地下建筑物三維測繪技術(shù)初探

郭 嵐，陳 迅，楊永崇

（1.西安科技大學(xué)測繪學(xué)院，陜西西安 710054；2.四川省基礎(chǔ)地理信息中心，四川成都 610041）

一、引 言

隨著城市建設(shè)和人口的快速增長，城市土地資源日益稀缺，有限的土地資源提供的地面空間遠遠不能滿足城市社會經(jīng)濟發(fā)展的需求。城市土地資源開發(fā)利用的重點已從平面型地面空間開發(fā)利用向立體型地面地下一體化空間開發(fā)利用方向發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)成為當前中國城市規(guī)劃和建設(shè)的重要內(nèi)容之一。因此，地下空間的管理應(yīng)該成為當前土地資源管理的重要組成部分［1］。

地下空間信息是城市規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)，尤其是當?shù)叵陆ㄖ絹碓蕉嗟臅r候，地下空間信息是否完備準確，對于規(guī)劃、設(shè)計、施工都至關(guān)重要；而相對于地上資料，當前地下資料在系統(tǒng)性、可靠性、現(xiàn)勢性方面都相對較差，因此，發(fā)展地下空間信息化并施行信息化管理是城市建設(shè)的迫切需要。實現(xiàn)地下空間信息處理的量化、可視化、實時更新與資源共享是城市建設(shè)部門、管理部門、服務(wù)部門實現(xiàn)現(xiàn)代化管理的必備條件［2］。

就目前最主要的地下建筑物地鐵來說，地鐵信息化包括設(shè)計規(guī)劃信息化、施工監(jiān)測信息化、工程資料管理信息化、生產(chǎn)運營信息化等幾大方面，從國內(nèi)外研究成果來看，目前地鐵信息化建設(shè)主要集中在施工和運營方面，在規(guī)劃設(shè)計信息化方面研究得較少，但近來要求對地下空間進行立體規(guī)劃設(shè)計的呼聲越來越高，可以預(yù)見不久的將來地下空間的立體規(guī)劃將成為研究熱點。與地鐵信息相比，地下停車場、地下街等信息化的相關(guān)研究比較少，但其信息化再現(xiàn)無疑是重要的，特別是在城市規(guī)劃、施工建設(shè)、車輛導(dǎo)航等方面，都有十分重要的意義，已有學(xué)者注意到了這些問題［2］。

二、地下建筑物概述

地下建筑物是指在自然形成的溶洞內(nèi)或由人工挖掘后進行建造的建筑物，即所有位于地表以下人工建造的物體，泛指各種生活、生產(chǎn)、防護的地下建筑物，如位于地下的鐵路、車站、隧道、國防工程、車庫和樁基等。本文探討的地下建筑物主要是地下空間中除地下管線以外的人工建設(shè)的建筑物。

地下建筑物一般由建筑物主體、外圍護樁和樁基等3部分組成:地下建筑主要以地下的洞室和隧道作為主體工程，除了通向地面的出入口外，其余部分均在地面以下；外圍護樁是指建筑在地下深基坑外圍的支護結(jié)構(gòu)，包括重力式攪拌樁擋墻、地下連續(xù)墻、樁列式擋墻等；樁基是指建筑物的樁基礎(chǔ)，由基樁和連接于樁頂?shù)某信_共同組成。

地下空間實體很多，它包括地質(zhì)構(gòu)造、地下建筑物和地下管線等3類，地下建筑物與其他地下空間實體相比，具有形狀規(guī)則和可進入等優(yōu)點。與地上建筑物相比，它具有的特點見表1。

三、地下建筑物測繪技術(shù)現(xiàn)狀

地下工程測量包括地下建筑物的施工測量、竣工測量和變形監(jiān)測，它主要服務(wù)于地下工程建設(shè)［3］，其成果不能直接服務(wù)于地下空間信息化。城市地下空間測繪是實現(xiàn)地下空間信息化的重要舉措，它是一個全新的測繪研究領(lǐng)域，目前國內(nèi)進行該領(lǐng)域研究成果文獻報道很少。目前還沒有服務(wù)于城市地下空間規(guī)劃和管理的較為成熟的測繪技術(shù)。

