三維GIS最新進展及其在土木工程中的應用

魏淑靜，班會龍

（1鄭州工商學院 河南 鄭州 450000）

（2河南中之達建筑工程有限公司 河南 鄭州 450000）

1 三維GIS技術概述

作為一門相對復雜的學科，土木工程涉及到多方面的因素。只有協調好不同因素之間的關系，土木工程活動才能順利進行。從實踐活動來看，土木工程施工的難度較大。如何提高土木工程的實際效率，并有效地模擬工程施工建設的動態過程是當前土木工程管理和建設現代化的重要要求。當前信息技術的迅速發展催生出很多空間技術，這些技術的應用使得土木工程的管理和設計效率大大提升。

三維GIS就是當前信息技術發展的最新成果，它將計算機技術和地學的空間數據有效地結合起來，使得用戶可以對工程的空間信息進行有效地管理，并將空間信息通過可視化的手段標識出來，為土木工程設計決策提供了重要的輔助作用。但是，我們必須意識到傳統的GIS技術是基于二維空間的，用戶只能從中感受抽象的空間符號，并不能從中獲得真實的自然界的原本感受。也就是說，傳統的二維GIS技術并不能滿足當前土木工程施工等各方面的具體要求。隨著計算機虛擬技術的進一步發展，其他數據庫理論技術也日益成熟，三維GIS技術出現并得以應用，而且應用效果十分顯著。

三維GIS技術在工程地質勘查中的應用有利于充分發揮GIS系統的強大的數據分析和空間分析的功能，能夠將工程勘查項目的地質調查情況以圖像、文字或者表格的形式表現出來，并在此基礎上進行二維地質計算，構建合理的地質模型，為相關部門工程決策提供有力的參考。目前，我國很多地質工程項目組已經將三維GIS技術應用到土木工程勘查過程中，取得了不錯的成果。下文將分析三維GIS技術的最新進展，并對其在土木工程中的應用展開探討。

2 三維GIS技術的最新進展

作為一種空間信息系統，GIS技術能夠在計算機技術的支持下收集、存儲和管理各類數據，并對地理空間數據進行分析和描述。與傳統的二維GIS技術相比，三維GIS技術能夠更真實地展示空間信息，并用更為直觀的形式將抽象的空間信息表現出來，以供用戶使用。三維GIS技術的可視化功能十分強大，它不僅能夠讓用戶獲得地理空間現象，也能夠表達出地理空間中的平面關系和垂向關系。尤其是先進的圖形卡和投影設備的應用，更是提升了三維GIS技術的可視化能力。另外，三維GIS技術的多維度空間分析能力也進一步提升。從本質上來說，空間分析的過程是復雜且抽象的，與二維GIS技術相比，三維GIS具有很多無可比擬的優勢。

第一，三維空間信息數據的采集。就目前來說，由于各種限制性因素的存在，三維空間信息系統在數據的獲取方面還存在一定的不足。三維空間信息數據的采集主要分為兩部分：表面數據的采集和三維體信息的采集。在物體表面數據的采集方面，地圖數據采集法、實體測量法等已經得到了廣泛的應用。

第二，三維空間數據模型。這是三維空間信息系統應用的關鍵部分。數據模型的應用可以有效地表示出空間實體的關系，并將這種關系利用各種操作符號表示出來。三維空間數據模型能夠描述出空間實體和非空間實體之間的關系與相互制約機制以及一定時間序列下的動態變化。就目前來說，三維空間數據模型可以分為體模型、面模型和混合模型，不同模型的應用范圍存在較大的不同。

第三，三維空間關系。空間關系主要由三部分構成：防線關系、度量關系和拓撲關系，它們都代表著不同實體之間的空間特性。地理空間關系的描述要充分考慮描述的嚴密性與通用性因素。就當前來說，交互法、交叉法和各種混合方法是主要的地理空間關系描述法。其中，交叉法的應用最為普遍，它主要是將空間關系分成幾個不同的部分，之后對各部分的空間交際關系進行判定。

第四，空間數據管理。空間數據的有效管理是順利實現空間分析的重要基礎。三維GIS技術的應用能夠將地理空間的表面信息真實地表現出來，包括各種紋理特征和其他屬性信息等，為用戶提供便利。目前，用戶多利用Oracle數據庫進行海量三維數據的存儲。

