3DGIS在城市地下空间规划中的应用

3D GIS在城市地下空间规划中的应用 丛威青，潘 懋，庄莉莉

（1.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；2.天津大学建筑学院，天津 300072）

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摘 要：我国城市地下空间开发迅猛发展，由于地下空间利用具有难恢复、难预算等特点，地下空间规划日益受到重视。但是传统二维规划技术很难用以描述地下复杂地质环境等三维空间信息，而三维GIS技术可以较好地解决这一问题。在分析城市地下空间规划内容的基础上，对三维GIS技术及其在地下空间规划中可发挥的作用加以阐述，提出了基于三维GIS的地下空间规划三维辅助信息系统总体设计，重点探讨其体系结构和子系统集成方案。 关键词：三维；GIS；地下空间；城市规划

中图分类号：TU473；TP391 文献标识码：A 文章编号：1000–48(2009)05–07–04

作者简介：丛威青(1980– )，男，山东日照人，博士，从事3D GIS及其应用方面的研究。E-mail: wqcong@163.com。

Application of 3D GIS in urban underground space planning

CONG Wei-qing1, PAN Mao1, ZHUANG Li-li2

(1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. School of Architecture, Tianjin University, Tianjin

300072, China)

Abstract: The urban underground space has rapidly developed. Because of the difficult recovery and estimation, the underground space planning has received increasing attention. However, the traditional 2D planning techniques are difficult to describe the complex underground geological and environmental information. 3D GIS technology provides a better method to solve this issue. Based on the analysis of urban underground space planning, the three-dimensional GIS technology and its conceivable role in the underground space planning are analyzed. A design of 3D supporting information system is put forward for the underground space planning, focusing on its architecture and subsystems integrated solutions. Key words: 3D; GIS; underground space; urban planning

0 引 言

自1863年伦敦首条地铁开通以来，世界各国地下空间开发获得了迅猛发展。特别是1950年以后，以美国、加拿大、日本、法国等发达国家为代表，已经形成较为完善的地下空间开发体系和地上、地下一体化规划理念[1]。我国现代地下空间的开发利用在改革开放后逐渐进入快车道。北京地下空间建成面积已在3000万m2以上，平均每年增加建筑面积约300万m2，占总建筑面积的10%左右[2]。此外，上海、南京、天津、深圳、青岛等城市都在大力拓展城市地下空间。

由于地下空间开发具有难恢复、难预算等特点，如果希望地下空间资源在城市发展中发挥最大的长期效益，就必须对地下空间资源进行有效规划。然而，不管是地下空间总体规划还是详细规划，都需要在提供文字说明的同时，形成辅助说明图件，如地下空间资源评估图、地下空间开发利用现状图、地下空间开发利用总体布局与结构规划图、地下工程系统规划图等，传统的规划技术主要关注于研究区域的二维表达，

这对于地表规划已经足够了，但是地下地质环境极大

地影响着可建造设施的类型、规模和费用，直接决定了地下构建筑物建设状况，这就需要一种更为有效的方式来描述地下三维复杂地质环境，三维GIS（3D GIS）技术为解决这一问题提供了可能。

1 3D GIS技术

经过几十年的发展，二维GIS已深入到社会的各行各业，但其存在着自身难以克服的缺陷，虽然一些二维GIS和图象处理系统也能处理第三维的高程信息（2.5维GIS），但并未将高程变量作为的变量加以处理，只将其作为附属变量，虽能表达地表的起伏，但对地下信息的描述能力十分有限[3]。3D GIS是布满整个三维空间的GIS，通过对人类从某点观察视觉效

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基金项目：中国博士后科学基金项目（2007042044）；“十一五”国家科技支撑计划重大项目子课题（2006BAC04B01） 收稿日期：2008–03–17

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果的模仿，使三维对象更具真实感，较好地弥补了二维GIS的不足。在三维应用要求较为强烈的采矿、地质、岩土等领域，已先后形成了具有部分3D GIS功能的专用三维GIS[4-7]，如法国的GOCAD软件、加拿大LYNX软件等。