表1

雖然已有學(xué)者探討了地下建筑物的測繪，但大都是基于傳統(tǒng)的二維測繪技術(shù)進行的［4］。目前的大比例尺地形圖圖式只規(guī)定了表達地下建筑物出、入口和地下通道的表示方法，對于較為復(fù)雜的地下建筑物，還沒有規(guī)定具體的表達方法。傳統(tǒng)的二維測繪技術(shù)無法表達出地下建筑物的空間立體結(jié)構(gòu)，無法判讀地下建筑物在垂直方向離地面的距離，不能實現(xiàn)空間方面的量算和分析，即三維的量算和分析。在城市地下建筑物越來越多的時候，二維數(shù)字地形圖負載空間太小，很難直觀、清晰地表達同一垂直空間上多個地物的問題。因為很難沿用傳統(tǒng)的二維測繪技術(shù)測繪地下建筑物，所以本文提出了三維測繪地下建筑物的設(shè)想。

四、地下建筑物三維測量技術(shù)

與地上測量工作不同，在測量地下建筑物的同時，其地面附屬設(shè)施也應(yīng)該被測量，這樣在三維表達的時候能達到地上與地下的統(tǒng)一。另外，不僅要測量地下建筑物在水平方向上的位置，也需要測量地下建筑物的高度，或者采集地下建筑頂部點的高程和各種特征點，以確定地下建筑物的垂直位置和立體形狀。目前，地下建筑物的測量可采用以下3項技術(shù):

1）全站儀測量技術(shù):全站儀測量技術(shù)是目前使用最廣泛的測量技術(shù)，它可以獲取三維空間數(shù)據(jù)（包括Z坐標值），并且全站儀獲取坐標數(shù)據(jù)的精度較高。全站儀采用的是特征點逐點采集的方法，其缺點是外業(yè)工作量大。

2）激光測量技術(shù):通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)。可以通過返回坐標點的顏色RGB值和反射率值來區(qū)分不同地物。三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)的特點是采用點云采集的方式，速度快，缺點是內(nèi)業(yè)工作量大。

以上兩種方法只能從地下建筑物內(nèi)部測量到內(nèi)部特征點的三維坐標，其外部特征點還需要結(jié)合以下方法測量后推算得到。地下建筑物（構(gòu)筑物）的墻體厚度可根據(jù)設(shè)計、竣工資料予以確定，沒有竣工資料的墻體厚度可采用物探方法測定。探測墻體厚度的方法有測厚儀法和綜合物探方法（地震影像法、地質(zhì)雷達探測法、基樁反射波法等），其探測精度需要進行試驗驗證［1］。

以上方法只能測繪建筑物主體，還不能測繪作為地下建筑物的重要組成部分外圍護樁和樁基。這需要利用竣工圖紙進行補充，才能完整地繪制地下建筑物。

3）利用竣工圖紙的技術(shù):指利用已有的竣工圖紙，或者已有的設(shè)計圖進行測繪，對待測的點或者特征點采用圖解法獲得相應(yīng)的坐標，通過標注的參數(shù)獲取坐標點的Z值或者高程值。用此方法測繪地下建筑物時需要用前兩種方法實地抽樣檢查，才能保證測繪的可靠性和準確性。該方法的優(yōu)點是測繪比較全面且成本較低。

五、地下建筑物的三維可視化

1.地下建筑物的三維建模技術(shù)

不同的測量方法，采用的建模方法和使用的軟件有所不同。全站儀測量數(shù)據(jù)一般直接導(dǎo)入Auto-CAD，然后利用它的三維繪圖功能進行建模；三維激光掃描儀的測量數(shù)據(jù)是通過專業(yè)的配套軟件進行點云的處理，再導(dǎo)入三維建模軟件進行建模；竣工圖紙可以用原有電子版竣工圖，也可以使用圖紙進行掃描矢量化，然后在AutoCAD中圖解和推算各特征點的三維坐標，同時進行建模。雖然建模方法各有不同，但是總體流程大致相同:先根據(jù)特征點的測量數(shù)據(jù)，繪制出地下建筑二維平面圖，在平面圖的基礎(chǔ)上進行三維建模。繪制的一般順序是由下到上逐層繪制，先繪制地下部分，再繪制地面模型，最后繪制地面上的地物。也可以把各部分分開進行處理、建模，最后整合在一起。

本文通過在AutoCAD和SketchUp兩種建模軟件中進行建模試驗，利用西安南門地下通道的實測數(shù)據(jù)，對地下建筑物三維可視化技術(shù)進行了初探。建模過程中的應(yīng)注意的幾個技術(shù)問題總結(jié)如下:

