基于規(guī)劃核實的地下建構(gòu)筑物三維建模方法

冉慧敏,劉全海

(1.常州市測繪院,江蘇常州 213002; 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心,江蘇常州 2130021; 3.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430070)

基于規(guī)劃核實的地下建構(gòu)筑物三維建模方法

冉慧敏1,2?,劉全海1,2,3

(1.常州市測繪院,江蘇常州 213002; 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心,江蘇常州 2130021; 3.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430070)

地上下一體化三維建模是智慧規(guī)劃和管理決策的基礎。在地上、地表三維模型的基礎上,如何實現(xiàn)快速、高精度、低成本、高效率的地下空間三維建模,實現(xiàn)地上下的三維一體化成為研究的重點和難點。本文在分析地下空間規(guī)劃核實的基礎上,提出了基于規(guī)劃核實的參數(shù)化地下建構(gòu)筑物的三維建模方法,并以常州為實例,通過地下空間三維可視化系統(tǒng)的推廣與應用,驗證了該方法的實用性和有效性。

地下空間;建(構(gòu))筑物;規(guī)劃核實;參數(shù)化建模

1 引 言

城市土地利用資源越來越少,地下空間的開發(fā)利用引起了城市規(guī)劃和建設部門的高度重視。王夢恕[1]院士指出“2l世紀是城市地下空間開發(fā)利用的年代”。因此,建立普查地下空間現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫以及管理應用,對城市建設與管理有著積極意義。

由于地下空間的復雜性、隱蔽性和不可視等特點以及目前對重地下空間的開發(fā)利用的重視,其三維建模成為一個年輕而具有活力的研究方向。目前國內(nèi)許多學者對其進行了研究,如朱合華等[2]提出了數(shù)字地下空間與工程概念。朱良峰[4]等針對城市地下空間信息三維建模、可視化分析的特點和要求,設計了面向空間結(jié)構(gòu)信息和空間屬性信息建模與可視化的三維空間數(shù)據(jù)模型;琚娟[2]等研究了基于B.Rep進行地下空間一體化建模,并給出了基于預分塊技術(shù)的城市地下空間對象空間索引方法。地下空間建模研究目前大多還集中在地下管線三維建模、地層建模[1～3],對地下構(gòu)筑物考慮較少[4]。

本文結(jié)合規(guī)劃行業(yè)特點,有效利用規(guī)劃平面圖、審查后建筑施工圖、并結(jié)合規(guī)劃核實與驗收的需求,實現(xiàn)地下建構(gòu)筑物的快速三維建模及更新,提出了基于規(guī)劃核實的參數(shù)化地下空間三維建模方法,并以常州為實例,通過地下空間三維可視化應用系統(tǒng)的集成應用,驗證了該方法的實用性和有效性。

2 地下建構(gòu)筑物的規(guī)劃核實測繪

2.1 地下空間分類與特征

廣義的地下空間信息包括地下建設工程信息和地質(zhì)環(huán)境信息,地下建設工程信息又包括地下建構(gòu)筑物和地下管線信息。根據(jù)實際應用和管理需要,可增加基礎地理信息和城市規(guī)劃信息。數(shù)字地下空間與工程研究的信息具有尺度特征、空間特征、時間特征以及工程特征。

考慮到地質(zhì)環(huán)境信息和地下管線信息的采集、獲取相對獨立以及文篇幅所限,本文重點介紹狹義的地下空間——地下建構(gòu)筑物的采編。

2.2 地下建構(gòu)筑物

地下建構(gòu)筑物包括以下內(nèi)容:地下公共設施、地下市政設施、地下交通設施、地下人防及防災、地下工業(yè)與倉儲、地下綜合體、地下井。地下空間的實體劃分為:點、線、面和注記四類實體。其中點實體又分為簡單點實體(SP)和簡單有向點(DP);線實體分為簡單無向線實體(SL)、簡單有向線實體(DL)和復合線實體(CL);面實體(PG)表示閉合的多邊形實體;圖面注記實體(TX)。各個對象設置屬性項。以地下構(gòu)筑物為例,其基本屬性如表1,附加屬性如表2所示。

