地下空間可視化技術研究與應用

摘" 要：伴隨著城市的快速發展，城市地下空間變得復雜化，城市建設向地下深處索取空間。以基礎地質、水文地質、地下管線和地下構筑物等為基礎，綜合國土、規劃和交通等多方面數據，以GIS技術為媒介建立三維可視化系統，能夠極大地擴展城市可利用資源，為城市建設提供強有力支撐和保障，并為更加合理、有效的城市地下空間決策提供輔助。

關鍵詞：地下空間；城市地質；三維可視化；GIS技術；基礎地質

中圖分類號：P208" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0156-04

Abstract： With the rapid development of the city and the continuous expansion of the scale， the urban underground space has become more complex， and urban construction requires space from the deep underground. Based on basic geology， hydrogeology， underground pipelines， underground structures， etc.， comprehensive land， planning， transportation and other data. The establishment of three-dimensional visualization system based on GIS technology can greatly expand the available resources of the city， provide strong support， support and guarantee for urban construction， and provide assistance for more reasonable and effective decision-making of urban underground space.

Keywords： underground space; urban geology; 3D visualization; GIS technology; basic geology

城市地下空間建設涉及城市基礎地質、水文地質和環境地質等地質基礎數據。伴隨著城市的快速發展，城市地下空間又建立了錯綜復雜的地下管線、地下建筑物等。城市地質、水文情況本就復雜，難以概化、整合、利用，又因城市地下空間的隱蔽性和不斷建設的城市地下構筑物等導致城市地下空間錯綜復雜。傳統二維數據難以將人工構筑物和城市地質情況展現出來。伴隨著三維可視化技術的快速發展，構建一個基于三維 GIS可視化技術的城市地下空間數據平臺，可以實現城市地下空間連續、直觀、系統的展現、管理，并輔助決策，能夠在地下空間開發利用過程中的適宜性評價、政府決策和城市科學管理等方面發揮重大作用。

1" 總體思路

為構建城市地下空間可視化平臺，綜合管理地下空間各類數據，需要收集數字高程模型（DEM）、文檔對象模型（DOM）等城市地理信息數據，整合已有的地質鉆孔、水文等基礎數據，收集地下管線、地下構筑物等已有建設數據[1]。通過地質鉆孔數據、水文數據、地下管線基礎數據和地下構筑物設計資料等實現地下構筑物可視化，將這些數據有機地整合在一起，進而采用B/S架構技術即可搭建GIS三維可視化城市地下空間展示系統。

2" 基礎地質數據模型可視化

2.1" 基礎地質數據特點

為了實現地質資料的多樣化服務及輔助決策，建立三維地質模型，結合三維地質建模對數據精度和一致性的要求，按一定的規則對鉆孔、剖面、地質圖和物探資料等進行數據概化和融合處理，才能完成三維地質模型構建、校驗和發布展示。此外，三維地質建模所依賴的地質數據源有很多，主要包括地形、鉆孔、地質剖面圖、物化探解釋資料和地層頂板等值線圖等[2]。

地質或空間數據的可視化方法都要求將離散的測量數據映射（內插和/或外插）到某種類型的網格上。無論如何實現，這種可視化方法都包含由網格劃分和插值過程引起的不確定性，因此最好的方法是通過圖形對象（glyph）直接表示地質或空間數據。圖形對象被用作標志來表示對象或某些測量數據。圖形對象在空間中被正確定位，并根據相關屬性值進行著色和調整大小。理論上，圖形對象的類型沒有限制，可以是簡單的幾何對象，例如三角形、球體、立方體或一個像素點。

2.2" 基礎地質數據網格劃分

地質基礎數據多為不連續離散數據，如建立模型的主要依據鉆孔數據，首先需采用差分方法將這些離散數據投影到網格上，網格是節點和單元的集合。節點是二維或三維的坐標點，每個點上可以存儲一個或多個屬性值。單元則是由節點定義的幾何空間。維度指的是單元占用的空間。在創建二維網格時，使用面單元，創建三維網格則使用體單元，進而完成地質三維提的創建。常用的差分方法如下。

2.2.1" 矩形網格差分

矩形網格是最簡單的網格類型之一。網格坐標軸平行于坐標軸，單元面總是矩形，且每個網格的尺寸相同。只要知道網格的坐標范圍就可以計算所有節點的位置，因此，網格直接的連接性可以隱式表示。矩形線性網格的優點在于易于創建并具有二維平面單元和三維體積單元的均勻性。

2.2.2" 有限差分網格

由于矩形線性網格每個網格的大小和方向都是固定的，因此在進行某些數據的插值時，會有大量的區域為外插且沒有意義。但是這些區域會增加計算時間，有限差分網格在保證網格方向一致的情況下解決了該問題。有限差分網格可以對所有網格進行旋轉，同時還允許網格為不同的尺度。

2.2.3" 凸包網格差分

相對于矩形線性網格和有限差分網格，凸包網格并不規整，每個單元都可以是不一樣的大小和不一樣的方向。二維空間中一組點的凸包就是包含該集合的最小凸區域。凸包網格最大的優勢在于可以保證整個模型的每個地方都是內插。

