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地下空间三维模型构建与应用技术 发布时间:2021.09.09

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地下空间三维模型构建与应用技术

周文12,李倩楠12,石小蒙12,常松12 ,丁志庆12,宋红亮12

(1.正元地理信息集团股份有限公司,北京101300;2.北京市智慧管网安全评价及运营监管工程技术研究中心,北京101300)

摘要:为解决城市级大范围地下空间三维建模与应用中存在的三维模型关联复杂、精度低、数据容量大、处理时间长、地上地下一体化融合困难、三维渲染效率不高、模型应用服务价值低等问题,以“技术攻关/软件研发/应用推广”为主线,通过开展多项地下空间三维模型建设与应用关键技术攻关,形成了适用于大范围地下空间三维模型快速建设与一体化集成融合的技术方法体系,创新了三维地质属性模型从建设到应用的全流程技术方法,锻造出基于高精度地上地下全空间三维模型的可视化应用技术,研发了具有完全自主知识产权的三维可视化应用软件产品,并应用于雄安、杭州、成都等10余个工程项目。结果证明创新成果可为城市地下空间精细化管理与科学开发利用提供辅助决策支撑。

关键词:地下空间三维模型构建;高精度三维地质模型构建;地上地下一体化数据组织存储与模型无缝融合;地下空间模型数据三维可视化;地下空间三维模型分析应用

中图分类号:N 94     文献标志码:A  

 

0、引言

现代城市发展是一个“上天入地”的立体化过程,城市地下空间开发利用已成为关乎国计民生的焦点问题,只有实现地上地下协同规划,合理开发利用地下空间资源,才能实现人口、资源、环境的可持续发展。为实现城市地下空间的科学合理规划与可持续发展,很多城市通过建立三维地质模型,直观表达地层的厚度、岩性以及空间形态[1]。随着国内外三维地质建模技术的不断发展[2,3],三维地质模型的构建越来越趋于精细化,除了构建三维地质结构模型外,还需要构建反映地质体内部非均值性的高精度属性模型,并在此基础上,将地表景观模型、DEM模型、遥感影像、地理底图、地质图及地下三维地质结构模型、地质属性模型、地下管廊、地下管线构建筑物模型等空间信息进行集成显示[4],构建整个区域的地上地下全空间多层次综合三维模型。

虽然目前有众多的地下空间三维建模方法和应用软件,但他们各自的适应能力有限,面对城市级大范围地下空间三维建模与应用方面,依然存在三维模型关联复杂、模型精度低、模型数据容量巨大、模型处理时间长、地上地下一体化融合困难、三维渲染效率不高、模型应用服务价值低等问题。此外,国内地下空间领域企事业单位或研究机构尚未实现对地下空间海量数据的全面、统一、协同管理[5],未能对三维地质模型和地下构建筑物模型进行一体化模型融合,尚不能全面综合利用地下空间模型数据对城市规划、建设、运维进行辅助决策支撑。

本文依托雄安项目业务需求,通过开展多项地下空间三维模型建设与应用关键技术攻关,形成了适用于大范围(不低于1000km2城市建成区)地下空间三维模型快速建设与一体化集成融合的成套技术方法体系[6],创新了三维地质属性模型从建设到应用的全流程技术方法,锻造出基于高精度地上地下全空间三维模型的可视化应用技术,研发了具有完全自主知识产权的三维可视化应用软件产品,成果可为科学开发、安全利用城市地下空间资源,城市立体发展提供理论和技术支撑。

1、依托工程概况

雄安地下空间信息化项目涉及的地下空间数据量达1.02PB;数据来源主要包括国土部门、规划部门、城建部门、地调部门、交通部门及地铁集团等相关单位;数据内容包括地质环境、地下管线、地基、地下空间设施等各类要素基础空间数据、属性数据及其物联网监测数据;数据格式覆盖CAD(dwg)、二维矢量、倾斜摄影三维模型、传统手工三维模型、BIM、Geo3DGML地质模型等;各类数据质量参差不齐,参考的坐标系、使用的比例尺、选择的地表统一基准面等多个方面存在差异。