地下構(gòu)筑物基本屬性特征數(shù)據(jù) 表1

地下構(gòu)筑物附加屬性特征數(shù)據(jù) 表2

2.3 幾何結(jié)構(gòu)采編

地下建構(gòu)筑物的規(guī)劃核實測繪包括城市地下人防工程、過街地道、地下商場、地下停車場和地下隱蔽工程的現(xiàn)狀測量。

地下空間設施平面圖采用解析法或圖解法分層施測,其測繪調(diào)查的主要內(nèi)容包括:地下建筑的位置、用途、性質(zhì)、外內(nèi)外輪廓范圍、地道出入口(分階梯、斜坡和樓梯等)、坑道出入口、豎井、通道、廳室、墻柱、地下地坪標高、地下建筑凈高、出入口地面高及附屬設施等。建筑物的外輪廓往往幾何要素相對簡單,只需將建筑物的外輪廓線進行簡單采編,而在進行三維建模時需要將紋理進行仿真的建設。針對于地下空間幾何尺寸如墻體厚度、高度等要求會極高,否則各類要素之間會出現(xiàn)不接邊等問題。下面就地下空間常用的幾何結(jié)構(gòu)采編方式做相關(guān)介紹。

(1)基于設計與竣工圖的數(shù)據(jù)采編

地下構(gòu)筑物的建筑及結(jié)構(gòu)竣工圖紙資料來源為城建檔案管理部門、民防管理部門以及其他相關(guān)權(quán)屬單位,從建筑物平面設計圖(平面、立面、剖面與天頂平面圖)、大比例尺地形圖(或地籍圖、房產(chǎn)圖)中獲得,并分割成獨立的建筑平面主體,這種方法獲得的數(shù)據(jù)精度高,局部更新方便,適用于小范圍單體建筑物三維數(shù)據(jù)采集。

(2)基于地面LiDAR采集方法

利用激光雷達掃描儀獲得地下建構(gòu)筑物的點云數(shù)據(jù),從點云數(shù)據(jù)中提取建構(gòu)筑物特征線,而且獲得的是三維坐標。這種方法獲得的數(shù)據(jù)精度高,但數(shù)據(jù)處理量較大,受場地空間限制、功能分割造成的遮擋,而且需要用專業(yè)的軟件來完成,適用于小范圍的不規(guī)則單體建構(gòu)筑物三維數(shù)據(jù)的采集。

(3)綜合測繪法

通過RTK布設控制點,利用全站儀、激光測距儀或掃描儀直接測得建構(gòu)筑物特征點的高度,這種方法獲得的數(shù)據(jù)精度高,適用于小范圍單體建筑物(尤其是不規(guī)則單體建筑物)特征點的高度。

在實際工作中,比較快速有效地辦法是在收集的各類圖紙的基礎上,通過坐標配準、矢量化、外業(yè)核實、綜合處理、三維建庫等流程,發(fā)揮三種方式的綜合優(yōu)勢,實現(xiàn)地下建構(gòu)筑物的三維采編。

2.4 紋理數(shù)據(jù)采編

由于地下建構(gòu)筑物紋理相對單一,除地下通道和地下商場進行裝飾,色彩多樣外,一般地面均為水泥地,墻面均為白色墻體。另外,城市規(guī)劃關(guān)注的是范圍線,重要結(jié)構(gòu)的幾何位置、地下高程和高度,并不像地面建筑一樣需關(guān)注建筑色彩。因此,對于地下建構(gòu)筑物的主體部分的紋理數(shù)據(jù)主要通過建立基本紋理庫,如地面、立面和頂面采用紋理庫中的標準紋理,對于個性化的紋理變化,采用相機拍攝并按傳統(tǒng)方法進行紋理處理和映射處理。

3 地下建構(gòu)筑物三維一體化建模的關(guān)鍵技術(shù)

