三维地下空间管理系统建设及其应用

蒋世峰，杨 槐，乔志勇，钟水源

(厦门精图信息技术股份有限公司，福建厦门361008)

一、引 言

随着城市现代化进程，地下空间设施也迅速发展，包括地下管线、地下商场、地铁、地下停车场不断地进行新建、扩建或改建，但由于缺乏科学规划、合理有序的开发，造成了城市扩张的需求与城市土地资源紧缺的矛盾日益加剧。为了解决目前地下空间开发的无序和分布不均衡的状况，需在全面查清地下设施分布情况的基础上实现地下空间的信息化、动态化管理，从而为城市规划、建设和管理工作服务。

传统的二维系统在展示时，需将立体建筑以平面形式投影在地表上，显示不够直观形象，为了突出地上、地下建筑的层次感和地下设施间的关系，建设三维空间管理系统是十分必要的。三维空间管理系统可以帮助城市管理部门更加直观、全面地了解地下设施埋设的总体情况，同时在显示效果和信息量方面较二维系统都有很大地提升，系统在展示地上建筑的同时可以展示各类地下建(构)筑物、地下管线的情况，实现地上和地下空间的信息化、网络化管理，为城市规划和管理工作提供更加有力的技术支持。

二、地下空间产品特点

地下空间管理信息系统是建立在三维建模技术、GIS技术和网络技术基础之上，一款整合城市地下空间信息，加载城市地下空间三维模型库，支持海量三维地理信息数据的共享、发布、浏览、分析等完整服务的三维平台，提供可支持“数据—软件—服务—应用”四位一体的三维地理信息服务。

本系统能够实现大场景地面及地下设施要素的三维模型展示，模拟用户从不同角度、不同高度查看地上和地下场景效果并达到实时切换的效果，同时保证图形加载与显示的速度，具备强大的三维分析功能，为用户提供决策支持。下面对本系统的主要特点进行介绍:

1.海量的数据存储

系统能将海量的城市级数据进行整合存储，包括影像底图数据、二维矢量数据和三维模型数据。首先是遥感影像数据，系统支持海量的影像数据快速显示，能融合多分辨率、不同采集周期的影像数据，进而对多时像的数据进行同时展示;其次是二维矢量数据，系统能对多类型的矢量数据进行分层管理，兼容ArcGIS、KingMap等多种二维地图控件，同时将二维和三维场景在同一个界面中进行联动浏览;再次是三维模型数据，系统通过缓存技术将城市级的地上和地下三维模型同时渲染，在突出了模型的层次感和直观性的同时也做到了海量模型流畅展示的效果。

2.二三维联动

二维矢量数据的流畅展示是很多三维平台的最大瓶颈，但它又为三维场景的可视区域互补提供了重要支持，为了解决这个难点，本系统将二维和三维地图控件同时引入，在同一界面中分屏展示，实现范围和方位多角度联动的效果，达到了二三维可视区域互补的目的。当三维联动二维时，可以通过将二维地图上改变指北针指向的方法实现三维视角变化的效果。

3.多场景展示

三维空间系统涉及地上和地下、室内和室外多个场景的模型切换展示，其中地上模型包括:BRT桥梁、楼房、绿地、道路等;地下模型包括:地下商场及出入口、地下停车场、地下管线及井盖设施、地下人防等。由于城市级真三维模型具有数据量大的特点，传统三维渲染技术很难将如此大的多种三维场景同时渲染，本系统通过技术手段的处理实现了海量三维模型数据的浏览和管理，在地上和地下场景、室内和室外间可以进行连续、实时和平滑浏览和过渡。

4.数据编译和发布

缓存技术是三维空间系统的重要技术基础，缓存服务类型应符合多方位应用需求，可根据需要选择融合缓存还是分图层缓存。所谓融合缓存是将所有图层叠加后再进行缓存切片，并以服务的形式对外提供调用，如DEM和DOM数据发布可以采用此类模式;分图层缓存是指将各图层分别进行缓存切片达到独立控制显示和透明的效果，如半透明的道路面层、泥土效果的地下层、各类管线层等都可以进行控制是否显示、是否透明。

各类数据(包括影像、城市部件、地面、地下建筑及地下管线等)通过缓存工具加工处理后，即可编译发布并在地图中按顺序分层展示，采用缓存技术对数据进行编译和发布既能大幅度地提高访问地图的速度，又能提升管理和渲染海量模型的效果。

三、地下空间效果展示

下面通过本系统主要功能的界面展示能对产品有更进一步的了解。

1.地面建筑展示

由于地下空间建设在地表以下，需要以地面建筑作为空间位置的参考，因此地面建筑的准确性和直观性尤为重要。地面建筑模型的建设需要按照规范化和层次化的要求制作，具体包括实地拍照、3D建模、纹理贴图、烘培渲染、编译发布等步骤。

系统提供对地面建筑进行多角度、多方位的浏览，提供等级缩放、平移、环绕观察、最佳视角等操作，有利于更加便捷、直观地浏览显示城市建筑。图1是地面建筑效果展示图。

2.路面及城市部件展示

路面及城市部件包括:道路面、绿化带、桥梁、广告牌、交通灯、地下商场入口等。系统能立体呈现地面部件与地下空间的层次关系，实现地上和地下的建筑模型间无缝衔接的效果。图2、图3是路面及城市部件的效果展示图。

