基于GIS的地下空間數據管理服務系統研究

左春雷 馬亞敏 趙彪 吳迪 宋劍

摘要：地下空間數據的管理與服務在城市地下空間可持續發展建設中越來越受到重視。針對地下空間管理中存在的管理水平落后、數據量巨大、工作繁雜等問題，本文詳細研究系統框架與體系結構，采用TEN+TIN 混合數據模型精細化三維地質體建模方法，開發了地下空間數據管理服務系統，包括基于C/S 結構的地下空間數據管理分析平臺和基于B/S 結構的地下空間數據信息服務平臺，該系統可以顯著提高地下空間數據的管理水平與數據成果共享程度，為城市可持續發展添油助力。

關鍵詞：地下空間;3DGIS;地質體;信息管理;C/S-B/S;

0引言

20世紀以來，隨著工業化、城市化速度不斷加快，我國城市地下空間開發利用快速增長，獲取的地下空間數據資料信息量呈指數增加[1]。由于技術條件限制，我國城市地下空間工作的信息化程度普遍不高，獲取的海量數據沒有得到有效地管理、可視化、再利用與共享，形成了數據需求與實際應用的矛盾[2]。當今社會，迫切需要一種途徑來解決這個矛盾，促進城市地下空間的可持續發展。

1 地下空間數據管理分析平臺

1.1數據管理

（1）數據錄入

1）工程數據的來源一般為理正Access數據庫和巖土工程勘察技術報告，將每個導入的工程都賦予唯一編號，可防止工程重復錄入，也方便了日后工程數據的查詢與維護。

2）鉆孔與土層數據，也來源于理正Access數據庫，錄入鉆孔與圖層數據時，每個鉆孔、土層都要附加一個“工程編號”，以區分不同工程下的鉆孔與土層，可在工程數據錄入時，同步錄入鉆孔與圖層數據，這樣可保證工程與鉆孔土層的一致性。

3）工程、鉆孔、土層相關的圖表、文檔，在錄入到數據庫時，為了日后的更新維護，要配置該圖表文檔的工程編號或者鉆孔、土層編號。

（2）數據查詢

1）點擊查詢

從圖形到屬性信息的圖文查詢，在地圖上選擇某圖元并點擊查詢，就會出現對話框顯示該圖元的詳細信息和實體照片 ，包括屬性信息和空間信息。

2）條件查詢

從屬性信息到圖形的條件查詢，根據要查詢對象的屬性信息，可進行多條件的復合查詢，，并將查詢到的對象其定位在屏幕中央。

1.2三維建模

1）三維地質體建模

根據鉆孔、地層等數據，采用不規則四面體結構（TEN）和三角面（TIN）混合數據模型[15-16]，動態繪制三維地質體模型，其具體步驟為：根據建模區域中的鉆孔數據，統計出該區域內所有的地層信息，按照地層沉積年代進行統一編號，得到該區域的“標準地層表”;以鉆孔空口位置為空間基準，結合地層高度，采用三角剖分算法，生成不規則三角TIN 網，構建地層三維模型的上下表面;按自下而上的順序，從各地層TIN開始，依次與上層層面進行求交運算，不斷新增地層控制點，修正TIN面，修正后的TIN面又參與到后續的運算中;采用特定的算法將相臨地層的TIN面“縫合”成多層三棱柱空間模型;根據鉆孔上的地層節點，并進行三棱柱四面體化，得更加精細的TEN作為三維單元;最終得到該區域較高精度的三維地質體模型。

2）三維地質體分析

a.地質體剖切。在生成的三維地質體模型上根據繪制多段線，生成地層縱剖面圖。

b.開挖土方量計算。在生成的三維地質體模型上根據繪制的多邊形和設定的深度，模擬土方開挖。根據多邊形面積和深度，可計算出開挖土方量。

1.3三維信息集成管理

（1）三維模型信息管理

將地形三維模型，地物三維模型，包括居民區、建筑物、道理橋梁、綠地流水、樹木花草、人工構筑等三維模型，和地下的鉆孔、地質構造、地下水等三維模型信息，這三類地上下三維模型信息進行統一管理，包括模型的導入、模型屬性信息的維護和模型刪除等操作。

（2）地圖數據管理

地圖數據是指帶有空間位置的地理數據，包括實地測量的坐標數據，ArcGIS 生產的SHP 數據、Layer 圖層數據和MAD 地圖文檔等數據，AutoCAD 生產的DWG、DXF 等矢量數據，正射影像、DEM 圖像等柵格數據，基于WMS 的在線地圖等，將以上所有的地圖數據進行網格化管理，方便日后數據的更新和維護。

