重慶渝中半島地上地下一體化三維模型構建與應用

陳星　溫金梅　鄭志林　王昕亞

摘 要：為解決城市規劃建設中突出的地質問題，重慶市開展了渝中半島地質調查評價工作，提出了地上地下一體化三維模型建設總體思路，總結了模型在城市地上地下一體化數據管理軌道交通規劃選線、地下空間開發利用規劃等方面的應用經驗，提出了三維模型在服務城市安全監測預警、城市運行管理服務平臺建設等方面的建議。

關鍵詞：渝中半島；三維模型；地上地下一體化；輔助決策

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

隨著城市化進程的不斷發展，城市系統安全、城市安全運營、未來地下空間合理規劃布局等一系列問題也逐漸凸顯?，F代城市因人口膨脹導致高層建筑密集，上部荷載加大；因交通擁堵，對地下空間的開發密度和需求加大；不同時期、因不同目的開挖的人防洞室等地下空間分布范圍廣，無序開挖、斷面不一、大量未襯砌、洞體滲水等問題突出；城市建設過程中，偶有地面塌陷問題發生。2018年76個城市發生地下空間事故162起（中國巖石力學與工程學會地下空間分會等，2019）。開展城市地質調查，查明城市三維地質條件和地下空間開發利用情況，建立全面透徹的城市地上地下一體化三維空間立體模型，為城市規劃建設和運營服務，已成為現代城市發展和建設的必然（李烈榮等，2012）。21世紀以來，上海、北京、廣州、嘉興、許昌、遼陽、桐城等城市開展了多項城市地質調查工作（張阿根，2019；劉宗明等，2022；江齊英等，2021；林鐘揚等，2022；涂良權等，2020；尤建功等，2020；李運懷等，2021）。近年來成都市地質空間資源調查評價工作（鄧超等，2020；陳凱等，2021），主要圍繞重大城市地質問題和城市可持續性發展戰略開展相關研究，實現了基于多要素海量數據的三維地質建模、地質過程模擬及空間分析評價，構建了城市地質三維可視化信息服務平臺（高亞峰等，2005）。

以往城市地質調查工作中，城市地下地質體的三維建模及可視化技術理論及地表信息化模型（CIM）研究已取得較為豐碩的成果，而城市地上與地下一體化建模及可視化的研究還相對較少，特別是大范圍地上地下復雜目標的三維一體化建模、地上地下集成模型的多分辨率表達等，仍然是當前研究熱點（戴華林，2013；韓征等，2022）。本文從建設思路、模型建設及成果等方面論述了重慶渝中半島地上地下一體化三維模型建設工作，并結合渝中區相關需求，研究了在城市建設運行過程中的服務應用方向，能夠為城市三維地質模型建設提供良好的示范參考作用。

1? 模型總體設計

基于渝中半島實際需求，渝中半島地上地下一體化三維模型建設，主要通過多尺度、多要素、多專業的基礎地理和地質數據及城市地下空間設施數據，通過數據標準化處理，分層次構建地上地下三維模型，構建地上地下一體化的三維矢量立體模型與綜合數據庫，并通過信息化平臺進行一體化融合、展示和應用（周文等，2021）。利用不同軟件，構建三維地質模型、三維地下空間模型、地下空間開發安全風險評價模型、地表城市信息化模型等，并進行地上地下三維模型融合，為城市地上地下一體化數據管理、建筑物選址分析、軌道交通規劃選線等城市規劃建設和運營提供輔助決策支撐（圖1）。

2? 模型建設

1）地上地下三維模型

渝中半島地上地下一體化三維模型，主要包含了三維地質模型、三維地下空間模型、三維地基基礎模型、地表三維信息化模型等。不同的三維模型，所需要利用的數據類型和建模軟件各不相同。

三維地質模型構建，利用鉆孔數據、剖面圖數據、地質圖及DEM等數據（表1），采用剖分算法，利用深探地學三維建模軟件，建立結構模型、網格模型、屬性模型，將模型存儲到分布式數據庫并可支持Web可視化。在進行屬性插值時，不斷地調整變差函數參數，最終使插值的屬性模型不斷逼近真實地質形態。高精度網格下各屬性，使用數據庫同時進行管理，針對區塊網格進行屬性插值，使用數據庫進行網格的存貯和管理。

作為重慶市的老城區，渝中區地下人防設施與地下交通設施眾多。地下交通設施包括軌道一號線、二號線、三號線、解放碑環道及地下隧道等，地下人防設施也具有歷史悠久、分布廣、規模大的典型特征。根據收集的地上地下建筑物、地下人防硐室、地下交通、樁基礎等資料，對坐標系標進行統一，檢查合格后生成二維面，結合地上模型進行高度核實后，選擇3DMAX軟件進行三維建模，形成三維地下空間模型。

