地下空间综合管理信息平台建设的探究

吴素芝，杨卫军，郭 亮

（广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060）

一、引 言

广州市“十二五”信息化发展规划提出要“建设管线管网、道路交通、国土管理、房屋管理、市政管理等空间实体透明化管理体系，全面提升城市规划和地上、地下空间实体的管理及服务水平”。因此，摸清家底、建立全市集中统一的地下空间综合管理信息平台是一项十分重要的基础性工作。

自20世纪90年代起，广州即开始了对地下空间的开发利用，至今积累了大量地质勘探数据、地下空间建设工程竣工测量数据，以及地下管线竣工测量和普查数据等。地下空间综合管理信息平台建设应在二维、三维一体化技术体系下，充分利用现有数据资源，重点研究解决地下空间三维数据模型、三维建模自动化处理方法、一体化表达和分析技术。课题组选取广州市地下空间开发强度最大、设施最为复杂的珠江新城为示范区（该地区有多条地铁线和多个地铁站点、一条旅客自动输送系统，以及多个地下商场和停车场等），初步搭建地下空间综合管理信息平台，实现了对示范区各类地下空间设施的集中管理，并提供自动建模、一体化表达和空间分析工具。

二、地下空间数据模型及数据建库

1.数据模型

在过去10余年中，地学领域专家对三维空间信息进行了大量探索，有TEN（tetrahedral network）模型［2］、3D FDS（3D formal data structure）模型［3］等。三维空间信息模型大致可分为矢量模型、栅格模型和集成模型。

矢量模型侧重于三维空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面等，优点是便于显示和数据更新，缺点是难以进行空间分析，如TIN和GRID模型。栅格模型将三维空间物体抽象为一系列邻接但不交叉的三维体元的集合，其数据结构简单，便于实现空间分析；规则体元模型并不适合表达地质体，非规则体元虽然适合表达地质体，可是构模算法复杂，模型更新困难，如TEN模型。集成模型采用以上两种模型分别对系统中的空间对象进行几何描述和建模，对建立的三维模型集成起来，即形成对系统的完整三维表示。

考虑到地下空间设施的多样性和复杂性，平台采用集成模型，其中地下建（构）筑物和地下管线采用矢量模型，地质层采用栅格模型。通过建立基于节点、分层和分块的多重数据表达模式，统一组织和管理各类数据，把自然地形地貌、地面建（构）筑物、地下管线、地下空间等地面要素和地下要素纳入二、三维一体化的数据模型中［4］。平台的数据模型如图1所示。

图1 地下空间数据的集成模型

2.数据建模方法

由于勘探测量、规划设计的成果数据普遍为二维矢量图，因此基于二维矢量数据的三维数据建模技术是地下空间信息化的一项关键技术。当前的研究热点主要集中在地质层、地下管线方面，对于地下构筑物信息化方面的研究则处于空白［5］。本平台借鉴Esri CityEngine思路，采用基于规则的三维建模方法，对二维数据进行拉伸、造型处理，实时生成三维数据。

1）建模规则。制定一套满足地下空间各类设施信息整合、表达和应用的数据标准，内容包括地下空间设施分类编码体系和各类设施的地图图示、注记规格、属性结构及三维表达等方面的标准，并通过数据标准，针对不同空间数据类型建立二维数据到三维数据的转换规则。

佛山地铁3号线镇安站主体围护结构设计合理性分析………………………………………………………… 付叶能（9-8）

2）管线数据的三维建模自动化处理，分为管线段建模和管点建模。管线段建模根据管线的管径、长度、埋深等信息自动生成符合规则的三维管线数据；管点建模则先构建地下管线的管点实体模型库，如图2所示。在地下管线实时三维可视化的过程中，需要做好三维地下管线的管线接头处理工作。

图2 三维管点模型库的构建

3）地质数据的三维建模自动化处理。在地质钻孔信息数据库的基础上，采用克里金、趋势面等插值算法生成地质曲面数据，然后分别针对规则地层和不规则地层进行可视化建模。

4）地下建（构）筑物数据的三维建模自动化处理。通过对建（构）筑物数据不同要素进行分层分类，根据其二维空间数据及基底高程、净空值等属性信息，生成地下建（构）筑物三维数据模型，如图3所示。地铁隧道的生成较为特殊，通过地铁中心线和地铁隧道宽度、高度、形状（如纺锤形、拱形、矩形）等信息，可以得到其横截面，然后对两两相邻的横截面进行三角剖分，即可生成地下隧道的三维模型［6］。通过实时生成三维地铁隧道信息，可直观准确地反映地下空间的利用情况，以支持空间量算和分析。其效果如图4所示。

图3 二维平面图及自动生成的地下建（构）筑物模型

图4 隧道横断面及自动生成的隧道模型

3.数据库集成

本平台建立的数据库包括地表三维模型库、地下管线数据库、地下建（构）筑物数据库、钻孔与地质层数据库。

1）地表三维模型库。地下空间的开发利用与地表的建设现状密切相关，没有地表模型，地下空间的定位将缺乏直观、准确的依据，因此本平台将广州市数字详规的城市三维模型数据成果整合集成进来。

2）地下建（构）筑物数据库。地下建（构）筑物包括地下商场、地下室、地下人防设施、地铁线位、地铁换乘站、市政设施等各类地下设施信息。

3）钻孔与地质层数据库。建立与广州市城市勘测信息系统工程地质子系统的接口，基于钻孔数据，采用插值算法进行地层划分。

4）地下管线数据库。建立与地下管线信息系统的接口，对新测或普查的数据能够进行导入，并实现与管线数据生产平台的对接。

根据上述数据分类与来源，建立地下空间三维信息数据库，管理各时间节点的地下空间数据。本文数据统一基于广州市独立坐标系建立，二、三维数据模型统一以ArcSDE空间数据库进行存储，三维数据支持ArcGIS的MultiPatch格式。

