地下建筑物三维测绘技术初探

郭 岚，陈 迅，杨永崇

（1.西安科技大学测绘学院，陕西西安 710054；2.四川省基础地理信息中心，四川成都 610041）

一、引 言

随着城市建设和人口的快速增长，城市土地资源日益稀缺，有限的土地资源提供的地面空间远远不能满足城市社会经济发展的需求。城市土地资源开发利用的重点已从平面型地面空间开发利用向立体型地面地下一体化空间开发利用方向发展，地下空间的开发利用已经成为当前中国城市规划和建设的重要内容之一。因此，地下空间的管理应该成为当前土地资源管理的重要组成部分［1］。

地下空间信息是城市规划建设的基础，尤其是当地下建筑越来越多的时候，地下空间信息是否完备准确，对于规划、设计、施工都至关重要；而相对于地上资料，当前地下资料在系统性、可靠性、现势性方面都相对较差，因此，发展地下空间信息化并施行信息化管理是城市建设的迫切需要。实现地下空间信息处理的量化、可视化、实时更新与资源共享是城市建设部门、管理部门、服务部门实现现代化管理的必备条件［2］。

就目前最主要的地下建筑物地铁来说，地铁信息化包括设计规划信息化、施工监测信息化、工程资料管理信息化、生产运营信息化等几大方面，从国内外研究成果来看，目前地铁信息化建设主要集中在施工和运营方面，在规划设计信息化方面研究得较少，但近来要求对地下空间进行立体规划设计的呼声越来越高，可以预见不久的将来地下空间的立体规划将成为研究热点。与地铁信息相比，地下停车场、地下街等信息化的相关研究比较少，但其信息化再现无疑是重要的，特别是在城市规划、施工建设、车辆导航等方面，都有十分重要的意义，已有学者注意到了这些问题［2］。

二、地下建筑物概述

地下建筑物是指在自然形成的溶洞内或由人工挖掘后进行建造的建筑物，即所有位于地表以下人工建造的物体，泛指各种生活、生产、防护的地下建筑物，如位于地下的铁路、车站、隧道、国防工程、车库和桩基等。本文探讨的地下建筑物主要是地下空间中除地下管线以外的人工建设的建筑物。

地下建筑物一般由建筑物主体、外围护桩和桩基等3部分组成:地下建筑主要以地下的洞室和隧道作为主体工程，除了通向地面的出入口外，其余部分均在地面以下；外围护桩是指建筑在地下深基坑外围的支护结构，包括重力式搅拌桩挡墙、地下连续墙、桩列式挡墙等；桩基是指建筑物的桩基础，由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。

地下空间实体很多，它包括地质构造、地下建筑物和地下管线等3类，地下建筑物与其他地下空间实体相比，具有形状规则和可进入等优点。与地上建筑物相比，它具有的特点见表1。

三、地下建筑物测绘技术现状

地下工程测量包括地下建筑物的施工测量、竣工测量和变形监测，它主要服务于地下工程建设［3］，其成果不能直接服务于地下空间信息化。城市地下空间测绘是实现地下空间信息化的重要举措，它是一个全新的测绘研究领域，目前国内进行该领域研究成果文献报道很少。目前还没有服务于城市地下空间规划和管理的较为成熟的测绘技术。

表1

虽然已有学者探讨了地下建筑物的测绘，但大都是基于传统的二维测绘技术进行的［4］。目前的大比例尺地形图图式只规定了表达地下建筑物出、入口和地下通道的表示方法，对于较为复杂的地下建筑物，还没有规定具体的表达方法。传统的二维测绘技术无法表达出地下建筑物的空间立体结构，无法判读地下建筑物在垂直方向离地面的距离，不能实现空间方面的量算和分析，即三维的量算和分析。在城市地下建筑物越来越多的时候，二维数字地形图负载空间太小，很难直观、清晰地表达同一垂直空间上多个地物的问题。因为很难沿用传统的二维测绘技术测绘地下建筑物，所以本文提出了三维测绘地下建筑物的设想。