2.2.4" 自適應網格差分

當要把每個原始數據點或者鉆孔都必須放在網格節點上時，上述3種網格類型都很難做到，除非網格劃分得足夠密。此時，自適應網格可以既保證計算效率，又滿足原始數據點一定落在節點上。

2.3" 基礎地質數據模型可視化空間差值方法

基礎地質數據模型可視化空間插值法用于估計網格中與原始數據點不重合的節點的數據。地質建模可視化空間差值方法主要有以下4種。

克里金法（Kriging）。又稱空間自協方差最佳插值法，其是以南非礦業工程師D.G.Krige的名字命名的一種最優內插法。克里金法是一種很有用的地質統計格網化方法。首先考慮的是空間屬性在空間位置上的變異分布，確定對一個待插點值有影響的距離范圍，然后用此范圍內的采樣點來估計待插點的屬性值。該方法在數學上可對所研究的對象提供一種最佳線性無偏估計（某點處的確定值）的方法，在點稀少時插值效果較好。

自然鄰點法（Natural Neighbors）。廣泛應用于若干研究領域中。其基本原理是對于一組泰森（Thiessen）多邊形，當在數據集中加入一個新的數據點（目標）時，就會修改這些泰森多邊形，而使用鄰點的權重平均值將決定待插點的權重，待插點的權重和目標泰森多邊形成比例。實際上，在這些多邊形中，有一些多邊形的尺寸將縮小，并且沒有一個多邊形的大小會增加。同時，自然鄰點插值法在數據點凸起的位置并不外推等值線（如泰森多邊形的輪廓線）。該方法在樣本點不多且較分散的情況下，擬合度高。

最近鄰點法（Nearest Neighbor）。最近鄰點插值的一個隱含的假設條件是任一網格點p（x，y）的屬性值都使用距它最近的位置點的屬性值，用每一個網格節點的最鄰點值作為該節點的值。該方法適合于變量空間變異性不很明顯的情況，受樣本點影響較大，缺乏對其他空間因素和變量自身所具有的固有規律的考慮。

徑向基法（Fast RBF）。該方法是精確插值法，即插值表面必須通過每一個測得的采樣值，在輸入數據集中與中心點距離近的點對映射函數貢獻最大。可預知最大測量值和最小測量值，適用于樣點數據集大、表面變化平緩的情況，局部變異性大且無法確定樣點數據的準確性時不適用。

如采用有限差分網格的自然鄰點法形成鉆孔區域內地質體模型如圖1（a）所示。同理，環境、水文地質模型建立方法類似，對于環境地質來說，如建立地質體污染羽模型，通過對地質體不同深度污染物濃度進行三維空間差值，并對其進行擬合，即可形成地質體的污染羽模型如圖1（b）所示；對于水文地質，也可收集水文地質數據，對其數據進行差值生成模型，若有時序數據還可基于時間序列對不同時期地下水變化和運動規律進行直觀展示如圖1（c）所示。

3" 地下構筑物模型可視化

對于地下管線數據，通過收集已有的二維管線數據及每條管線數據管徑、類型、埋深、轉換點類型和管線材質貼圖等，即可通過這些屬性基于Revit開發插件自動化形成管線BIM數據（圖2）。對于地下構筑物模型則可依據地下構筑物資料建立Revit模型，進而構筑出數字仿真地下構筑物模型。通過開發基于Revit的插件，將BIM數據從Revit格式轉換成符合微軟DirectX技術的.x格式3D文件，再導入三維平臺，實現城市級三維GIS系統的BIM技術集成，實現地下構筑物的集成展示[3]。

4" 地下空間可視化系統搭建

三維可視化系統基于GIS內核技術搭建，將二維和三維統一到一個真實的球面空間中，實現二維、三維的有機結合，進而完成對城市地下空間數據的三維展示和管理。系統按層次體系結構進行設計，在邏輯上對不同的功能進行層次劃分，這樣有助于對系統進行分析和研發，也便于系統的維護和升級，系統總體分為4層（圖3） 。

數據層。包括建筑物地表景觀、地形、地表影像、地下管線管廊、地下構筑物及工程地質三維專題數據庫，工程地質三維專題數據庫是系統開展三維地質建模和分析的主要載體，是實現地上地下三維一體化顯示的基礎。

管理層。建立空間數據、屬性數據、模型數據的統一管理系統。

服務層。面向專業應用需求，設立專題數據庫建設、專題數據呈現、空間數據查詢、專題圖件報表生成、三維地質建模與分析和三維場景一體化管理等服務模塊，進而支撐業務系統構建。

應用層。系統面向業務需求，構建地下空間展示、處理、管理相關業務服務。

最終形成一套完整的地下空間可視化系統。

5" 結束語

城市地下空間的規劃與利用對于現代城市建設具有重大意義，以GIS技術開發可視化系統，整合地下空間數據，實現地下空間的三維可視化，對城市發展、輔助規劃決策等方面有極大的補充、優化作用。

參考文獻：

[1] 張樂鑫.城市地下空間的三維可視化研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[2] 阮明，錢婷.城市地下空間三維可視化平臺研究[J].地理空間信息，2020，18（4）：34-37.

[3] 戴春政.多源數據集成的三維可視化在地下空間開發利用的作用[J].城市建設理論研究（電子版），2017（7）：137-138.