重庆渝中半岛地上地下一体化三维模型构建与应用

陈星　温金梅　郑志林　王昕亚

摘 要：为解决城市规划建设中突出的地质问题，重庆市开展了渝中半岛地质调查评价工作，提出了地上地下一体化三维模型建设总体思路，总结了模型在城市地上地下一体化数据管理轨道交通规划选线、地下空间开发利用规划等方面的应用经验，提出了三维模型在服务城市安全监测预警、城市运行管理服务平台建设等方面的建议。

关键词：渝中半岛；三维模型；地上地下一体化；辅助决策

Construction and application of 3D modeling with ground and underground integration in Yuzhong District Peninsula， Chongqing

CHEN Xing1， WEN Jinmei1， ZHENG Zhilin1， WANG Xinya2

（1.Geological Exploration Team 208 of Hydrogeological & Engineering of Chongqing Bureau of Geological and Mineral Exploration （Chongqing exploration and Design Institute of Geological Hazard Prevention and Control Engineering ） ， Chongqing 400700， China；

2.Yuzhong District Planning and Natural Resources Bureau， Chongqing 400013， China）

Abstract： In order to solve the prominent geological problems in urban planning and construction， Chongqing has carried out geological survey and evaluation of the Yuzhong Peninsula. A general plan has been made to create an integrated 3D model of above-ground and underground. This paper summarizes the model application experience in urban rail transit line selection， underground space development and utilization planning and so on. Suggestions are also put forward on the application of the 3D model in urban safety monitoring and early warning， and urban operation management service platform construction.

Keywords： Yuzhong Peninsula; 3D modeling; integration of ground and underground; supporting decision-making

随着城市化进程的不断发展，城市系统安全、城市安全运营、未来地下空间合理规划布局等一系列问题也逐渐凸显。现代城市因人口膨胀导致高层建筑密集，上部荷载加大；因交通拥堵，对地下空间的开发密度和需求加大；不同时期、因不同目的开挖的人防洞室等地下空间分布范围广，无序开挖、断面不一、大量未衬砌、洞体渗水等问题突出；城市建设过程中，偶有地面塌陷问题发生。2018年76个城市发生地下空间事故162起（中国岩石力学与工程学会地下空间分会等，2019）。开展城市地质调查，查明城市三维地质條件和地下空间开发利用情况，建立全面透彻的城市地上地下一体化三维空间立体模型，为城市规划建设和运营服务，已成为现代城市发展和建设的必然（李烈荣等，2012）。21世纪以来，上海、北京、广州、嘉兴、许昌、辽阳、桐城等城市开展了多项城市地质调查工作（张阿根，2019；刘宗明等，2022；江齐英等，2021；林钟扬等，2022；涂良权等，2020；尤建功等，2020；李运怀等，2021）。近年来成都市地质空间资源调查评价工作（邓超等，2020；陈凯等，2021），主要围绕重大城市地质问题和城市可持续性发展战略开展相关研究，实现了基于多要素海量数据的三维地质建模、地质过程模拟及空间分析评价，构建了城市地质三维可视化信息服务平台（高亚峰等，2005）。

以往城市地质调查工作中，城市地下地质体的三维建模及可视化技术理论及地表信息化模型（CIM）研究已取得较为丰硕的成果，而城市地上与地下一体化建模及可视化的研究还相对较少，特别是大范围地上地下复杂目标的三维一体化建模、地上地下集成模型的多分辨率表达等，仍然是当前研究热点（戴华林，2013；韩征等，2022）。本文从建设思路、模型建设及成果等方面论述了重庆渝中半岛地上地下一体化三维模型建设工作，并结合渝中区相关需求，研究了在城市建设运行过程中的服务应用方向，能够为城市三维地质模型建设提供良好的示范参考作用。