規(guī)劃部門結(jié)合人防建設,建立地下空間竣工核實機制,采用測繪的手段,對地下管線、地下建筑物進行規(guī)劃核實測繪。建立標準化、規(guī)范化、高精度、基準統(tǒng)一的地下建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)庫是三維建模的必要準備。基于規(guī)劃核實測繪成果,實現(xiàn)地下建構(gòu)筑物的邊界表達、面向地下空間實體并顧及拓撲關(guān)系的三維矢量數(shù)據(jù)模型,能夠完整、無縫的表達地下構(gòu)筑物三維模型中的幾何信息和拓撲信息。

3.1 總體思路

本文以地下空間的規(guī)劃核實數(shù)據(jù)為基礎,通過建立地下空間建構(gòu)筑物模型數(shù)據(jù)標準,研究附屬設施自動生成、紋理自動映射的三維建模方法和算法,基于3ds Max開發(fā)自動分類及紋理映射的插件,或者Mutigen Creater建模工具,完成地下空間數(shù)據(jù)的整體自動建模,最終與地上建筑物、道路及景觀模三維模型、地形模型乃至地下管線等的集成統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)。

3.2 地下空間數(shù)據(jù)預處理技術(shù)

要實現(xiàn)地下空間的三維可視化,其前提是需要對二維線劃圖轉(zhuǎn)化為三維矢量圖。因此,對規(guī)劃核實數(shù)據(jù)進行預處理。

地下空間要素的分類和編碼是建立基礎空間數(shù)據(jù)庫的基礎,直接影響到系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的組織、采集、存取、編輯和使用等方面,更影響到數(shù)據(jù)的共享和交換,必須標準、規(guī)范、合理。按照《城市地下空間設施分類與代碼》GB/T28590-2012標準,對地下空間進行要素分類。要素分類既要反映要素的類型特征,又要反映要素的屬性、要素間相互關(guān)系,具有完整性,并適應信息發(fā)展的需要。在要素的擴展信息上設置了可擴展項,保證其科學的擴展。在地下空間普查和日常的規(guī)劃核實工作中,以此標準為依據(jù)。對在此基礎上,對收集到的規(guī)劃設計圖、竣工圖按此標準進行空間化、數(shù)字化、標準化。

圖1 地下空間數(shù)據(jù)測技術(shù)路線

3.3 地下空間采集體系建立

地下空間數(shù)據(jù)有別于地形圖數(shù)據(jù),相關(guān)構(gòu)件、墻體等繪制方法又相似于建筑施工圖,為此,需要研究相關(guān)的數(shù)據(jù)采集體系。

本文通過在CAD下研發(fā)相關(guān)的模塊,具體由數(shù)據(jù)輸入模塊、民防工程模塊、地下交通模塊、地下商業(yè)模塊、地下居住模塊、地下工業(yè)模塊、地下其他模塊、搜索查詢模塊、圖層與編碼處理模塊、數(shù)據(jù)檢查模塊、數(shù)據(jù)入庫模塊等組成,把數(shù)據(jù)標準中規(guī)定的各建(構(gòu))筑物符號化,信息化處理。尤其搜索查詢模塊、圖層與編碼處理模塊、數(shù)據(jù)檢查模塊,對數(shù)據(jù)質(zhì)量快速查詢、定位、處理及修改提供極大便利.

其中符號化是最核心的功能,根據(jù)地下構(gòu)筑物的設計用途分類,以不同的符號對地下構(gòu)筑物進行圖形表達,是對DWG格式的地下構(gòu)筑物空間位置數(shù)據(jù)成果進行符號化表達的一種方式。具體研究成果如圖2、圖3所示。

圖2 民防工程符號化菜單

圖3 地下居住符號化菜單

另外一個關(guān)鍵技術(shù)點位二三維線的編輯功能,其主要解決二三維線的編輯與三維線上的高程處理。其功能包含“二維與三維數(shù)據(jù)互換”、“三維線偏移”、“三維線添加節(jié)點”、“去除節(jié)點”、“線拼接”、“線換向”以及“二維線的抽稀”等21個小功能。為三維參數(shù)化建模提供了強有力的。

3.4 參數(shù)化建模技術(shù)

