橫截面，然后對兩兩相鄰的橫截面進行三角剖分，即可生成地下隧道的三維模型［6］。通過實時生成三維地鐵隧道信息，可直觀準確地反映地下空間的利用情況，以支持空間量算和分析。其效果如圖4所示。

圖3 二維平面圖及自動生成的地下建（構）筑物模型

圖4 隧道橫斷面及自動生成的隧道模型

3.數(shù)據(jù)庫集成

本平臺建立的數(shù)據(jù)庫包括地表三維模型庫、地下管線數(shù)據(jù)庫、地下建（構）筑物數(shù)據(jù)庫、鉆孔與地質層數(shù)據(jù)庫。

1）地表三維模型庫。地下空間的開發(fā)利用與地表的建設現(xiàn)狀密切相關，沒有地表模型，地下空間的定位將缺乏直觀、準確的依據(jù)，因此本平臺將廣州市數(shù)字詳規(guī)的城市三維模型數(shù)據(jù)成果整合集成進來。

2）地下建（構）筑物數(shù)據(jù)庫。地下建（構）筑物包括地下商場、地下室、地下人防設施、地鐵線位、地鐵換乘站、市政設施等各類地下設施信息。

3）鉆孔與地質層數(shù)據(jù)庫。建立與廣州市城市勘測信息系統(tǒng)工程地質子系統(tǒng)的接口，基于鉆孔數(shù)據(jù)，采用插值算法進行地層劃分。

4）地下管線數(shù)據(jù)庫。建立與地下管線信息系統(tǒng)的接口，對新測或普查的數(shù)據(jù)能夠進行導入，并實現(xiàn)與管線數(shù)據(jù)生產平臺的對接。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分類與來源，建立地下空間三維信息數(shù)據(jù)庫，管理各時間節(jié)點的地下空間數(shù)據(jù)。本文數(shù)據(jù)統(tǒng)一基于廣州市獨立坐標系建立，二、三維數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一以ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫進行存儲，三維數(shù)據(jù)支持ArcGIS的MultiPatch格式。

三、一體化呈現(xiàn)和空間分析的實現(xiàn)

1.可視化表達

二維GIS表達地下空間具備天然的局限性，僅以管線為例，通信管線的共通溝（管庫）、多孔管道、一井多蓋、井與設備的空間關系、垂直管道（豎管）等多類信息都無法表達。因此，對于地下空間，最佳方案是采用二維、三維一體化的可視化。

1）限時自適應可視化。對數(shù)據(jù)裝載和繪制的相關因素進行分析，建立定量化的時間估計模型。運行中，對每一幀中繪制場景內容所需時間進行預測，然后根據(jù)對象的繪制時間估計和重要性計算結果，為每個對象選擇合適的LOD層次模型，從而使總繪制時間不超出預算。三維模型限時自適應可視化方法提高了三維場景瀏覽的幀速率，并且在同一個視點，場景加載范圍大大增強，在普通PC上調度3 km2地表三維模型、地下管線、地下建構筑物模型等數(shù)據(jù)，達到了22 fps的幀速率。運用本算法，數(shù)據(jù)量增加不會對系統(tǒng)運行效率產生明顯影響。

2）視點平滑切換。三維軟件一般通過切換空間的方法分別表達地上和地下兩個空間，地下空間中由于存在構筑物、地質空間等多類空間實體，如何順暢操作地下三維空間也是一個難點。本系統(tǒng)設立了多個層級的參考面，并通過射線法判斷三維空間位置關系，自動切換不同的參考面，同時自動切換視點，以平滑視點切換的過程，不同視點的顯示效果如圖5所示。

圖5 地上、地下不同視點瀏覽

3）地質層表達。地下空間的三維可視化不僅可以提供數(shù)據(jù)的真實表達，還可以對場景進行適當?shù)牟眉?、隱藏和夸大，給人以更加直觀的變現(xiàn)，圖6所示為地質層的剖面分析及地層炸開的表達效果。

圖6 地質層剖面分析及地層炸開顯示

2.綜合分析

本平臺主要的輔助決策分析工具包括:

1）地面、地上模型分析模塊。提供日照分析、通視分析、天際線分析、淹沒分析、挖填方分析的功能。

2）地下綜合管網分析模塊。提供管線橫斷面分析、縱斷面分析、碰撞分析、爆管分析、聯(lián)通分析、追蹤分析、遷移分析的功能。

3）工程地質勘察分析模塊。集成克里金插值算法和趨勢面插值算法，對地質數(shù)據(jù)選擇差值算法，設置插值參數(shù)，進行插值加密，并通過鉆孔實時生成地質層；實現(xiàn)對地質層的剝層分析、剖面分析、地層炸開、模擬開挖分析。

平臺分析功能采用Web Services實現(xiàn)，并采用ArcSDE C API進行封裝，其分析結果不僅可用于三維模塊，同樣可以用于二維模塊，僅在結果的表達方面進行不同的可視化表現(xiàn)。其思路如圖7所示（以管線為例）。

以管線橫斷面分析為例，其服務訪問方式為:http:∥192.168.1.152/pipeline?service=czppl＆rt=transect＆param=2，4300，3200，2300，5200（點個數(shù)，點坐標）；返回結果以XML通用格式返回，且在二維與三維系統(tǒng)中都可以使用。同樣，得益于這種開放式架構，可在三維可視化環(huán)境下直接進行綜合輔助決策分析，如一次挖方操作即可同時進行土方量計算和管線遷移分析，如圖8所示?；谙到y(tǒng)提供的基本分析功能和模塊，可以擴展出更為復雜的應用分析工具。將評估結果與系統(tǒng)地質地層分布、地下空間設施分布進行空間疊加，可生成廣州市人防工程、地下交通工程、地下公共建筑工程、地下管線工程適宜性分布圖［7］，為以后的地下工程安全性評估提供重要參考。

圖7 二、三維一體化分析的實現(xiàn)架構

圖8 綜合開挖遷移分析

四、結束語

本文以廣州市地下空間最為復雜的珠江新城為示范區(qū)，初步建立了地下空間綜合管理信息平臺，隨著平臺信息的不斷充實和完善，可以為地下空間規(guī)劃編制及城市建設提供重要的基礎數(shù)據(jù)和技術支持。地下空間模型依據(jù)各自業(yè)務領域的不同，分散應用在城市國土資源、規(guī)劃、建設、市政、城建檔案、人防、交通、管線權屬單位及各企事業(yè)單位［8］。考慮到地下空間多專業(yè)類別、多部門應用的復雜環(huán)境，有必要在地下空間綜合管理信息平臺的基礎上，進一步開發(fā)信息交換平臺，實現(xiàn)地下空間異構數(shù)據(jù)庫、異構數(shù)據(jù)結構等環(huán)境下的信息交換［9］。

［1］ 張芳，朱合華，吳江.城市地下空間信息化研究綜述［J］.地下空間與工程學報，2006，2（2），6-9.

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［8］ 譚仁春，肖建華，王厚之，等.城市地下空間三維模型建設與應用關鍵技術研究［J］.城市勘測，2012（2）:9-11.

［9］ 黃鐸，梁文謙，張鵬程.地下空間信息化管理平臺系統(tǒng)框架研究［J］.地下空間與工程學報，2010（5）:893-899.