三維地下空間管理系統(tǒng)建設(shè)及其應(yīng)用

蔣世峰，楊 槐，喬志勇，鐘水源

(廈門精圖信息技術(shù)股份有限公司，福建廈門361008)

一、引 言

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程，地下空間設(shè)施也迅速發(fā)展，包括地下管線、地下商場、地鐵、地下停車場不斷地進(jìn)行新建、擴(kuò)建或改建，但由于缺乏科學(xué)規(guī)劃、合理有序的開發(fā)，造成了城市擴(kuò)張的需求與城市土地資源緊缺的矛盾日益加劇。為了解決目前地下空間開發(fā)的無序和分布不均衡的狀況，需在全面查清地下設(shè)施分布情況的基礎(chǔ)上實現(xiàn)地下空間的信息化、動態(tài)化管理，從而為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理工作服務(wù)。

傳統(tǒng)的二維系統(tǒng)在展示時，需將立體建筑以平面形式投影在地表上，顯示不夠直觀形象，為了突出地上、地下建筑的層次感和地下設(shè)施間的關(guān)系，建設(shè)三維空間管理系統(tǒng)是十分必要的。三維空間管理系統(tǒng)可以幫助城市管理部門更加直觀、全面地了解地下設(shè)施埋設(shè)的總體情況，同時在顯示效果和信息量方面較二維系統(tǒng)都有很大地提升，系統(tǒng)在展示地上建筑的同時可以展示各類地下建(構(gòu))筑物、地下管線的情況，實現(xiàn)地上和地下空間的信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理，為城市規(guī)劃和管理工作提供更加有力的技術(shù)支持。

二、地下空間產(chǎn)品特點

地下空間管理信息系統(tǒng)是建立在三維建模技術(shù)、GIS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)之上，一款整合城市地下空間信息，加載城市地下空間三維模型庫，支持海量三維地理信息數(shù)據(jù)的共享、發(fā)布、瀏覽、分析等完整服務(wù)的三維平臺，提供可支持“數(shù)據(jù)—軟件—服務(wù)—應(yīng)用”四位一體的三維地理信息服務(wù)。

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大場景地面及地下設(shè)施要素的三維模型展示，模擬用戶從不同角度、不同高度查看地上和地下場景效果并達(dá)到實時切換的效果，同時保證圖形加載與顯示的速度，具備強大的三維分析功能，為用戶提供決策支持。下面對本系統(tǒng)的主要特點進(jìn)行介紹:

1.海量的數(shù)據(jù)存儲

系統(tǒng)能將海量的城市級數(shù)據(jù)進(jìn)行整合存儲，包括影像底圖數(shù)據(jù)、二維矢量數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)。首先是遙感影像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)支持海量的影像數(shù)據(jù)快速顯示，能融合多分辨率、不同采集周期的影像數(shù)據(jù)，進(jìn)而對多時像的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時展示;其次是二維矢量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能對多類型的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理，兼容ArcGIS、KingMap等多種二維地圖控件，同時將二維和三維場景在同一個界面中進(jìn)行聯(lián)動瀏覽;再次是三維模型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過緩存技術(shù)將城市級的地上和地下三維模型同時渲染，在突出了模型的層次感和直觀性的同時也做到了海量模型流暢展示的效果。

2.二三維聯(lián)動

二維矢量數(shù)據(jù)的流暢展示是很多三維平臺的最大瓶頸，但它又為三維場景的可視區(qū)域互補提供了重要支持，為了解決這個難點，本系統(tǒng)將二維和三維地圖控件同時引入，在同一界面中分屏展示，實現(xiàn)范圍和方位多角度聯(lián)動的效果，達(dá)到了二三維可視區(qū)域互補的目的。當(dāng)三維聯(lián)動二維時，可以通過將二維地圖上改變指北針指向的方法實現(xiàn)三維視角變化的效果。

3.多場景展示

三維空間系統(tǒng)涉及地上和地下、室內(nèi)和室外多個場景的模型切換展示，其中地上模型包括:BRT橋梁、樓房、綠地、道路等;地下模型包括:地下商場及出入口、地下停車場、地下管線及井蓋設(shè)施、地下人防等。由于城市級真三維模型具有數(shù)據(jù)量大的特點，傳統(tǒng)三維渲染技術(shù)很難將如此大的多種三維場景同時渲染，本系統(tǒng)通過技術(shù)手段的處理實現(xiàn)了海量三維模型數(shù)據(jù)的瀏覽和管理，在地上和地下場景、室內(nèi)和室外間可以進(jìn)行連續(xù)、實時和平滑瀏覽和過渡。

