常州市城市地下空间数据采集及测量方法应用

徐东风，高俊强，谢文国

（南京工业大学 测绘学院，江苏 南京210000）

随着城市建设的快速发展，城市土地可利用资源越来越少，地下空间的开发利用已成为人类生活空间的新拓展，地下空间开发利用和管理越来越重要。同时，城市地下空间是智慧城市的基础和重要组成部分，是现代化城市高效、高速运转的基本保证。本文主要对常州市武进区地下空间的测量方法、地下空间要素分类及编码方法进行论述，对地下空间要素表达以及最终成果入库进行探索研究，实现地下工程空间信息的入库统一化管理，为以后城市发展轨道交通，或其它地下工程提供可靠、系统的地下空间数据。

1 常州市武进区地下空间数据采集流程

武进城区地下空间数据测绘项目主要采用全野外数字化法进行成图，主要包括地下建（构）筑物的测绘定位、属性调查、地下建（构）筑物的数字化与数据入库等工作。具体测绘技术流程如图1所示。

2 地下空间数据分类与编码

2.1 分类编码原则

建立空间数据库的基础就是对地下空间要素进行分类和编码，这直接影响到系统内数据的组织、采集、存取、编辑和使用等方面，更影响到数据的共享和交换，必须标准、规范、合理。要素分类既能反映要素的类型特征，又能反映要素的属性、要素间相互关系，具有完整性，数据标准在要素的扩展信息上要具有可扩展项。

2.2 编码方式

武进区地下空间数据测绘涉及的地下建（构）筑物设施代码为层次码结构，数据编码方法根据地下空间的类别、实际需求进行编码，由阿拉伯数字加上层数附加码表示。地下建（构）筑物的信息代码结构如图2所示。

图1 地下空间作业流程

图2 地下建（构）筑物信息的代码结构示意图

1）第一层为“设施功能代码“，完全按照国家标准《城市地下空间设施分类与代码》，用于标识城市地下空间设施主要功能，取值如表1所示。

表1 城市地下空间设施功能分类代码表

2）第二层为“功能主特征代码”，作为上位类“设施功能代码”的细分，用于标识“设施功能”的最主要特征，取值范围为01～99；

3）第三层为“设施实体类代码”，用于标识城市地下空间某种设施功能相对应的设施实体分类，取值范围为01～99；

4）第四层为“要素码”，用于标识地下空间设施内部各类通用地理信息的要素，设定通用的地下空间内部地理信息要素不按照设施功能类别进行分类，第一层至第三层代码补“00”；第四层要素码取值“00”时为标识地下空间总范围线要素，取值“01”时为标识地下空间层次范围线要素（见表2）。

表2 要素码分类代码表

3 地下空间数据采集测量方法及技术要求

3.1 数据采集方法

采集地下空间数据信息，在精度允许的情况下，一般可采用内业数字化与实测相结合以及外业全实测两种方法。

3.2 内业数字化与实测相结合

根据已有的控制资料，测区内有部分地下建（构）筑物建筑施工设计图、结构设计图、竣工图等。实地调查地下空间实际情形与竣工图件是否相符，在竣工后是否进行了重建、装修、翻新等改造。经过大量实地调查，新建的地下空间项目竣工图比较准确，很少有变动，但较早的一些地下空间项目变化较大，有很多人为的后期改造。在确认竣工图件与实地情形一致后，即进入内业矢量化阶段。矢量化阶段主要是为了确定地下空间要素的几何形状与相对位置，获取地下空间平面矢量图。具体内容包含:图件扫描、几何纠正、要素矢量化。在考虑图件伸缩、卷曲，甚至折叠、褶皱等形变的前提下，竣工图件的几何纠正宜采用仿射变换模型。

对已经矢量化的图纸进行配准，确定图纸的地下空间所在的绝对位置，在搜集到的工程竣工图件中包含总平面图的情况下，可根据图上标注的控制点坐标，对总平面图进行坐标转换，然后将地下空间平面矢量图上建构筑物的外轮廓线、总平面图上相应的地表建（构）筑物的轮廓线进行对比，根据同名点完成配准。当没有总平面图，没有已知坐标时，要通过实测来确定地下空间平面矢量图的具体位置，实测只需要选取一些可供定位的特征要素进行，比如采集部分特征点平面坐标、相对间距、分层上顶面（下底面）高程等。因为实测只能测到地下建筑的内墙面，所以要考虑到地下建筑的墙厚。

3.3 外业全实测

外业全实测主要分为:地上平面控制测量，地上高层控制测量，地下平面控制测量，地下高层控制测量，地下碎步测量。

地面控制测量在城市控制网的基础上加密控制点，在地下空间入口处附近开阔地区，采用了CZCORS－RTK的方式进行首级控制点的布设与观测。地面平面控制施测的精度为二级，当地面平面控制点测量采用CZCORS－RTK方式时，RTK平面测量技术指标符合表3的规定。

