三維GIS最新進(jìn)展及其在土木工程中的應(yīng)用

魏淑靜，班會(huì)龍

（1鄭州工商學(xué)院 河南 鄭州 450000）

（2河南中之達(dá)建筑工程有限公司 河南 鄭州 450000）

1 三維GIS技術(shù)概述

作為一門相對(duì)復(fù)雜的學(xué)科，土木工程涉及到多方面的因素。只有協(xié)調(diào)好不同因素之間的關(guān)系，土木工程活動(dòng)才能順利進(jìn)行。從實(shí)踐活動(dòng)來看，土木工程施工的難度較大。如何提高土木工程的實(shí)際效率，并有效地模擬工程施工建設(shè)的動(dòng)態(tài)過程是當(dāng)前土木工程管理和建設(shè)現(xiàn)代化的重要要求。當(dāng)前信息技術(shù)的迅速發(fā)展催生出很多空間技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用使得土木工程的管理和設(shè)計(jì)效率大大提升。

三維GIS就是當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展的最新成果，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)和地學(xué)的空間數(shù)據(jù)有效地結(jié)合起來，使得用戶可以對(duì)工程的空間信息進(jìn)行有效地管理，并將空間信息通過可視化的手段標(biāo)識(shí)出來，為土木工程設(shè)計(jì)決策提供了重要的輔助作用。但是，我們必須意識(shí)到傳統(tǒng)的GIS技術(shù)是基于二維空間的，用戶只能從中感受抽象的空間符號(hào)，并不能從中獲得真實(shí)的自然界的原本感受。也就是說，傳統(tǒng)的二維GIS技術(shù)并不能滿足當(dāng)前土木工程施工等各方面的具體要求。隨著計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其他數(shù)據(jù)庫理論技術(shù)也日益成熟，三維GIS技術(shù)出現(xiàn)并得以應(yīng)用，而且應(yīng)用效果十分顯著。

三維GIS技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用有利于充分發(fā)揮GIS系統(tǒng)的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和空間分析的功能，能夠?qū)⒐こ炭辈轫?xiàng)目的地質(zhì)調(diào)查情況以圖像、文字或者表格的形式表現(xiàn)出來，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二維地質(zhì)計(jì)算，構(gòu)建合理的地質(zhì)模型，為相關(guān)部門工程決策提供有力的參考。目前，我國很多地質(zhì)工程項(xiàng)目組已經(jīng)將三維GIS技術(shù)應(yīng)用到土木工程勘查過程中，取得了不錯(cuò)的成果。下文將分析三維GIS技術(shù)的最新進(jìn)展，并對(duì)其在土木工程中的應(yīng)用展開探討。

2 三維GIS技術(shù)的最新進(jìn)展

作為一種空間信息系統(tǒng)，GIS技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下收集、存儲(chǔ)和管理各類數(shù)據(jù)，并對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和描述。與傳統(tǒng)的二維GIS技術(shù)相比，三維GIS技術(shù)能夠更真實(shí)地展示空間信息，并用更為直觀的形式將抽象的空間信息表現(xiàn)出來，以供用戶使用。三維GIS技術(shù)的可視化功能十分強(qiáng)大，它不僅能夠讓用戶獲得地理空間現(xiàn)象，也能夠表達(dá)出地理空間中的平面關(guān)系和垂向關(guān)系。尤其是先進(jìn)的圖形卡和投影設(shè)備的應(yīng)用，更是提升了三維GIS技術(shù)的可視化能力。另外，三維GIS技術(shù)的多維度空間分析能力也進(jìn)一步提升。從本質(zhì)上來說，空間分析的過程是復(fù)雜且抽象的，與二維GIS技術(shù)相比，三維GIS具有很多無可比擬的優(yōu)勢。

第一，三維空間信息數(shù)據(jù)的采集。就目前來說，由于各種限制性因素的存在，三維空間信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的獲取方面還存在一定的不足。三維空間信息數(shù)據(jù)的采集主要分為兩部分：表面數(shù)據(jù)的采集和三維體信息的采集。在物體表面數(shù)據(jù)的采集方面，地圖數(shù)據(jù)采集法、實(shí)體測量法等已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

第二，三維空間數(shù)據(jù)模型。這是三維空間信息系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵部分。數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用可以有效地表示出空間實(shí)體的關(guān)系，并將這種關(guān)系利用各種操作符號(hào)表示出來。三維空間數(shù)據(jù)模型能夠描述出空間實(shí)體和非空間實(shí)體之間的關(guān)系與相互制約機(jī)制以及一定時(shí)間序列下的動(dòng)態(tài)變化。就目前來說，三維空間數(shù)據(jù)模型可以分為體模型、面模型和混合模型，不同模型的應(yīng)用范圍存在較大的不同。

第三，三維空間關(guān)系。空間關(guān)系主要由三部分構(gòu)成：防線關(guān)系、度量關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系，它們都代表著不同實(shí)體之間的空間特性。地理空間關(guān)系的描述要充分考慮描述的嚴(yán)密性與通用性因素。就當(dāng)前來說，交互法、交叉法和各種混合方法是主要的地理空間關(guān)系描述法。其中，交叉法的應(yīng)用最為普遍，它主要是將空間關(guān)系分成幾個(gè)不同的部分，之后對(duì)各部分的空間交際關(guān)系進(jìn)行判定。

第四，空間數(shù)據(jù)管理。空間數(shù)據(jù)的有效管理是順利實(shí)現(xiàn)空間分析的重要基礎(chǔ)。三維GIS技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⒌乩砜臻g的表面信息真實(shí)地表現(xiàn)出來，包括各種紋理特征和其他屬性信息等，為用戶提供便利。目前，用戶多利用Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行海量三維數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

