地上地下一體化三維系統建設研究——以成都市為例

陳凱，曾詩晴，張俊，李驍，陳文典，范云松

(1.成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081； 2.四川省城市信息化測繪工程技術研究中心，四川 成都 610081)

1 引 言

城市化進程中不可避免地出現國土資源供需矛盾尖銳、城市承載能力不協調以及城市空間格局不合理等日益突出問題，大型地上地下空間開發利用呈現加速態勢，在飛速發展的同時，也聚集了大量的風險[1]。探索人與自然和諧共生的可持續發展新路徑，實現全面透徹的城市地上地下三維空間立體感知與認知，建立城市建設和政府管理的數字基底，已成為智慧城市發展建設和安全運維管理的必然趨勢，亟須三維GIS技術提供支撐保障。

傳統的數字化管理系統，大多針對特定需求專項定制，如城市地下三維管線系統、三維地質可視化系統以及規劃輔助審批決策系統等，各管理系統工作模式相對獨立[2]，缺乏共享交互接口；數據表達方式大相徑庭，缺乏多層次、多粒度時空對象描述，難以支持復雜環境下多業務領域的協同分析和運維管理；且對于大范圍市域級、城區級的三維GIS數據管理系統，幾乎沒有實景三維場景全覆蓋的相關研究和實例[3]，難以滿足政府對大范圍實景三維場景和數字化綜合管理系統的迫切需求。

本研究突破了傳統二維地圖“多張皮”和傳統三維可視化GIS側重外觀展示的局限，利用三維GIS對海量空間地理數據強大的存儲管理能力、綜合分析能力和多層次可視化能力[4]，對城市真三維立體空間進行統一描述、組織和管理，準確直觀地集成表達地上地形地貌、實景三維，地下管線、工程地質、建(構)筑物，室內設施、建筑結構以及國土規劃、多測合一等專題數據，形成與現實世界一致的數字框架，實現全新模式的城市地上地下全空間信息一體化管理平臺，為城市的總體規劃、建設管理、智慧運營等工作提供真實精準的地理空間數據和綜合分析展示，有利于政府管理部門全盤、直觀地掌握城市空間資源，推動信息高度共享和數據深度應用。

2 系統設計

2.1 系統總體架構

地上地下一體化三維系統基于B/S模式，采用面向服務體系架構(SOA)理念，堅持數據、管理與應用相分離的原則，建立靈活裝配式的擴展機制。系統的邏輯結構主要包括數據層、存儲層、平臺層和應用層四個層次，如圖1所示。

數據層是地上地下一體化三維系統的基礎，集成成都市試驗區已有的地形影像、地下管線、工程地質、國土規劃、多測合一等數據，形成城市全空間信息數據體系。利用天地空一體化觀測數據，構建成都市中心城區全域范圍高精度、可量測的實景三維場景，形成地上地下一體化三維系統的基礎空間框架，為城市多維地理環境要素全面感知提供支撐。為保證城市全空間信息數據的高效存儲組織以及網絡安全環境下的協同共享，顧及空間數據和非空間數據特征，采用一體化數據管理技術，實現基礎地理信息、專題數據、三維模型等空間數據以及視頻、圖表、文本、屬性等非空間數據關聯和集成管理。平臺層即搭建城市地上地下數據于一體的三維綜合管理平臺，是城市全空間信息精準映射和協同融合的神經中樞和關鍵支撐，面向不同的應用需求，可為用戶提供基于局域網環境的PC端系統、大屏可視化系統以及基于互聯網的移動端App，通過人機交互獲取相應服務，實現跨層級、跨部門、跨系統、跨業務的數據共享交換和業務協同[5]，為城市規劃設計、建設管理、政務服務、智能監管、應急指揮等提供全生命周期的智能管理應用。

圖1 地上地下一體化三維系統建設總體框架

2.2 系統功能設計

地上地下一體化三維系統功能設計如圖2所示，主要可分為六個部分：多源數據接入、數據規范處理、三維場景構建、綜合可視化分析、專題應用模塊以及系統管理。依據各部門行業的數據標準規范，建立多種格式的數據入庫和數據提取接口，實現對各系統不同類型數據入庫的標準化和規范處理；針對不同的場景應用，實現地上實景三維場景和地下三維管線、工程地質模型等專題應用場景的一體化構建；為滿足國土空間規劃、地下空間可視化應用以及城市立體空間管理等不同業務需求，設計常規空間分析、地質實時開挖模擬、分層分戶查詢管理等輔助決策功能以及雨、雪、霧等虛擬氣象模擬，實現真實和虛擬三維地理環境的沉浸式感知；系統管理功能則側重數據安全運維、系統更新迭代以及應用服務接口。

圖2 地上地下一體化三維系統建設功能體系

3 關鍵技術及功能

3.1 多模態時空數據集成管理和高效可視化

城市全空間信息數據具有多尺度、多時空、多維動態等特征，實現多模態時空數據的集成管理是系統搭建的關鍵。本研究從成都市已有數據特點及其邏輯結構出發，通過一套針對不同管理對象的索引機制，實現空間數據和非空間數據的統一管理，為地上地下一體化三維場景數據快速調度與流暢可視化提供數據底板支撐。