1.1 3D GIS基本功能

不同领域研究对象的差异造成不同学者对3D GIS功能的理解不甚相同[8-9]。地下空间规划主要以地学对象为研究载体，笔者根据地学对象尤其是地质环境及构建筑对象的特点，将3D GIS的基本功能总结如下：

（1）三维数据管理，主要包括三维数据录入、与其他系统数据的转换、数据基本分析、三维坐标转换、入库数据的有效整合和查询等。

（2）三维对象管理，主要包括基于三维数据的三维对象建模、三维对象模型可视化选择与查询、三维对象变化（平移、旋转等）。

（3）三维空间分析，主要包括三维布尔操作（交、并、差、切割断面、开挖等）、三维计算（体积、表面积、距离、方向等计算）。

其中，三维对象管理是地学领域3D GIS的核心，三维对象建模及其可视化是其最主要的两个功能。三维地学建模（3D Geosciences Modeling）借助于计算机和科学可视化技术，从三维空间角度对地学对象进行描述和理解。三维地学建模的方法很多，基于建模单元类型，大致可分为基于体模型的建模方法、基于面模型的建模方法以及混合建模方法等[10-11]；基于建模方式，又可分为自动化建模、人工交互式建模等。三维可视化指借助于计算机图形学、视频技术等将三维地学建模结果显示在计算机屏幕上的过程。 1.2 3D GIS研发思路

针对上述基本功能，当前研究和开发3D GIS的思路可归纳为两种：一种从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图系统一样，是从可视化角度出发的；另一种从数据库角度出发向三维GIS发展，从商用数据库向非标准应用领域扩展，将三维空间信息的管理融入RDBMS中，或从底层开发全新的面向空间的OODBMS[3]。

由于地下空间规划既涉及地质体等单个体对象，又包括地下管网等集群对象，所以，面向地下空间规划的三维GIS系统开发需要将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来进行。

2 地下空间规划三维辅助信息系统总

体设计

基于对地下空间规划对象的分析，结合前期工作

实践，提出地下空间规划三维辅助信息系统总体设计方案，该系统包括工程地质环境三维建模及辅助规划系统、地下综合管网三维建模及辅助规划系统、地下构建筑物三维建模及辅助规划系统等三个子系统。 2.1 体系结构

本系统体系结构如图1所示。

图1 系统体系结构图 Fig. 1 Frame of the system

（1）数据库层采用大型商用数据库存储和管理各类原始数据、基础数据、模型数据、可视化与分析成果数据以及元数据等。在空间数据引擎支持下，数据库系统既能存储和管理属性数据，也能存储和管理空间数据，并实现面向海量空间数据的数据组织和索引机制，为分析评价系统提供强壮的数据存储和管理支持。

（2）引擎层主要提供分析评价子系统所需数据抽取和分析评价结果入库两方面的接口。抽取的数据包括外部格式和内部格式两种数据格式。外部格式包括大量使用的通用GIS及CAD软件文件格式；内部格式指三维GIS平台所使用的内部数据格式，它是为三维建模及可视化这一核心功能需求而特殊设计的，由GSIS SDE（北京大学信息地质研究实验室开发的三维数据引擎）实现。三维建模结果包括三维结构模型和其它可视化与分析结果等成果数据，其入库由GSIS SDE完成。在引擎层支持下，使得系统具有更大的通用性和开放性，能够与其它系统进行方便的数据交换。