參數(shù)化驅(qū)動的地下建構(gòu)筑物建模。使用約束條件來表達三維對象的形態(tài)特征,通過定義一組參數(shù)以控制表現(xiàn)結(jié)果,從而能夠通過調(diào)整參數(shù)來修改地下建構(gòu)筑物的三維對象模型。地下建構(gòu)筑物的三維對象模型可表示為{{Ci},{(Tj,Tj,Vj)},R|i=1,2,1m.j=1, 2,1n}.Ci是地下建構(gòu)筑物建模對象的三維坐標,(Tj, Tj,Vj)是地下建構(gòu)筑物的紋理集合,R是(Tj,Tj,Vj)與地下建構(gòu)筑物上每一個對象的對應規(guī)則。

如地下交通設施中地鐵線路及隧道是具有線狀模型,紋理比較單一,幾何結(jié)構(gòu)相對比較規(guī)則,構(gòu)造實體幾何法是很好的選擇。巷道軸線因為形式簡單,采用參數(shù)方程表達非常方便,因此,采用Creator軟件強大的LOFT放樣功能,通過參考線(如軌道中心線,或者隨道邊線),可以事先建立巷道實體模型與軸線之間的對應連接關(guān)系,通過軸線參與空間分析計算。

通過參數(shù)化驅(qū)動的地下建構(gòu)筑物建模方法,實現(xiàn)在三維數(shù)字城市環(huán)境下,地下建構(gòu)物的快速建模與交互式調(diào)整,以實現(xiàn)地下建構(gòu)物的精細和逼真表達,并滿足應用分析、評估與成果輸出的需要。

4 實踐與分析

采用本文方法,基于CAD開發(fā)了地下空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并進行了地下空間數(shù)據(jù)預處理,給予三維對象相應的高度和紋理信息。然后轉(zhuǎn)出DXF文件,在3DMAX下開發(fā)自動分類及紋理映射的插件,或者Mutigen Creater建模工具,實現(xiàn)了常州市軌道交通一號線的地下空間普查數(shù)據(jù)的三維化,地下空間面積約200萬平方米,并建立了軌道交通站臺的三維模型,通過參數(shù)化建立了軌道線的三維模型,如圖4所示。

圖6 軌道交通

通過地下空間的整體自動建模,大大減少人工三維手動建模的時間和成本,更為地下空間的大數(shù)據(jù)的瓦片金字塔制作奠定基礎,為三維數(shù)字城市建設,特別是在三維視角下進行地下管線的管理、規(guī)劃、設計和施工提供關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。

4 結(jié) 語

解決城市地下空間整體、批量、精細化的三維可視化表達是當前3DGIS的熱點與難點。本文針對地下空間建構(gòu)筑物三維建模的特點,提出基于規(guī)劃核實的地下空間三維建模方法,并開發(fā)了相應的采集及三維預處理系統(tǒng),實現(xiàn)地下建構(gòu)筑物的一體化快速建模。通過試驗證明是一種可行的技術(shù)途徑。下一步的工作主要包括:與復雜附屬物的匹配、三維數(shù)據(jù)更新和動態(tài)維護等。

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Build Three-dimensional Modeling of Underground Structure Based on Planning Verification

Ran Huimin1,2,Liu Quanhai1,2,3
(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute,Changzhou 213002,China; 2.Changzhou Geospatial Information Intelligence Technology Center,Changzhou 213002,China; 3.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430070,China)

Integratedsurface and subsurface three-dimensional modeling is the foundation of wisdom planning and management decisions.How to achieve fast,high-precision,low-cost,high-efficiency three-dimensional modeling of underground space basis on the three-dimensional surface model to achieve the three-dimensional integrated is the key and difficult research.This article proposed parametric verification of underground structures 3D modeling methods based on the verification of underground space planning,and in Changzhou for instance,through the promotion and application of underground space visualization system to verify the utility of this method and effectiveness.

underground space;building(structure);planning verification;parametric modeling

1672-8262(2014)06-59-04

P208.2

B

2014—08—13

冉慧敏(1981—),女,工程師,主要研究方向三維數(shù)字城市建設理論。

住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術(shù)項目計劃(2013-S5-4)