1  模型总体设计

基于渝中半岛实际需求，渝中半岛地上地下一体化三维模型建设，主要通过多尺度、多要素、多专业的基础地理和地质数据及城市地下空间设施数据，通过数据标准化处理，分层次构建地上地下三维模型，构建地上地下一体化的三维矢量立体模型与综合数据库，并通过信息化平台进行一体化融合、展示和应用（周文等，2021）。利用不同软件，构建三维地质模型、三维地下空间模型、地下空间开发安全风险评价模型、地表城市信息化模型等，并进行地上地下三维模型融合，为城市地上地下一体化数据管理、建筑物选址分析、轨道交通规划选线等城市规划建设和运营提供辅助决策支撑（图1）。

2  模型建设

1）地上地下三维模型

渝中半岛地上地下一体化三维模型，主要包含了三维地质模型、三维地下空间模型、三维地基基础模型、地表三维信息化模型等。不同的三维模型，所需要利用的数据类型和建模软件各不相同。

三维地质模型构建，利用钻孔数据、剖面图数据、地质图及DEM等数据（表1），采用剖分算法，利用深探地学三维建模软件，建立结构模型、网格模型、属性模型，将模型存储到分布式数据库并可支持Web可视化。在进行属性插值时，不断地调整变差函数参数，最终使插值的属性模型不断逼近真实地质形态。高精度网格下各属性，使用数据库同时进行管理，针对区块网格进行属性插值，使用数据库进行网格的存贮和管理。

作为重庆市的老城区，渝中区地下人防设施与地下交通设施众多。地下交通设施包括轨道一号线、二号线、三号线、解放碑环道及地下隧道等，地下人防设施也具有历史悠久、分布广、规模大的典型特征。根据收集的地上地下建筑物、地下人防硐室、地下交通、桩基础等资料，对坐标系标进行统一，检查合格后生成二维面，结合地上模型进行高度核实后，选择3DMAX软件进行三维建模，形成三维地下空间模型。

地表三维模型根据重庆市地表构建筑物信息、地形信息、三维倾斜摄影等综合数据，构建地表城市实景三维模型。

2）地下空间开发安全风险评价模型

利用地质调查和地下空间及建模构筑物数据，基于专家问卷调查法和层次分析法进行筛选，建立了渝中半岛地下空间开发安全风险评价指标体系，结合模糊评价和变权思想建立了安全风险模糊变权综合评价分析模型，另外根据渝中半岛地下0～150 m的开发安全风险评价结果，构建了地下空间开发适宜性模型和待建工程开发风险评价模型构成的渝中半岛地下空间开发安全风险评价模型（奚悦等，2022）。并结合应用需求开发了地下空间开发安全风险评价系统，实现了渝中半岛区域整体评价以及规划待建轨道工程风险分析的功能（刘保林等，2021）。

3  模型一体化融合

根据构建的三维地形、地质体模型、三维地下空间模型、实景模型等，确定了以多源异构数据进行数据转换，形成多源异构数据库，在此基础上进行数据服务，并开展集成应用的技术流程。在“集景三维数字城市平台”的基础上，设计并实现了一个高效的三维数据的生产、集成、管理和共享方案，用于高效地存储、索引、访问、管理和调度大规模的三维空间数据。

针对数据库中不同类别的数据，基于系统面向服务的技术架构，采用基于.net平台的rest web技术，分别进行不同类型的数据服务发布。在面向相关行业推广应用时采用开放式的应用服务开发体系，能够有效解决系统平台针对用户的需求变化进行平台升级更新的问题；能够通过数据库建立和平台的数据管理接口的开放，来解决平台数据的更新问题；通过提供行业应用插件拓展接口，提供插件式的行业应用拓展，解决系统平台的开放性问题。

通过构建的重庆渝中区地下空间评价平台接入数据服务，再通过构建在系统内部的数据集成中间件，完成对数据服务中的某些特殊结构数据的解析，实现平台软件对地质地理三维空间数据库的集成与可视化。平台直观、真实地展示了渝中区地上地下的空间数据，实现了三维数字城市空间数据资源的综合集成、分布式管理、集中共享与服务，体现了“数据多源异构、应用丰富多样”的三维数字城市价值（图2）。

