地下建筑物三維測繪技術的應用現狀及發展前景

黃浩文

清遠市清新區城鄉建設測繪隊 511800

摘要：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。本文介紹了地下建筑物的三維測量技術特點和三維可視化技術，并基于AutoCAD和SketchUp繪制了地下建筑物的三維地形圖。三維表達的地下建筑物能給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。

關鍵詞：地下建筑物；三維測繪技術；發展

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。

表1

1、三維測繪技術現狀分析

對于三維測量儀器而言，目前常見的是衛星定位測量系統、攝影測量儀器、全站儀、三維激光掃描儀以及關節臂三坐標量測儀和激光跟蹤儀。其中，前三種測量儀器均為我們日常工程測量中所熟知和常用的量儀器，而三維激光掃描技術則是近年來新出現的三維測繪儀器，以上測繪儀器分析如下：

1.1 衛星定位測量系統

對于衛星定位系統而言，其點位坐標是地心直角坐標系中的三維坐標，同時也是真正的三維測量，而且其測量精度非常的高，尤其是雙頻GPS點差分測量精度可達到毫米級。實踐中需要注意的是一種錯誤操作方法，即將衛星定位結果轉換至大地坐標系之中，使之與傳統的三維測量結果對比，則差值一定會非常的大。之所以會出現這一問題，主要原因在于三維測量受大地水準面影響，其精度會受到不同程度的影響。

1.2 全站儀

全站儀是一個比較標準的三維測量儀器，能夠同時測量距離和角度，全站儀有以下幾個特點：第一，自動顯示和計算數據；第二，多種數據記錄和存儲方式；第三，自動補償水平角和垂直角；第四，氣象改正和儀器常數改正；第五，激光對點器；第六，應用程序豐富，如：導線測量、懸高測量、后方交會等；第七，無合作目標測距。但是，在2+1維測量中，基準面是水準面，測量結果會受到大地水準面精度的影響。

1.3 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀是一種新型的三維測量儀器，它的工作是根據激光測距原理，利用高速激光發射器瞬間測得目標的三維坐標值。該種儀器掃描速度非常的快，而且點位精度相對較高、點密度也非常的高，因此應用普及速度較快。實踐中可以看到，這種儀器設備通常不依賴水準面，而且受大地水準面精度影響也非常的小。

2、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：

2.1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。

2.2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。

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。

2.3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。

3、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。

4、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