三維地下空間管理系統建設及其應用

蔣世峰，楊 槐，喬志勇，鐘水源

(廈門精圖信息技術股份有限公司，福建廈門361008)

一、引 言

隨著城市現代化進程，地下空間設施也迅速發展，包括地下管線、地下商場、地鐵、地下停車場不斷地進行新建、擴建或改建，但由于缺乏科學規劃、合理有序的開發，造成了城市擴張的需求與城市土地資源緊缺的矛盾日益加劇。為了解決目前地下空間開發的無序和分布不均衡的狀況，需在全面查清地下設施分布情況的基礎上實現地下空間的信息化、動態化管理，從而為城市規劃、建設和管理工作服務。

傳統的二維系統在展示時，需將立體建筑以平面形式投影在地表上，顯示不夠直觀形象，為了突出地上、地下建筑的層次感和地下設施間的關系，建設三維空間管理系統是十分必要的。三維空間管理系統可以幫助城市管理部門更加直觀、全面地了解地下設施埋設的總體情況，同時在顯示效果和信息量方面較二維系統都有很大地提升，系統在展示地上建筑的同時可以展示各類地下建(構)筑物、地下管線的情況，實現地上和地下空間的信息化、網絡化管理，為城市規劃和管理工作提供更加有力的技術支持。

二、地下空間產品特點

地下空間管理信息系統是建立在三維建模技術、GIS技術和網絡技術基礎之上，一款整合城市地下空間信息，加載城市地下空間三維模型庫，支持海量三維地理信息數據的共享、發布、瀏覽、分析等完整服務的三維平臺，提供可支持“數據—軟件—服務—應用”四位一體的三維地理信息服務。

本系統能夠實現大場景地面及地下設施要素的三維模型展示，模擬用戶從不同角度、不同高度查看地上和地下場景效果并達到實時切換的效果，同時保證圖形加載與顯示的速度，具備強大的三維分析功能，為用戶提供決策支持。下面對本系統的主要特點進行介紹:

1.海量的數據存儲

系統能將海量的城市級數據進行整合存儲，包括影像底圖數據、二維矢量數據和三維模型數據。首先是遙感影像數據，系統支持海量的影像數據快速顯示，能融合多分辨率、不同采集周期的影像數據，進而對多時像的數據進行同時展示;其次是二維矢量數據，系統能對多類型的矢量數據進行分層管理，兼容ArcGIS、KingMap等多種二維地圖控件，同時將二維和三維場景在同一個界面中進行聯動瀏覽;再次是三維模型數據，系統通過緩存技術將城市級的地上和地下三維模型同時渲染，在突出了模型的層次感和直觀性的同時也做到了海量模型流暢展示的效果。

2.二三維聯動

二維矢量數據的流暢展示是很多三維平臺的最大瓶頸，但它又為三維場景的可視區域互補提供了重要支持，為了解決這個難點，本系統將二維和三維地圖控件同時引入，在同一界面中分屏展示，實現范圍和方位多角度聯動的效果，達到了二三維可視區域互補的目的。當三維聯動二維時，可以通過將二維地圖上改變指北針指向的方法實現三維視角變化的效果。

3.多場景展示

三維空間系統涉及地上和地下、室內和室外多個場景的模型切換展示，其中地上模型包括:BRT橋梁、樓房、綠地、道路等;地下模型包括:地下商場及出入口、地下停車場、地下管線及井蓋設施、地下人防等。由于城市級真三維模型具有數據量大的特點，傳統三維渲染技術很難將如此大的多種三維場景同時渲染，本系統通過技術手段的處理實現了海量三維模型數據的瀏覽和管理，在地上和地下場景、室內和室外間可以進行連續、實時和平滑瀏覽和過渡。

4.數據編譯和發布

緩存技術是三維空間系統的重要技術基礎，緩存服務類型應符合多方位應用需求，可根據需要選擇融合緩存還是分圖層緩存。所謂融合緩存是將所有圖層疊加后再進行緩存切片，并以服務的形式對外提供調用，如DEM和DOM數據發布可以采用此類模式;分圖層緩存是指將各圖層分別進行緩存切片達到獨立控制顯示和透明的效果，如半透明的道路面層、泥土效果的地下層、各類管線層等都可以進行控制是否顯示、是否透明。

各類數據(包括影像、城市部件、地面、地下建筑及地下管線等)通過緩存工具加工處理后，即可編譯發布并在地圖中按順序分層展示，采用緩存技術對數據進行編譯和發布既能大幅度地提高訪問地圖的速度，又能提升管理和渲染海量模型的效果。

三、地下空間效果展示

下面通過本系統主要功能的界面展示能對產品有更進一步的了解。

1.地面建筑展示

由于地下空間建設在地表以下，需要以地面建筑作為空間位置的參考，因此地面建筑的準確性和直觀性尤為重要。地面建筑模型的建設需要按照規范化和層次化的要求制作，具體包括實地拍照、3D建模、紋理貼圖、烘培渲染、編譯發布等步驟。

系統提供對地面建筑進行多角度、多方位的瀏覽，提供等級縮放、平移、環繞觀察、最佳視角等操作，有利于更加便捷、直觀地瀏覽顯示城市建筑。圖1是地面建筑效果展示圖。

2.路面及城市部件展示

路面及城市部件包括:道路面、綠化帶、橋梁、廣告牌、交通燈、地下商場入口等。系統能立體呈現地面部件與地下空間的層次關系，實現地上和地下的建筑模型間無縫銜接的效果。圖2、圖3是路面及城市部件的效果展示圖。

