基于規劃核實的地下建構筑物三維建模方法

冉慧敏,劉全海

(1.常州市測繪院,江蘇常州 213002; 2.常州市地理信息智能技術中心,江蘇常州 2130021; 3.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430070)

基于規劃核實的地下建構筑物三維建模方法

冉慧敏1,2?,劉全海1,2,3

(1.常州市測繪院,江蘇常州 213002; 2.常州市地理信息智能技術中心,江蘇常州 2130021; 3.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430070)

地上下一體化三維建模是智慧規劃和管理決策的基礎。在地上、地表三維模型的基礎上,如何實現快速、高精度、低成本、高效率的地下空間三維建模,實現地上下的三維一體化成為研究的重點和難點。本文在分析地下空間規劃核實的基礎上,提出了基于規劃核實的參數化地下建構筑物的三維建模方法,并以常州為實例,通過地下空間三維可視化系統的推廣與應用,驗證了該方法的實用性和有效性。

地下空間;建(構)筑物;規劃核實;參數化建模

1 引 言

城市土地利用資源越來越少,地下空間的開發利用引起了城市規劃和建設部門的高度重視。王夢恕[1]院士指出“2l世紀是城市地下空間開發利用的年代”。因此,建立普查地下空間現狀數據庫以及管理應用,對城市建設與管理有著積極意義。

由于地下空間的復雜性、隱蔽性和不可視等特點以及目前對重地下空間的開發利用的重視,其三維建模成為一個年輕而具有活力的研究方向。目前國內許多學者對其進行了研究,如朱合華等[2]提出了數字地下空間與工程概念。朱良峰[4]等針對城市地下空間信息三維建模、可視化分析的特點和要求,設計了面向空間結構信息和空間屬性信息建模與可視化的三維空間數據模型;琚娟[2]等研究了基于B.Rep進行地下空間一體化建模,并給出了基于預分塊技術的城市地下空間對象空間索引方法。地下空間建模研究目前大多還集中在地下管線三維建模、地層建模[1～3],對地下構筑物考慮較少[4]。

本文結合規劃行業特點,有效利用規劃平面圖、審查后建筑施工圖、并結合規劃核實與驗收的需求,實現地下建構筑物的快速三維建模及更新,提出了基于規劃核實的參數化地下空間三維建模方法,并以常州為實例,通過地下空間三維可視化應用系統的集成應用,驗證了該方法的實用性和有效性。

2 地下建構筑物的規劃核實測繪

2.1 地下空間分類與特征

廣義的地下空間信息包括地下建設工程信息和地質環境信息,地下建設工程信息又包括地下建構筑物和地下管線信息。根據實際應用和管理需要,可增加基礎地理信息和城市規劃信息。數字地下空間與工程研究的信息具有尺度特征、空間特征、時間特征以及工程特征。

考慮到地質環境信息和地下管線信息的采集、獲取相對獨立以及文篇幅所限,本文重點介紹狹義的地下空間——地下建構筑物的采編。

2.2 地下建構筑物

地下建構筑物包括以下內容:地下公共設施、地下市政設施、地下交通設施、地下人防及防災、地下工業與倉儲、地下綜合體、地下井。地下空間的實體劃分為:點、線、面和注記四類實體。其中點實體又分為簡單點實體(SP)和簡單有向點(DP);線實體分為簡單無向線實體(SL)、簡單有向線實體(DL)和復合線實體(CL);面實體(PG)表示閉合的多邊形實體;圖面注記實體(TX)。各個對象設置屬性項。以地下構筑物為例,其基本屬性如表1,附加屬性如表2所示。

地下構筑物基本屬性特征數據 表1

地下構筑物附加屬性特征數據 表2

2.3 幾何結構采編

地下建構筑物的規劃核實測繪包括城市地下人防工程、過街地道、地下商場、地下停車場和地下隱蔽工程的現狀測量。

地下空間設施平面圖采用解析法或圖解法分層施測,其測繪調查的主要內容包括:地下建筑的位置、用途、性質、外內外輪廓范圍、地道出入口(分階梯、斜坡和樓梯等)、坑道出入口、豎井、通道、廳室、墻柱、地下地坪標高、地下建筑凈高、出入口地面高及附屬設施等。建筑物的外輪廓往往幾何要素相對簡單,只需將建筑物的外輪廓線進行簡單采編,而在進行三維建模時需要將紋理進行仿真的建設。針對于地下空間幾何尺寸如墻體厚度、高度等要求會極高,否則各類要素之間會出現不接邊等問題。下面就地下空間常用的幾何結構采編方式做相關介紹。

