地下建筑物三維測繪技術初探

郭 嵐，陳 迅，楊永崇

（1.西安科技大學測繪學院，陜西西安 710054；2.四川省基礎地理信息中心，四川成都 610041）

一、引 言

隨著城市建設和人口的快速增長，城市土地資源日益稀缺，有限的土地資源提供的地面空間遠遠不能滿足城市社會經濟發展的需求。城市土地資源開發利用的重點已從平面型地面空間開發利用向立體型地面地下一體化空間開發利用方向發展，地下空間的開發利用已經成為當前中國城市規劃和建設的重要內容之一。因此，地下空間的管理應該成為當前土地資源管理的重要組成部分［1］。

地下空間信息是城市規劃建設的基礎，尤其是當地下建筑越來越多的時候，地下空間信息是否完備準確，對于規劃、設計、施工都至關重要；而相對于地上資料，當前地下資料在系統性、可靠性、現勢性方面都相對較差，因此，發展地下空間信息化并施行信息化管理是城市建設的迫切需要。實現地下空間信息處理的量化、可視化、實時更新與資源共享是城市建設部門、管理部門、服務部門實現現代化管理的必備條件［2］。

就目前最主要的地下建筑物地鐵來說，地鐵信息化包括設計規劃信息化、施工監測信息化、工程資料管理信息化、生產運營信息化等幾大方面，從國內外研究成果來看，目前地鐵信息化建設主要集中在施工和運營方面，在規劃設計信息化方面研究得較少，但近來要求對地下空間進行立體規劃設計的呼聲越來越高，可以預見不久的將來地下空間的立體規劃將成為研究熱點。與地鐵信息相比，地下停車場、地下街等信息化的相關研究比較少，但其信息化再現無疑是重要的，特別是在城市規劃、施工建設、車輛導航等方面，都有十分重要的意義，已有學者注意到了這些問題［2］。

二、地下建筑物概述

地下建筑物是指在自然形成的溶洞內或由人工挖掘后進行建造的建筑物，即所有位于地表以下人工建造的物體，泛指各種生活、生產、防護的地下建筑物，如位于地下的鐵路、車站、隧道、國防工程、車庫和樁基等。本文探討的地下建筑物主要是地下空間中除地下管線以外的人工建設的建筑物。

地下建筑物一般由建筑物主體、外圍護樁和樁基等3部分組成:地下建筑主要以地下的洞室和隧道作為主體工程，除了通向地面的出入口外，其余部分均在地面以下；外圍護樁是指建筑在地下深基坑外圍的支護結構，包括重力式攪拌樁擋墻、地下連續墻、樁列式擋墻等；樁基是指建筑物的樁基礎，由基樁和連接于樁頂的承臺共同組成。

地下空間實體很多，它包括地質構造、地下建筑物和地下管線等3類，地下建筑物與其他地下空間實體相比，具有形狀規則和可進入等優點。與地上建筑物相比，它具有的特點見表1。

三、地下建筑物測繪技術現狀

地下工程測量包括地下建筑物的施工測量、竣工測量和變形監測，它主要服務于地下工程建設［3］，其成果不能直接服務于地下空間信息化。城市地下空間測繪是實現地下空間信息化的重要舉措，它是一個全新的測繪研究領域，目前國內進行該領域研究成果文獻報道很少。目前還沒有服務于城市地下空間規劃和管理的較為成熟的測繪技術。

表1

雖然已有學者探討了地下建筑物的測繪，但大都是基于傳統的二維測繪技術進行的［4］。目前的大比例尺地形圖圖式只規定了表達地下建筑物出、入口和地下通道的表示方法，對于較為復雜的地下建筑物，還沒有規定具體的表達方法。傳統的二維測繪技術無法表達出地下建筑物的空間立體結構，無法判讀地下建筑物在垂直方向離地面的距離，不能實現空間方面的量算和分析，即三維的量算和分析。在城市地下建筑物越來越多的時候，二維數字地形圖負載空間太小，很難直觀、清晰地表達同一垂直空間上多個地物的問題。因為很難沿用傳統的二維測繪技術測繪地下建筑物，所以本文提出了三維測繪地下建筑物的設想。