第五，三維空間信息的可視化發(fā)展。可視化技術(shù)是三維GIS技術(shù)最重要的組成部分，能夠幫助人們有效地認(rèn)知地理空間。就目前來說，相對(duì)成熟的三維可視化平臺(tái)有OpenGL、JAVA3D等，這些平臺(tái)主要應(yīng)用的是GeoVRML等建模語言。上述三維GIS技術(shù)的新發(fā)展為其在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 三維GIS技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用研究

三維GIS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢鮮明，其應(yīng)用能夠提高土木工程的設(shè)計(jì)和施工效率，為土木工程相關(guān)用戶提供諸多便利。三維GIS系統(tǒng)中工程地質(zhì)分析模塊是在GIS系統(tǒng)中空間分析功能和數(shù)—模聯(lián)動(dòng)功能的基礎(chǔ)上形成的，能夠根據(jù)離散專控點(diǎn)的情況形成相應(yīng)的等值線，如地下水位等值線等；能夠生成鉆孔平面布局圖、巖石柱狀圖等基本圖件；能夠根據(jù)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線圖，如施工地點(diǎn)土的顆粒級(jí)配曲線等等。下文將對(duì)三維GIS技術(shù)在土木工程中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

第一，計(jì)算某一個(gè)區(qū)域的土方量。土木工程合理的設(shè)計(jì)的最重要因素之一就是先要估算工程的土石方的工程量。過去，施工人員多是通過設(shè)立合理的規(guī)格網(wǎng)格，通過測算網(wǎng)格的高程，并通過線性內(nèi)插的形式，測定需要挖或者填的土方量。但是，該種測算過程工序繁瑣，工作人員的工作量較大，而且測算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。作為工程地質(zhì)數(shù)據(jù)圖像化的重要表現(xiàn)形式，三維GIS技術(shù)中空間插值功能的應(yīng)用能夠讓用戶更好地預(yù)測工程數(shù)據(jù)的變化，并能夠通過計(jì)算機(jī)模擬變化的結(jié)果，從而真實(shí)地反映工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況。三維GIS則可以通過數(shù)字高程模型的構(gòu)件，快速地計(jì)算出土方量，具體計(jì)算公式如下：

三維GIS先用封閉空間表示出土木工程的具體范圍，而后設(shè)定合理的高程，之后利用上述公式順利計(jì)算出工程的土方量。

第二，道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。三維GIS技術(shù)的應(yīng)用使得道路設(shè)計(jì)工作更為便捷。它能夠通過道路線計(jì)算出土方量。其主要的應(yīng)用過程如下：用戶先要設(shè)計(jì)出道路的中心線，并按要求輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，包括路面寬度、中心線的加密點(diǎn)數(shù)或者加密的網(wǎng)格間距等。加密點(diǎn)數(shù)一般適合道路設(shè)計(jì)中計(jì)算加密較少的情況，而網(wǎng)格間距加密技術(shù)的應(yīng)用能夠使土方工程量的測試結(jié)構(gòu)更為準(zhǔn)確。

第三，工程淹沒分析中的應(yīng)用。三維GIS技術(shù)的應(yīng)用能夠與各種水文模型有效地結(jié)合起來，并利用系統(tǒng)中提供的各類三維數(shù)據(jù)，合理地預(yù)測土木工程中洪水可能會(huì)形成的淹沒區(qū)域，進(jìn)而對(duì)洪水災(zāi)害后果進(jìn)行預(yù)測和評(píng)估。土木工程的淹沒分析是十分重要的，合理的淹沒分析有利于保護(hù)周邊的生態(tài)環(huán)境，對(duì)于周圍的移民安置工作也具有十分重要的意義。工作人員可以利用三維GIS技術(shù)，判斷淹沒的水位，并采取不同的處理措施，如分片或傾斜平面處理。土木工程淹沒分析主要包括對(duì)淹沒的深度及沒水的范圍的分析，同時(shí)還要分析可能會(huì)面臨淹沒風(fēng)險(xiǎn)的居民的財(cái)產(chǎn)、土地的類型以及可能影響的人口數(shù)量等。

除此之外，三維GIS技術(shù)能夠幫助用戶進(jìn)行土木工程專業(yè)的制圖，利用三維技術(shù)中的強(qiáng)大的圖像生成功能，能夠使工程制圖更準(zhǔn)確。另外，針對(duì)土木工程專業(yè)施工圖紙接邊不夠精確的問題，可以利用GIS軟件對(duì)掃描后的圖紙進(jìn)行拼接，而后將相鄰掃描圖的關(guān)鍵點(diǎn)沖和即可得到完整的圖紙。

4 結(jié)語

綜上所述，三維GIS技術(shù)的新發(fā)展，使其空間分析能力和圖形的現(xiàn)實(shí)能力進(jìn)一步提升，能夠用可視化的手段將工程設(shè)計(jì)的成果表示出來，逐漸成為工程設(shè)計(jì)和決策過程中的有力工具。由此可見，三維GIS技術(shù)的應(yīng)用前景良好。但是，就目前來說，該技術(shù)在土木工程相關(guān)的領(lǐng)域應(yīng)用還不夠深入，其作用也沒能充分發(fā)揮出來。未來，工作人員應(yīng)該加強(qiáng)研究，深化GIS技術(shù)，并將其與土木工程設(shè)計(jì)與施工充分結(jié)合起來，提高設(shè)計(jì)和施工效率。

[1] 魏振生，楊琪，吳旭陽，吉曉峰，顧珂.GIS在油氣管道工程全生命周期中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2013(S1).