4.數(shù)據(jù)編譯和發(fā)布

緩存技術(shù)是三維空間系統(tǒng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，緩存服務(wù)類型應(yīng)符合多方位應(yīng)用需求，可根據(jù)需要選擇融合緩存還是分圖層緩存。所謂融合緩存是將所有圖層疊加后再進(jìn)行緩存切片，并以服務(wù)的形式對外提供調(diào)用，如DEM和DOM數(shù)據(jù)發(fā)布可以采用此類模式;分圖層緩存是指將各圖層分別進(jìn)行緩存切片達(dá)到獨立控制顯示和透明的效果，如半透明的道路面層、泥土效果的地下層、各類管線層等都可以進(jìn)行控制是否顯示、是否透明。

各類數(shù)據(jù)(包括影像、城市部件、地面、地下建筑及地下管線等)通過緩存工具加工處理后，即可編譯發(fā)布并在地圖中按順序分層展示，采用緩存技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯和發(fā)布既能大幅度地提高訪問地圖的速度，又能提升管理和渲染海量模型的效果。

三、地下空間效果展示

下面通過本系統(tǒng)主要功能的界面展示能對產(chǎn)品有更進(jìn)一步的了解。

1.地面建筑展示

由于地下空間建設(shè)在地表以下，需要以地面建筑作為空間位置的參考，因此地面建筑的準(zhǔn)確性和直觀性尤為重要。地面建筑模型的建設(shè)需要按照規(guī)范化和層次化的要求制作，具體包括實地拍照、3D建模、紋理貼圖、烘培渲染、編譯發(fā)布等步驟。

系統(tǒng)提供對地面建筑進(jìn)行多角度、多方位的瀏覽，提供等級縮放、平移、環(huán)繞觀察、最佳視角等操作，有利于更加便捷、直觀地瀏覽顯示城市建筑。圖1是地面建筑效果展示圖。

2.路面及城市部件展示

路面及城市部件包括:道路面、綠化帶、橋梁、廣告牌、交通燈、地下商場入口等。系統(tǒng)能立體呈現(xiàn)地面部件與地下空間的層次關(guān)系，實現(xiàn)地上和地下的建筑模型間無縫銜接的效果。圖2、圖3是路面及城市部件的效果展示圖。

圖1 地面建筑

圖2 路面及城市部件

圖3 路面及城市部件

3.地下空間關(guān)系展示

為了能明確、清晰地查看地上地下空間的相對位置關(guān)系，需要對模型進(jìn)行去貼圖化、半透化處理并構(gòu)建模型的邊緣線框。如圖4效果展示，白色是地上建筑占地面積，灰色是地下建筑占地范圍，在查看地下空間構(gòu)造時，通過對建筑模型進(jìn)行半透明處理，能解決因地面建筑的遮擋而不能全方位地觀察地下構(gòu)筑物空間位置關(guān)系的問題。

圖4 地下空間關(guān)系

系統(tǒng)的另一個亮點，當(dāng)模擬從地底下往上瀏覽時，使用了泥土效果增加地下空間的朦朧感，達(dá)到了明顯區(qū)分地下泥土和地上空氣兩種介質(zhì)的效果，效果如圖5所示。

圖5 地下空間關(guān)系

4.地下構(gòu)筑物展示

相比于地面建筑建模注重于外墻的紋理貼圖，地下構(gòu)筑物的建模焦點則集中于構(gòu)筑物內(nèi)部的模型搭建，因此地下構(gòu)筑物建模需要通過多種手段摸清和調(diào)繪地下建筑及其設(shè)施的信息，通過信息化的手段進(jìn)行地下構(gòu)筑物模型構(gòu)建和入庫。效果如圖6、圖7所示，系統(tǒng)實現(xiàn)了對地下商場室內(nèi)瀏覽，模擬人在地下商場行走的效果。

圖6 地下商場鳥瞰圖

圖7 地下商場室內(nèi)圖

5.地下管線展示

系統(tǒng)通過對已有的二維管線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，由數(shù)據(jù)驅(qū)動方式向地下管網(wǎng)的三維化轉(zhuǎn)換，并通過建立設(shè)備模型庫實現(xiàn)將管道設(shè)備三維化處理，效果如圖8所示。

圖8 地下管線圖

6.二三維展示

系統(tǒng)能將三維和二維地圖分屏展示在同一界面中，進(jìn)而實現(xiàn)三維聯(lián)動二維、二維聯(lián)動三維，二三維的快速對比的效果如圖9所示。