四、地下建筑物三維測量技術

與地上測量工作不同，在測量地下建筑物的同時，其地面附屬設施也應該被測量，這樣在三維表達的時候能達到地上與地下的統一。另外，不僅要測量地下建筑物在水平方向上的位置，也需要測量地下建筑物的高度，或者采集地下建筑頂部點的高程和各種特征點，以確定地下建筑物的垂直位置和立體形狀。目前，地下建筑物的測量可采用以下3項技術:

1）全站儀測量技術:全站儀測量技術是目前使用最廣泛的測量技術，它可以獲取三維空間數據（包括Z坐標值），并且全站儀獲取坐標數據的精度較高。全站儀采用的是特征點逐點采集的方法，其缺點是外業工作量大。

2）激光測量技術:通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。可以通過返回坐標點的顏色RGB值和反射率值來區分不同地物。三維激光掃描儀采集數據的特點是采用點云采集的方式，速度快，缺點是內業工作量大。

以上兩種方法只能從地下建筑物內部測量到內部特征點的三維坐標，其外部特征點還需要結合以下方法測量后推算得到。地下建筑物（構筑物）的墻體厚度可根據設計、竣工資料予以確定，沒有竣工資料的墻體厚度可采用物探方法測定。探測墻體厚度的方法有測厚儀法和綜合物探方法（地震影像法、地質雷達探測法、基樁反射波法等），其探測精度需要進行試驗驗證［1］。

以上方法只能測繪建筑物主體，還不能測繪作為地下建筑物的重要組成部分外圍護樁和樁基。這需要利用竣工圖紙進行補充，才能完整地繪制地下建筑物。

3）利用竣工圖紙的技術:指利用已有的竣工圖紙，或者已有的設計圖進行測繪，對待測的點或者特征點采用圖解法獲得相應的坐標，通過標注的參數獲取坐標點的Z值或者高程值。用此方法測繪地下建筑物時需要用前兩種方法實地抽樣檢查，才能保證測繪的可靠性和準確性。該方法的優點是測繪比較全面且成本較低。

五、地下建筑物的三維可視化

1.地下建筑物的三維建模技術

不同的測量方法，采用的建模方法和使用的軟件有所不同。全站儀測量數據一般直接導入Auto-CAD，然后利用它的三維繪圖功能進行建模；三維激光掃描儀的測量數據是通過專業的配套軟件進行點云的處理，再導入三維建模軟件進行建模；竣工圖紙可以用原有電子版竣工圖，也可以使用圖紙進行掃描矢量化，然后在AutoCAD中圖解和推算各特征點的三維坐標，同時進行建模。雖然建模方法各有不同，但是總體流程大致相同:先根據特征點的測量數據，繪制出地下建筑二維平面圖，在平面圖的基礎上進行三維建模。繪制的一般順序是由下到上逐層繪制，先繪制地下部分，再繪制地面模型，最后繪制地面上的地物。也可以把各部分分開進行處理、建模，最后整合在一起。

本文通過在AutoCAD和SketchUp兩種建模軟件中進行建模試驗，利用西安南門地下通道的實測數據，對地下建筑物三維可視化技術進行了初探。建模過程中的應注意的幾個技術問題總結如下:

1）地表面是一個復雜的空間曲面，對于地面模型，通常采用TIN模型或者格網模型表示，其中地下建筑在地面的出入口部分，需要進行特殊考慮和處理，不能讓其封閉。

2）對于地面的各種地物模型（如路燈、行道樹、交通標志牌等），為提高繪圖效率，可建立相應的符號庫繪制。

3）因受測量誤差影響，理論上應該是規則的平面（平面、垂面或斜面），測量后可能受誤差的影響而產生扭曲，建模時，應該當規則的平面繪制。在表達地上、地下三維模型的時候，最好采用實體和面相結合的方式表示，地上部分的建筑、路燈或樹木采用實體模型，地下部分的墻面采用面模型進行表達。

