數字城市地下空間三維技術研究進展

王芳

摘要：指出了數字城市是對城市地理空間實體的信息化建設，對城市規劃管理起到一定的輔助作用。地下空間作為數字城市的重要組成部分，其規劃設計、建設開發影響著城市空間利用的效率。三維技術是地下空間相關研究中的一個關鍵技術，在地下空間模型及信息化建設、資源評價、開發利用過程中，三維技術都發揮著重要作用。

關鍵詞：地下空間;三維技術;數據模型

中圖分類號：P426.616 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0201-03

1引言

“數字城市”出現于20世紀末，并在21世紀掀起數字城市建設的熱潮。數字城市是指對城市空間組合和結構實現信息化，從而達到綜合統一的管理與開發。數字城市是現代化發展的產物，對城市地理空間數據進行有組織的規劃設計，并統一管理，這實現了資源的有效利用，同時增加了信息的共享性，也對城市規劃建設有一定的作用，是城市可持續發展的體現。

地下空間是一個城市的重要部分，在協調城市建設與功能方面起到重要作用，而對于地下空間的規劃設計以及開發建設分析是對傳統城市的改進，與城市地上、地面空間相整合，實現城市集約，充分發揮城市的效能，提高城市空間利用效率。

三維技術已廣泛應用于數字城市各個領域，是數字城市建設的數據基礎。隨著地下空間的逐漸開發與發展，三維技術也逐步應用于地下空間，無論是地下空間三維模型的建立、地下空間信息化建設，還是地下空間資源評價或開發利用過程，三維技術都不可或缺。

2地下空間三維建模

地下空間的三維數據模型主要來源于傳統的三維地質模型和三維城市空間模型，基于城市地下空間的特征，在傳統三維模型的基礎上進行創造與改進，目前地下空間的三維數據模型已趨于成熟。三維數據模型的關鍵在于模型的類型以及建模方法。

2.1三維數據模型

當前對于地下空間三維技術的研究人員主要來自于城市規劃管理、地理信息系統、傳統地學等領域，不同的領域結合自身的知識對于地下空間三維建模也有不同的特點，因此產生了不同類型的三維數據模型。

從地學角度來看，當前三維地學模擬分析方面的研究采用的三維模型主要可以分為：三維體元模型、三維矢量模型、混合數據模型和集成數據模型這4種三維模型。這4類模型在地學研究方面都尤其各自的優點，但綜合他們的缺點，可以總結為：無法在完整的表達城市地下空間實體的相關息的同時，又很好的描述其拓補關系，且不是所有的模型都可以進行空間操作和分析。從城市規劃管理的角度出發，根據城市地下空間單元的不同，地下空間三維模型分為淺部地層、地下管線、地下建構筑物和地下水這4類模型，每種模型又可以分為各自的組成單元，例如地下管線模型可分為給水管網、排水管網、熱力管網等。

盡管地下空間三維數據模型從不同的分析角度出發，有著完全不同的分類，且各種模型有其自身的特點，但在實際應用過程中，可以充分考慮模型的優缺點，并且可以跨領域對模型進行組合，從而達到優勢互補，提高工作精度和效率，方便完成目標任務。

三維矢量模型是當前城市三維空間數據模型的主流。其主要優點為數據量小，便于實現建模和模型更新，但對于三維空間拓補關系的描述較為困難，對于空間分析功能有所欠缺。基于此可以將矢量模型和柵格模型相結合，實現矢刪一體化，既可以反應地下空間的形態及關系，又可以描述其拓補關系，實現空間特征分析，從而提高表達精度和效率。除了將同一角度下的不同類型的數據模型進行組合，還可以跨領域結合構建三維數據模型。在城市地下空間三維建模的研究中，對于地下建構筑物三維數據模型的研究層次較淺，不能從多比例尺度下深入討論。因此，有學者提出一種地下建構筑物多細節層次三維模型。這種模型是從幾何和語義層次，將地下建構筑物分為點線面體的幾何以及地上地下各具體建構筑物的語義，從而建立了地下建構筑物三維語義模型。

2.2建模方法

城市三維建模方法主要依據為空間信息技術和虛擬現實技術，這兩種方法分別在效率和精度方面表現出自己的優勢，為了實現城市三維快速建模，需要將這兩種方法進行結合，依托城市測繪相關的數據資源和遙感影像數據，利用人機交互工具，實現快速精確地城市三維建模。城市地下空間屬于城市建設的一部分，但是還由于地下空間無法通過遙感的手段得到其實際情況，因此城市地下空間建模主要依靠測繪相關的數據資源，依據二維信息，結合地下空間屬性信息實現三維建模。

地下空間三維建模主要包括地質環境和地下設施的建模，基于鉆孔的工程地質三維建模方法多應用于地質環境建模中，通過地質勘察得到的鉆孔數據主要包含地下空間的地層情況;而對于地下設施的建模，主要可根據建筑設施的設計參數進行建模，記錄其水平投影圖形以及地上高度和地下深度，再通過拉伸建立三維模型。

地下空間同地上空間一樣，都有權屬劃分，不同于地下空間的宗地，地下空間具有立體性，其不同深度范圍的權屬也有所不同，因此，在實現城市地下空間數字化的過程中，需要對地下空間地籍實現三維建模。地下空間三維地籍模型的建立較為簡單，邊界表示模型就可以滿足三維地籍建模的要求，基于城市地下空間地籍測量得到的界址點、三維坐標，根據地下空間相關三維模型建立三維立體地籍圖。