地表三維模型根據重慶市地表構建筑物信息、地形信息、三維傾斜攝影等綜合數據，構建地表城市實景三維模型。

2）地下空間開發安全風險評價模型

利用地質調查和地下空間及建模構筑物數據，基于專家問卷調查法和層次分析法進行篩選，建立了渝中半島地下空間開發安全風險評價指標體系，結合模糊評價和變權思想建立了安全風險模糊變權綜合評價分析模型，另外根據渝中半島地下0～150 m的開發安全風險評價結果，構建了地下空間開發適宜性模型和待建工程開發風險評價模型構成的渝中半島地下空間開發安全風險評價模型（奚悅等，2022）。并結合應用需求開發了地下空間開發安全風險評價系統，實現了渝中半島區域整體評價以及規劃待建軌道工程風險分析的功能（劉保林等，2021）。

3? 模型一體化融合

根據構建的三維地形、地質體模型、三維地下空間模型、實景模型等，確定了以多源異構數據進行數據轉換，形成多源異構數據庫，在此基礎上進行數據服務，并開展集成應用的技術流程。在“集景三維數字城市平臺”的基礎上，設計并實現了一個高效的三維數據的生產、集成、管理和共享方案，用于高效地存儲、索引、訪問、管理和調度大規模的三維空間數據。

針對數據庫中不同類別的數據，基于系統面向服務的技術架構，采用基于.net平臺的rest web技術，分別進行不同類型的數據服務發布。在面向相關行業推廣應用時采用開放式的應用服務開發體系，能夠有效解決系統平臺針對用戶的需求變化進行平臺升級更新的問題；能夠通過數據庫建立和平臺的數據管理接口的開放，來解決平臺數據的更新問題；通過提供行業應用插件拓展接口，提供插件式的行業應用拓展，解決系統平臺的開放性問題。

通過構建的重慶渝中區地下空間評價平臺接入數據服務，再通過構建在系統內部的數據集成中間件，完成對數據服務中的某些特殊結構數據的解析，實現平臺軟件對地質地理三維空間數據庫的集成與可視化。平臺直觀、真實地展示了渝中區地上地下的空間數據，實現了三維數字城市空間數據資源的綜合集成、分布式管理、集中共享與服務，體現了“數據多源異構、應用豐富多樣”的三維數字城市價值（圖2）。

4? 地上地下一體化三維模型應用及輔助決策支撐

渝中半島地上地下一體化三維模型成果，實現了地上地下一體化的地質數據、地下空間及設施數據、城市地表建（構）筑物等數據的集成與管理，以三維立體方式將地下構筑物的空間關系及與地質層、巖性、地表建筑物的關系展示出來，同時提供三維空間分析、地下空間開發利用適宜性評價等功能，可為政府規劃、管理部分相關決策工作提供基礎支撐（李云等，2021）。

1）地上地下一體化數據管理與查詢

通過構建的地上地下一體化三維模型成果和地下空間評價平臺，將多源異構數據進行數據轉換，形成多源異構數據庫。實現了地理、地質、地下空間、地表建構筑物等多元、多尺度的地上地下全空間大數據統一到一個平臺空間進行管理，并可通過三維可視化功能進行查詢和展示，為城市地質等大數據一體化管理、分析提供服務。

2）地上地下一體化空間精細化管理

隨著城市地下空間開發需求日益增大，城市地下空間精細化管理需求也愈發重要。渝中半島地上地下一體化三維模型，獲取了地表建筑、商務樓宇、人防硐室、地下車庫、軌道交通等空間實體數據，包含節點坐標、頂底標高、截面形態等等，實現了地上地下城市空間多尺度表達和綜合信息查詢檢索。在城市規劃、建設中既可輔助決策者從宏觀、立體的角度查看和規劃城市總體布局、土地利用等情況，又可從微觀角度查看具體建構筑物形態、分布和相關信息等。有助于智慧城市地上地下空間立體化、精細化管理。

3）城市建筑物選址輔助決策

渝中半島地上地下一體化三維模型中包含有城市地層及巖性、巖體參數和地下空間分布、地下空間開發利用適宜性評價等數據，可根據擬規劃的建筑物坐標和設定參數，開展擬規劃建筑物區域地基基礎分析及建筑物樁基與地下已有人防硐室、軌道交通及地下空間設施的沖突評價。并可根據擬建建筑物設計參數在三維場景中模擬建筑物建成效果，進行相關展示和分析，為城市大型建筑物選址提供分析和建議，為城市建設提供決策支撐。

4）服務人防工程開發利用

渝中區將在“十四五”期間，突出人防工程平戰結合特點，重點推進人防工程與地下空間開發利用相結合，加強人防工程提檔升級。構建地下空間開發利用管理協調機制，切實將地下空間開發利用納入規劃之中，分層次、分時間段推進人防工程與其他地下空間融合發展。

渝中半島地上地下一體化三維模型，獲取了渝中半島全面的地下空間數據，并可在三維模型中進行立體展示和查詢，可有效支撐渝中區人防工程建設專項規劃的編制和完善，讓決策者能更充分、直觀地考慮人防工程建設現狀和需求，合理開發人防工程地下空間資源，達到構建布局合理、結構完善、功能配套、防御有力的防護工程體系的目的。

