王芳

摘要：指出了数字城市是对城市地理空间实体的信息化建设，对城市规划管理起到一定的辅助作用。地下空间作为数字城市的重要组成部分，其规划设计、建设开发影响着城市空间利用的效率。三维技术是地下空间相关研究中的一个关键技术，在地下空间模型及信息化建设、资源评价、开发利用过程中，三维技术都发挥着重要作用。

关键词：地下空间;三维技术;数据模型

中图分类号：P426.616 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0201-03

1引言

“数字城市”出现于20世纪末，并在21世纪掀起数字城市建设的热潮。数字城市是指对城市空间组合和结构实现信息化，从而达到综合统一的管理与开发。数字城市是现代化发展的产物，对城市地理空间数据进行有组织的规划设计，并统一管理，这实现了资源的有效利用，同时增加了信息的共享性，也对城市规划建设有一定的作用，是城市可持续发展的体现。

地下空间是一个城市的重要部分，在协调城市建设与功能方面起到重要作用，而对于地下空间的规划设计以及开发建设分析是对传统城市的改进，与城市地上、地面空间相整合，实现城市集约，充分发挥城市的效能，提高城市空间利用效率。

三维技术已广泛应用于数字城市各个领域，是数字城市建设的数据基础。随着地下空间的逐渐开发与发展，三维技术也逐步应用于地下空间，无论是地下空间三维模型的建立、地下空间信息化建设，还是地下空间资源评价或开发利用过程，三维技术都不可或缺。

2地下空间三维建模

地下空间的三维数据模型主要来源于传统的三维地质模型和三维城市空间模型，基于城市地下空间的特征，在传统三维模型的基础上进行创造与改进，目前地下空间的三维数据模型已趋于成熟。三维数据模型的关键在于模型的类型以及建模方法。

2.1三维数据模型

当前对于地下空间三维技术的研究人员主要来自于城市规划管理、地理信息系统、传统地学等领域，不同的领域结合自身的知识对于地下空间三维建模也有不同的特点，因此产生了不同类型的三维数据模型。

从地学角度来看，当前三维地学模拟分析方面的研究采用的三维模型主要可以分为：三维体元模型、三维矢量模型、混合数据模型和集成数据模型这4种三维模型。这4类模型在地学研究方面都尤其各自的优点，但综合他们的缺点，可以总结为：无法在完整的表达城市地下空间实体的相关息的同时，又很好的描述其拓补关系，且不是所有的模型都可以进行空间操作和分析。从城市规划管理的角度出发，根据城市地下空间单元的不同，地下空间三维模型分为浅部地层、地下管线、地下建构筑物和地下水这4类模型，每种模型又可以分为各自的组成单元，例如地下管线模型可分为给水管网、排水管网、热力管网等。

尽管地下空间三维数据模型从不同的分析角度出发，有着完全不同的分类，且各种模型有其自身的特点，但在实际应用过程中，可以充分考虑模型的优缺点，并且可以跨领域对模型进行组合，从而达到优势互补，提高工作精度和效率，方便完成目标任务。

三维矢量模型是当前城市三维空间数据模型的主流。其主要优点为数据量小，便于实现建模和模型更新，但對于三维空间拓补关系的描述较为困难，对于空间分析功能有所欠缺。基于此可以将矢量模型和栅格模型相结合，实现矢删一体化，既可以反应地下空间的形态及关系，又可以描述其拓补关系，实现空间特征分析，从而提高表达精度和效率。除了将同一角度下的不同类型的数据模型进行组合，还可以跨领域结合构建三维数据模型。在城市地下空间三维建模的研究中，对于地下建构筑物三维数据模型的研究层次较浅，不能从多比例尺度下深入讨论。因此，有学者提出一种地下建构筑物多细节层次三维模型。这种模型是从几何和语义层次，将地下建构筑物分为点线面体的几何以及地上地下各具体建构筑物的语义，从而建立了地下建构筑物三维语义模型。

2.2建模方法

城市三维建模方法主要依据为空间信息技术和虚拟现实技术，这两种方法分别在效率和精度方面表现出自己的优势，为了实现城市三维快速建模，需要将这两种方法进行结合，依托城市测绘相关的数据资源和遥感影像数据，利用人机交互工具，实现快速精确地城市三维建模。城市地下空间属于城市建设的一部分，但是还由于地下空间无法通过遥感的手段得到其实际情况，因此城市地下空间建模主要依靠测绘相关的数据资源，依据二维信息，结合地下空间属性信息实现三维建模。

地下空间三维建模主要包括地质环境和地下设施的建模，基于钻孔的工程地质三维建模方法多应用于地质环境建模中，通过地质勘察得到的钻孔数据主要包含地下空间的地层情况;而对于地下设施的建模，主要可根据建筑设施的设计参数进行建模，记录其水平投影图形以及地上高度和地下深度，再通过拉伸建立三维模型。

地下空间同地上空间一样，都有权属划分，不同于地下空间的宗地，地下空间具有立体性，其不同深度范围的权属也有所不同，因此，在实现城市地下空间数字化的过程中，需要对地下空间地籍实现三维建模。地下空间三维地籍模型的建立较为简单，边界表示模型就可以满足三维地籍建模的要求，基于城市地下空间地籍测量得到的界址点、三维坐标，根据地下空间相关三维模型建立三维立体地籍图。

