基于三維 GIS技術(shù)的城市地下空間數(shù)字化
——以天津市塘沽為例

劉義勤,潘 懋,彭 博,蔡 明,李 鵬

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,北京 100871;2.天津市濱海新區(qū)塘沽規(guī)劃局,天津 300450)

基于三維 GIS技術(shù)的城市地下空間數(shù)字化
——以天津市塘沽為例

劉義勤1,潘 懋1,彭 博2,蔡 明2,李 鵬2

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,北京 100871;2.天津市濱海新區(qū)塘沽規(guī)劃局,天津 300450)

討論基于三維 GIS的城市地下空間數(shù)字化技術(shù)——城市地下空間三維建模及地表地下空間一體化可視化技術(shù),并介紹該技術(shù)在天津市塘沽的應(yīng)用現(xiàn)狀。

數(shù)字城市;城市地下空間;地質(zhì)環(huán)境三維建模;地下設(shè)施三維建模;一體化可視化

一、概 述

數(shù)字城市建設(shè)方興未艾[1-2]。20世紀(jì) 90年代末,國際上就有不少學(xué)者提出“21世紀(jì)是地下空間開發(fā)利用的世紀(jì)”,并預(yù)測 21世紀(jì)末將有三分之一的世界人口生活在地下空間[3]。時至今日,隨著地鐵在我國多個大中型城市成為重要的交通工具,上述預(yù)言在我國正逐步成為現(xiàn)實(shí)。城市地下空間三維建模包括兩個重要部分:城市地質(zhì)環(huán)境三維建模和地下城市設(shè)施三維建模。許多地下城市設(shè)施與地表城市設(shè)施是一個有機(jī)整體,這決定了城市地下空間的數(shù)字化研究必須結(jié)合地表空間的研究而開展,城市地表地下空間一體化可視化技術(shù)正是為了這一要求而研究。城市地下空間數(shù)字化必將成為數(shù)字城市的一個研究重點(diǎn)。

二、城市地下空間三維建模

數(shù)字城市的一個重要用途是輔助城市的規(guī)劃和建設(shè)。城市地下空間的開發(fā)和建設(shè)不同于地表城市建設(shè),其根本任務(wù)是在城市地表以下的地質(zhì)體中進(jìn)行挖掘施工,從而得到置放地下城市設(shè)施的空間。城市地質(zhì)環(huán)境和地下城市設(shè)施是城市地下空間的物質(zhì)基礎(chǔ),是城市地下空間數(shù)字化的主要研究對象。城市地下空間三維建模包括兩個緊密結(jié)合的重要部分:地質(zhì)環(huán)境三維建模和地下設(shè)施三維建模。

1.地質(zhì)環(huán)境建模

城市地質(zhì)環(huán)境包括工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和構(gòu)造地質(zhì)條件[4]。本文重點(diǎn)討論工程地質(zhì)條件的三維建模,即建立工程地質(zhì)層三維模型,其核心技術(shù)是三維地質(zhì)建模[5]。本文依據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)建立工程地質(zhì)層三維建模[6]。通過城市工程地質(zhì)勘察得到的鉆孔數(shù)據(jù),包含了鉆孔所在地下空間位置的地層中的分層情況和各層厚度。

基于鉆孔的工程地質(zhì)層三維建模方法可以分為三個階段:鉆孔建模、鉆孔解譯和三角剖分。天津市塘沽響螺灣商務(wù)區(qū)的鉆孔模型如圖 1所示。鉆孔解譯是指對鉆孔模型中所包含的地層或工程地質(zhì)層分界點(diǎn)、斷層、褶皺和地層尖滅等信息的提取。三角剖分是指依據(jù)斷層、褶皺或尖滅等信息,對地層分界點(diǎn)進(jìn)行帶約束的三角剖分?；阢@孔的工程地質(zhì)層三維建模過程如圖 2所示。天津市塘沽響螺灣商務(wù)區(qū)的工程地質(zhì)層三維模型如圖 3所示。

圖 1 天津市塘沽響螺灣商務(wù)地區(qū)鉆孔模型

2.地下設(shè)施建模

城市地下設(shè)施可以分為三類:地下建筑設(shè)施、地下交通設(shè)施和地下管網(wǎng)設(shè)施。

圖 2 基于鉆孔的地質(zhì)環(huán)境三維建模流程圖

圖 3 天津市塘沽響螺灣商務(wù)區(qū)工程地質(zhì)層三維模型

地下建筑設(shè)施可以分為兩類:地表建筑的地下衍生和地下單體建筑。地上建筑的地下衍生主要指地表建筑的地下室。地下單體建筑包括地下住宅、地下工廠、地下倉庫、地下辦公場所、地下娛樂場所、地下文化場所等。地下建筑設(shè)施可以采用參數(shù)化建?；蛘呋?3dsMax等建模方式。參數(shù)化建模方法如圖 4所示,其核心思想是,記錄建筑物的水平投影圖形以及其地上高度和地下深度,通過沿 Z軸“拉升”的方式建立三維模型。