四、地下建筑物三维测量技术

与地上测量工作不同，在测量地下建筑物的同时，其地面附属设施也应该被测量，这样在三维表达的时候能达到地上与地下的统一。另外，不仅要测量地下建筑物在水平方向上的位置，也需要测量地下建筑物的高度，或者采集地下建筑顶部点的高程和各种特征点，以确定地下建筑物的垂直位置和立体形状。目前，地下建筑物的测量可采用以下3项技术:

1）全站仪测量技术:全站仪测量技术是目前使用最广泛的测量技术，它可以获取三维空间数据（包括Z坐标值），并且全站仪获取坐标数据的精度较高。全站仪采用的是特征点逐点采集的方法，其缺点是外业工作量大。

2）激光测量技术:通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以通过返回坐标点的颜色RGB值和反射率值来区分不同地物。三维激光扫描仪采集数据的特点是采用点云采集的方式，速度快，缺点是内业工作量大。

以上两种方法只能从地下建筑物内部测量到内部特征点的三维坐标，其外部特征点还需要结合以下方法测量后推算得到。地下建筑物（构筑物）的墙体厚度可根据设计、竣工资料予以确定，没有竣工资料的墙体厚度可采用物探方法测定。探测墙体厚度的方法有测厚仪法和综合物探方法（地震影像法、地质雷达探测法、基桩反射波法等），其探测精度需要进行试验验证［1］。

以上方法只能测绘建筑物主体，还不能测绘作为地下建筑物的重要组成部分外围护桩和桩基。这需要利用竣工图纸进行补充，才能完整地绘制地下建筑物。

3）利用竣工图纸的技术:指利用已有的竣工图纸，或者已有的设计图进行测绘，对待测的点或者特征点采用图解法获得相应的坐标，通过标注的参数获取坐标点的Z值或者高程值。用此方法测绘地下建筑物时需要用前两种方法实地抽样检查，才能保证测绘的可靠性和准确性。该方法的优点是测绘比较全面且成本较低。

五、地下建筑物的三维可视化

1.地下建筑物的三维建模技术

不同的测量方法，采用的建模方法和使用的软件有所不同。全站仪测量数据一般直接导入Auto-CAD，然后利用它的三维绘图功能进行建模；三维激光扫描仪的测量数据是通过专业的配套软件进行点云的处理，再导入三维建模软件进行建模；竣工图纸可以用原有电子版竣工图，也可以使用图纸进行扫描矢量化，然后在AutoCAD中图解和推算各特征点的三维坐标，同时进行建模。虽然建模方法各有不同，但是总体流程大致相同:先根据特征点的测量数据，绘制出地下建筑二维平面图，在平面图的基础上进行三维建模。绘制的一般顺序是由下到上逐层绘制，先绘制地下部分，再绘制地面模型，最后绘制地面上的地物。也可以把各部分分开进行处理、建模，最后整合在一起。

本文通过在AutoCAD和SketchUp两种建模软件中进行建模试验，利用西安南门地下通道的实测数据，对地下建筑物三维可视化技术进行了初探。建模过程中的应注意的几个技术问题总结如下:

1）地表面是一个复杂的空间曲面，对于地面模型，通常采用TIN模型或者格网模型表示，其中地下建筑在地面的出入口部分，需要进行特殊考虑和处理，不能让其封闭。

2）对于地面的各种地物模型（如路灯、行道树、交通标志牌等），为提高绘图效率，可建立相应的符号库绘制。

3）因受测量误差影响，理论上应该是规则的平面（平面、垂面或斜面），测量后可能受误差的影响而产生扭曲，建模时，应该当规则的平面绘制。在表达地上、地下三维模型的时候，最好采用实体和面相结合的方式表示，地上部分的建筑、路灯或树木采用实体模型，地下部分的墙面采用面模型进行表达。