三、一体化呈现和空间分析的实现

1.可视化表达

二维GIS表达地下空间具备天然的局限性，仅以管线为例，通信管线的共通沟（管库）、多孔管道、一井多盖、井与设备的空间关系、垂直管道（竖管）等多类信息都无法表达。因此，对于地下空间，最佳方案是采用二维、三维一体化的可视化。

1）限时自适应可视化。对数据装载和绘制的相关因素进行分析，建立定量化的时间估计模型。运行中，对每一帧中绘制场景内容所需时间进行预测，然后根据对象的绘制时间估计和重要性计算结果，为每个对象选择合适的LOD层次模型，从而使总绘制时间不超出预算。三维模型限时自适应可视化方法提高了三维场景浏览的帧速率，并且在同一个视点，场景加载范围大大增强，在普通PC上调度3 km2地表三维模型、地下管线、地下建构筑物模型等数据，达到了22 fps的帧速率。运用本算法，数据量增加不会对系统运行效率产生明显影响。

2）视点平滑切换。三维软件一般通过切换空间的方法分别表达地上和地下两个空间，地下空间中由于存在构筑物、地质空间等多类空间实体，如何顺畅操作地下三维空间也是一个难点。本系统设立了多个层级的参考面，并通过射线法判断三维空间位置关系，自动切换不同的参考面，同时自动切换视点，以平滑视点切换的过程，不同视点的显示效果如图5所示。

图5 地上、地下不同视点浏览

3）地质层表达。地下空间的三维可视化不仅可以提供数据的真实表达，还可以对场景进行适当的裁剪、隐藏和夸大，给人以更加直观的变现，图6所示为地质层的剖面分析及地层炸开的表达效果。

图6 地质层剖面分析及地层炸开显示

2.综合分析

本平台主要的辅助决策分析工具包括:

1）地面、地上模型分析模块。提供日照分析、通视分析、天际线分析、淹没分析、挖填方分析的功能。

2）地下综合管网分析模块。提供管线横断面分析、纵断面分析、碰撞分析、爆管分析、联通分析、追踪分析、迁移分析的功能。

3）工程地质勘察分析模块。集成克里金插值算法和趋势面插值算法，对地质数据选择差值算法，设置插值参数，进行插值加密，并通过钻孔实时生成地质层；实现对地质层的剥层分析、剖面分析、地层炸开、模拟开挖分析。

平台分析功能采用Web Services实现，并采用ArcSDE C API进行封装，其分析结果不仅可用于三维模块，同样可以用于二维模块，仅在结果的表达方面进行不同的可视化表现。其思路如图7所示（以管线为例）。

以管线横断面分析为例，其服务访问方式为:http:∥192.168.1.152/pipeline?service=czppl＆rt=transect＆param=2，4300，3200，2300，5200（点个数，点坐标）；返回结果以XML通用格式返回，且在二维与三维系统中都可以使用。同样，得益于这种开放式架构，可在三维可视化环境下直接进行综合辅助决策分析，如一次挖方操作即可同时进行土方量计算和管线迁移分析，如图8所示。基于系统提供的基本分析功能和模块，可以扩展出更为复杂的应用分析工具。将评估结果与系统地质地层分布、地下空间设施分布进行空间叠加，可生成广州市人防工程、地下交通工程、地下公共建筑工程、地下管线工程适宜性分布图［7］，为以后的地下工程安全性评估提供重要参考。

图7 二、三维一体化分析的实现架构

图8 综合开挖迁移分析

四、结束语

本文以广州市地下空间最为复杂的珠江新城为示范区，初步建立了地下空间综合管理信息平台，随着平台信息的不断充实和完善，可以为地下空间规划编制及城市建设提供重要的基础数据和技术支持。地下空间模型依据各自业务领域的不同，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、管线权属单位及各企事业单位［8］。考虑到地下空间多专业类别、多部门应用的复杂环境，有必要在地下空间综合管理信息平台的基础上，进一步开发信息交换平台，实现地下空间异构数据库、异构数据结构等环境下的信息交换［9］。

［1］ 张芳，朱合华，吴江.城市地下空间信息化研究综述［J］.地下空间与工程学报，2006，2（2），6-9.

［2］ 程朋根，龚健雅，史文中.基于似三棱柱体的地质体三维建模与应用研究［J］.武汉大学学报:信息科学版，2004，29（7）:602-607.

［3］ 李青元.三维矢量结构GIS拓扑关系及其动态建立［J］.测绘学报，1997，26（3）:235-240.

［4］ 郭仁忠，刘江涛，彭子凤，等.开放式空间基础信息平台的发展特征与技术内涵［J］.测绘学报，2012，41（3）:323-326.

［5］ 江贻芳，王勇.城市地下空间信息化建设探讨［J］.河南理工大学学报:自然科学版，2006，25（5）:377-382.

［6］ 刘义勤，潘懋，彭博，等.基于三维GIS技术的城市地下空间数字化［J］.测绘通报，2011（2）:45-47.

［7］ 方锋.GIS支持下的广州市城市地下空间信息平台建设［J］.工程勘察，2005（4）:99-106.

［8］ 谭仁春，肖建华，王厚之，等.城市地下空间三维模型建设与应用关键技术研究［J］.城市勘测，2012（2）:9-11.

［9］ 黄铎，梁文谦，张鹏程.地下空间信息化管理平台系统框架研究［J］.地下空间与工程学报，2010（5）:893-899.