1）地表面是一個復(fù)雜的空間曲面，對于地面模型，通常采用TIN模型或者格網(wǎng)模型表示，其中地下建筑在地面的出入口部分，需要進行特殊考慮和處理，不能讓其封閉。

2）對于地面的各種地物模型（如路燈、行道樹、交通標志牌等），為提高繪圖效率，可建立相應(yīng)的符號庫繪制。

3）因受測量誤差影響，理論上應(yīng)該是規(guī)則的平面（平面、垂面或斜面），測量后可能受誤差的影響而產(chǎn)生扭曲，建模時，應(yīng)該當規(guī)則的平面繪制。在表達地上、地下三維模型的時候，最好采用實體和面相結(jié)合的方式表示，地上部分的建筑、路燈或樹木采用實體模型，地下部分的墻面采用面模型進行表達。

2.基于AutoCAD繪制地下建筑物的技術(shù)

AutoCAD在較早期的版本中，由于不是專業(yè)三維建模軟件，在三維模型的方面的表現(xiàn)一直不夠理想。但由于三維模型在各行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，CAD近幾年的版本著重對三維模型上的操作和表現(xiàn)效果方面進行了相應(yīng)改進，可以滿足多數(shù)三維建模的需求。

AutoCAD在表達地面模型時，需要借助二次開發(fā)后的軟件才能實現(xiàn)，如南方CASS。但生成的三角網(wǎng)模型面不夠平滑，柔化效果不理想。生成的格網(wǎng)模型是整體曲面，只能透明顯示（如圖1所示）。

圖1 基于AutoCAD繪制的地下通道及局部效果

表示樹木、路燈等地物的模型是通過多個三維實體和平面組成的塊，當進行大范圍顯示時，由于此類型地物數(shù)據(jù)量較大，會較多地消耗系統(tǒng)內(nèi)存，降低運行速度。

在繪制非水平面和非垂直面的平面時，需要不斷切換坐標系才能實現(xiàn)，操作比較繁瑣。

3.基于SketchUp繪制地下建筑物的技術(shù)

SketchUp一直以來作為專業(yè)的建模軟件，在建模效率上有比較明顯的優(yōu)勢，也有較好的數(shù)據(jù)兼容性，可以直接導(dǎo)入CAD底圖和模型，也可以導(dǎo)入通用的3D數(shù)據(jù)格式文件，被各個行業(yè)所廣泛應(yīng)用。

SketchUp中的地形工具可以通過等高線直接構(gòu)建地面模型，柔化效果比較理想（如圖2所示）。但構(gòu)建地面模型的運算效率較低。

圖2 基于SketchUp繪制的地下通道及局部表達

表示樹木、路燈等地物的模型是通過多個三維實體和平面組成的組件，當進行大范圍顯示時，同樣會較多地消耗系統(tǒng)內(nèi)存，降低運行速度。

4.結(jié) 論

1）基于AutoCAD和SketchUp繪制的三維地下建筑物地圖可以像二維地圖一樣分層顯示、編輯修改和量算分析。

2）在不同軟件環(huán)境中，三維模型可以直接繪制，也可以使用通用三維格式導(dǎo)入模型。但在直接導(dǎo)入模型的時候，有些曲面需要單獨處理。為了保持模型比例的一致性，以及方便文件格式之間的相互轉(zhuǎn)化，在不同的建模軟件環(huán)境中，要保持其度量單位一致。

3）雖然SketchUp、AutoCAD等三維繪圖軟件各有繪圖和使用方面的優(yōu)勢，但相比之下Skyline軟件在三維地圖的應(yīng)用方面的優(yōu)勢較為明顯，它能在三維場景下進行各種規(guī)劃和設(shè)計方面的分析量算，是目前規(guī)劃和設(shè)計人員看好的規(guī)劃設(shè)計軟件。

六、結(jié)束語

三維表達的地下建筑物能精確、細致地反映地下建筑物水平與豎直方向的位置或深度，為管理和規(guī)劃人員直觀地展示地下空間信息，且能進行各種量算和分析，可以幫助其進行分析決策。因此，地下建筑物的三維測繪技術(shù)及據(jù)此建立的地下空間信息系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于城市地下空間規(guī)劃、城市地下空間管理以及城市地下建筑物內(nèi)部管理。城市地下建筑物因其獨特的空間特征，對測繪技術(shù)提出了新的要求，尤其在表達方面，因此對地下建筑物測繪的新理論、新技術(shù)的研究和開發(fā)將是測繪科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。

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