地下建筑物三维测绘技术的应用现状及发展前景

黄浩文

清远市清新区城乡建设测绘队 511800

摘要：随着城市建设和人口的快速增长，城市土地资源日益稀缺，有限的土地资源提供的地面空间远远不能满足城市社会经济发展的需求。城市土地资源开发利用的重点已从平面型地面空间开发利用向立体型地面地下一体化空间开发利用方向发展，地下空间的开发利用已经成为当前中国城市规划和建设的重要内容之一。因此，地下空间的管理应该成为当前土地资源管理的重要组成部分。本文介绍了地下建筑物的三维测量技术特点和三维可视化技术，并基于AutoCAD和SketchUp绘制了地下建筑物的三维地形图。三维表达的地下建筑物能给管理和规划人员直观地展示地下空间信息，且能进行各种量算和分析，可以帮助其进行分析决策。

关键词：地下建筑物；三维测绘技术；发展

地下建筑物是指在自然形成的溶洞内或由人工挖掘后进行建造的建筑物，即所有位于地表以下人工建造的物体，泛指各种生活、生产、防护的地下建筑物，如位于地下的铁路、车站、隧道、国防工程、车库和桩基等。本文探讨的地下建筑物主要是地下空间中除地下管线以外的人工建设的建筑物。地下建筑物一般由建筑物主体、外围护桩和桩基等3部分组成：地下建筑主要以地下的洞室和隧道作为主体工程，除了通向地面的出入口外，其余部分均在地面以下；外围护桩是指建筑在地下深基坑外围的支护结构，包括重力式搅拌桩挡墙、地下连续墙、桩列式挡墙等；桩基是指建筑物的桩基础，由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。地下空间实体很多，它包括地质构造、地下建筑物和地下管线等3类，地下建筑物与其他地下空间实体相比，具有形状规则和可进入等优点。与地上建筑物相比，它具有的特点见表1。

表1

1、三维测绘技术现状分析

对于三维测量仪器而言，目前常见的是卫星定位测量系统、摄影测量仪器、全站仪、三维激光扫描仪以及关节臂三坐标量测仪和激光跟踪仪。其中，前三种测量仪器均为我们日常工程测量中所熟知和常用的量仪器，而三维激光扫描技术则是近年来新出现的三维测绘仪器，以上测绘仪器分析如下：

1.1 卫星定位测量系统

对于卫星定位系统而言，其点位坐标是地心直角坐标系中的三维坐标，同时也是真正的三维测量，而且其测量精度非常的高，尤其是双频GPS点差分测量精度可达到毫米级。实践中需要注意的是一种错误操作方法，即将卫星定位结果转换至大地坐标系之中，使之与传统的三维测量结果对比，则差值一定会非常的大。之所以会出现这一问题，主要原因在于三维测量受大地水准面影响，其精度会受到不同程度的影响。

1.2 全站仪

全站仪是一个比较标准的三维测量仪器，能够同时测量距离和角度，全站仪有以下几个特点：第一，自动显示和计算数据；第二，多种数据记录和存储方式；第三，自动补偿水平角和垂直角；第四，气象改正和仪器常数改正；第五，激光对点器；第六，应用程序丰富，如：导线测量、悬高测量、后方交会等；第七，无合作目标测距。但是，在2+1维测量中，基准面是水准面，测量结果会受到大地水准面精度的影响。

1.3 三维激光扫描仪

三维激光扫描仪是一种新型的三维测量仪器，它的工作是根据激光测距原理，利用高速激光发射器瞬间测得目标的三维坐标值。该种仪器扫描速度非常的快，而且点位精度相对较高、点密度也非常的高，因此应用普及速度较快。实践中可以看到，这种仪器设备通常不依赖水准面，而且受大地水准面精度影响也非常的小。

2、地下建筑物三维测量技术

与地上测量工作不同，在测量地下建筑物的同时，其地面附属设施也应该被测量，这样在三维表达的时候能达到地上与地下的统一。另外，不仅要测量地下建筑物在水平方向上的位置，也需要测量地下建筑物的高度，或者采集地下建筑顶部点的高程和各种特征点，以确定地下建筑物的垂直位置和立体形状。目前，地下建筑物的测量可采用以下3项技术：

2.1全站仪测量技术

全站仪测量技术是目前使用最广泛的测量技术，它可以获取三维空间数据（包括Z坐标值），并且全站仪获取坐标数据的精度较高。全站仪采用的是特征点逐点采集的方法，其缺点是外业工作量大。

2.2激光测量技术

通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以通过返回坐标点的颜色RGB值和反射率值来区分不同地物。三维激光扫描仪采集数据的特点是采用点云采集的方式，速度快，缺点是内业工作量大。

以上两种方法只能从地下建筑物内部测量到内部特征点的三维坐标，其外部特征点还需要结合以下方法测量后推算得到。地下建筑物（构筑物）的墙体厚度可根据设计、竣工资料予以确定，没有竣工资料的墙体厚度可采用物探方法测定。探测墙体厚度的方法有测厚仪法和综合物探方法（地震影像法、地质雷达探测法、基桩反射波法等），其探测精度需要进行试验验证。

以上方法只能测绘建筑物主体，还不能测绘作为地下建筑物的重要组成部分外围护桩和桩基。这需要利用竣工图纸进行补充，才能完整地绘制地下建筑物。

2.3利用竣工图纸的技术

指利用已有的竣工图纸，或者已有的设计图进行测绘，对待测的点或者特征点采用图解法获得相应的坐标，通过标注的参数获取坐标点的Z值或者高程值。用此方法测绘地下建筑物時需要用前两种方法实地抽样检查，才能保证测绘的可靠性和准确性。该方法的优点是测绘比较全面且成本较低。

3、基于 AutoCAD 绘制地下建筑物的技术

AutoCAD 在较早期的版本中，由于不是专业三维建模软件，在三维模型的方面的表现一直不够理想。但由于三维模型在各行业中的应用越来越广泛，CAD近几年的版本着重对三维模型上的操作和表现效果方面进行了相应改进，可以满足多数三维建模的需求。

AutoCAD 在表达地面模型时，需要借助二次开发后的软件才能实现，如南方 CASS。但生成的三角网模型面不够平滑，柔化效果不理想。生成的格网模型是整体曲面，只能透明显示（如图1所示）。

图1 基于 AutoCAD 绘制的地下通道及局部效果

表示树木、路灯等地物的模型是通过多个三维实体和平面组成的块，当进行大范围显示时，由于此类型地物数据量较大，会较多地消耗系统内存，降低运行速度。在绘制非水平面和非垂直面的平面时，需要不断切换坐标系才能实现，操作比较繁琐。

4、基于 SketchUp 绘制地下建筑物的技术

SketchUp 一直以来作为专业的建模软件，在建模效率上有比较明显的优势，也有较好的数据兼容性，可以直接导入 CAD 底图和模型，也可以导入通用的 3D 数据格式文件，被各个行业所广泛应用。SketchUp 中的地形工具可以通过等高线直接构建地面模型，柔化效果比较理想（如图2所示）。但构建地面模型的运算效率较低。

图2 基于 SketchUp 绘制的地下通道及局部表达