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数字城市地下空间三维技术研究进展

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：李积玲

[导读] 摘要：我国正处在城镇化快速发展时期，地下基础设施建设滞后，大规模的城市地下空间开发利用也在开展中。

        青海省自然资源综合调查监测院青海西宁 810000
        摘要：我国正处在城镇化快速发展时期，地下基础设施建设滞后，大规模的城市地下空间开发利用也在开展中。基于此，以南宁市为例分析具体状况，在地下管线方面，南宁市各类管线长度已达19000km；在轨道交通方面，截至2017年底，开通运营轨道交通线路2条，全长53.1km，共43座地下站点，计划在2021年共开通5条运营线路，总长128.2km；在地下室方面，南宁市仅房产地下室超过5000处，面积达480万m2；在地下管廊方面，南宁市规划在2018年初新建12条管廊，总长41.5km。因此，建立地下空间基础信息平台，利用新技术推进地下空间全要素的信息化，构建地下空间数字化生态是保障新时代地下空间规划、建设和管理，提升治理能力现代化的重要手段。随着地理信息系统（GIS）技术从二维平面向三维空间的延伸，可利用三维可视化和虚拟现实技术开展地下三维模型重建，增强地下空间的真实感，辅以空间分析、三维分析等地理信息手段可有效支撑城市地下空间的合理、集约利用，避免工程重复建设和资源浪费。
        关键词：数字城市；地下空间；三维技术
        引言
        与如火如荼的城市地下空间开发规模相比,目前城市地下空间信息化建设却相对滞后。系统信息资料的缺乏,常使得城市的地质环境被破坏,引发地质灾害、地下管线破坏、地下水失衡等问题。所有这一切对城市地下空间信息化建设提出了新的和更高的要求,地下空间信息化建设已经成为有效利用地下空间解决现代"城市病"的重要手段。
        1地下空间三维建模技术
        1.1三维数据模型
        当前对于地下空间三维技术的研究人员主要来自于城市规划管理、地理信息系统、传统地学等领域，不同的领域结合自身的知识对于地下空间三维建模也有不同的特点，因此产生了不同类型的三维数据模型。三维矢量模型是当前城市三维空间数据模型的主流。其主要优点为数据量小，便于实现建模和模型更新，但对于三维空间拓补关系的描述较为困难，对于空间分析功能有所欠缺。基于此可以将矢量模型和栅格模型相结合，实现矢删一体化，既可以反应地下空间的形态及关系，又可以描述其拓补关系，实现空间特征分析，从而提高表达精度和效率。除了将同一角度下的不同类型的数据模型进行组合，还可以跨领域结合构建三维数据模型。在城市地下空间三维建模的研究中，对于地下建构筑物三维数据模型的研究层次较浅，不能从多比例尺度下深入讨论。因此，有学者提出一种地下建构筑物多细节层次三维模型。这种模型是从几何和语义层次，将地下建构筑物分为点线面体的几何以及地上地下各具体建构筑物的语义，从而建立了地下建构筑物三维语义模型。
        1.2建模方法
        城市三维建模方法主要依据为空间信息技术和虚拟现实技术，这两种方法分别在效率和精度方面表现出自己的优势，为了实现城市三维快速建模，需要将这两种方法进行结合，依托城市测绘相关的数据资源和遥感影像数据，利用人机交互工具，实现快速精确地城市三维建模。城市地下空间属于城市建设的一部分，但是还由于地下空间无法通过遥感的手段得到其实际情况，因此城市地下空间建模主要依靠测绘相关的数据资源，依据二维信息，结合地下空间属性信息实现三维建模。地下空间三维建模主要包括地质环境和地下设施的建模，基于钻孔的工程地质三维建模方法多应用于地质环境建模中，通过地质勘察得到的钻孔数据主要包含地下空间的地层情况；而对于地下设施的建模，主要可根据建筑设施的设计参数进行建模，记录其水平投影图形以及地上高度和地下深度，再通过拉伸建立三维模型。地下空间同地上空间一样，都有权属划分，不同于地下空间的宗地，地下空间具有立体性，其不同深度范围的权属也有所不同，因此，在实现城市地下空间数字化的过程中，需要对地下空间地籍实现三维建模。