3地下空間信息化

信息化建設如今已成為各個行業領域的關鍵詞，城市的發展也促進著地下空間的信息化建設。對于城市地下空間的信息化建設，可以很好的解決在許多資料記錄缺失、低效的人工處理問題，隨著城市地下空間大規模的開發，以及對動態管理與分析技術需求的增加，實現地下空間信息化建設越來越迫切。

3.1信息化建設內容

城市地下空間涉及大量的基礎資料，主要可以分為基礎地理數據、基礎地質數據、地下管線數據和地下建構筑物數據四大類。

基礎地理數據主要是指地下空間在開發建設過程中占用的巖層和土層，基礎地理數據信息主要包括巖層信息（地層名稱、時代、傾向、厚度，巖石構造、密度、抗壓強度等）、土層信息（土層名稱、顏色、濕度等）和勘察點信息（勘探點編號、深度、地下水位等）;基礎地質數據主要指地下空間主要的地質構造、水文、地震、環境和資源等，這些數據是地下空間相應建設選址的主要依據;地下管線數據涉及給排水、電力、熱力等八大城市地下管線，包括管線的性質、走向、材質等信息;地下建構筑物數據是指人類對地下空間進行開發利用中認為建設的工程設施，包括地下交通、地下公共服務設施、地下生產儲藏設施等，信息內容主要為三維空間位置、結構、維護情況等。對于城市地下空間基礎數據，主要采用專門的測量儀器進行信息采集，主要包括控制測量和地下空間測繪。

針對以上4種地下空間基礎數據，我國近年來也對其進行了較多的信息建設，巖石地層數據庫建設工程、三維城市地質調查項目、城市綜合地下管線信息系統等都有所建設，但目前對于地下空間基礎數據的綜合管理、統一協調方面有所欠缺，信息數據系統之間很難實現交換與共享。

3.2信息化系統

城市地下空間信息化最終產物是建立信息化系統，集數據存儲、查詢、管理、分析于一體，實現對時空數據、屬性數據等相關資料的整合，構建一個綜合、開放、完整的地下空間信息管理系統。

地下空間信息化平臺系統主要包括數據庫、技術結構和應用層。在數據庫的建設中，主要依托信息化建設內容作為信息系統主要數據基礎，三維空間數據庫主要包括三維模型數據庫、屬性數據庫、地形數據庫。除了這3個基本的數據庫之外，還可以根據需要建立其他專業數據庫，例如，需要應用系統進行規劃分析時需要加入規劃數據庫。系統的技術結構是數據庫和應用功能之間的橋梁，主要包括操作模式下相應的實現技術，一般的管理系統都采用B/s模式（瀏覽器/服務器）。應用層主要是針對不同使用對象的不同目標，構建專門的應用平臺，可以將其分為公眾應用層、管理應用層和專業應用層。

4應用中的三維技術

三維技術除了在城市地下空間的數據模型建模中有一定的應用，其在城市地下空間資源評價、開發適宜性評價以及具體開發利用等方面也有重要的作用。

4.1三維評價

地下空間資源是城市空間資源的重要組成部分，也占據人類可利用資源的一部分，地下空間的資源儲存數量與質量、開發適宜性都關系了城市地下空間的開發利用程度。因此，對地下空間資源及開發等相關特征進行評價有一定的必要性。地下空間資源與開發受到很多因素的限制，基于其位于地下難于測量。跟傳統地理學的評價不同，地下空間的評價需要建立在三維空間基礎上，實現評價因子的立體化，再根據相應的評價模型或方法進行評價。

地下空間資源的評價主要基于傳統地理數學方法建立評估模型，利用三維GIS技術，進行分析評價。層次分析法、灰色系統理論、綜合指數法、模糊集理論等方法都在地下空間評價中得以應用。評價過程中，有兩種實現三維立體化的方法：一種是確定評價因子后進行空間配準，統一坐標系統，從而形成三維實體;另一種是建立評價指標體系，然后依托相應模型確定評價單元體，對評價區域進行三維剖分。對地下空間進行三維評價主要是基于地下空間的立體特征，除了對地下空間資源及開發情況進行評價外，還可以實現評價結果的三維可視化。

4.2開發利用

三維技術在地下空間的開發利用中也有廣泛的應用，尤其是三維GIS技術，針對三維數據模型建立的三維地下空間系統，利用GIS強大的空間分析功能，可以有效的實現地下空間的充分合理的開發利用。

基于3D GIS的特點，地下空間規劃三維輔助信息系統被開發，彌補了地下空間規劃開發過程中缺少真實感的三維規劃方案設計的缺點，這樣的三維技術用于地下空間規劃，也利于角色者對方案的理解。關于地下空間權屬的三維地籍建立也對地下空間的優化布局有一定的改進作用。另外，城市地下空間作為城市的重要組成部分，在城市統一管理的情況下，三維地下空間對于城市決策也有一定的作用。

5總結與展望

地下空間在城市發展進程中占據一定重要性，隨著數字城市的逐漸成熟，地下空間數字化也越來越重要，基于地下空間的立體性，實現其三維立體化尤為必要。基于三維模型以及計算機的進步與發展，三維技術應用于地下空間已必不可少。本文綜合整理了數字城市地下空間有關的三維技術，從三維模型、三維信息化以及三維技術在地下空間開發利用中的主要應用等方面，分析了地下空間的三維技術特點與主要內容。

通過整理分析，可以看出當前對于地下空間三維技術的應用主要集中在三維建模方面，這也是地下空間相關研究的基礎。對于地下空間的深層次評價分析較少，今后在應用三維技術研究城市地下空間的過程中，可以考慮按照傳統地理學的方法，結合成熟的三維技術，對地下空間進行深層次地分析與評價。