圖9 二三維聯(lián)動

四、應(yīng)用領(lǐng)域

地下空間系統(tǒng)通過整合地下空間數(shù)據(jù)、屬性信息等專項信息數(shù)據(jù)，運用地理模型分析方法，為社會發(fā)展提供基礎(chǔ)性、公益性、全方位的地下空間管理解決方案，在城市地鐵、停車場、地下商場、地下管線建設(shè)等方面提供及時的決策依據(jù)和協(xié)調(diào)響應(yīng)服務(wù)。

1.地鐵應(yīng)用

隨著近幾年地鐵建設(shè)進(jìn)程的加速，由地鐵施工引起的沿線管線改遷工程規(guī)模越來越大，隨之而來的地下管線資料的管理和應(yīng)用問題日益突出。在傳統(tǒng)的管線資料管理模式下，圖文表格不統(tǒng)一，分類檢索速度慢，不利綜合分析，存在較多弊端。采用人工方式管理，資料更新維護(hù)效率低下，導(dǎo)致資料的現(xiàn)勢性較差。這些因素不但為管線施工頻出事故埋下隱患，也將給地鐵工程建設(shè)帶來不必要的損失。

另一方面，地鐵建設(shè)積累了大量的資料，用傳統(tǒng)的圖表不能完全表達(dá)信息的空間分布、巖層結(jié)構(gòu)等位置關(guān)系。地鐵沿線的三維地下空間管理系統(tǒng)的建立，能逼真反映地鐵沿線的空間分布情況，為工作者分析地面下開發(fā)狀態(tài)、合理地規(guī)范地鐵的建設(shè)、推動地下停車場和隧道的互通互連建設(shè)提供了參考依據(jù)。

2.停車場應(yīng)用

“停車難”是伴隨城市發(fā)展而衍生的“城市病”，也是市委市政府亟待解決的問題。在城市地表寸土寸金的今天，地下空間已成為停車場建設(shè)的主要方向。另外地下停車場一旦開發(fā)規(guī)劃建設(shè)，很難推倒重新建設(shè)，如不合理利用，將會造成不可彌補的損失。

掌握地下空間信息，合理選址建設(shè)地下停車場，增加停車位總量，結(jié)合錯時停車、智能誘導(dǎo)等措施提高停車位利用率，將在解決城市停車難的問題上發(fā)揮巨大的潛能。通過三維地下空間系統(tǒng)全面掌握城市地下空間信息，是規(guī)范高效開展地下空間規(guī)劃、建設(shè)管理工作的基礎(chǔ)條件。在地下三維空間平臺的基礎(chǔ)上搭建的停車信息系統(tǒng)，即可以兼顧三維停車信息服務(wù)，又可以利用地下停車場運營服務(wù)對地下商場進(jìn)行招商。

3.地下管線應(yīng)用

目前，全國許多城市已經(jīng)開展地下管線信息化建設(shè)工作，實現(xiàn)城市地下主干管網(wǎng)的信息化管理，使地下管線事故發(fā)生率有了明顯的降低。盡管如此，電力、供水等地下管線事故造成大面積、長時間停電停水的情況仍無法杜絕。舊城區(qū)道路上密布的窨井造成的傷人事故也日益為公眾所關(guān)注。繼續(xù)完善地下管線信息數(shù)據(jù)，以三維可視化技術(shù)直觀模擬地面開挖，在事故發(fā)生時迅速提供應(yīng)急處理信息，可以進(jìn)一步降低管線事故，提高事故處理效率。

另外，三維地下空間系統(tǒng)能夠更直觀地掌握地下管線建設(shè)過程中的各種問題，從而為城市規(guī)劃和建設(shè)提供輔助決策的作用，如通過水平垂直方向的三維關(guān)系全面分析地下管廊規(guī)劃建設(shè)的難度、供水管線漏水影響的地下建筑、反復(fù)破路開挖造成的管線埋深變化等問題。

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)是將地下空間二三維數(shù)據(jù)庫進(jìn)行整合，能夠從不同視角、不同方位動態(tài)展示地面建筑、橋梁、綠地及地下商場、管線、停車場等信息，其直觀靈活的地下三維表現(xiàn)形式的特點對于輔助城市規(guī)劃設(shè)計，避免重復(fù)建設(shè)造成的浪費起了重要作用。本文通過討論三維地下空間系統(tǒng)的特點以及在地鐵、停車場、管線建設(shè)等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，希望能為城市擁堵、公眾出行、管線事故的減少提供技術(shù)支持。

［1］盧濟(jì)威.城市設(shè)計機(jī)制與創(chuàng)作實踐［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2005