5）服務城市軌道交通選線規劃

渝中區將建設多層次的一體化軌道交通網絡，堅持軌道交通引領城市發展格局，打造“軌道上的都市區”，實現干線鐵路、城際鐵路、城軌快線（市域鐵路）和城市軌道交通融合發展。有序推動城軌快線與市域鐵路、城際鐵路跨線運營，提升直聯直通水平，減少換乘。配合落地26號線在朝天門—解放碑片區設站的方案，研究27號線與26號線跨線運營的技術條件，實現解放碑與科學城直連，力爭菜園壩站與重慶站同步建設，為菜園壩濱江新城及重慶站提供軌道支撐。

基于渝中半島地上地下一體化三維模型和地下空間開發安全風險評價成果，利用重慶渝中區地下空間評價平臺規劃建設隧道風險分析功能（圖3），可實現軌道交通規劃選線區域隧道建設風險評價分析、結果查詢、展示，為渝中區軌道26號線等地下軌道交通規劃選線提供輔助決策支撐。

5? 持續深入應用三維模型建設成果的思考

1）服務城市地質環境與工程安全監測預警

建議將渝中半島地上地下一體化三維模型成果與渝中區地質災害等監測預警平臺進行融合開發利用，形成新的三維立體監測預警網絡，提高城市地質災害預警水平。同時可與交通部門開展合作，整合城市地面監測布局和軌道交通安全管理需求，建立綜合監測網絡，結合水工環地質資料，全面提升軌道交通安全預警能力。

2）服務渝中區城市運行管理服務平臺建設

渝中區將基于智慧城市管理現狀，以城市管理政務云、大數據平臺為支撐，搭建城市運行管理服務平臺，構建市政設施、市容環衛、園林綠化、供節水等行業應用模塊，圍繞解決發展重點、管理難點、民生痛點，打造“小切口、大民生”特色應用場景，逐步完善行業全領域工作流與數據流的融通、聚合，推進全區城市運行管理工作統籌協調、指揮調度、監督考核和綜合評價工作。同時將打造“集約化、規范化、可視化”城市管理大數據云平臺，深化大數據智能化專題應用場景，深度挖掘城市運行內在規律和特征，植入績效管理、風險管控等關聯分析模型，預測關鍵指標變化趨勢，創新數據治理，提供城市“智”理良方。

渝中半島地上地下一體化三維模型成果，可以在地下空間、地質背景、地質環境等大數據建設和管理、三維立體分析和展示應用等方面，有效服務于渝中區城市管理大數據云平臺集約化、規范化、可視化建設，建議發揮地質工作基礎性、公益性作用，將渝中半島地上地下一體化三維模型成果納入渝中區城市運行管理服務平臺建設中，服務支撐城市運行管理服務平臺建設，提升城市精細化管理與服務水平。

3）建立資料在線匯交和成果更新維護機制

渝中半島地上地下一體化三維模型，是渝中區地質調查評價的重要成果，是服務重慶市城市規劃建設和社會經濟發展的重要基礎資料，及時維護更新是保證成果有效應用的關鍵。建議根據《關于加強城市地質工作的指導意見》等相關文件精神，建立服務現代城市化發展需求的地質資料在線匯交平臺和制度（彭漢發等，2018），建設城市地質大數據共享平臺（李凱等，2022），對渝中半島地上地下一體化三維模型進行及時維護更新，更加準確高效地為政府決策提供輔助作用，為社會面提供基礎服務（溫金梅，2018）。

6? 結論

1）根據渝中半島特點，確立了地上地下一體化三維模型建設總體設計思路。構建了渝中半島三維地質體模型、地下空間等模型，實現了地上地下三維模型一體化融合。

2）渝中半島地上地下一體化三維模型，實現了城市地上地下多源數據的集成管理和城市三維立體空間的全方位展示，可為渝中區城市建設運行過程中地上地下一體化數據和空間精細化管理與查詢、城市建筑物選址分析、人防工程開發利用、軌道交通選線規劃管理等提供服務和支撐，一定程度上推動了渝中區智慧城市基底建設。

3）發揮地質工作基礎性、公益性作用，建議加強渝中半島地上地下一體化三維模型成果在城市地質環境與工程安全監測預警、渝中區城市運行管理服務平臺建設中的應用，同時建立成果更新維護機制，以進一步實現建設“集約化、規范化、可視化”城市管理大數據云平臺的目標。

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收稿日期：2023-01-11；修回日期：2023-03-13

基金項目：重慶市渝中區技術預見與制度創新項目（20210216）資助

第一作者簡介：陳星（1989- ），男，學士，高級工程師，主要從事基礎地質、水工環地質工作。E-mail：122357804@qq.com

引用格式：陳星，溫金梅，鄭志林，王昕亞，2023.重慶渝中半島地上地下一體化三維模型構建與應用［J］.城市地質，18（3）：60-66