地上地下一体化三维系统建设研究——以成都市为例

陈凯，曾诗晴，张俊，李骁，陈文典，范云松

(1.成都市勘察测绘研究院，四川 成都 610081； 2.四川省城市信息化测绘工程技术研究中心，四川 成都 610081)

1 引 言

城市化进程中不可避免地出现国土资源供需矛盾尖锐、城市承载能力不协调以及城市空间格局不合理等日益突出问题，大型地上地下空间开发利用呈现加速态势，在飞速发展的同时，也聚集了大量的风险[1]。探索人与自然和谐共生的可持续发展新路径，实现全面透彻的城市地上地下三维空间立体感知与认知，建立城市建设和政府管理的数字基底，已成为智慧城市发展建设和安全运维管理的必然趋势，亟须三维GIS技术提供支撑保障。

传统的数字化管理系统，大多针对特定需求专项定制，如城市地下三维管线系统、三维地质可视化系统以及规划辅助审批决策系统等，各管理系统工作模式相对独立[2]，缺乏共享交互接口；数据表达方式大相径庭，缺乏多层次、多粒度时空对象描述，难以支持复杂环境下多业务领域的协同分析和运维管理；且对于大范围市域级、城区级的三维GIS数据管理系统，几乎没有实景三维场景全覆盖的相关研究和实例[3]，难以满足政府对大范围实景三维场景和数字化综合管理系统的迫切需求。

本研究突破了传统二维地图“多张皮”和传统三维可视化GIS侧重外观展示的局限，利用三维GIS对海量空间地理数据强大的存储管理能力、综合分析能力和多层次可视化能力[4]，对城市真三维立体空间进行统一描述、组织和管理，准确直观地集成表达地上地形地貌、实景三维，地下管线、工程地质、建(构)筑物，室内设施、建筑结构以及国土规划、多测合一等专题数据，形成与现实世界一致的数字框架，实现全新模式的城市地上地下全空间信息一体化管理平台，为城市的总体规划、建设管理、智慧运营等工作提供真实精准的地理空间数据和综合分析展示，有利于政府管理部门全盘、直观地掌握城市空间资源，推动信息高度共享和数据深度应用。

2 系统设计

2.1 系统总体架构

地上地下一体化三维系统基于B/S模式，采用面向服务体系架构(SOA)理念，坚持数据、管理与应用相分离的原则，建立灵活装配式的扩展机制。系统的逻辑结构主要包括数据层、存储层、平台层和应用层四个层次，如图1所示。

数据层是地上地下一体化三维系统的基础，集成成都市试验区已有的地形影像、地下管线、工程地质、国土规划、多测合一等数据，形成城市全空间信息数据体系。利用天地空一体化观测数据，构建成都市中心城区全域范围高精度、可量测的实景三维场景，形成地上地下一体化三维系统的基础空间框架，为城市多维地理环境要素全面感知提供支撑。为保证城市全空间信息数据的高效存储组织以及网络安全环境下的协同共享，顾及空间数据和非空间数据特征，采用一体化数据管理技术，实现基础地理信息、专题数据、三维模型等空间数据以及视频、图表、文本、属性等非空间数据关联和集成管理。平台层即搭建城市地上地下数据于一体的三维综合管理平台，是城市全空间信息精准映射和协同融合的神经中枢和关键支撑，面向不同的应用需求，可为用户提供基于局域网环境的PC端系统、大屏可视化系统以及基于互联网的移动端App，通过人机交互获取相应服务，实现跨层级、跨部门、跨系统、跨业务的数据共享交换和业务协同[5]，为城市规划设计、建设管理、政务服务、智能监管、应急指挥等提供全生命周期的智能管理应用。

图1 地上地下一体化三维系统建设总体框架

2.2 系统功能设计

地上地下一体化三维系统功能设计如图2所示，主要可分为六个部分：多源数据接入、数据规范处理、三维场景构建、综合可视化分析、专题应用模块以及系统管理。依据各部门行业的数据标准规范，建立多种格式的数据入库和数据提取接口，实现对各系统不同类型数据入库的标准化和规范处理；针对不同的场景应用，实现地上实景三维场景和地下三维管线、工程地质模型等专题应用场景的一体化构建；为满足国土空间规划、地下空间可视化应用以及城市立体空间管理等不同业务需求，设计常规空间分析、地质实时开挖模拟、分层分户查询管理等辅助决策功能以及雨、雪、雾等虚拟气象模拟，实现真实和虚拟三维地理环境的沉浸式感知；系统管理功能则侧重数据安全运维、系统更新迭代以及应用服务接口。

图2 地上地下一体化三维系统建设功能体系

3 关键技术及功能

3.1 多模态时空数据集成管理和高效可视化

城市全空间信息数据具有多尺度、多时空、多维动态等特征，实现多模态时空数据的集成管理是系统搭建的关键。本研究从成都市已有数据特点及其逻辑结构出发，通过一套针对不同管理对象的索引机制，实现空间数据和非空间数据的统一管理，为地上地下一体化三维场景数据快速调度与流畅可视化提供数据底板支撑。