第五，三維空間信息的可視化發展。可視化技術是三維GIS技術最重要的組成部分，能夠幫助人們有效地認知地理空間。就目前來說，相對成熟的三維可視化平臺有OpenGL、JAVA3D等，這些平臺主要應用的是GeoVRML等建模語言。上述三維GIS技術的新發展為其在多個領域的應用奠定了良好的基礎。

3 三維GIS技術在土木工程中的應用研究

三維GIS技術的應用優勢鮮明，其應用能夠提高土木工程的設計和施工效率，為土木工程相關用戶提供諸多便利。三維GIS系統中工程地質分析模塊是在GIS系統中空間分析功能和數—模聯動功能的基礎上形成的，能夠根據離散專控點的情況形成相應的等值線，如地下水位等值線等；能夠生成鉆孔平面布局圖、巖石柱狀圖等基本圖件；能夠根據試驗所得的數據形成相應的數據曲線圖，如施工地點土的顆粒級配曲線等等。下文將對三維GIS技術在土木工程中的具體應用進行分析。

第一，計算某一個區域的土方量。土木工程合理的設計的最重要因素之一就是先要估算工程的土石方的工程量。過去，施工人員多是通過設立合理的規格網格，通過測算網格的高程，并通過線性內插的形式，測定需要挖或者填的土方量。但是，該種測算過程工序繁瑣，工作人員的工作量較大，而且測算結果不夠準確。作為工程地質數據圖像化的重要表現形式，三維GIS技術中空間插值功能的應用能夠讓用戶更好地預測工程數據的變化，并能夠通過計算機模擬變化的結果，從而真實地反映工程區域內地質情況。三維GIS則可以通過數字高程模型的構件，快速地計算出土方量，具體計算公式如下：

三維GIS先用封閉空間表示出土木工程的具體范圍，而后設定合理的高程，之后利用上述公式順利計算出工程的土方量。

第二，道路設計中的應用。三維GIS技術的應用使得道路設計工作更為便捷。它能夠通過道路線計算出土方量。其主要的應用過程如下：用戶先要設計出道路的中心線，并按要求輸入設計參數，包括路面寬度、中心線的加密點數或者加密的網格間距等。加密點數一般適合道路設計中計算加密較少的情況，而網格間距加密技術的應用能夠使土方工程量的測試結構更為準確。

第三，工程淹沒分析中的應用。三維GIS技術的應用能夠與各種水文模型有效地結合起來，并利用系統中提供的各類三維數據，合理地預測土木工程中洪水可能會形成的淹沒區域，進而對洪水災害后果進行預測和評估。土木工程的淹沒分析是十分重要的，合理的淹沒分析有利于保護周邊的生態環境，對于周圍的移民安置工作也具有十分重要的意義。工作人員可以利用三維GIS技術，判斷淹沒的水位，并采取不同的處理措施，如分片或傾斜平面處理。土木工程淹沒分析主要包括對淹沒的深度及沒水的范圍的分析，同時還要分析可能會面臨淹沒風險的居民的財產、土地的類型以及可能影響的人口數量等。

除此之外，三維GIS技術能夠幫助用戶進行土木工程專業的制圖，利用三維技術中的強大的圖像生成功能，能夠使工程制圖更準確。另外，針對土木工程專業施工圖紙接邊不夠精確的問題，可以利用GIS軟件對掃描后的圖紙進行拼接，而后將相鄰掃描圖的關鍵點沖和即可得到完整的圖紙。

4 結語

綜上所述，三維GIS技術的新發展，使其空間分析能力和圖形的現實能力進一步提升，能夠用可視化的手段將工程設計的成果表示出來，逐漸成為工程設計和決策過程中的有力工具。由此可見，三維GIS技術的應用前景良好。但是，就目前來說，該技術在土木工程相關的領域應用還不夠深入，其作用也沒能充分發揮出來。未來，工作人員應該加強研究，深化GIS技術，并將其與土木工程設計與施工充分結合起來，提高設計和施工效率。

[1] 魏振生，楊琪，吳旭陽，吉曉峰，顧珂.GIS在油氣管道工程全生命周期中的應用[J].測繪與空間地理信息，2013(S1).