對于衛星遙感、航空影像、Lidar等多源傳感器數據構建的大范圍城區級實景三維地形模型，具有格網幾何結構的相對規則、空間數據相對均衡的特征，則采用基于四叉樹結構的規則格網剖分處理方法，以“均勻分塊+金字塔分層”的方式實現實景三維地形場景數據組織和調度，相比傳統二叉樹方式在數據剖分、存儲結構以及索引效率方面都具有明顯優勢[6]；對于數字航空攝影、傾斜航空攝影等數字攝影測量技術構建的高精度實景三維模型數據，顧及其結構復雜、紋理數量龐大等特征，通過創建幾何對象索引、紋理LOD和Mash-LOD的空間層次結構索引模式實現模型數據的高效存儲檢索，并結合實時遮擋數據裁剪算法和數據動態裝載技術，實現符合人眼視覺規律的多細節層次三維模型數據動態調度以及多尺度三維場景的快速瀏覽；對于地下管線普查數據、工程地質鉆孔數據、以及城市規劃報建和城市設計資料構建的三維模型，為了滿足日常更新維護和編輯查詢需要，則采用關系型數據庫進行存儲，通過空間數據引擎機制，以獲取服務的方式靈活查詢三維模型的空間和屬性信息；其他國土規劃、多測合一、公共專題、監測業務等數據，根據數據類型和結構特征，綜合采用關系型數據庫和非關系型數據庫建立專題數據庫存儲，以滿足不同業務部門管理需求。整個系統數據存儲采用“云GIS”技術，將數據管理與應用服務進行分布式部署，滿足各邏輯層的分離和獨立，實現城市立體空間多源異構數據的高性能存儲管理和靈活共享調用。多模態時空數據集成管理和高效可視化如圖3所示。

圖3 多模態時空數據集成管理和高效可視化

3.2 地下三維管線自動精細化建模

目前，成都市已累積了大量的管線普查數據，傳統的二維管線普查數據庫和地下管線檔案資料已不能滿足日趨復雜的管理需求，亟須向智能化、三維可視化的管理模式轉變。國內現有的地下管網三維重建技術[7]，大多是管線和管點分開建模，一定程度存在建模工藝煩瑣、耦合效果不佳等問題。本研究顧及地下管線不同類別、屬性特征以及拓撲連接關系，分層分類設計了城市空間三維管網模型，不同的管線及其部件模型采用不同的方法建立。

①不規則的管線點實體模型：例如各種閥門、水表、消防栓、配電箱等。這類管線點實體模型可重復調用，因此可借助已有管線普查數據、竣工測量及現場照片獲取管線點平面底圖及紋理，建立該類管線點的三維模型庫。②規則的管線點實體模型：例如地下井室、蓄水池等設施。這類管線點模型具有規則的幾何結構。可基于構造立體幾何法(Constructive Solid Geometry，簡稱CSG)，根據管線竣工CAD數據獲取管線點平面幾何信息，鍵入底面尺寸、高度即可自動生成該類管線點實體模型。③具有拓撲連接關系的管線點實體模型：例如彎頭、三通、四通、方管、圓管、管渠等。該類實體模型雖形狀方向各異，但具有連續的空間運動軌跡，該軌跡可以用解析式來定義，使用掃描法配合格網技術即“Sweep+Mesh”自動耦合算法[8]，將一條管段看作是整張連續的曲面進行建模處理，分別建立管線點連接的主管和支管模型，結合布爾實體運算，切割融合形成光滑、連續的管線點和管段實體模型。

通過對地下管線三維實體模型進行分層分類設計，基于管線自動耦合算法即可實現地下管線、特征管點以及附屬設施的自動高效建模，如圖4所示。相比傳統的建模方式，生成的管線光滑連續，有效節省了建模時間，一定程度推動了地下管線向精細化、數字化、智能化的管理模式轉變，對于城市地下管線合理布局、地下空間科學開發利用起了積極的促進作用。

圖4 地下三維管線及附屬設施建模

3.3 三維工程地質高效建模分析

充分利用成都市試驗區內已有水文地質、工程地質以及多參數鉆孔勘探資料，分析試驗區工程地質結構詳細情況，按照一級階地、二級階地、三級階地和淺丘地貌單元常見巖土層類型沉積規律，采用“主層編碼+亞層編碼+次亞層編碼”的地層編碼機制[9]，將區域所有地層劃分為若干主層，主層之間包含亞層、次亞層，以分層分序的方法建立工程地質鉆孔數據標準層序體系。

對常見的工程基本信息表(Project)、標準地層描述表(Soil)、鉆孔基本信息表(Hole)、鉆孔分層信息表(Hole_soil)等鉆孔數據表建立語義描述和標準映射，形成標準的工程地質數據庫。通過標準表映射，建立工程表名、表字段信息和用戶表名、表字段信息之間的語義映射關系；通過標準值域映射，自動配置鉆孔類型如地層鉆孔、監測孔、抽水孔等字段的標準值域；通過標準地層映射，實現地層編碼、地層邊界、地層紋理等信息映射，經系統一系列標準化處理后，即可實現基于標準層序體系的鉆孔數據自動檢查和標準化入庫。在此基礎之上，采用不規則三角網TIN繪制各地層邊界面，利用克里金插值算法對生成的地質層邊界面進行自動平滑處理[10]，基于此類地層邊界運用實體布爾運算即可切割形成標準地層層序劃分的三維工程地質模型，如圖5所示。