(1)基于設計與竣工圖的數據采編

地下構筑物的建筑及結構竣工圖紙資料來源為城建檔案管理部門、民防管理部門以及其他相關權屬單位,從建筑物平面設計圖(平面、立面、剖面與天頂平面圖)、大比例尺地形圖(或地籍圖、房產圖)中獲得,并分割成獨立的建筑平面主體,這種方法獲得的數據精度高,局部更新方便,適用于小范圍單體建筑物三維數據采集。

(2)基于地面LiDAR采集方法

利用激光雷達掃描儀獲得地下建構筑物的點云數據,從點云數據中提取建構筑物特征線,而且獲得的是三維坐標。這種方法獲得的數據精度高,但數據處理量較大,受場地空間限制、功能分割造成的遮擋,而且需要用專業的軟件來完成,適用于小范圍的不規則單體建構筑物三維數據的采集。

(3)綜合測繪法

通過RTK布設控制點,利用全站儀、激光測距儀或掃描儀直接測得建構筑物特征點的高度,這種方法獲得的數據精度高,適用于小范圍單體建筑物(尤其是不規則單體建筑物)特征點的高度。

在實際工作中,比較快速有效地辦法是在收集的各類圖紙的基礎上,通過坐標配準、矢量化、外業核實、綜合處理、三維建庫等流程,發揮三種方式的綜合優勢,實現地下建構筑物的三維采編。

2.4 紋理數據采編

由于地下建構筑物紋理相對單一,除地下通道和地下商場進行裝飾,色彩多樣外,一般地面均為水泥地,墻面均為白色墻體。另外,城市規劃關注的是范圍線,重要結構的幾何位置、地下高程和高度,并不像地面建筑一樣需關注建筑色彩。因此,對于地下建構筑物的主體部分的紋理數據主要通過建立基本紋理庫,如地面、立面和頂面采用紋理庫中的標準紋理,對于個性化的紋理變化,采用相機拍攝并按傳統方法進行紋理處理和映射處理。

3 地下建構筑物三維一體化建模的關鍵技術

規劃部門結合人防建設,建立地下空間竣工核實機制,采用測繪的手段,對地下管線、地下建筑物進行規劃核實測繪。建立標準化、規范化、高精度、基準統一的地下建構筑物數據庫是三維建模的必要準備?；谝巹澓藢崪y繪成果,實現地下建構筑物的邊界表達、面向地下空間實體并顧及拓撲關系的三維矢量數據模型,能夠完整、無縫的表達地下構筑物三維模型中的幾何信息和拓撲信息。

3.1 總體思路

本文以地下空間的規劃核實數據為基礎,通過建立地下空間建構筑物模型數據標準,研究附屬設施自動生成、紋理自動映射的三維建模方法和算法,基于3ds Max開發自動分類及紋理映射的插件,或者Mutigen Creater建模工具,完成地下空間數據的整體自動建模,最終與地上建筑物、道路及景觀模三維模型、地形模型乃至地下管線等的集成統一的三維數據。

3.2 地下空間數據預處理技術

要實現地下空間的三維可視化,其前提是需要對二維線劃圖轉化為三維矢量圖。因此,對規劃核實數據進行預處理。

地下空間要素的分類和編碼是建立基礎空間數據庫的基礎,直接影響到系統內數據的組織、采集、存取、編輯和使用等方面,更影響到數據的共享和交換,必須標準、規范、合理。按照《城市地下空間設施分類與代碼》GB/T28590-2012標準,對地下空間進行要素分類。要素分類既要反映要素的類型特征,又要反映要素的屬性、要素間相互關系,具有完整性,并適應信息發展的需要。在要素的擴展信息上設置了可擴展項,保證其科學的擴展。在地下空間普查和日常的規劃核實工作中,以此標準為依據。對在此基礎上,對收集到的規劃設計圖、竣工圖按此標準進行空間化、數字化、標準化。

圖1 地下空間數據測技術路線

3.3 地下空間采集體系建立

地下空間數據有別于地形圖數據,相關構件、墻體等繪制方法又相似于建筑施工圖,為此,需要研究相關的數據采集體系。

本文通過在CAD下研發相關的模塊,具體由數據輸入模塊、民防工程模塊、地下交通模塊、地下商業模塊、地下居住模塊、地下工業模塊、地下其他模塊、搜索查詢模塊、圖層與編碼處理模塊、數據檢查模塊、數據入庫模塊等組成,把數據標準中規定的各建(構)筑物符號化,信息化處理。尤其搜索查詢模塊、圖層與編碼處理模塊、數據檢查模塊,對數據質量快速查詢、定位、處理及修改提供極大便利.