（3）平台层以北京大学信息地质研究实验室自主开发的3D GIS为基础，提供三维通用模型构建、分析和展示方法，并具备矢栅一体化显示和空间分析等功能。

（4）在平台层支持下，基于三维通用建模方法，根据工程地质、管网、构建筑物特点，提供专业三维

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模型构建方法。

（5）在构建地下空间规划各类专业三维模型的基础上，利用各专业分析方法构建地下空间规划辅助分析模型，进行三维工程地质环境、管网、构建筑物规划辅助分析。

（6）基于统一的结果输出方法，对生成的三维规划模型及分析评价结果进行成果制作及输出，并将其放入数据库中进行存储和管理。 2.2 系统集成方案

虽然系统由三个子系统组成，但只有将其进行有效的整合才能较好地实现地下空间规划所需的各类一体化分析操作。系统整体集成方案见图2，主要包括：

图2 系统平台集成方案示意图

Fig. 2 Integrated solutions of the system platform

（1）采用多元数据库管理框架：构建核心模型数据的持久化框架，提供元数据管理能力，支持多数据结构、多存储方式的数据导入、导出、访问、转换等。

（2）采用统一数据管理：采用统一的基于元数据的数据管理机制，提供数据操纵框架。

（3）提供集成可视化环境：提供面向多专题的可视化和集成可视化环境，支持成果图件的统一输出。

（4）应用统一分析框架：基于开放的数据访问和可视化平台，提供扩展分析算法及应用的植入能力。

3 三维地下空间规划

基于上述系统，通过多种三维建模方法的使用，可以方便地建立各类规划对象的三维模型，并可对地下工程设施的位置、规模、埋深以及构建筑物与已有地下设施的连接方式进行调整修改，从而较好地辅助地下空间规划方案设计，提高规划设计的速度和质量。

图3和4为笔者利用自主开发的3D GIS系统建立的某小区构建筑物及地层三维模型示意图。

需要指出的是，地下工程建设一般都在城区范围内，在其施工过程中常常会引起周边地层产生位移、

图3 某小区构建筑物及地层三维示意图 Fig. 3 3D model of a community building and stratum

图4 某段地铁隧道与地层三维示意图

Fig. 4 3D model of a subway tunnel and stratum

变形、沉降、塌陷等环境地质效应，从而威胁到周围地面建筑物及基础、前期人防等其他地下构建筑物、地下管线等各种地下设施以及道路路基、路面等[12]。因此，地下空间规划时需对城市地下建设工程的环境地质效应及其影响进行科学地分析预测。但是，如地下工程引起的地层变形、地下水环境变异、洞室围岩失稳、地质生态环境恶化等分析评价都需要各方面专业技术的支撑，而这对于规划设计者和审批领导的要求是比较高的，在短时间内很难完成此类分析。结合这类专业分析功能的三维GIS系统能为这类人员提供较客观认识该类问题的工具，并且分析结果的三维展示形式易于说明和理解，从而在最大程度上避免地下工程造成的不良影响。

此外，3D GIS能较好地呈现出地下工程完成后工程与环境的协调情况，方便评估工程的社会价值、经济价值和技术价值。同时，依赖三维可视化和空间分析技术，3D GIS具有表达装饰、道具装置、情报、环境、文化等景观素材的能力，可以较好地展现地下空间景观设计效果，帮助设计者准确把握人、空间、时间三者的相互关系。

4 结论及展望

城市地下空间开发需要科学合理的地下空间规划

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指导已经获得多数学者的认可，实际开发过程中却经常出现不按规划设计开发的情况，造成这种现象的原因有许多种，其中一个重要的原因在于缺乏真实感较好的三维规划方案设计，这一方面造成规划人员无法对地下地质环境进行较好的分析评价，另一方面增加了施工人员和审批领导对规划方案理解的难度。笔者在分析3D GIS特点的基础上，提出将其应用于地下空间利用规划的必要性和可行性。结合前期实践，形成了地下空间规划三维辅助信息系统开发思路。由于3D GIS尚处于研究阶段，还没有一个较为完善的3D GIS平台，所以需要在进一步分析地下空间规划特点的基础上，结合城市规划理论、岩土工程理论、地下工程理论等对系统设计进行细化和逐步实现。相信在不久的将来，地下空间规划三维辅助信息系统会成为地下空间规划不可缺少的工具之一。 参考文献：