（3）文檔資料管理

將收集或者生產的工程報告、報表、剖面圖、平面圖、基巖地質圖、地質構造分布圖、巖土工程勘察技術報告、水文地質調查報告等文檔資料，進行整合，按一定規則排序，將文檔資料的生產日期、入庫日期、文檔數據量的大小、格式、保密等級、存放路徑等統一的屬性信息，保存至數據庫，并可以對其進行新增、編輯、更新、刪除等操作。

2 地下空間數據信息服務平臺

2.1地質鉆孔

（1）地質鉆孔在天地圖在線地圖上的空間分布。根據地質鉆孔的空間信息，將地質鉆孔繪制到天地圖在線地圖上，使鉆孔的空間分布一目了然。

（2）地質鉆孔信息介紹。點擊在地圖上展示的鉆孔，查看鉆孔詳細信息。

（3）工程地質鉆孔檢索與定位。可根據工程名稱、工程編號檢索相關鉆孔，并將鉆孔定位到地圖上。

（4）動態生成興趣區域的工程報告。在地圖動態框選出感興趣的區域，便可生成該區域的工程報告。

2.2三維地質

在線加載三維地質體BIM 模型、傾斜OSGB 模型，建筑物FBX、3DS常用類型模型等，三維實體模型的放大、縮小、漫游、刷新、量測、剖面等操作。

（1）工程地質結構模型介紹。詳細介紹沈陽市工程地質的特征、鉆孔數目、研究地層深度等詳細信息。

（2）重點區域模型演示。可以觀看高鐵站、飛機場等重點區域三維地質模型的視頻演示。

（3）地質結構模型及特殊建筑物模型信息預覽及下載。選擇模型后，可以查看該模型的詳細信息，有一定權限的話可以對其進行下載。

2.3地質圖庫

將地下空間數據分析管理平臺生成的基巖地質圖、地質構造圖、工程剖面圖、鉆孔柱狀圖等發布成服務，列表展示在網頁上，用戶可以查看其概略圖、服務類型及更新日期，有權限的用戶才能打開該地質圖進行查看。

2.4資料庫

將收集到的無序的地下空間數據檔案資料，進行整合歸類，整理成規則有序的檔案，對于公益性的、不涉密的檔案，免費提供給民眾閱讀下載，對于用戶定制的或者機密性的檔案材料，需要一定的權限或者費用才能下載使用。

3 結語

本系統綜合運用數據庫、3DGIS、互聯網、可視化等技術，為地下空間數據相關行業開發形成了一套完整高效的可視化管理與服務的系統，改變了傳統的工作模式，優化了工作流程，降低了勞動強度，提高了工作效率。基本完成了沈陽市地下空間數據庫的建設，和地下空間數據的可視化管理及信息分發服務系統的建設，為政府城市規劃、基礎設施建設、環境治理等決策分析提供了基于網絡化、可視化、智能化的地下空間信息管理與服務的平臺，并已在沈陽城市建設中投入使用，并發揮著重要作用。

參考文獻：

[1].城市地下空間開發利用“十三五”規劃（續）[J].城市規劃通訊，2016（13）：1-3.

[2]王俊清. 城市地下空間信息系統集成與管理研究[D].天津大學，2017.

[3]賈佳佳，賈超，韓建江，黃丙湖.菏澤市城市地質信息管理與服務系統分析[J].水科學與工程技術，2017（05）：57-60.

[4]朱良峰，吳信才，劉修國.城市三維地質數據管理與服務系統框架研究[J].地球科學與環境學報，2004（01）：69-75.

[5]姜波，陳祥蔥.基于GIS的城市地下空間管理系統建設探索[J].測繪與空間地理信息，2013，36（07）：67-69+74.

[6]吳素芝，楊衛軍，郭亮.地下空間綜合管理信息平臺建設的探究[J].測繪通報，2013（08）：99-102.

[7]肖勇.重慶市主城區地下空間普查及管理系統建設[J].地理空間信息，2015，13（03）：142-144+12.

[8]李豐丹. 基于云GIS架構的地質信息服務關鍵技術研究[D].中國地質大學（北京），2015.

[9]趙慧芬.基于MapServe和Openlayer的WebGIS開發[J].測繪與空間地理信息，2013，36（09）：100-101.

[10]賀雁鵬，黃慶享，曹健.可視化礦山的發展現狀及關鍵技術[J].煤炭科學技術，2019（04）：32-37.