城市地下空间三维模型建设与应用关键技术研究

谭仁春，肖建华，王厚之，彭清山

(武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

城市地下空间三维模型建设与应用关键技术研究

谭仁春∗，肖建华，王厚之，彭清山

(武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

首先对城市地下空间和空间内需要三维建模的对象进行了分析研究，总结了地下空间的各种特征，并提出了城市地下空间三维模型的分类标准。然后针对不同地下空间建模对象的特点，分别提出了各自的三维建模方法。最后针对不同三维模型和应用需要，提出了剖面式、开挖式、隧道式和地上地下一体化等不同的地下空间三维模型展示方法。

地下空间；地层；地下管线

1 概 述

地下空间三维模型是城市地下空间三维应用的基础。目前能够很好地建立三维地质模型的软件有Go-CAD、MieroLynx、Micromine、MVS CTech、Vulean、Surpae等。这些软件在地质建模方面所采用的数据模型主要有基于体表示的三维栅格模型、线框模型、实体模型和基于面表示的不规则三角网模型、格网模型等。然而，这些模型在表达具有真三维连续性、不确定性较大的复杂地质对象时都存在各自的不足，并且建模过程中模型动态修改的自由度小，不能对包括地下工程构筑物等在内的地下空间对象统一建模。因而，地下空间的三维建模技术有着很大的发展空间。

目前，武汉市测绘研究院承担了精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室2011年开放基金项目《城市地下三维模型集成应用技术研究》，按照项目总体方案设计的要求，项目的研究对象包括地下管线、隧道、地铁、地下街、建筑地基基础、人防工程、地下室、地下停车场等地下空间对象；项目的主要工作包括研究制定城市地下空间三维模型分类标准、探索不同地下空间地物三维模型的制作方法、建立统一的可视化平台对各种地下空间地物三维模型进行集成与整合、提供多种形象、逼真的地下空间三维模型展示方式，方便地下空间三维模型应用。

2 地下空间三维模型的特征与分类

2.1 地下空间三维模型的特征

城市地下空间模型具有多专业性、多样性、非线性、分散性和时态性等特征。多专业性是指地下空间三维模型制作都是依据不同专业领域的分析需要，如地质调查、管线探测、地下水文观测等专业领域；多样性是指地下空间模型的类型多种多样，多样性还表现在模型的数据格式、存储方式的多样性；非线性是指地下空间模型各属性之间复杂的特征；分散性是指地下空间模型依据各自业务领域不同，分散应用在城市国土资源、规划、建设、市政、城建档案、人防、交通、管线权属单位以及各企事业单位等；时态性是指随着城市建设的发展和时间的推移，地下空间模型会发生变更，需要对地下空间模型进行更新维护，以保证模型的现势性。

2.2 地下空间三维模型的分类

城市地下空间是指城市地表以下，为满足人类社会生产、生活、交通、环保、能源、安全、防灾减灾等需要而进行开发、建设与利用的空间。城市地下空间三维模型可以划分为以下4类:①浅部地层模型；②地下管线模型；③地下建(构)筑物模型；④地下水模型。每一大类又可分为若干小类，如图1所示。

图1 城市地下空间三维模型分类图

3 地下空间三维建模方法

3.1 浅部地层模型的建模方式

浅部地层模型的建模主要利用美国MVS CTech软件。导入钻孔描述数据，经过地层地质推断及Kring内插，建立实体模型，经过等值线输出，获得分层的曲面，经过格式转换后，导入3ds Max内进行精细模型加工处理，赋予纹理。另外，模型细节可以调整钻孔的密度来控制。

3.2 管线模型的建模方式

管线模型的建模方式采用基于3ds Max脚本程序进行CAD几何建模:①分别提取城市地下管线GIS数据库内的管线点与管线段的管线类型，坐标，高程，断面尺寸，材质等属性值，生成XML或者文本等数据交换文件；②在3ds Max利用脚本程序读取，批量完成管线段模型生成；③在3ds Max通过匹配管线附属物的标准模型库，批量完成管线附属物的生成；④在3ds Max内进行管线连接细节修饰，完成变径、垂直交叉连接、管线断面圆滑等处理。

3.3 地下建(构)筑物模型的建模方式

地下建(构)筑物模型的建模方式采用:①提取地下建(构)筑物GIS数据库内目标对象的图形边界，房屋基底高程，净空值，层数等属性值，生成XML或者文本等数据交换文件；②在3ds Max利用脚本程序读取，批量完成地下建(构)筑物模型的体块模型生成。③在3ds Max，依据目标对象的施工图或竣工图，进行人工修饰处理。主要处理模型与其地上建筑物的出入口关系，模型细节依据实际应用需要来控制模型表现程度。