图1 地面建筑

图2 路面及城市部件

图3 路面及城市部件

3.地下空间关系展示

为了能明确、清晰地查看地上地下空间的相对位置关系，需要对模型进行去贴图化、半透化处理并构建模型的边缘线框。如图4效果展示，白色是地上建筑占地面积，灰色是地下建筑占地范围，在查看地下空间构造时，通过对建筑模型进行半透明处理，能解决因地面建筑的遮挡而不能全方位地观察地下构筑物空间位置关系的问题。

图4 地下空间关系

系统的另一个亮点，当模拟从地底下往上浏览时，使用了泥土效果增加地下空间的朦胧感，达到了明显区分地下泥土和地上空气两种介质的效果，效果如图5所示。

图5 地下空间关系

4.地下构筑物展示

相比于地面建筑建模注重于外墙的纹理贴图，地下构筑物的建模焦点则集中于构筑物内部的模型搭建，因此地下构筑物建模需要通过多种手段摸清和调绘地下建筑及其设施的信息，通过信息化的手段进行地下构筑物模型构建和入库。效果如图6、图7所示，系统实现了对地下商场室内浏览，模拟人在地下商场行走的效果。

图6 地下商场鸟瞰图

图7 地下商场室内图

5.地下管线展示

系统通过对已有的二维管线数据标准化处理，由数据驱动方式向地下管网的三维化转换，并通过建立设备模型库实现将管道设备三维化处理，效果如图8所示。

图8 地下管线图

6.二三维展示

系统能将三维和二维地图分屏展示在同一界面中，进而实现三维联动二维、二维联动三维，二三维的快速对比的效果如图9所示。

图9 二三维联动

四、应用领域

地下空间系统通过整合地下空间数据、属性信息等专项信息数据，运用地理模型分析方法，为社会发展提供基础性、公益性、全方位的地下空间管理解决方案，在城市地铁、停车场、地下商场、地下管线建设等方面提供及时的决策依据和协调响应服务。

1.地铁应用

随着近几年地铁建设进程的加速，由地铁施工引起的沿线管线改迁工程规模越来越大，随之而来的地下管线资料的管理和应用问题日益突出。在传统的管线资料管理模式下，图文表格不统一，分类检索速度慢，不利综合分析，存在较多弊端。采用人工方式管理，资料更新维护效率低下，导致资料的现势性较差。这些因素不但为管线施工频出事故埋下隐患，也将给地铁工程建设带来不必要的损失。

另一方面，地铁建设积累了大量的资料，用传统的图表不能完全表达信息的空间分布、岩层结构等位置关系。地铁沿线的三维地下空间管理系统的建立，能逼真反映地铁沿线的空间分布情况，为工作者分析地面下开发状态、合理地规范地铁的建设、推动地下停车场和隧道的互通互连建设提供了参考依据。

2.停车场应用

“停车难”是伴随城市发展而衍生的“城市病”，也是市委市政府亟待解决的问题。在城市地表寸土寸金的今天，地下空间已成为停车场建设的主要方向。另外地下停车场一旦开发规划建设，很难推倒重新建设，如不合理利用，将会造成不可弥补的损失。

掌握地下空间信息，合理选址建设地下停车场，增加停车位总量，结合错时停车、智能诱导等措施提高停车位利用率，将在解决城市停车难的问题上发挥巨大的潜能。通过三维地下空间系统全面掌握城市地下空间信息，是规范高效开展地下空间规划、建设管理工作的基础条件。在地下三维空间平台的基础上搭建的停车信息系统，即可以兼顾三维停车信息服务，又可以利用地下停车场运营服务对地下商场进行招商。

3.地下管线应用

目前，全国许多城市已经开展地下管线信息化建设工作，实现城市地下主干管网的信息化管理，使地下管线事故发生率有了明显的降低。尽管如此，电力、供水等地下管线事故造成大面积、长时间停电停水的情况仍无法杜绝。旧城区道路上密布的窨井造成的伤人事故也日益为公众所关注。继续完善地下管线信息数据，以三维可视化技术直观模拟地面开挖，在事故发生时迅速提供应急处理信息，可以进一步降低管线事故，提高事故处理效率。

另外，三维地下空间系统能够更直观地掌握地下管线建设过程中的各种问题，从而为城市规划和建设提供辅助决策的作用，如通过水平垂直方向的三维关系全面分析地下管廊规划建设的难度、供水管线漏水影响的地下建筑、反复破路开挖造成的管线埋深变化等问题。

五、结束语

本系统是将地下空间二三维数据库进行整合，能够从不同视角、不同方位动态展示地面建筑、桥梁、绿地及地下商场、管线、停车场等信息，其直观灵活的地下三维表现形式的特点对于辅助城市规划设计，避免重复建设造成的浪费起了重要作用。本文通过讨论三维地下空间系统的特点以及在地铁、停车场、管线建设等领域的推广应用，希望能为城市拥堵、公众出行、管线事故的减少提供技术支持。

［1］卢济威.城市设计机制与创作实践［M］.南京:东南大学出版社，2005