对于卫星遥感、航空影像、Lidar等多源传感器数据构建的大范围城区级实景三维地形模型，具有格网几何结构的相对规则、空间数据相对均衡的特征，则采用基于四叉树结构的规则格网剖分处理方法，以“均匀分块+金字塔分层”的方式实现实景三维地形场景数据组织和调度，相比传统二叉树方式在数据剖分、存储结构以及索引效率方面都具有明显优势[6]；对于数字航空摄影、倾斜航空摄影等数字摄影测量技术构建的高精度实景三维模型数据，顾及其结构复杂、纹理数量庞大等特征，通过创建几何对象索引、纹理LOD和Mash-LOD的空间层次结构索引模式实现模型数据的高效存储检索，并结合实时遮挡数据裁剪算法和数据动态装载技术，实现符合人眼视觉规律的多细节层次三维模型数据动态调度以及多尺度三维场景的快速浏览；对于地下管线普查数据、工程地质钻孔数据、以及城市规划报建和城市设计资料构建的三维模型，为了满足日常更新维护和编辑查询需要，则采用关系型数据库进行存储，通过空间数据引擎机制，以获取服务的方式灵活查询三维模型的空间和属性信息；其他国土规划、多测合一、公共专题、监测业务等数据，根据数据类型和结构特征，综合采用关系型数据库和非关系型数据库建立专题数据库存储，以满足不同业务部门管理需求。整个系统数据存储采用“云GIS”技术，将数据管理与应用服务进行分布式部署，满足各逻辑层的分离和独立，实现城市立体空间多源异构数据的高性能存储管理和灵活共享调用。多模态时空数据集成管理和高效可视化如图3所示。

图3 多模态时空数据集成管理和高效可视化

3.2 地下三维管线自动精细化建模

目前，成都市已累积了大量的管线普查数据，传统的二维管线普查数据库和地下管线档案资料已不能满足日趋复杂的管理需求，亟须向智能化、三维可视化的管理模式转变。国内现有的地下管网三维重建技术[7]，大多是管线和管点分开建模，一定程度存在建模工艺烦琐、耦合效果不佳等问题。本研究顾及地下管线不同类别、属性特征以及拓扑连接关系，分层分类设计了城市空间三维管网模型，不同的管线及其部件模型采用不同的方法建立。

①不规则的管线点实体模型：例如各种阀门、水表、消防栓、配电箱等。这类管线点实体模型可重复调用，因此可借助已有管线普查数据、竣工测量及现场照片获取管线点平面底图及纹理，建立该类管线点的三维模型库。②规则的管线点实体模型：例如地下井室、蓄水池等设施。这类管线点模型具有规则的几何结构。可基于构造立体几何法(Constructive Solid Geometry，简称CSG)，根据管线竣工CAD数据获取管线点平面几何信息，键入底面尺寸、高度即可自动生成该类管线点实体模型。③具有拓扑连接关系的管线点实体模型：例如弯头、三通、四通、方管、圆管、管渠等。该类实体模型虽形状方向各异，但具有连续的空间运动轨迹，该轨迹可以用解析式来定义，使用扫描法配合格网技术即“Sweep+Mesh”自动耦合算法[8]，将一条管段看作是整张连续的曲面进行建模处理，分别建立管线点连接的主管和支管模型，结合布尔实体运算，切割融合形成光滑、连续的管线点和管段实体模型。

通过对地下管线三维实体模型进行分层分类设计，基于管线自动耦合算法即可实现地下管线、特征管点以及附属设施的自动高效建模，如图4所示。相比传统的建模方式，生成的管线光滑连续，有效节省了建模时间，一定程度推动了地下管线向精细化、数字化、智能化的管理模式转变，对于城市地下管线合理布局、地下空间科学开发利用起了积极的促进作用。

图4 地下三维管线及附属设施建模

3.3 三维工程地质高效建模分析

充分利用成都市试验区内已有水文地质、工程地质以及多参数钻孔勘探资料，分析试验区工程地质结构详细情况，按照一级阶地、二级阶地、三级阶地和浅丘地貌单元常见岩土层类型沉积规律，采用“主层编码+亚层编码+次亚层编码”的地层编码机制[9]，将区域所有地层划分为若干主层，主层之间包含亚层、次亚层，以分层分序的方法建立工程地质钻孔数据标准层序体系。