3.4 地下水模型的建模方式

地下水模型的建模主要利用美国Surpac软件，以钻孔数据、水文观测数据作为数据源，建立地质数据库。利用水文地质的工程经验，建立实体模型，经过格式转换后，导入3ds Max内进行精细模型加工处理，赋予纹理。另外，模型细节可以通过地下水观测数据的分布密度来控制。

4 地下空间三维模型表现形式

4.1 剖面式

剖面式是对地下空间实体进行断面剖分，以获得局部端面结构。一般适合内部结构比较复杂的实体模型，如浅部地层模型的土层详细断面、地下水的潜水层分布、地下管线的三维断面。以武汉市汉口某地区12 km2的浅部地层概况模型为例，提取200个钻孔数据，制作其钻孔三维模型。并利用钻孔三维模型制作不同地层的分解曲面三维模型，这样基本能够反映武汉市局部区域的浅部地层概况，如图2所示。

图2 剖面式展示局部地层概况

4.2 开挖式

开挖式是对地下空间实体沿着路径或者范围边界进行“挖槽”或者“切蛋糕”的方式，突出地下空间对象局部结构细节与相互关系。一般适合地下空间不同对象之间相互关系紧密，细节程度又不统一的情况，如对比分析地下管线、地下基础、地层之间的相互关系。以武汉市汉口常青路后襄河路段的道路开挖为例，以“路槽”方式较真实反映地层、管线的相互关系，以“切蛋糕”方式较直观反映建筑地下室结构，如图3所示。

图3 开挖式展示地下管线和地下建(构)筑物

4.3 隧道式

隧道式是对地下空间的地层进行内部开挖的方式，即以空间曲线为中心轴线，某一半径进行空间放样，获得内部中空的模型实体。一般适合地铁、隧道等大型地下工程的展示应用。以武汉市汉口地铁范湖车站地下隧道开挖为例，以“隧道”方式较真实反映地层、地下基础、地下管线的相互关系，如图4所示。

图4 隧道式展示方式

4.4 地上地下一体化

地上地下一体化是对地上空间进行透明化或对地下空间的某些要素塌陷、隐藏等操作，以重点突出地上与地下之间的平面与竖向空间的整体相互关系效果。一般适合城市规划管理、城市应急管理，如图5所示。

图5 地上地下一体化展示地下停车场

5 结 语

本文对城市地下空间三维的特点、建设方法和展示方式进行了系统的研究，并在精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室2011年开放式基金项目《城市地下三维模型集成应用技术研究》中进行了大量的实践。目前武汉市已基本建成主城区范围内地层三维模型、地下管线三维模型，正在开展地下建(构)筑物和地下水三维模型的建设研究工作。实践证明本文的地下空间三维模型建设方法和展示方式总体上是可行的、实用的，能够为城市地下空间规划与开发提供科学的依据和直观的展示。

但是，由于地下空间对象隐蔽性的限制，三维模型建设方法还需要进一步加强准确性。由于地下空间连续性的限制，三维模型展示方式还需要进一步加强直观性。这些都是下一步研究的重点内容。

[1] 陈军，邹伦.数字中国地理空间基础框架[M].北京:科学出版社

[2] 宋大各，胡卸文.三维建模技术在城市环境地质评价中的应用[J].四川省水文地质工程地质学术交流会，2008

[3] 丛威青，潘懋，庄莉莉.三维GIS技术在城市地下空间规划中的应用分析[J].工程勘察，2008(S1)

[4] 朱庆，李德仁，龚健雅.数码城市GIS的设计与实现[J].武汉大学学报(信息科学版)，2001(1)

[5] 韩李涛.地下空间三维数据模型分析与设计[J].计算机工程与应用，2005(3)

[6] 朱良峰，庄智一.城市地下空间信息三维数据模型研究[J].华东师范大学学报(自然科学版)，2009

Key Technologies Research of Construction and Application for Three－dimensional Model of Urban Underground Space

Tan Renchun，Xiao Jianhua，Wang Houzhi，Peng Qingshan
(Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

This paper firstly analyzes objects need to be modeled in urban underground，summarizes the various features of underground space and put forwards a classification criteria for three－dimensional model of underground space in Wuhan.Then respectively presented modeling method according to different characteristics of the object modeling in underground space.Finally according to different three－dimensional models and their different requirement for application，put forward four different representation methods for underground space three－dimensional model.

Underground Space；Strata；Underground Pipeline

2011—08—24

谭仁春(1978—)，男，博士、高级工程师，主要从事地图制图应用、地理信息系统应用、三维GIS和三维城市模型研究。

精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室2011年开放基金(PF2011－27)

1672－8262(2012)02－5－03

P208.2

A