基于GIS的地下空間數(shù)據(jù)管理服務(wù)系統(tǒng)研究

左春雷 馬亞敏 趙彪 吳迪 宋劍

摘要：地下空間數(shù)據(jù)的管理與服務(wù)在城市地下空間可持續(xù)發(fā)展建設(shè)中越來越受到重視。針對(duì)地下空間管理中存在的管理水平落后、數(shù)據(jù)量巨大、工作繁雜等問題，本文詳細(xì)研究系統(tǒng)框架與體系結(jié)構(gòu)，采用TEN+TIN 混合數(shù)據(jù)模型精細(xì)化三維地質(zhì)體建模方法，開發(fā)了地下空間數(shù)據(jù)管理服務(wù)系統(tǒng)，包括基于C/S 結(jié)構(gòu)的地下空間數(shù)據(jù)管理分析平臺(tái)和基于B/S 結(jié)構(gòu)的地下空間數(shù)據(jù)信息服務(wù)平臺(tái)，該系統(tǒng)可以顯著提高地下空間數(shù)據(jù)的管理水平與數(shù)據(jù)成果共享程度，為城市可持續(xù)發(fā)展添油助力。

關(guān)鍵詞：地下空間;3DGIS;地質(zhì)體;信息管理;C/S-B/S;

0引言

20世紀(jì)以來，隨著工業(yè)化、城市化速度不斷加快，我國城市地下空間開發(fā)利用快速增長，獲取的地下空間數(shù)據(jù)資料信息量呈指數(shù)增加[1]。由于技術(shù)條件限制，我國城市地下空間工作的信息化程度普遍不高，獲取的海量數(shù)據(jù)沒有得到有效地管理、可視化、再利用與共享，形成了數(shù)據(jù)需求與實(shí)際應(yīng)用的矛盾[2]。當(dāng)今社會(huì)，迫切需要一種途徑來解決這個(gè)矛盾，促進(jìn)城市地下空間的可持續(xù)發(fā)展。

1 地下空間數(shù)據(jù)管理分析平臺(tái)

1.1數(shù)據(jù)管理

（1）數(shù)據(jù)錄入

1）工程數(shù)據(jù)的來源一般為理正Access數(shù)據(jù)庫和巖土工程勘察技術(shù)報(bào)告，將每個(gè)導(dǎo)入的工程都賦予唯一編號(hào)，可防止工程重復(fù)錄入，也方便了日后工程數(shù)據(jù)的查詢與維護(hù)。

2）鉆孔與土層數(shù)據(jù)，也來源于理正Access數(shù)據(jù)庫，錄入鉆孔與圖層數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)鉆孔、土層都要附加一個(gè)“工程編號(hào)”，以區(qū)分不同工程下的鉆孔與土層，可在工程數(shù)據(jù)錄入時(shí)，同步錄入鉆孔與圖層數(shù)據(jù)，這樣可保證工程與鉆孔土層的一致性。

3）工程、鉆孔、土層相關(guān)的圖表、文檔，在錄入到數(shù)據(jù)庫時(shí)，為了日后的更新維護(hù)，要配置該圖表文檔的工程編號(hào)或者鉆孔、土層編號(hào)。

（2）數(shù)據(jù)查詢

1）點(diǎn)擊查詢

從圖形到屬性信息的圖文查詢，在地圖上選擇某圖元并點(diǎn)擊查詢，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)話框顯示該圖元的詳細(xì)信息和實(shí)體照片 ，包括屬性信息和空間信息。

2）條件查詢

從屬性信息到圖形的條件查詢，根據(jù)要查詢對(duì)象的屬性信息，可進(jìn)行多條件的復(fù)合查詢，，并將查詢到的對(duì)象其定位在屏幕中央。

1.2三維建模

1）三維地質(zhì)體建模

根據(jù)鉆孔、地層等數(shù)據(jù)，采用不規(guī)則四面體結(jié)構(gòu)（TEN）和三角面（TIN）混合數(shù)據(jù)模型[15-16]，動(dòng)態(tài)繪制三維地質(zhì)體模型，其具體步驟為：根據(jù)建模區(qū)域中的鉆孔數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出該區(qū)域內(nèi)所有的地層信息，按照地層沉積年代進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，得到該區(qū)域的“標(biāo)準(zhǔn)地層表”;以鉆孔空口位置為空間基準(zhǔn)，結(jié)合地層高度，采用三角剖分算法，生成不規(guī)則三角TIN 網(wǎng)，構(gòu)建地層三維模型的上下表面;按自下而上的順序，從各地層TIN開始，依次與上層層面進(jìn)行求交運(yùn)算，不斷新增地層控制點(diǎn)，修正TIN面，修正后的TIN面又參與到后續(xù)的運(yùn)算中;采用特定的算法將相臨地層的TIN面“縫合”成多層三棱柱空間模型;根據(jù)鉆孔上的地層節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行三棱柱四面體化，得更加精細(xì)的TEN作為三維單元;最終得到該區(qū)域較高精度的三維地質(zhì)體模型。