圖1 地面建筑

圖2 路面及城市部件

圖3 路面及城市部件

3.地下空間關系展示

為了能明確、清晰地查看地上地下空間的相對位置關系，需要對模型進行去貼圖化、半透化處理并構建模型的邊緣線框。如圖4效果展示，白色是地上建筑占地面積，灰色是地下建筑占地范圍，在查看地下空間構造時，通過對建筑模型進行半透明處理，能解決因地面建筑的遮擋而不能全方位地觀察地下構筑物空間位置關系的問題。

圖4 地下空間關系

系統的另一個亮點，當模擬從地底下往上瀏覽時，使用了泥土效果增加地下空間的朦朧感，達到了明顯區分地下泥土和地上空氣兩種介質的效果，效果如圖5所示。

圖5 地下空間關系

4.地下構筑物展示

相比于地面建筑建模注重于外墻的紋理貼圖，地下構筑物的建模焦點則集中于構筑物內部的模型搭建，因此地下構筑物建模需要通過多種手段摸清和調繪地下建筑及其設施的信息，通過信息化的手段進行地下構筑物模型構建和入庫。效果如圖6、圖7所示，系統實現了對地下商場室內瀏覽，模擬人在地下商場行走的效果。

圖6 地下商場鳥瞰圖

圖7 地下商場室內圖

5.地下管線展示

系統通過對已有的二維管線數據標準化處理，由數據驅動方式向地下管網的三維化轉換，并通過建立設備模型庫實現將管道設備三維化處理，效果如圖8所示。

圖8 地下管線圖

6.二三維展示

系統能將三維和二維地圖分屏展示在同一界面中，進而實現三維聯動二維、二維聯動三維，二三維的快速對比的效果如圖9所示。

圖9 二三維聯動

四、應用領域

地下空間系統通過整合地下空間數據、屬性信息等專項信息數據，運用地理模型分析方法，為社會發展提供基礎性、公益性、全方位的地下空間管理解決方案，在城市地鐵、停車場、地下商場、地下管線建設等方面提供及時的決策依據和協調響應服務。

1.地鐵應用

隨著近幾年地鐵建設進程的加速，由地鐵施工引起的沿線管線改遷工程規模越來越大，隨之而來的地下管線資料的管理和應用問題日益突出。在傳統的管線資料管理模式下，圖文表格不統一，分類檢索速度慢，不利綜合分析，存在較多弊端。采用人工方式管理，資料更新維護效率低下，導致資料的現勢性較差。這些因素不但為管線施工頻出事故埋下隱患，也將給地鐵工程建設帶來不必要的損失。

另一方面，地鐵建設積累了大量的資料，用傳統的圖表不能完全表達信息的空間分布、巖層結構等位置關系。地鐵沿線的三維地下空間管理系統的建立，能逼真反映地鐵沿線的空間分布情況，為工作者分析地面下開發狀態、合理地規范地鐵的建設、推動地下停車場和隧道的互通互連建設提供了參考依據。

2.停車場應用

“停車難”是伴隨城市發展而衍生的“城市病”，也是市委市政府亟待解決的問題。在城市地表寸土寸金的今天，地下空間已成為停車場建設的主要方向。另外地下停車場一旦開發規劃建設，很難推倒重新建設，如不合理利用，將會造成不可彌補的損失。

掌握地下空間信息，合理選址建設地下停車場，增加停車位總量，結合錯時停車、智能誘導等措施提高停車位利用率，將在解決城市停車難的問題上發揮巨大的潛能。通過三維地下空間系統全面掌握城市地下空間信息，是規范高效開展地下空間規劃、建設管理工作的基礎條件。在地下三維空間平臺的基礎上搭建的停車信息系統，即可以兼顧三維停車信息服務，又可以利用地下停車場運營服務對地下商場進行招商。

3.地下管線應用

目前，全國許多城市已經開展地下管線信息化建設工作，實現城市地下主干管網的信息化管理，使地下管線事故發生率有了明顯的降低。盡管如此，電力、供水等地下管線事故造成大面積、長時間停電停水的情況仍無法杜絕。舊城區道路上密布的窨井造成的傷人事故也日益為公眾所關注。繼續完善地下管線信息數據，以三維可視化技術直觀模擬地面開挖，在事故發生時迅速提供應急處理信息，可以進一步降低管線事故，提高事故處理效率。

另外，三維地下空間系統能夠更直觀地掌握地下管線建設過程中的各種問題，從而為城市規劃和建設提供輔助決策的作用，如通過水平垂直方向的三維關系全面分析地下管廊規劃建設的難度、供水管線漏水影響的地下建筑、反復破路開挖造成的管線埋深變化等問題。

五、結束語

本系統是將地下空間二三維數據庫進行整合，能夠從不同視角、不同方位動態展示地面建筑、橋梁、綠地及地下商場、管線、停車場等信息，其直觀靈活的地下三維表現形式的特點對于輔助城市規劃設計，避免重復建設造成的浪費起了重要作用。本文通過討論三維地下空間系統的特點以及在地鐵、停車場、管線建設等領域的推廣應用，希望能為城市擁堵、公眾出行、管線事故的減少提供技術支持。

［1］盧濟威.城市設計機制與創作實踐［M］.南京:東南大學出版社，2005