表3 CZCORS－RTK主要技术指标

地面高程控制点与平面控制点共点使用，高程测量采用四等水准测量方式。水准测量数据检查无误后进行平差计算，确保最弱点相对于起算点的高程中误差不大于2cm。

地下空间、地下平面控制测量根据地下建筑物的布局布设成闭合导线、附合导线或支导线。地下导线测量的技术指标符合表4的规定。

表4 图根导线测量技术指标

由于几何水准测量在高程测量中具有其独特的高精度优势，因此，地下高程控制测量应尽可能采用几何水准，而三角高程测量是在平面控制点的基础上布设三角高程网或高程导线。

碎步测量主要在地下，地下很多地方比较昏暗，光线不是很好，为了达到精度选用2″级带极光和无棱镜模式的全站仪进行观测，以减少由于光线不好带来的麻烦。

3.4 技术要求

成图规格:以单位地下空间实体为对象成图，比例尺为1∶500，DLG图形文件采用CAD的AutoCAD 2000格式保存，采用 Oracle Spatial进行数据组织与存储。成果精度要求如表5所示。

表5 地下空间建（构）筑物测绘精度要求

最大误差为上述误差的两倍，对于表5要求的精度，以上介绍的测量方法用2″级全站仪都可以达到，但对于比较陈旧的地下空间（建筑物），作业环境比较复杂的，地下导线测量需用竖井联系测量或其他特殊测量方法才能保证精度。还有一些地下空间工程很难到达现场的，比如较隐蔽的人防工程，测绘的难度较大，需要用轴线数据数字化处理后，然后通过现场验证来检查，保证测量需要的精度。

4 地下空间数据入库

地下空间数字化输入的主要目的是将外业测绘、调查的原始数据资料进行编辑、整理、检查，形成准确、完整的DWG格式数据成果，再进行入库。该数据是构建地下空间数据库的直接数据源。

地下空间数据库建设是以DWG格式的地下空间数据成果图作为基础数据源，经过整理、编辑、拓扑等步骤，以ArcGIS为入库平台。通过ArcSDE工具将图形数据和属性数据根据关联信息导入Oracle Spatial数据库。具体流程如图3所示。

图3 数据入库基本流程

系统数据成图编辑软件要求实现数据的采集整理、入库等功能，其主要内容包括:碎部点坐标计算与展绘成图、数据编辑、拓扑处理、符号化（包含点、线、面符号化）、属性录入、数据质检、数据入库。

数据质检过程中，对数据质检项目比较多，如逻辑错误、属性错误、面状区域不闭合、无属性线条存在等，如果采用一键质检图形大的时候不仅要花费大量时间，而且经常会导致死机。所以一般采取一项一项的质检方法，但这样步骤繁琐。把地下空间图形分块进行一键质检，要求内业图形完成后进行purge命令，把没用的图层清除掉，减少图形中垃圾图层，这样才能快速有效地进行质检，但对大图整体快速一键质检的功能还没有达到，需要对系统进一步完善。

5 新技术的推广和在工程实例中的应用

武进区人民法院地下空间项目，采用了目前最为先进的激光三维扫描仪技术对部分地下空间进行测量，对建（构）筑物进行360°的全景扫描，获取点云数据，经软件自动匹配、成图后，再生产地下空间专题图。三维扫描点云配准主要采用基于特征的配准，基于特征的配准是指利用从点云中提取的几何特征，如角点、边缘、面等特征。这种方法的精度主要取决于特征点的实测精度和特征点提取精度。所以只要实测图中特征点精度符合技术要求，保证提取精度，配准精度就有保障，可以达到技术要求的精度。工程实践表明三维激光扫描系统具有速度快、精度高等优点。图4、图5为对武进区人民法院进行三维激光扫描及数据处理得到的效果图。

图4 武进区人民法院扫尾激光扫面图

图5 武进区人民法院扫尾激光扫面图

6 结束语

本文通过对常州武进区地下空间项目的测量、编码、成图、入库以及普查测绘工作方法的介绍，说明城市地下空间信息的主要采集方法，以及城市地下空间信息对城市发展的重要性，结合实际工程项目，运用三维激光扫技术对武进区地下空间项目进行测绘，通过实例看出三维激光扫描仪在对地下空间测绘时，具有精度高、速度快等优点。城市地下空间信息的系统化、统一化、智能化的管理不仅可以为地下空间的规划设计和管理提供有效的数据支撑，更有利于地下空间的合理开发和利用，对提升城市的规划、建设和管理水平有着重要意义。

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