其中符號化是最核心的功能,根據地下構筑物的設計用途分類,以不同的符號對地下構筑物進行圖形表達,是對DWG格式的地下構筑物空間位置數據成果進行符號化表達的一種方式。具體研究成果如圖2、圖3所示。

圖2 民防工程符號化菜單

圖3 地下居住符號化菜單

另外一個關鍵技術點位二三維線的編輯功能,其主要解決二三維線的編輯與三維線上的高程處理。其功能包含“二維與三維數據互換”、“三維線偏移”、“三維線添加節點”、“去除節點”、“線拼接”、“線換向”以及“二維線的抽稀”等21個小功能。為三維參數化建模提供了強有力的。

3.4 參數化建模技術

參數化驅動的地下建構筑物建模。使用約束條件來表達三維對象的形態特征,通過定義一組參數以控制表現結果,從而能夠通過調整參數來修改地下建構筑物的三維對象模型。地下建構筑物的三維對象模型可表示為{{Ci},{(Tj,Tj,Vj)},R|i=1,2,1m.j=1, 2,1n}.Ci是地下建構筑物建模對象的三維坐標,(Tj, Tj,Vj)是地下建構筑物的紋理集合,R是(Tj,Tj,Vj)與地下建構筑物上每一個對象的對應規則。

如地下交通設施中地鐵線路及隧道是具有線狀模型,紋理比較單一,幾何結構相對比較規則,構造實體幾何法是很好的選擇。巷道軸線因為形式簡單,采用參數方程表達非常方便,因此,采用Creator軟件強大的LOFT放樣功能,通過參考線(如軌道中心線,或者隨道邊線),可以事先建立巷道實體模型與軸線之間的對應連接關系,通過軸線參與空間分析計算。

通過參數化驅動的地下建構筑物建模方法,實現在三維數字城市環境下,地下建構物的快速建模與交互式調整,以實現地下建構物的精細和逼真表達,并滿足應用分析、評估與成果輸出的需要。

4 實踐與分析

采用本文方法,基于CAD開發了地下空間數據采集系統,并進行了地下空間數據預處理,給予三維對象相應的高度和紋理信息。然后轉出DXF文件,在3DMAX下開發自動分類及紋理映射的插件,或者Mutigen Creater建模工具,實現了常州市軌道交通一號線的地下空間普查數據的三維化,地下空間面積約200萬平方米,并建立了軌道交通站臺的三維模型,通過參數化建立了軌道線的三維模型,如圖4所示。

圖6 軌道交通

通過地下空間的整體自動建模,大大減少人工三維手動建模的時間和成本,更為地下空間的大數據的瓦片金字塔制作奠定基礎,為三維數字城市建設,特別是在三維視角下進行地下管線的管理、規劃、設計和施工提供關鍵技術的解決方案。

4 結 語

解決城市地下空間整體、批量、精細化的三維可視化表達是當前3DGIS的熱點與難點。本文針對地下空間建構筑物三維建模的特點,提出基于規劃核實的地下空間三維建模方法,并開發了相應的采集及三維預處理系統,實現地下建構筑物的一體化快速建模。通過試驗證明是一種可行的技術途徑。下一步的工作主要包括:與復雜附屬物的匹配、三維數據更新和動態維護等。

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Build Three-dimensional Modeling of Underground Structure Based on Planning Verification

Ran Huimin1,2,Liu Quanhai1,2,3
(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute,Changzhou 213002,China; 2.Changzhou Geospatial Information Intelligence Technology Center,Changzhou 213002,China; 3.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430070,China)

Integratedsurface and subsurface three-dimensional modeling is the foundation of wisdom planning and management decisions.How to achieve fast,high-precision,low-cost,high-efficiency three-dimensional modeling of underground space basis on the three-dimensional surface model to achieve the three-dimensional integrated is the key and difficult research.This article proposed parametric verification of underground structures 3D modeling methods based on the verification of underground space planning,and in Changzhou for instance,through the promotion and application of underground space visualization system to verify the utility of this method and effectiveness.

underground space;building(structure);planning verification;parametric modeling

1672-8262(2014)06-59-04

P208.2

B

2014—08—13

冉慧敏(1981—),女,工程師,主要研究方向三維數字城市建設理論。

住房和城鄉建設部科學技術項目計劃(2013-S5-4)