常州市城市地下空間數(shù)據(jù)采集及測(cè)量方法應(yīng)用

徐東風(fēng)，高俊強(qiáng)，謝文國(guó)

（南京工業(yè)大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，江蘇 南京210000）

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市土地可利用資源越來(lái)越少，地下空間的開發(fā)利用已成為人類生活空間的新拓展，地下空間開發(fā)利用和管理越來(lái)越重要。同時(shí)，城市地下空間是智慧城市的基礎(chǔ)和重要組成部分，是現(xiàn)代化城市高效、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保證。本文主要對(duì)常州市武進(jìn)區(qū)地下空間的測(cè)量方法、地下空間要素分類及編碼方法進(jìn)行論述，對(duì)地下空間要素表達(dá)以及最終成果入庫(kù)進(jìn)行探索研究，實(shí)現(xiàn)地下工程空間信息的入庫(kù)統(tǒng)一化管理，為以后城市發(fā)展軌道交通，或其它地下工程提供可靠、系統(tǒng)的地下空間數(shù)據(jù)。

1 常州市武進(jìn)區(qū)地下空間數(shù)據(jù)采集流程

武進(jìn)城區(qū)地下空間數(shù)據(jù)測(cè)繪項(xiàng)目主要采用全野外數(shù)字化法進(jìn)行成圖，主要包括地下建（構(gòu)）筑物的測(cè)繪定位、屬性調(diào)查、地下建（構(gòu)）筑物的數(shù)字化與數(shù)據(jù)入庫(kù)等工作。具體測(cè)繪技術(shù)流程如圖1所示。

2 地下空間數(shù)據(jù)分類與編碼

2.1 分類編碼原則

建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)就是對(duì)地下空間要素進(jìn)行分類和編碼，這直接影響到系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的組織、采集、存取、編輯和使用等方面，更影響到數(shù)據(jù)的共享和交換，必須標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、合理。要素分類既能反映要素的類型特征，又能反映要素的屬性、要素間相互關(guān)系，具有完整性，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在要素的擴(kuò)展信息上要具有可擴(kuò)展項(xiàng)。

2.2 編碼方式

武進(jìn)區(qū)地下空間數(shù)據(jù)測(cè)繪涉及的地下建（構(gòu)）筑物設(shè)施代碼為層次碼結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)編碼方法根據(jù)地下空間的類別、實(shí)際需求進(jìn)行編碼，由阿拉伯?dāng)?shù)字加上層數(shù)附加碼表示。地下建（構(gòu)）筑物的信息代碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 地下空間作業(yè)流程

圖2 地下建（構(gòu)）筑物信息的代碼結(jié)構(gòu)示意圖

1）第一層為“設(shè)施功能代碼“，完全按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市地下空間設(shè)施分類與代碼》，用于標(biāo)識(shí)城市地下空間設(shè)施主要功能，取值如表1所示。

表1 城市地下空間設(shè)施功能分類代碼表

2）第二層為“功能主特征代碼”，作為上位類“設(shè)施功能代碼”的細(xì)分，用于標(biāo)識(shí)“設(shè)施功能”的最主要特征，取值范圍為01～99；

3）第三層為“設(shè)施實(shí)體類代碼”，用于標(biāo)識(shí)城市地下空間某種設(shè)施功能相對(duì)應(yīng)的設(shè)施實(shí)體分類，取值范圍為01～99；

4）第四層為“要素碼”，用于標(biāo)識(shí)地下空間設(shè)施內(nèi)部各類通用地理信息的要素，設(shè)定通用的地下空間內(nèi)部地理信息要素不按照設(shè)施功能類別進(jìn)行分類，第一層至第三層代碼補(bǔ)“00”；第四層要素碼取值“00”時(shí)為標(biāo)識(shí)地下空間總范圍線要素，取值“01”時(shí)為標(biāo)識(shí)地下空間層次范圍線要素（見表2）。

表2 要素碼分類代碼表

3 地下空間數(shù)據(jù)采集測(cè)量方法及技術(shù)要求

3.1 數(shù)據(jù)采集方法

采集地下空間數(shù)據(jù)信息，在精度允許的情況下，一般可采用內(nèi)業(yè)數(shù)字化與實(shí)測(cè)相結(jié)合以及外業(yè)全實(shí)測(cè)兩種方法。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)字化與實(shí)測(cè)相結(jié)合

