冉慧敏,刘全海

(1.常州市测绘院,江苏常州 213002; 2.常州市地理信息智能技术中心,江苏常州 2130021; 3.武汉大学测绘学院,湖北武汉 430070)

基于规划核实的地下建构筑物三维建模方法

冉慧敏1,2∗,刘全海1,2,3

(1.常州市测绘院,江苏常州 213002; 2.常州市地理信息智能技术中心,江苏常州 2130021; 3.武汉大学测绘学院,湖北武汉 430070)

地上下一体化三维建模是智慧规划和管理决策的基础。在地上、地表三维模型的基础上,如何实现快速、高精度、低成本、高效率的地下空间三维建模,实现地上下的三维一体化成为研究的重点和难点。本文在分析地下空间规划核实的基础上,提出了基于规划核实的参数化地下建构筑物的三维建模方法,并以常州为实例,通过地下空间三维可视化系统的推广与应用,验证了该方法的实用性和有效性。

地下空间;建(构)筑物;规划核实;参数化建模

1 引 言

城市土地利用资源越来越少,地下空间的开发利用引起了城市规划和建设部门的高度重视。王梦恕[1]院士指出“2l世纪是城市地下空间开发利用的年代”。因此,建立普查地下空间现状数据库以及管理应用,对城市建设与管理有着积极意义。

由于地下空间的复杂性、隐蔽性和不可视等特点以及目前对重地下空间的开发利用的重视,其三维建模成为一个年轻而具有活力的研究方向。目前国内许多学者对其进行了研究,如朱合华等[2]提出了数字地下空间与工程概念。朱良峰[4]等针对城市地下空间信息三维建模、可视化分析的特点和要求,设计了面向空间结构信息和空间属性信息建模与可视化的三维空间数据模型;琚娟[2]等研究了基于B.Rep进行地下空间一体化建模,并给出了基于预分块技术的城市地下空间对象空间索引方法。地下空间建模研究目前大多还集中在地下管线三维建模、地层建模[1～3],对地下构筑物考虑较少[4]。

本文结合规划行业特点,有效利用规划平面图、审查后建筑施工图、并结合规划核实与验收的需求,实现地下建构筑物的快速三维建模及更新,提出了基于规划核实的参数化地下空间三维建模方法,并以常州为实例,通过地下空间三维可视化应用系统的集成应用,验证了该方法的实用性和有效性。

2 地下建构筑物的规划核实测绘

2.1 地下空间分类与特征

广义的地下空间信息包括地下建设工程信息和地质环境信息,地下建设工程信息又包括地下建构筑物和地下管线信息。根据实际应用和管理需要,可增加基础地理信息和城市规划信息。数字地下空间与工程研究的信息具有尺度特征、空间特征、时间特征以及工程特征。

考虑到地质环境信息和地下管线信息的采集、获取相对独立以及文篇幅所限,本文重点介绍狭义的地下空间——地下建构筑物的采编。

2.2 地下建构筑物

地下建构筑物包括以下内容:地下公共设施、地下市政设施、地下交通设施、地下人防及防灾、地下工业与仓储、地下综合体、地下井。地下空间的实体划分为:点、线、面和注记四类实体。其中点实体又分为简单点实体(SP)和简单有向点(DP);线实体分为简单无向线实体(SL)、简单有向线实体(DL)和复合线实体(CL);面实体(PG)表示闭合的多边形实体;图面注记实体(TX)。各个对象设置属性项。以地下构筑物为例,其基本属性如表1,附加属性如表2所示。

地下构筑物基本属性特征数据 表1

地下构筑物附加属性特征数据 表2

2.3 几何结构采编

地下建构筑物的规划核实测绘包括城市地下人防工程、过街地道、地下商场、地下停车场和地下隐蔽工程的现状测量。

地下空间设施平面图采用解析法或图解法分层施测,其测绘调查的主要内容包括:地下建筑的位置、用途、性质、外内外轮廓范围、地道出入口(分阶梯、斜坡和楼梯等)、坑道出入口、竖井、通道、厅室、墙柱、地下地坪标高、地下建筑净高、出入口地面高及附属设施等。建筑物的外轮廓往往几何要素相对简单,只需将建筑物的外轮廓线进行简单采编,而在进行三维建模时需要将纹理进行仿真的建设。针对于地下空间几何尺寸如墙体厚度、高度等要求会极高,否则各类要素之间会出现不接边等问题。下面就地下空间常用的几何结构采编方式做相关介绍。