2、设计方案研究

2.1 总体方案设计

围绕现代城市地下空间透明化、精细化、智慧化管理的需求,以“技术攻关/软件研发/应用推广”为主线,通过突破高精度三维地质模型构建、地下空间设施三维建模、地上地下一体化组织存储与模型无缝融合、三维立体空间索引、海量三维地质属性模型调度、基于高精度地上地下全空间三维模型的可视化应用技术等关键技术,研发基于高精度地下空间模型的三维可视化应用软件产品,实现城市级地下空间三维模型快速构建、地上地下全空间模型数据无缝融合、一体化精准表达与分析应用,助力城市地下空间精细化管理与智慧化决策。

2.1.1 项目关键技术攻关

(1)高精度三维地质模型构建技术

1)基于泛协克里格插值的“分级、分块、多源异构”三维地质结构模型建设技术:针对现有建模方法存在的问题:①与GIS结合较弱交互编辑能力差,可视化表达不够专业[7];②建模算法偏向于几何建模,地质语义表达能力较弱;③数据约束能力有限;④大规模矩阵运算能力较弱;⑤地质专家参与度低,地质规则难于加入;⑥深部地层的预测能力较弱,引入基于泛协克里格插值的智能三维地质建模技术。该方法利用地层属性、产状方向、切线方向这三个随机变量,构建一个带多项式漂移函数的协克里格插值函数;通过克里格插值,可以将建模空间中的任何一个点的地层属性估算出来,得到一个三维标量场;然后利用等值面追踪算法,从中提取出所有的地质面;可以模拟断层、平卧背斜、孤石、透镜体等非常复杂的地质曲面,显著提升三维地质建模能力,逼真还原复杂地质现象的空间结构。同时针对复杂地质条件情况下模型构建难度大、周期长、约束条件多的问题,提出了 “分级、分块、多源异构”三维地质结构模型建设方法,为实现大范围复杂地质体三维结构模型构建提供了解决思路[8]。

2)基于地质约束的三维地质属性模型时空插值方法:基于三维地质结构模型成果,根据地层、断层、岩体的接触关系进行地质条件分区,在此基础上对不同的地质条件分区进行水平方向及垂直方向上的插值计算,构建完整时间序列并进行时间序列建模分析、评估和预测,最后利用协方差模型实现三维空间属性数据和对应的时间属性数据的融合,得到三维地质属性模型。该方法可有效降低空间异质性对插值精度的影响,提高插值精度。

3)矢栅一体化三维地质模型建设:提出基于地质结构模型分层与构造约束的网格剖分方法,实现栅格化转换,之后利用栅格插值完成属性赋值,实现矢栅一体化三维地质模型构建。

(2)地下空间设施(地下构建筑物)三维建模技术

总结了适用于多种地下空间模型数据来源、精度的建模方法,提出了地下空间构(建)筑物模型的自动拉体建模、地下管网三维模型自动建模方法:

地下空间构(建)筑物模型的自动拉体建模[9]:对于建(构)筑物图形数据比较规整、简单、结构不复杂的数据,研发了二维矢量面自动构建三维矢量模型的建模工具,实现单个常规服务器情况,根据二维地下空间设施数据及属性信息快速生成三维模型不低于1000个每秒,同时支持分布式架构,随着硬件资源扩展,性能可大幅度提升。①根据提供的二维矢量数据和相关三维属性信息,以二维数据为基础,通过拉升、延展等变换自动形成三维矢量模型;②根据类别对每一类模型的立面和顶面赋予不同材质和贴图,定位其空间相对位置;③根据模型形状,计算最佳旋转角度。

地下管网三维模型自动建模:研发了二维管线自动三维建模工具,根据二维管网数据,自动、快速、批量、低成本的实现全类管线从二维到三维管线、管点模型的自动构建与更新,实现单个常规服务器情况,支持城市百万级管线三维模型批量建设,秒级构建万条地下管网三维模型。①对于管线数据,根据其属性信息获取管线位置、旋转角度、形状、尺寸等信息,作为绘制管线的基本参数,自动批量创建三维实体来表达管线模型;②对于管点数据,针对附属物、特征的不同,按照选择的三维手工模型进行三维符号化,同时根据管线方向、管径计算模型大小、方向和角度,最终生成管点三维模型。