对常见的工程基本信息表(Project)、标准地层描述表(Soil)、钻孔基本信息表(Hole)、钻孔分层信息表(Hole_soil)等钻孔数据表建立语义描述和标准映射，形成标准的工程地质数据库。通过标准表映射，建立工程表名、表字段信息和用户表名、表字段信息之间的语义映射关系；通过标准值域映射，自动配置钻孔类型如地层钻孔、监测孔、抽水孔等字段的标准值域；通过标准地层映射，实现地层编码、地层边界、地层纹理等信息映射，经系统一系列标准化处理后，即可实现基于标准层序体系的钻孔数据自动检查和标准化入库。在此基础之上，采用不规则三角网TIN绘制各地层边界面，利用克里金插值算法对生成的地质层边界面进行自动平滑处理[10]，基于此类地层边界运用实体布尔运算即可切割形成标准地层层序划分的三维工程地质模型，如图5所示。

图5 基于标准地层层序的三维工程地质建模技术流程

三维工程地质模型能够完整清晰地展现工程地质构造类型和地层边界划分条件，以“透明地球”的形式直观展示地上实景三维和地下空间要素分布情况，通过工程地质体综合可视化分析和实时开挖模拟，实现对复杂环境信息的感知、预判和决策，为重大工程选址、线路规划设计、工程地质勘查、地质灾害识别等提供信息化支撑保障。

3.4 城市空间产权精细化管理

城市不动产权属关系复杂、属性信息丰富，传统的二维不动产管理方式无法准确区分城市地上、地表、地下空间权属关系。本研究通过对成都市试验区国土规划、多测合一、公共专题等数据进行建库管理，建立多源数据的时空关联，实现地上实景三维、地下立体空间、室内建筑结构以及专题成果的集成管理和数字化应用。

利用规划竣工、房产地籍、人防地下室等多测合一成果，对试验区地下停车场以及房屋、楼宇建筑进行分层分户建模，并对空间实体建立对象标识码ID，实现空间实体唯一标识和非空间信息的映射关联。通过获取分层分户建筑、商业楼宇、地下停车场等空间实体的投影面节点坐标、底部坐标或层高等信息，实时绘制建筑外包立体盒并高亮显示，以此来实现三维场景中分层分户建筑、商务楼宇以及地下停车场等实体的动态检索，并关联宗地信息、房产测绘、人口、状态等属性，实现室外城市级空间到多细节层次模型再到室内空间的多尺度表达和综合信息检索。如图6所示。

通过“以物查人”“以人查物”的双向关联以及专题成果的图文档一体化管理，辅助决策者既能从宏观角度查看城市的总体布局、规划用地情况，又能够从微观角度查看建筑实体空间权属、状态属性以及地名地址、人口、经济等公共专题信息，有助于不动产确权登记、权籍调查、拆迁分析、人口普查等政府管理工作。以数字化赋能推动政府治理手段和管理模式创新，实现城市立体空间精细化管理。

图6 城市空间产权精细化管理研究流程

4 应用示例

本研究选用成都市中心城青羊区为试验区。青羊区作为“中优”核心区域，既有悠久的历史文化底蕴，又有丰富的地上地下、地形地貌要素，能够具有代表性地展示城市特色和风貌，加之已有各类专题数据，故选做试验区。

以成都市2018年基于倾斜航空摄影、机载激光雷达等技术手段获取的中心城(金牛区、成华区、武侯区、锦江区、青羊区) 420 km2的 0.05 m的数字真正射影像(TDOM)以及 0.5 m格网间距的数字高程模型(DEM)为基础数据，生成城区级高精度实景三维地形模型，直观展示成都市真实地理空间环境；叠加青羊区单体化建筑模型，生成试验区实景三维场景，作为平台的空间基础数据(如图7)。基于试验区范围管线普查MDB数据库、竣工CAD数据以及管线附属设施模型库，即可实现地下管线、特征管点以及附属设施的自动高效建模，生成的管线表面连续光滑(如图8)。导入试验区范围的工程钻孔数据表，经一系列标准化处理，即可生成基于标准层序体系的三维工程地质模型；通过地质开挖模拟功能，实时展示工程地质构造、地下管线分布情况(如图9)。系统支持基于多测合一数据建立的地下停车场三维模型及分层分户室内建筑模型导入实景三维场景中，实现地上下、室内外多粒度对象集成表达和动态检索(如图10)。

图7 地上地下一体化三维系统试验区实景三维场景

图8 地下管线及附属设施三维模型

图9 三维工程地质模型和实时开挖模拟

图10 分层分户建筑和地下停车位动态检索

5 结 论

地上地下一体化三维系统实现了城市多模态时空数据集成管理和城市三维立体空间真实、透明、全方位的描述和展示，是城市建设管理的切实需求，是技术手段不断发展革新、智慧城市不断扩张演变的新途径、新思路和新理念。以成都市中心城实景三维数据和青羊区试验区专题数据建设为例，验证了该系统建设研究的可行性和可靠性，为大范围实景三维数据深入应用和跨专业信息深度融合、协同分析提供了思路。不管是面向政府部门、企(事)业单位还是社会公众服务都有着广阔的应用前景，可为国土空间格局优化、城市科学规划设计、地下空间合理开发利用、应急防灾减灾等提供技术支撑保障，一定程度推动了“智慧城市”数字基底建设和“实景三维中国”建设。