圖5 基于標準地層層序的三維工程地質建模技術流程

三維工程地質模型能夠完整清晰地展現工程地質構造類型和地層邊界劃分條件，以“透明地球”的形式直觀展示地上實景三維和地下空間要素分布情況，通過工程地質體綜合可視化分析和實時開挖模擬，實現對復雜環境信息的感知、預判和決策，為重大工程選址、線路規劃設計、工程地質勘查、地質災害識別等提供信息化支撐保障。

3.4 城市空間產權精細化管理

城市不動產權屬關系復雜、屬性信息豐富，傳統的二維不動產管理方式無法準確區分城市地上、地表、地下空間權屬關系。本研究通過對成都市試驗區國土規劃、多測合一、公共專題等數據進行建庫管理，建立多源數據的時空關聯，實現地上實景三維、地下立體空間、室內建筑結構以及專題成果的集成管理和數字化應用。

利用規劃竣工、房產地籍、人防地下室等多測合一成果，對試驗區地下停車場以及房屋、樓宇建筑進行分層分戶建模，并對空間實體建立對象標識碼ID，實現空間實體唯一標識和非空間信息的映射關聯。通過獲取分層分戶建筑、商業樓宇、地下停車場等空間實體的投影面節點坐標、底部坐標或層高等信息，實時繪制建筑外包立體盒并高亮顯示，以此來實現三維場景中分層分戶建筑、商務樓宇以及地下停車場等實體的動態檢索，并關聯宗地信息、房產測繪、人口、狀態等屬性，實現室外城市級空間到多細節層次模型再到室內空間的多尺度表達和綜合信息檢索。如圖6所示。

通過“以物查人”“以人查物”的雙向關聯以及專題成果的圖文檔一體化管理，輔助決策者既能從宏觀角度查看城市的總體布局、規劃用地情況，又能夠從微觀角度查看建筑實體空間權屬、狀態屬性以及地名地址、人口、經濟等公共專題信息，有助于不動產確權登記、權籍調查、拆遷分析、人口普查等政府管理工作。以數字化賦能推動政府治理手段和管理模式創新，實現城市立體空間精細化管理。

圖6 城市空間產權精細化管理研究流程

4 應用示例

本研究選用成都市中心城青羊區為試驗區。青羊區作為“中優”核心區域，既有悠久的歷史文化底蘊，又有豐富的地上地下、地形地貌要素，能夠具有代表性地展示城市特色和風貌，加之已有各類專題數據，故選做試驗區。

以成都市2018年基于傾斜航空攝影、機載激光雷達等技術手段獲取的中心城(金牛區、成華區、武侯區、錦江區、青羊區) 420 km2的 0.05 m的數字真正射影像(TDOM)以及 0.5 m格網間距的數字高程模型(DEM)為基礎數據，生成城區級高精度實景三維地形模型，直觀展示成都市真實地理空間環境；疊加青羊區單體化建筑模型，生成試驗區實景三維場景，作為平臺的空間基礎數據(如圖7)。基于試驗區范圍管線普查MDB數據庫、竣工CAD數據以及管線附屬設施模型庫，即可實現地下管線、特征管點以及附屬設施的自動高效建模，生成的管線表面連續光滑(如圖8)。導入試驗區范圍的工程鉆孔數據表，經一系列標準化處理，即可生成基于標準層序體系的三維工程地質模型；通過地質開挖模擬功能，實時展示工程地質構造、地下管線分布情況(如圖9)。系統支持基于多測合一數據建立的地下停車場三維模型及分層分戶室內建筑模型導入實景三維場景中，實現地上下、室內外多粒度對象集成表達和動態檢索(如圖10)。

圖7 地上地下一體化三維系統試驗區實景三維場景

圖8 地下管線及附屬設施三維模型

圖9 三維工程地質模型和實時開挖模擬

圖10 分層分戶建筑和地下停車位動態檢索

5 結 論

地上地下一體化三維系統實現了城市多模態時空數據集成管理和城市三維立體空間真實、透明、全方位的描述和展示，是城市建設管理的切實需求，是技術手段不斷發展革新、智慧城市不斷擴張演變的新途徑、新思路和新理念。以成都市中心城實景三維數據和青羊區試驗區專題數據建設為例，驗證了該系統建設研究的可行性和可靠性，為大范圍實景三維數據深入應用和跨專業信息深度融合、協同分析提供了思路。不管是面向政府部門、企(事)業單位還是社會公眾服務都有著廣闊的應用前景，可為國土空間格局優化、城市科學規劃設計、地下空間合理開發利用、應急防災減災等提供技術支撐保障，一定程度推動了“智慧城市”數字基底建設和“實景三維中國”建設。