3地下空间信息化

信息化建设如今已成为各个行业领域的关键词，城市的发展也促进着地下空间的信息化建设。对于城市地下空间的信息化建设，可以很好的解决在许多资料记录缺失、低效的人工处理问题，随着城市地下空间大规模的开发，以及对动态管理与分析技术需求的增加，实现地下空间信息化建设越来越迫切。

3.1信息化建设内容

城市地下空间涉及大量的基础资料，主要可以分为基础地理数据、基础地质数据、地下管线数据和地下建构筑物数据四大类。

基础地理数据主要是指地下空间在开发建设过程中占用的岩层和土层，基础地理数据信息主要包括岩层信息（地层名称、时代、倾向、厚度，岩石构造、密度、抗压强度等）、土层信息（土层名称、颜色、湿度等）和勘察点信息（勘探点编号、深度、地下水位等）;基础地质数据主要指地下空间主要的地质构造、水文、地震、环境和资源等，这些数据是地下空间相应建设选址的主要依据;地下管线数据涉及给排水、电力、热力等八大城市地下管线，包括管线的性质、走向、材质等信息;地下建构筑物数据是指人类对地下空间进行开发利用中认为建设的工程设施，包括地下交通、地下公共服务设施、地下生产储藏设施等，信息内容主要为三维空间位置、结构、维护情况等。对于城市地下空间基础数据，主要采用专门的测量仪器进行信息采集，主要包括控制测量和地下空间测绘。

针对以上4种地下空间基础数据，我国近年来也对其进行了较多的信息建设，岩石地层数据库建设工程、三维城市地质调查项目、城市综合地下管线信息系统等都有所建设，但目前对于地下空间基础数据的综合管理、统一协调方面有所欠缺，信息数据系统之间很难实现交换与共享。

3.2信息化系统

城市地下空间信息化最终产物是建立信息化系统，集数据存储、查询、管理、分析于一体，实现对时空数据、属性数据等相关资料的整合，构建一个综合、开放、完整的地下空间信息管理系统。

地下空间信息化平台系统主要包括数据库、技术结构和应用层。在数据库的建设中，主要依托信息化建设内容作为信息系统主要数据基础，三维空间数据库主要包括三维模型数据库、属性数据库、地形数据库。除了这3个基本的数据库之外，还可以根据需要建立其他专业数据库，例如，需要应用系统进行规划分析时需要加入规划数据库。系统的技术结构是数据库和应用功能之间的桥梁，主要包括操作模式下相应的实现技术，一般的管理系统都采用B/s模式（浏览器/服务器）。应用层主要是针对不同使用对象的不同目标，构建专门的应用平台，可以将其分为公众应用层、管理应用层和专业应用层。

4应用中的三维技术

三维技术除了在城市地下空间的数据模型建模中有一定的应用，其在城市地下空间资源评价、开发适宜性评价以及具体开发利用等方面也有重要的作用。

4.1三维评价

地下空间资源是城市空间资源的重要组成部分，也占据人类可利用资源的一部分，地下空间的资源储存数量与质量、开发适宜性都关系了城市地下空间的开发利用程度。因此，对地下空间资源及开发等相关特征进行评价有一定的必要性。地下空间资源与开发受到很多因素的限制，基于其位于地下难于测量。跟传统地理学的评价不同，地下空间的评价需要建立在三维空间基础上，实现评价因子的立体化，再根据相应的评价模型或方法进行评价。

地下空間资源的评价主要基于传统地理数学方法建立评估模型，利用三维GIS技术，进行分析评价。层次分析法、灰色系统理论、综合指数法、模糊集理论等方法都在地下空间评价中得以应用。评价过程中，有两种实现三维立体化的方法：一种是确定评价因子后进行空间配准，统一坐标系统，从而形成三维实体;另一种是建立评价指标体系，然后依托相应模型确定评价单元体，对评价区域进行三维剖分。对地下空间进行三维评价主要是基于地下空间的立体特征，除了对地下空间资源及开发情况进行评价外，还可以实现评价结果的三维可视化。

4.2开发利用

三维技术在地下空间的开发利用中也有广泛的应用，尤其是三维GIS技术，针对三维数据模型建立的三维地下空间系统，利用GIS强大的空间分析功能，可以有效的实现地下空间的充分合理的开发利用。

基于3D GIS的特点，地下空间规划三维辅助信息系统被开发，弥补了地下空间规划开发过程中缺少真实感的三维规划方案设计的缺点，这样的三维技术用于地下空间规划，也利于角色者对方案的理解。关于地下空间权属的三维地籍建立也对地下空间的优化布局有一定的改进作用。另外，城市地下空间作为城市的重要组成部分，在城市统一管理的情况下，三维地下空间对于城市决策也有一定的作用。

5总结与展望

地下空间在城市发展进程中占据一定重要性，随着数字城市的逐渐成熟，地下空间数字化也越来越重要，基于地下空间的立体性，实现其三维立体化尤为必要。基于三维模型以及计算机的进步与发展，三维技术应用于地下空间已必不可少。本文综合整理了数字城市地下空间有关的三维技术，从三维模型、三维信息化以及三维技术在地下空间开发利用中的主要应用等方面，分析了地下空间的三维技术特点与主要内容。

通过整理分析，可以看出当前对于地下空间三维技术的应用主要集中在三维建模方面，这也是地下空间相关研究的基础。对于地下空间的深层次评价分析较少，今后在应用三维技术研究城市地下空间的过程中，可以考虑按照传统地理学的方法，结合成熟的三维技术，对地下空间进行深层次地分析与评价。