(1)基于设计与竣工图的数据采编

地下构筑物的建筑及结构竣工图纸资料来源为城建档案管理部门、民防管理部门以及其他相关权属单位,从建筑物平面设计图(平面、立面、剖面与天顶平面图)、大比例尺地形图(或地籍图、房产图)中获得,并分割成独立的建筑平面主体,这种方法获得的数据精度高,局部更新方便,适用于小范围单体建筑物三维数据采集。

(2)基于地面LiDAR采集方法

利用激光雷达扫描仪获得地下建构筑物的点云数据,从点云数据中提取建构筑物特征线,而且获得的是三维坐标。这种方法获得的数据精度高,但数据处理量较大,受场地空间限制、功能分割造成的遮挡,而且需要用专业的软件来完成,适用于小范围的不规则单体建构筑物三维数据的采集。

(3)综合测绘法

通过RTK布设控制点,利用全站仪、激光测距仪或扫描仪直接测得建构筑物特征点的高度,这种方法获得的数据精度高,适用于小范围单体建筑物(尤其是不规则单体建筑物)特征点的高度。

在实际工作中,比较快速有效地办法是在收集的各类图纸的基础上,通过坐标配准、矢量化、外业核实、综合处理、三维建库等流程,发挥三种方式的综合优势,实现地下建构筑物的三维采编。

2.4 纹理数据采编

由于地下建构筑物纹理相对单一,除地下通道和地下商场进行装饰,色彩多样外,一般地面均为水泥地,墙面均为白色墙体。另外,城市规划关注的是范围线,重要结构的几何位置、地下高程和高度,并不像地面建筑一样需关注建筑色彩。因此,对于地下建构筑物的主体部分的纹理数据主要通过建立基本纹理库,如地面、立面和顶面采用纹理库中的标准纹理,对于个性化的纹理变化,采用相机拍摄并按传统方法进行纹理处理和映射处理。

3 地下建构筑物三维一体化建模的关键技术

规划部门结合人防建设,建立地下空间竣工核实机制,采用测绘的手段,对地下管线、地下建筑物进行规划核实测绘。建立标准化、规范化、高精度、基准统一的地下建构筑物数据库是三维建模的必要准备。基于规划核实测绘成果,实现地下建构筑物的边界表达、面向地下空间实体并顾及拓扑关系的三维矢量数据模型,能够完整、无缝的表达地下构筑物三维模型中的几何信息和拓扑信息。

3.1 总体思路

本文以地下空间的规划核实数据为基础,通过建立地下空间建构筑物模型数据标准,研究附属设施自动生成、纹理自动映射的三维建模方法和算法,基于3ds Max开发自动分类及纹理映射的插件,或者Mutigen Creater建模工具,完成地下空间数据的整体自动建模,最终与地上建筑物、道路及景观模三维模型、地形模型乃至地下管线等的集成统一的三维数据。

3.2 地下空间数据预处理技术

要实现地下空间的三维可视化,其前提是需要对二维线划图转化为三维矢量图。因此,对规划核实数据进行预处理。

地下空间要素的分类和编码是建立基础空间数据库的基础,直接影响到系统内数据的组织、采集、存取、编辑和使用等方面,更影响到数据的共享和交换,必须标准、规范、合理。按照《城市地下空间设施分类与代码》GB/T28590-2012标准,对地下空间进行要素分类。要素分类既要反映要素的类型特征,又要反映要素的属性、要素间相互关系,具有完整性,并适应信息发展的需要。在要素的扩展信息上设置了可扩展项,保证其科学的扩展。在地下空间普查和日常的规划核实工作中,以此标准为依据。对在此基础上,对收集到的规划设计图、竣工图按此标准进行空间化、数字化、标准化。