根據(jù)已有的控制資料，測(cè)區(qū)內(nèi)有部分地下建（構(gòu)）筑物建筑施工設(shè)計(jì)圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、竣工圖等。實(shí)地調(diào)查地下空間實(shí)際情形與竣工圖件是否相符，在竣工后是否進(jìn)行了重建、裝修、翻新等改造。經(jīng)過(guò)大量實(shí)地調(diào)查，新建的地下空間項(xiàng)目竣工圖比較準(zhǔn)確，很少有變動(dòng)，但較早的一些地下空間項(xiàng)目變化較大，有很多人為的后期改造。在確認(rèn)竣工圖件與實(shí)地情形一致后，即進(jìn)入內(nèi)業(yè)矢量化階段。矢量化階段主要是為了確定地下空間要素的幾何形狀與相對(duì)位置，獲取地下空間平面矢量圖。具體內(nèi)容包含:圖件掃描、幾何糾正、要素矢量化。在考慮圖件伸縮、卷曲，甚至折疊、褶皺等形變的前提下，竣工圖件的幾何糾正宜采用仿射變換模型。

對(duì)已經(jīng)矢量化的圖紙進(jìn)行配準(zhǔn)，確定圖紙的地下空間所在的絕對(duì)位置，在搜集到的工程竣工圖件中包含總平面圖的情況下，可根據(jù)圖上標(biāo)注的控制點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)總平面圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后將地下空間平面矢量圖上建構(gòu)筑物的外輪廓線、總平面圖上相應(yīng)的地表建（構(gòu)）筑物的輪廓線進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)同名點(diǎn)完成配準(zhǔn)。當(dāng)沒有總平面圖，沒有已知坐標(biāo)時(shí)，要通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)確定地下空間平面矢量圖的具體位置，實(shí)測(cè)只需要選取一些可供定位的特征要素進(jìn)行，比如采集部分特征點(diǎn)平面坐標(biāo)、相對(duì)間距、分層上頂面（下底面）高程等。因?yàn)閷?shí)測(cè)只能測(cè)到地下建筑的內(nèi)墻面，所以要考慮到地下建筑的墻厚。

3.3 外業(yè)全實(shí)測(cè)

外業(yè)全實(shí)測(cè)主要分為:地上平面控制測(cè)量，地上高層控制測(cè)量，地下平面控制測(cè)量，地下高層控制測(cè)量，地下碎步測(cè)量。

地面控制測(cè)量在城市控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上加密控制點(diǎn)，在地下空間入口處附近開闊地區(qū)，采用了CZCORS－RTK的方式進(jìn)行首級(jí)控制點(diǎn)的布設(shè)與觀測(cè)。地面平面控制施測(cè)的精度為二級(jí)，當(dāng)?shù)孛嫫矫婵刂泣c(diǎn)測(cè)量采用CZCORS－RTK方式時(shí)，RTK平面測(cè)量技術(shù)指標(biāo)符合表3的規(guī)定。

表3 CZCORS－RTK主要技術(shù)指標(biāo)

地面高程控制點(diǎn)與平面控制點(diǎn)共點(diǎn)使用，高程測(cè)量采用四等水準(zhǔn)測(cè)量方式。水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)檢查無(wú)誤后進(jìn)行平差計(jì)算，確保最弱點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)的高程中誤差不大于2cm。

地下空間、地下平面控制測(cè)量根據(jù)地下建筑物的布局布設(shè)成閉合導(dǎo)線、附合導(dǎo)線或支導(dǎo)線。地下導(dǎo)線測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)符合表4的規(guī)定。

表4 圖根導(dǎo)線測(cè)量技術(shù)指標(biāo)

由于幾何水準(zhǔn)測(cè)量在高程測(cè)量中具有其獨(dú)特的高精度優(yōu)勢(shì)，因此，地下高程控制測(cè)量應(yīng)盡可能采用幾何水準(zhǔn)，而三角高程測(cè)量是在平面控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上布設(shè)三角高程網(wǎng)或高程導(dǎo)線。

碎步測(cè)量主要在地下，地下很多地方比較昏暗，光線不是很好，為了達(dá)到精度選用2″級(jí)帶極光和無(wú)棱鏡模式的全站儀進(jìn)行觀測(cè)，以減少由于光線不好帶來(lái)的麻煩。

3.4 技術(shù)要求

成圖規(guī)格:以單位地下空間實(shí)體為對(duì)象成圖，比例尺為1∶500，DLG圖形文件采用CAD的AutoCAD 2000格式保存，采用 Oracle Spatial進(jìn)行數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)。成果精度要求如表5所示。

表5 地下空間建（構(gòu)）筑物測(cè)繪精度要求

最大誤差為上述誤差的兩倍，對(duì)于表5要求的精度，以上介紹的測(cè)量方法用2″級(jí)全站儀都可以達(dá)到，但對(duì)于比較陳舊的地下空間（建筑物），作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜的，地下導(dǎo)線測(cè)量需用豎井聯(lián)系測(cè)量或其他特殊測(cè)量方法才能保證精度。還有一些地下空間工程很難到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的，比如較隱蔽的人防工程，測(cè)繪的難度較大，需要用軸線數(shù)據(jù)數(shù)字化處理后，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證來(lái)檢查，保證測(cè)量需要的精度。

