基于三维 GIS技术的城市地下空间数字化——以天津市塘沽为例

刘义勤,潘 懋,彭 博,蔡 明,李 鹏

(1.北京大学地球与空间科学学院,北京 100871;2.天津市滨海新区塘沽规划局,天津 300450)

基于三维 GIS技术的城市地下空间数字化
——以天津市塘沽为例

刘义勤1,潘 懋1,彭 博2,蔡 明2,李 鹏2

(1.北京大学地球与空间科学学院,北京 100871;2.天津市滨海新区塘沽规划局,天津 300450)

讨论基于三维 GIS的城市地下空间数字化技术——城市地下空间三维建模及地表地下空间一体化可视化技术,并介绍该技术在天津市塘沽的应用现状。

数字城市;城市地下空间;地质环境三维建模;地下设施三维建模;一体化可视化

一、概 述

数字城市建设方兴未艾[1-2]。20世纪 90年代末,国际上就有不少学者提出“21世纪是地下空间开发利用的世纪”,并预测 21世纪末将有三分之一的世界人口生活在地下空间[3]。时至今日,随着地铁在我国多个大中型城市成为重要的交通工具,上述预言在我国正逐步成为现实。城市地下空间三维建模包括两个重要部分:城市地质环境三维建模和地下城市设施三维建模。许多地下城市设施与地表城市设施是一个有机整体,这决定了城市地下空间的数字化研究必须结合地表空间的研究而开展,城市地表地下空间一体化可视化技术正是为了这一要求而研究。城市地下空间数字化必将成为数字城市的一个研究重点。

二、城市地下空间三维建模

数字城市的一个重要用途是辅助城市的规划和建设。城市地下空间的开发和建设不同于地表城市建设,其根本任务是在城市地表以下的地质体中进行挖掘施工,从而得到置放地下城市设施的空间。城市地质环境和地下城市设施是城市地下空间的物质基础,是城市地下空间数字化的主要研究对象。城市地下空间三维建模包括两个紧密结合的重要部分:地质环境三维建模和地下设施三维建模。

1.地质环境建模

城市地质环境包括工程地质条件、水文地质条件和构造地质条件[4]。本文重点讨论工程地质条件的三维建模,即建立工程地质层三维模型,其核心技术是三维地质建模[5]。本文依据钻孔数据建立工程地质层三维建模[6]。通过城市工程地质勘察得到的钻孔数据,包含了钻孔所在地下空间位置的地层中的分层情况和各层厚度。

基于钻孔的工程地质层三维建模方法可以分为三个阶段:钻孔建模、钻孔解译和三角剖分。天津市塘沽响螺湾商务区的钻孔模型如图 1所示。钻孔解译是指对钻孔模型中所包含的地层或工程地质层分界点、断层、褶皱和地层尖灭等信息的提取。三角剖分是指依据断层、褶皱或尖灭等信息,对地层分界点进行带约束的三角剖分。基于钻孔的工程地质层三维建模过程如图 2所示。天津市塘沽响螺湾商务区的工程地质层三维模型如图 3所示。

图 1 天津市塘沽响螺湾商务地区钻孔模型

2.地下设施建模

城市地下设施可以分为三类:地下建筑设施、地下交通设施和地下管网设施。

图 2 基于钻孔的地质环境三维建模流程图

图 3 天津市塘沽响螺湾商务区工程地质层三维模型

地下建筑设施可以分为两类:地表建筑的地下衍生和地下单体建筑。地上建筑的地下衍生主要指地表建筑的地下室。地下单体建筑包括地下住宅、地下工厂、地下仓库、地下办公场所、地下娱乐场所、地下文化场所等。地下建筑设施可以采用参数化建模或者基于 3dsMax等建模方式。参数化建模方法如图 4所示,其核心思想是,记录建筑物的水平投影图形以及其地上高度和地下深度,通过沿 Z轴“拉升”的方式建立三维模型。

图 4 现状建筑建模过程示意图

地下交通设施的建模对象主要有地铁隧道、地铁站、地下快速路通道和地下人行通道等,即地下隧道和地铁站。地下隧道也可以采用参数化建模方法或者基于 3dsMax的建模方式。地下隧道参数化建模方法如图 5所示,其基本思想是:记录隧道地面中心线各节点三维坐标以及隧道高和隧道拱高,基于上述参数,采用参数化建模方法[7],得到隧道起始点和拐点处的各个横截面,然后对两两相邻的横截面进行三角剖分,即可生成地下隧道的三维模型。

图 5 地下隧道建模过程示意图

地下管网设施的主要建模对象为地下综合管廊和地下管线。地下综合管廊是指在城市地下建设的一个隧道空间,它能将市政、电力、通信、燃气、给排水等各种管线集于一体置放。类似于地下隧道,地下综合管廊和地下管线也可以采用参数化建模方法,区别在于,地下综合管廊的横截面一般为矩形,建模参数为管廊的地面中心线以及其横截面的高度和宽度;地下管线的横截面一般为圆形,建模参数为管线的中心轴线和其横截面的半径。

天津市塘沽响螺湾商务区部分已规划 (地下)城市设施三维模型如图 6所示。

图 6 天津市塘沽响螺湾商务区部分已规划 (地下)城市设施三维模型

三、地表地下一体化可视化

通过地质环境三维建模和地下设施三维建模所得到的成果可能只是一群零散的三维模型。基于三维 GIS对上述三维模型进行数据组织,可以形成各类专题空间数据集,包括地质环境三维空间数据集、地下建筑三维空间数据集、地下交通三维空间数据集和地下管网三维空间数据集。通过三维GIS的针对三维空间数据集的渲染,主要是依据 GIS专题制图的思想,对三维模型赋予不同的颜色和纹理,从而可以形成一体化的可视化三维场景。本文基于自主研发的真三维 GIS平台 Creatar GIS,对天津市塘沽响螺湾商务区地下空间三维建模的地表地下一体化可视化效果如图 7、图 8所示。

图 7 响螺湾商务区地表与地下空间三维模型一体化可视化效果图 (整体)

图 8 响螺湾商务区地表与地下空间三维模型一体化可视化效果图 (局部)

四、结束语

长期以来,我国城市地下空间的开发处于一种无序状态,难以真正地纳入到城市规划的范围。计算机三维图形学的产生和发展,为城市地下空间的描述和表达提供了有力的技术支撑。它将看不见的地下空间使用计算机三维模型来表达,可以使人更加直观地了解地下空间,从而有助于对地下空间的管理,有助于地下空间的开发更好地纳入到城市规划的轨道。本文所论述的城市地下空间数字化技术,必将对更多城市的地下空间建设和管理起到积极的作用。

致谢:感谢天津市滨海新区塘沽规划局的蔡明、李鹏及其项目组,北京大学信息地质研究实验室的丛威青博士后、金毅博士,以及北京超维创想信息技术有限公司的李魁星博士、兰世明及其工作团队提供的支持和帮助。

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Digitalization of Urban Underground Space Based on 3DGIS:A Case Study of Tanggu,Tianjin C ity

L IU Yiqin,PAN Mao,PENGBo,CA IMing,L I Peng

0494-0911(2011)02-0045-03

P208

B

2010-04-07

国家自然科学基金(40742015);住房和城乡建设部 2009年科学技术项目计划——试点示范项目(信息化示范工程)(2009-S5-2)

刘义勤 (1982—),男,湖北荆州人,博士生,研究方向为信息地质学。