图1 地下空间数据测技术路线

3.3 地下空间采集体系建立

地下空间数据有别于地形图数据,相关构件、墙体等绘制方法又相似于建筑施工图,为此,需要研究相关的数据采集体系。

本文通过在CAD下研发相关的模块,具体由数据输入模块、民防工程模块、地下交通模块、地下商业模块、地下居住模块、地下工业模块、地下其他模块、搜索查询模块、图层与编码处理模块、数据检查模块、数据入库模块等组成,把数据标准中规定的各建(构)筑物符号化,信息化处理。尤其搜索查询模块、图层与编码处理模块、数据检查模块,对数据质量快速查询、定位、处理及修改提供极大便利.

其中符号化是最核心的功能,根据地下构筑物的设计用途分类,以不同的符号对地下构筑物进行图形表达,是对DWG格式的地下构筑物空间位置数据成果进行符号化表达的一种方式。具体研究成果如图2、图3所示。

图2 民防工程符号化菜单

图3 地下居住符号化菜单

另外一个关键技术点位二三维线的编辑功能,其主要解决二三维线的编辑与三维线上的高程处理。其功能包含“二维与三维数据互换”、“三维线偏移”、“三维线添加节点”、“去除节点”、“线拼接”、“线换向”以及“二维线的抽稀”等21个小功能。为三维参数化建模提供了强有力的。

3.4 参数化建模技术

参数化驱动的地下建构筑物建模。使用约束条件来表达三维对象的形态特征,通过定义一组参数以控制表现结果,从而能够通过调整参数来修改地下建构筑物的三维对象模型。地下建构筑物的三维对象模型可表示为{{Ci},{(Tj,Tj,Vj)},R|i=1,2,1m.j=1, 2,1n}.Ci是地下建构筑物建模对象的三维坐标,(Tj, Tj,Vj)是地下建构筑物的纹理集合,R是(Tj,Tj,Vj)与地下建构筑物上每一个对象的对应规则。

如地下交通设施中地铁线路及隧道是具有线状模型,纹理比较单一,几何结构相对比较规则,构造实体几何法是很好的选择。巷道轴线因为形式简单,采用参数方程表达非常方便,因此,采用Creator软件强大的LOFT放样功能,通过参考线(如轨道中心线,或者随道边线),可以事先建立巷道实体模型与轴线之间的对应连接关系,通过轴线参与空间分析计算。

通过参数化驱动的地下建构筑物建模方法,实现在三维数字城市环境下,地下建构物的快速建模与交互式调整,以实现地下建构物的精细和逼真表达,并满足应用分析、评估与成果输出的需要。

4 实践与分析

采用本文方法,基于CAD开发了地下空间数据采集系统,并进行了地下空间数据预处理,给予三维对象相应的高度和纹理信息。然后转出DXF文件,在3DMAX下开发自动分类及纹理映射的插件,或者Mutigen Creater建模工具,实现了常州市轨道交通一号线的地下空间普查数据的三维化,地下空间面积约200万平方米,并建立了轨道交通站台的三维模型,通过参数化建立了轨道线的三维模型,如图4所示。

图6 轨道交通

通过地下空间的整体自动建模,大大减少人工三维手动建模的时间和成本,更为地下空间的大数据的瓦片金字塔制作奠定基础,为三维数字城市建设,特别是在三维视角下进行地下管线的管理、规划、设计和施工提供关键技术的解决方案。

4 结 语

解决城市地下空间整体、批量、精细化的三维可视化表达是当前3DGIS的热点与难点。本文针对地下空间建构筑物三维建模的特点,提出基于规划核实的地下空间三维建模方法,并开发了相应的采集及三维预处理系统,实现地下建构筑物的一体化快速建模。通过试验证明是一种可行的技术途径。下一步的工作主要包括:与复杂附属物的匹配、三维数据更新和动态维护等。

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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,工程师,主要研究方向三维数字城市建设理论。

住房和城乡建设部科学技术项目计划(2013-S5-4)