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地下空间三维地籍模型的建立较为简单，边界表示模型就可以满足三维地籍建模的要求，基于城市地下空间地籍测量得到的界址点、三维坐标，根据地下空间相关三维模型建立三维立体地籍图。
        2BIM技术
        BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。通过开发基于Revit的插件，将BIM数据从Revit格式转换成符合微软DirectX技术的.x格式3D文件，再导入三维平台，实现城市级三维GIS系统的BIM技术集成，解决部分地下建筑模型缺乏建筑信息与BIM模型本身不含地理位置信息的问题，显著提高了地下建筑模型信息的丰富程度以及城市级海量BIM模型在地理空间范畴的管理水平。BIM与GIS结合的理念即是建筑工程项目的所有信息与地理环境信息相融合，为城建筑工程项目设计、建设和运营维护提供完整的数字信息平台，满足查询与分析空间信息的要求，对城市空间降低建设成本、减少施工时间。
        3细节层次模型（LOD）技术
        地质数据在生成三维模型时，由于数据量庞大，场景复杂，在大场景浏览时会面临渲染效率低下的问题。不同场景所需要的地质体模型精度不尽相同，如在分析大区域地质条件时，只需要分析粗略的地层分布，而在岩土勘察工作中，需要经过岩土专家优化过的地质体模型。因此引入LOD技术集成到三维地质可视化中，创新性地采用按需渲染的方式加载地质体模型，模型被分成三级，近距离浏览使用精细模型（LOD3），保留模型的每一处细节；较远距离则使用中等模型（LOD2），省略不必要的细节；鸟瞰时使用简单模型（LOD1），只显示体块和贴面，解决了城市级三维地质模型与工程地质模型在模型精细程度不一致的问题，显著提高了三维地质模型的渲染效率。
        4三维评价技术
        地下空间资源是城市空间资源的重要组成部分，也占据人类可利用资源的一部分，地下空间的资源储存数量与质量、开发适宜性都关系了城市地下空间的开发利用程度。因此，对地下空间资源及开发等相关特征进行评价有一定的必要性。地下空间资源与开发受到很多因素的限制，基于其位于地下难于测量。跟传统地理学的评价不同，地下空间的评价需要建立在三维空间基础上，实现评价因子的立体化，再根据相应的评价模型或方法进行评价。地下空间资源的评价主要基于传统地理数学方法建立评估模型，利用三维GIS技术，进行分析评价。层次分析法、灰色系统理论、综合指数法、模糊集理论等方法都在地下空间评价中得以应用。评价过程中，有两种实现三维立体化的方法：一种是确定评价因子后进行空间配准，统一坐标系统，从而形成三维实体；另一种是建立评价指标体系，然后依托相应模型确定评价单元体，对评价区域进行三维剖分。对地下空间进行三维评价主要是基于地下空间的立体特征，除了对地下空间资源及开发情况进行评价外，还可以实现评价结果的三维可视化。
        结语
        城市地下管网、地质构造的形态及分布规律极其复杂,城市地下空间信息能够对城市进一步的建设、规划提供有力的决策保证,因此,将城市地下空间信三维可视化具有极重要的意义,对实现数字化城市将起到积极的推动作用。
        参考文献
        [1]李志刚,赵艳珍,董绍环,等.地下综合管廊三维可视化管理关键技术研究[J].城市勘测,2018(4):17-20.
        [2]文琳,聂赞,向祎,等.城市地下空间三维建模标准探讨[J].地理空间信息,2019,17(1):92-94.
        [3]赵小祥,胡平昌,陈勇,等.城市地上地下三维空间一体化管理平台研究与实现[C].南京:江苏省测绘地理信息学会2014年学术年会,2014.