圖 4 現(xiàn)狀建筑建模過程示意圖

地下交通設(shè)施的建模對象主要有地鐵隧道、地鐵站、地下快速路通道和地下人行通道等,即地下隧道和地鐵站。地下隧道也可以采用參數(shù)化建模方法或者基于 3dsMax的建模方式。地下隧道參數(shù)化建模方法如圖 5所示,其基本思想是:記錄隧道地面中心線各節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)以及隧道高和隧道拱高,基于上述參數(shù),采用參數(shù)化建模方法[7],得到隧道起始點(diǎn)和拐點(diǎn)處的各個橫截面,然后對兩兩相鄰的橫截面進(jìn)行三角剖分,即可生成地下隧道的三維模型。

圖 5 地下隧道建模過程示意圖

地下管網(wǎng)設(shè)施的主要建模對象為地下綜合管廊和地下管線。地下綜合管廊是指在城市地下建設(shè)的一個隧道空間,它能將市政、電力、通信、燃?xì)狻⒔o排水等各種管線集于一體置放。類似于地下隧道,地下綜合管廊和地下管線也可以采用參數(shù)化建模方法,區(qū)別在于,地下綜合管廊的橫截面一般為矩形,建模參數(shù)為管廊的地面中心線以及其橫截面的高度和寬度;地下管線的橫截面一般為圓形,建模參數(shù)為管線的中心軸線和其橫截面的半徑。

天津市塘沽響螺灣商務(wù)區(qū)部分已規(guī)劃 (地下)城市設(shè)施三維模型如圖 6所示。

圖 6 天津市塘沽響螺灣商務(wù)區(qū)部分已規(guī)劃 (地下)城市設(shè)施三維模型

三、地表地下一體化可視化

通過地質(zhì)環(huán)境三維建模和地下設(shè)施三維建模所得到的成果可能只是一群零散的三維模型?；谌S GIS對上述三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)組織,可以形成各類專題空間數(shù)據(jù)集,包括地質(zhì)環(huán)境三維空間數(shù)據(jù)集、地下建筑三維空間數(shù)據(jù)集、地下交通三維空間數(shù)據(jù)集和地下管網(wǎng)三維空間數(shù)據(jù)集。通過三維GIS的針對三維空間數(shù)據(jù)集的渲染,主要是依據(jù) GIS專題制圖的思想,對三維模型賦予不同的顏色和紋理,從而可以形成一體化的可視化三維場景。本文基于自主研發(fā)的真三維 GIS平臺 Creatar GIS,對天津市塘沽響螺灣商務(wù)區(qū)地下空間三維建模的地表地下一體化可視化效果如圖 7、圖 8所示。

圖 7 響螺灣商務(wù)區(qū)地表與地下空間三維模型一體化可視化效果圖 (整體)

圖 8 響螺灣商務(wù)區(qū)地表與地下空間三維模型一體化可視化效果圖 (局部)

四、結(jié)束語

長期以來,我國城市地下空間的開發(fā)處于一種無序狀態(tài),難以真正地納入到城市規(guī)劃的范圍。計算機(jī)三維圖形學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展,為城市地下空間的描述和表達(dá)提供了有力的技術(shù)支撐。它將看不見的地下空間使用計算機(jī)三維模型來表達(dá),可以使人更加直觀地了解地下空間,從而有助于對地下空間的管理,有助于地下空間的開發(fā)更好地納入到城市規(guī)劃的軌道。本文所論述的城市地下空間數(shù)字化技術(shù),必將對更多城市的地下空間建設(shè)和管理起到積極的作用。

致謝:感謝天津市濱海新區(qū)塘沽規(guī)劃局的蔡明、李鵬及其項目組,北京大學(xué)信息地質(zhì)研究實(shí)驗(yàn)室的叢威青博士后、金毅博士,以及北京超維創(chuàng)想信息技術(shù)有限公司的李魁星博士、蘭世明及其工作團(tuán)隊提供的支持和幫助。

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劉義勤 (1982—),男,湖北荊州人,博士生,研究方向?yàn)樾畔⒌刭|(zhì)學(xué)。