4 地下空間數(shù)據(jù)入庫(kù)

地下空間數(shù)字化輸入的主要目的是將外業(yè)測(cè)繪、調(diào)查的原始數(shù)據(jù)資料進(jìn)行編輯、整理、檢查，形成準(zhǔn)確、完整的DWG格式數(shù)據(jù)成果，再進(jìn)行入庫(kù)。該數(shù)據(jù)是構(gòu)建地下空間數(shù)據(jù)庫(kù)的直接數(shù)據(jù)源。

地下空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)是以DWG格式的地下空間數(shù)據(jù)成果圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，經(jīng)過(guò)整理、編輯、拓?fù)涞炔襟E，以ArcGIS為入庫(kù)平臺(tái)。通過(guò)ArcSDE工具將圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)根據(jù)關(guān)聯(lián)信息導(dǎo)入Oracle Spatial數(shù)據(jù)庫(kù)。具體流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)入庫(kù)基本流程

系統(tǒng)數(shù)據(jù)成圖編輯軟件要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集整理、入庫(kù)等功能，其主要內(nèi)容包括:碎部點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算與展繪成圖、數(shù)據(jù)編輯、拓?fù)涮幚?、符?hào)化（包含點(diǎn)、線、面符號(hào)化）、屬性錄入、數(shù)據(jù)質(zhì)檢、數(shù)據(jù)入庫(kù)。

數(shù)據(jù)質(zhì)檢過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)檢項(xiàng)目比較多，如邏輯錯(cuò)誤、屬性錯(cuò)誤、面狀區(qū)域不閉合、無(wú)屬性線條存在等，如果采用一鍵質(zhì)檢圖形大的時(shí)候不僅要花費(fèi)大量時(shí)間，而且經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致死機(jī)。所以一般采取一項(xiàng)一項(xiàng)的質(zhì)檢方法，但這樣步驟繁瑣。把地下空間圖形分塊進(jìn)行一鍵質(zhì)檢，要求內(nèi)業(yè)圖形完成后進(jìn)行purge命令，把沒用的圖層清除掉，減少圖形中垃圾圖層，這樣才能快速有效地進(jìn)行質(zhì)檢，但對(duì)大圖整體快速一鍵質(zhì)檢的功能還沒有達(dá)到，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步完善。

5 新技術(shù)的推廣和在工程實(shí)例中的應(yīng)用

武進(jìn)區(qū)人民法院地下空間項(xiàng)目，采用了目前最為先進(jìn)的激光三維掃描儀技術(shù)對(duì)部分地下空間進(jìn)行測(cè)量，對(duì)建（構(gòu)）筑物進(jìn)行360°的全景掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件自動(dòng)匹配、成圖后，再生產(chǎn)地下空間專題圖。三維掃描點(diǎn)云配準(zhǔn)主要采用基于特征的配準(zhǔn)，基于特征的配準(zhǔn)是指利用從點(diǎn)云中提取的幾何特征，如角點(diǎn)、邊緣、面等特征。這種方法的精度主要取決于特征點(diǎn)的實(shí)測(cè)精度和特征點(diǎn)提取精度。所以只要實(shí)測(cè)圖中特征點(diǎn)精度符合技術(shù)要求，保證提取精度，配準(zhǔn)精度就有保障，可以達(dá)到技術(shù)要求的精度。工程實(shí)踐表明三維激光掃描系統(tǒng)具有速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。圖4、圖5為對(duì)武進(jìn)區(qū)人民法院進(jìn)行三維激光掃描及數(shù)據(jù)處理得到的效果圖。

圖4 武進(jìn)區(qū)人民法院掃尾激光掃面圖

圖5 武進(jìn)區(qū)人民法院掃尾激光掃面圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)常州武進(jìn)區(qū)地下空間項(xiàng)目的測(cè)量、編碼、成圖、入庫(kù)以及普查測(cè)繪工作方法的介紹，說(shuō)明城市地下空間信息的主要采集方法，以及城市地下空間信息對(duì)城市發(fā)展的重要性，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，運(yùn)用三維激光掃技術(shù)對(duì)武進(jìn)區(qū)地下空間項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)繪，通過(guò)實(shí)例看出三維激光掃描儀在對(duì)地下空間測(cè)繪時(shí)，具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。城市地下空間信息的系統(tǒng)化、統(tǒng)一化、智能化的管理不僅可以為地下空間的規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐，更有利于地下空間的合理開發(fā)和利用，對(duì)提升城市的規(guī)劃、建設(shè)和管理水平有著重要意義。

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