4  地上地下一体化三维模型应用及辅助决策支撑

渝中半岛地上地下一体化三维模型成果，实现了地上地下一体化的地质数据、地下空间及设施数据、城市地表建（构）筑物等数据的集成与管理，以三维立体方式将地下构筑物的空间关系及与地质层、岩性、地表建筑物的关系展示出来，同时提供三维空间分析、地下空间开发利用适宜性评价等功能，可为政府规划、管理部分相关决策工作提供基础支撑（李云等，2021）。

1）地上地下一體化数据管理与查询

通过构建的地上地下一体化三维模型成果和地下空间评价平台，将多源异构数据进行数据转换，形成多源异构数据库。实现了地理、地质、地下空间、地表建构筑物等多元、多尺度的地上地下全空间大数据统一到一个平台空间进行管理，并可通过三维可视化功能进行查询和展示，为城市地质等大数据一体化管理、分析提供服务。

2）地上地下一体化空间精细化管理

随着城市地下空间开发需求日益增大，城市地下空间精细化管理需求也愈发重要。渝中半岛地上地下一体化三维模型，获取了地表建筑、商务楼宇、人防硐室、地下车库、轨道交通等空间实体数据，包含节点坐标、顶底标高、截面形态等等，实现了地上地下城市空间多尺度表达和综合信息查询检索。在城市规划、建设中既可辅助决策者从宏观、立体的角度查看和规划城市总体布局、土地利用等情况，又可从微观角度查看具体建构筑物形态、分布和相关信息等。有助于智慧城市地上地下空间立体化、精细化管理。

3）城市建筑物选址辅助决策

渝中半岛地上地下一体化三维模型中包含有城市地层及岩性、岩体参数和地下空间分布、地下空间开发利用适宜性评价等数据，可根据拟规划的建筑物坐标和设定参数，开展拟规划建筑物区域地基基础分析及建筑物桩基与地下已有人防硐室、轨道交通及地下空间设施的冲突评价。并可根据拟建建筑物设计参数在三维场景中模拟建筑物建成效果，进行相关展示和分析，为城市大型建筑物选址提供分析和建议，为城市建设提供决策支撑。

4）服务人防工程开发利用

渝中区将在“十四五”期间，突出人防工程平战结合特点，重点推进人防工程与地下空间开发利用相结合，加强人防工程提档升级。构建地下空间开发利用管理协调机制，切实将地下空间开发利用纳入规划之中，分层次、分时间段推进人防工程与其他地下空间融合发展。

渝中半岛地上地下一体化三维模型，获取了渝中半岛全面的地下空间数据，并可在三维模型中进行立体展示和查询，可有效支撑渝中区人防工程建设专项规划的编制和完善，让决策者能更充分、直观地考虑人防工程建设现状和需求，合理开发人防工程地下空间资源，达到构建布局合理、结构完善、功能配套、防御有力的防护工程体系的目的。

5）服务城市轨道交通选线规划

渝中区将建设多层次的一体化轨道交通网络，坚持轨道交通引领城市发展格局，打造“轨道上的都市区”，实现干线铁路、城际铁路、城轨快线（市域铁路）和城市轨道交通融合发展。有序推动城轨快线与市域铁路、城际铁路跨线运营，提升直联直通水平，减少换乘。配合落地26号线在朝天门—解放碑片区设站的方案，研究27号线与26号线跨线运营的技术条件，实现解放碑与科学城直连，力争菜园坝站与重庆站同步建设，为菜园坝滨江新城及重庆站提供轨道支撑。

基于渝中半岛地上地下一体化三维模型和地下空间开发安全风险评价成果，利用重庆渝中区地下空间评价平台规划建设隧道风险分析功能（图3），可实现轨道交通规划选线区域隧道建设风险评价分析、结果查询、展示，为渝中区轨道26号线等地下轨道交通规划选线提供辅助决策支撑。