[1] STERLING R L. 城市地下空间利用规划: 进退两难[J]. 孙

志涛, 译. 国际城市规划, 2007, 22(6): 7–10. (STERLING R L. Urban underground space use planning: a growing dilemma[J]. SUN Zhi-tao, trans. Urban Planning International, 2007, 22(6): 7–10. (in Chinese))

[2] 石晓冬. 北京城市地下空间开发利用的历程与未来[J]. 地

下空间与工程学报, 2006, 2(7): 1088–1092. (SHI Xiao-dong. History and future of underground space development and utilization in Beijing[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006, 2(7): 1088–1092. (in Chinese))

[3] 肖乐斌, 钟耳顺, 刘纪远, 等. 三维GIS的基本问题探讨[J].

中国图象图形学报, 2001, 6A(9): 842–848. (XIAO Le-bin, ZHONG Er-shun, LI Ji-yuan, et al. A discussion on basic problems of 3D GIS[J]. Journal of Image and Graphics, 2001, 6A(9): 842–848. (in Chinese))

[4] 吴健生, 朱谷昌, 曾新平, 等. 三维GIS 技术在固体矿产

勘探和开发中的研究与应用[J]. 地质与勘探, 2004, 40(1): 68–72. (WU Jian-sheng, ZHU Gu-chang, ZENG Xin-ping, et al. The research and application of 3D GIS in solid mineral exploration and mining[J]. Geology and Prospecting, 2004, 40(1): 68–72. (in Chinese))

[5] 李 梅, 董 平, 毛善君, 等. 地质矿山三维建模技术研究

[J]. 煤炭科学技术, 2005, 33(4): 46–49. (LI Mei, DONG Ping, MAO Shan-jun, et al. Research on 3D modeling

technology for geology and mine[J]. Coal Science and Technology, 2005, 33(4): 46–49. (in Chinese))

[6] 丛威青, 潘 懋, 李 军. 矿产资源勘查三维辅助信息系

统建设[J]. 中国地质, 2007, 34(S): 404–406. (CONG Wei-qing, PAN Mao, LI Jun. Construction of the 3D supporting information system on the exploration of mineral resources[J]. Geology in China, 2007, 34(S): 404–406. (in Chinese))

[7] 丛威青, 潘 懋, 陈 雷, 等. 基于三维GIS的工程勘察信

息系统[J]. 工程地质计算机应用, 2008(1): 1–6. (CONG Wei-qing, PAN Mao, CHEN Lei, et al. Engineering investigation information system based on 3D GIS[J]. Engineering Geology Computer Application, 2008(1): 1–6. (in Chinese))

[8] RHIND D W. Spatial data handling in the geosciences[C]//

TURNER A K. Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Inforrmation Systems. NATO ASI 3, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1992: 13–27. [9] KELK B. 3-D modelling with geoscientific information

systems: the problem[C]// TURNER A K. Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems. NATO ASI 3, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1992: 29–37.

[10] 史文中, 吴立新, 李清泉, 等. 三维空间信息系统模型与

算法[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008: 14–16. (SHI Wen-zhong, WU Li-xin, LI Qing-quan, et al. Models and algorithms for three-dimensional spatial informational system[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008: 14–16. (in Chinese))

[11] 杨东来, 张永波, 王新春, 等. 地质体三维建模方法与技

术指南[M]. 北京: 地质出版社, 2008: 5–13. (YANG Dong-lai, ZHANG Yong-bo, WANG Xin-chun, et al. Three-dimensional geological modeling method and technical guidelines[J]. Beijing: Geological Publishing House, 2008: 5–13. (in Chinese))

[12] 朱合华, 李晓军. 数字地下空间与工程[J]. 岩石力学与工

程学报, 2007, 26(11): 2277–2288. (ZHU He-hua, LI Xiao-jun. Digital underground space and engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(11): 2277–2288. (in Chinese))