2）三維地質(zhì)體分析

a.地質(zhì)體剖切。在生成的三維地質(zhì)體模型上根據(jù)繪制多段線，生成地層縱剖面圖。

b.開挖土方量計(jì)算。在生成的三維地質(zhì)體模型上根據(jù)繪制的多邊形和設(shè)定的深度，模擬土方開挖。根據(jù)多邊形面積和深度，可計(jì)算出開挖土方量。

1.3三維信息集成管理

（1）三維模型信息管理

將地形三維模型，地物三維模型，包括居民區(qū)、建筑物、道理橋梁、綠地流水、樹木花草、人工構(gòu)筑等三維模型，和地下的鉆孔、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等三維模型信息，這三類地上下三維模型信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括模型的導(dǎo)入、模型屬性信息的維護(hù)和模型刪除等操作。

（2）地圖數(shù)據(jù)管理

地圖數(shù)據(jù)是指帶有空間位置的地理數(shù)據(jù)，包括實(shí)地測量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，ArcGIS 生產(chǎn)的SHP 數(shù)據(jù)、Layer 圖層數(shù)據(jù)和MAD 地圖文檔等數(shù)據(jù)，AutoCAD 生產(chǎn)的DWG、DXF 等矢量數(shù)據(jù)，正射影像、DEM 圖像等柵格數(shù)據(jù)，基于WMS 的在線地圖等，將以上所有的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化管理，方便日后數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)。

（3）文檔資料管理

將收集或者生產(chǎn)的工程報(bào)告、報(bào)表、剖面圖、平面圖、基巖地質(zhì)圖、地質(zhì)構(gòu)造分布圖、巖土工程勘察技術(shù)報(bào)告、水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告等文檔資料，進(jìn)行整合，按一定規(guī)則排序，將文檔資料的生產(chǎn)日期、入庫日期、文檔數(shù)據(jù)量的大小、格式、保密等級(jí)、存放路徑等統(tǒng)一的屬性信息，保存至數(shù)據(jù)庫，并可以對(duì)其進(jìn)行新增、編輯、更新、刪除等操作。

2 地下空間數(shù)據(jù)信息服務(wù)平臺(tái)

2.1地質(zhì)鉆孔

（1）地質(zhì)鉆孔在天地圖在線地圖上的空間分布。根據(jù)地質(zhì)鉆孔的空間信息，將地質(zhì)鉆孔繪制到天地圖在線地圖上，使鉆孔的空間分布一目了然。

（2）地質(zhì)鉆孔信息介紹。點(diǎn)擊在地圖上展示的鉆孔，查看鉆孔詳細(xì)信息。

（3）工程地質(zhì)鉆孔檢索與定位?？筛鶕?jù)工程名稱、工程編號(hào)檢索相關(guān)鉆孔，并將鉆孔定位到地圖上。

（4）動(dòng)態(tài)生成興趣區(qū)域的工程報(bào)告。在地圖動(dòng)態(tài)框選出感興趣的區(qū)域，便可生成該區(qū)域的工程報(bào)告。

2.2三維地質(zhì)

在線加載三維地質(zhì)體BIM 模型、傾斜O(jiān)SGB 模型，建筑物FBX、3DS常用類型模型等，三維實(shí)體模型的放大、縮小、漫游、刷新、量測、剖面等操作。

（1）工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型介紹。詳細(xì)介紹沈陽市工程地質(zhì)的特征、鉆孔數(shù)目、研究地層深度等詳細(xì)信息。

（2）重點(diǎn)區(qū)域模型演示。可以觀看高鐵站、飛機(jī)場等重點(diǎn)區(qū)域三維地質(zhì)模型的視頻演示。

（3）地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型及特殊建筑物模型信息預(yù)覽及下載。選擇模型后，可以查看該模型的詳細(xì)信息，有一定權(quán)限的話可以對(duì)其進(jìn)行下載。

2.3地質(zhì)圖庫

將地下空間數(shù)據(jù)分析管理平臺(tái)生成的基巖地質(zhì)圖、地質(zhì)構(gòu)造圖、工程剖面圖、鉆孔柱狀圖等發(fā)布成服務(wù)，列表展示在網(wǎng)頁上，用戶可以查看其概略圖、服務(wù)類型及更新日期，有權(quán)限的用戶才能打開該地質(zhì)圖進(jìn)行查看。

2.4資料庫

將收集到的無序的地下空間數(shù)據(jù)檔案資料，進(jìn)行整合歸類，整理成規(guī)則有序的檔案，對(duì)于公益性的、不涉密的檔案，免費(fèi)提供給民眾閱讀下載，對(duì)于用戶定制的或者機(jī)密性的檔案材料，需要一定的權(quán)限或者費(fèi)用才能下載使用。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)庫、3DGIS、互聯(lián)網(wǎng)、可視化等技術(shù)，為地下空間數(shù)據(jù)相關(guān)行業(yè)開發(fā)形成了一套完整高效的可視化管理與服務(wù)的系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的工作模式，優(yōu)化了工作流程，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。基本完成了沈陽市地下空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，和地下空間數(shù)據(jù)的可視化管理及信息分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)，為政府城市規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、環(huán)境治理等決策分析提供了基于網(wǎng)絡(luò)化、可視化、智能化的地下空間信息管理與服務(wù)的平臺(tái)，并已在沈陽城市建設(shè)中投入使用，并發(fā)揮著重要作用。

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