2.基于AutoCAD繪制地下建筑物的技術

AutoCAD在較早期的版本中，由于不是專業三維建模軟件，在三維模型的方面的表現一直不夠理想。但由于三維模型在各行業中的應用越來越廣泛，CAD近幾年的版本著重對三維模型上的操作和表現效果方面進行了相應改進，可以滿足多數三維建模的需求。

AutoCAD在表達地面模型時，需要借助二次開發后的軟件才能實現，如南方CASS。但生成的三角網模型面不夠平滑，柔化效果不理想。生成的格網模型是整體曲面，只能透明顯示（如圖1所示）。

圖1 基于AutoCAD繪制的地下通道及局部效果

表示樹木、路燈等地物的模型是通過多個三維實體和平面組成的塊，當進行大范圍顯示時，由于此類型地物數據量較大，會較多地消耗系統內存，降低運行速度。

在繪制非水平面和非垂直面的平面時，需要不斷切換坐標系才能實現，操作比較繁瑣。

3.基于SketchUp繪制地下建筑物的技術

SketchUp一直以來作為專業的建模軟件，在建模效率上有比較明顯的優勢，也有較好的數據兼容性，可以直接導入CAD底圖和模型，也可以導入通用的3D數據格式文件，被各個行業所廣泛應用。

SketchUp中的地形工具可以通過等高線直接構建地面模型，柔化效果比較理想（如圖2所示）。但構建地面模型的運算效率較低。

圖2 基于SketchUp繪制的地下通道及局部表達

表示樹木、路燈等地物的模型是通過多個三維實體和平面組成的組件，當進行大范圍顯示時，同樣會較多地消耗系統內存，降低運行速度。

4.結 論

1）基于AutoCAD和SketchUp繪制的三維地下建筑物地圖可以像二維地圖一樣分層顯示、編輯修改和量算分析。

2）在不同軟件環境中，三維模型可以直接繪制，也可以使用通用三維格式導入模型。但在直接導入模型的時候，有些曲面需要單獨處理。為了保持模型比例的一致性，以及方便文件格式之間的相互轉化，在不同的建模軟件環境中，要保持其度量單位一致。

3）雖然SketchUp、AutoCAD等三維繪圖軟件各有繪圖和使用方面的優勢，但相比之下Skyline軟件在三維地圖的應用方面的優勢較為明顯，它能在三維場景下進行各種規劃和設計方面的分析量算，是目前規劃和設計人員看好的規劃設計軟件。

六、結束語

三維表達的地下建筑物能精確、細致地反映地下建筑物水平與豎直方向的位置或深度，為管理和規劃人員直觀地展示地下空間信息，且能進行各種量算和分析，可以幫助其進行分析決策。因此，地下建筑物的三維測繪技術及據此建立的地下空間信息系統可廣泛應用于城市地下空間規劃、城市地下空間管理以及城市地下建筑物內部管理。城市地下建筑物因其獨特的空間特征，對測繪技術提出了新的要求，尤其在表達方面，因此對地下建筑物測繪的新理論、新技術的研究和開發將是測繪科學研究的重要內容之一。

［1］ 王超領，岳東杰，王瑞，等.城市地下空間三維地籍的建立研究［J］.測繪科學，2009，34（6）:15-16，58.

［2］ 張芳，朱合華，吳江斌.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）:306-310.

［3］ 趙吉先，呂開云，聶運菊.地下工程測量發展回顧與展望［J］.測繪通報，2006（10）:51-52.

［4］ 黎樹禧，俞永平.廣州市城市地下空間測量技術研究［J］.測繪通報，2011（9）:45-47.

［5］ 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（2）:29-40.

［6］ 郭嵐.3維數字地形圖及其應用的研究［J］.測繪通報，2002（5）:10-11.

［7］ 郭嵐，楊永崇，唐紅濤.三維數字地形圖及其地形、地物表達方式探討［J］.工程勘察，2009，37（4）:67-71.

［8］ 楊永崇，胡楠，郭嵐.三維數字地形圖測繪技術研究［J］.測繪通報，2011（1）:75-77.