5  持续深入应用三维模型建设成果的思考

1）服务城市地质环境与工程安全监测预警

建议将渝中半岛地上地下一体化三维模型成果与渝中区地质灾害等监测预警平台进行融合开发利用，形成新的三维立体监测预警网络，提高城市地质灾害预警水平。同时可与交通部门开展合作，整合城市地面监测布局和轨道交通安全管理需求，建立综合监测网络，结合水工环地质资料，全面提升轨道交通安全预警能力。

2）服务渝中区城市运行管理服务平台建设

渝中区将基于智慧城市管理现状，以城市管理政务云、大数据平台为支撑，搭建城市运行管理服务平台，构建市政设施、市容环卫、园林绿化、供节水等行业应用模块，围绕解决发展重点、管理难点、民生痛点，打造“小切口、大民生”特色应用场景，逐步完善行业全领域工作流与数据流的融通、聚合，推进全区城市运行管理工作统筹协调、指挥调度、监督考核和综合评价工作。同时将打造“集约化、规范化、可视化”城市管理大数据云平台，深化大数据智能化专题应用场景，深度挖掘城市运行内在规律和特征，植入绩效管理、风险管控等关联分析模型，预测关键指标变化趋势，创新数据治理，提供城市“智”理良方。

渝中半岛地上地下一体化三维模型成果，可以在地下空间、地质背景、地质环境等大数据建设和管理、三维立体分析和展示应用等方面，有效服务于渝中区城市管理大数据云平台集约化、规范化、可视化建设，建议发挥地质工作基础性、公益性作用，将渝中半岛地上地下一体化三维模型成果纳入渝中区城市运行管理服务平台建设中，服务支撑城市运行管理服务平台建设，提升城市精细化管理与服务水平。

3）建立资料在线汇交和成果更新维护机制

渝中半岛地上地下一体化三维模型，是渝中区地质调查评价的重要成果，是服务重庆市城市规划建设和社会经济发展的重要基础资料，及时维护更新是保证成果有效应用的关键。建议根据《关于加强城市地质工作的指导意见》等相关文件精神，建立服务现代城市化发展需求的地质资料在线汇交平台和制度（彭汉发等，2018），建设城市地质大数据共享平台（李凯等，2022），对渝中半岛地上地下一体化三维模型进行及时维护更新，更加准确高效地为政府决策提供辅助作用，为社会面提供基础服务（温金梅，2018）。

6  结论

1）根据渝中半岛特点，确立了地上地下一体化三维模型建设总体设计思路。构建了渝中半岛三维地质体模型、地下空间等模型，实现了地上地下三维模型一体化融合。

2）渝中半岛地上地下一体化三维模型，实现了城市地上地下多源数据的集成管理和城市三维立体空间的全方位展示，可为渝中区城市建设运行过程中地上地下一体化数据和空间精细化管理与查询、城市建筑物选址分析、人防工程开发利用、轨道交通选线规划管理等提供服务和支撑，一定程度上推动了渝中区智慧城市基底建设。

3）发挥地质工作基础性、公益性作用，建议加强渝中半岛地上地下一体化三维模型成果在城市地质环境与工程安全监测预警、渝中区城市运行管理服务平台建设中的应用，同时建立成果更新维护机制，以进一步实现建设“集约化、规范化、可视化”城市管理大数据云平台的目标。

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收稿日期：2023-01-11；修回日期：2023-03-13

基金项目：重庆市渝中区技术预见与制度创新项目（20210216）资助

第一作者简介：陈星（1989- ），男，学士，高级工程师，主要从事基础地质、水工环地质工作。E-mail：122357804@qq.com

引用格式：陈星，温金梅，郑志林，王昕亚，2023.重庆渝中半岛地上地下一体化三维模型构建与应用［J］.城市地质，18（3）：60-66