2.基于AutoCAD绘制地下建筑物的技术

AutoCAD在较早期的版本中，由于不是专业三维建模软件，在三维模型的方面的表现一直不够理想。但由于三维模型在各行业中的应用越来越广泛，CAD近几年的版本着重对三维模型上的操作和表现效果方面进行了相应改进，可以满足多数三维建模的需求。

AutoCAD在表达地面模型时，需要借助二次开发后的软件才能实现，如南方CASS。但生成的三角网模型面不够平滑，柔化效果不理想。生成的格网模型是整体曲面，只能透明显示（如图1所示）。

图1 基于AutoCAD绘制的地下通道及局部效果

表示树木、路灯等地物的模型是通过多个三维实体和平面组成的块，当进行大范围显示时，由于此类型地物数据量较大，会较多地消耗系统内存，降低运行速度。

在绘制非水平面和非垂直面的平面时，需要不断切换坐标系才能实现，操作比较繁琐。

3.基于SketchUp绘制地下建筑物的技术

SketchUp一直以来作为专业的建模软件，在建模效率上有比较明显的优势，也有较好的数据兼容性，可以直接导入CAD底图和模型，也可以导入通用的3D数据格式文件，被各个行业所广泛应用。

SketchUp中的地形工具可以通过等高线直接构建地面模型，柔化效果比较理想（如图2所示）。但构建地面模型的运算效率较低。

图2 基于SketchUp绘制的地下通道及局部表达

表示树木、路灯等地物的模型是通过多个三维实体和平面组成的组件，当进行大范围显示时，同样会较多地消耗系统内存，降低运行速度。

4.结 论

1）基于AutoCAD和SketchUp绘制的三维地下建筑物地图可以像二维地图一样分层显示、编辑修改和量算分析。

2）在不同软件环境中，三维模型可以直接绘制，也可以使用通用三维格式导入模型。但在直接导入模型的时候，有些曲面需要单独处理。为了保持模型比例的一致性，以及方便文件格式之间的相互转化，在不同的建模软件环境中，要保持其度量单位一致。

3）虽然SketchUp、AutoCAD等三维绘图软件各有绘图和使用方面的优势，但相比之下Skyline软件在三维地图的应用方面的优势较为明显，它能在三维场景下进行各种规划和设计方面的分析量算，是目前规划和设计人员看好的规划设计软件。

六、结束语

三维表达的地下建筑物能精确、细致地反映地下建筑物水平与竖直方向的位置或深度，为管理和规划人员直观地展示地下空间信息，且能进行各种量算和分析，可以帮助其进行分析决策。因此，地下建筑物的三维测绘技术及据此建立的地下空间信息系统可广泛应用于城市地下空间规划、城市地下空间管理以及城市地下建筑物内部管理。城市地下建筑物因其独特的空间特征，对测绘技术提出了新的要求，尤其在表达方面，因此对地下建筑物测绘的新理论、新技术的研究和开发将是测绘科学研究的重要内容之一。

［1］ 王超领，岳东杰，王瑞，等.城市地下空间三维地籍的建立研究［J］.测绘科学，2009，34（6）:15-16，58.

［2］ 张芳，朱合华，吴江斌.城市地下空间信息化研究综述［J］.地下空间与工程学报，2006，2（2）:306-310.

［3］ 赵吉先，吕开云，聂运菊.地下工程测量发展回顾与展望［J］.测绘通报，2006（10）:51-52.

［4］ 黎树禧，俞永平.广州市城市地下空间测量技术研究［J］.测绘通报，2011（9）:45-47.

［5］ 朱良峰，庄智一.城市地下空间信息三维数据模型研究［J］.华东师范大学学报:自然科学版，2009（2）:29-40.

［6］ 郭岚.3维数字地形图及其应用的研究［J］.测绘通报，2002（5）:10-11.

［7］ 郭岚，杨永崇，唐红涛.三维数字地形图及其地形、地物表达方式探讨［J］.工程勘察，2009，37（4）:67-71.

［8］ 杨永崇，胡楠，郭岚.三维数字地形图测绘技术研究［J］.测绘通报，2011（1）:75-77.