(3)地上地下一体化数据组织存储与模型无缝融合技术

基于构建的三维地质模型、地下空间设施三维模型,研发形成了一系列三维体布尔运算工具,实现了地质环境、地下管线、地下人防设施、地下交通设施、地下商场等地下空间要素三维模型的一体化无缝融合与精准表达。

同时,基于地上地下全空间整体认知与时空信息作用机理,形成了地上地下全空间统一框架结构与协同表达方法,将地上地下全空间剖分为足够精细的立体网格,作为地上地下一体化数据组织的框架支撑。把多元、多尺度、多语义、多模态等特征的地上地下全空间大数据映射到统一空间,构建统一时空基准下的时空对象关联关系。确定地上地下一体化模型融合的基准面,通过开发的一系列模型数据融合工具,按照统一坐标系、统一比例尺进行模型装载与融合,同时基于海量三维模型调度渲染技术,支持实现PB级地上地下模型数据的无缝融合、高精度无损一体化表达。

图1 地上地下一体化模型融合流程图

Fig. 1  Map of seamless data fusion technology for ground and underground space

(4)三维立体空间索引技术

传统空间索引方法的编码范围局限在地球表面,很难对地下空间以及地上空间进行编码。本项目基于GeoHash算法,利用立体网格剖分技术,在高程维度按设定规则剖分地下空间三维模型并编码,形成立体空间三个维度的编码方法,为地下空间矢量模型数据的查询提供了便捷方法,减少了三维模型数据查询的时间。该技术突破了传统编码方法只对经纬度进行编码,不能对高程值进行编码的局限,实现了对地下空间全方位数据的位置描述和管理。该索引方法相较于传统经纬度坐标的空间查询管理方式,可将索引效率提高3-5倍。

(5)海量三维地质属性模型调度技术

形成基于空间位置特征的海量三维地质属性模型存储空间划分方法,将海量三维地质属性模型数据根据分块编号和分片编号划分为分散的、空间相连的小数据,分别存储在不同的逻辑存储单元中。通过对三维地质属性模型数据进行合理的划分和存储,使得在硬件资源有限的条件下,最大化的挖掘硬件有限的存储资源和计算单元,提高硬件资源的利用率,同时实现数据的分布式存储和并行计算,提高空间数据的存储能力以及空间分析的效率;

形成海量三维地质属性模型调度渲染中的不可见数据过滤技术,通过对抽稀分级后三维方向上不可见的空间单元进行过滤,确定最粗糙级别的空间单元并进行分块处理,得到多个调度单元进行渲染可视化,通过多层过滤,极大减少当前场景渲染数据量,在不损失可视化效果的前提下,极大优化显示效率。

此外,通过建成分布式数据库并建立分库和分表规则以及分布式应用服务器和缓存机制,大幅提升批量三维地质属性模型加载、应用时的负载管理能力;采用读写分离,将实时数据存储于实时数据库中,历史数据存储于传统的关系型数据;采用水平切分的方式进行分库分表,按照三维地质属性模型的属性值进行水平切分,存放于不同的数据库或数据表中;系统访问遵循二八原则,即80%的访问请求最终落在20%的数据上,对热点数据进行缓存,减少这些数据的访问路径,提升用户体验。

该技术支持十亿级三维地质属性模型体素块,高性能快速响应加载,帧速不低于30帧/秒。

(6)基于高精度地上地下全空间三维模型的可视化应用技术

基于高精度地上地下全空间三维模型,形成覆盖地下空间开发利用管理与辅助决策、工程地质勘察专项支撑的可视化应用技术,可为城市抗灾性能提升和内在素质增强提供专业技术支撑。涵盖大型建筑物选址分析、地下轨道交通选线规划分析、地面坍塌应急分析、地基承载力评价、桩基承载力评价、砂土液化判别等可视化应用。

2.1.2 地下空间数据中心建设

针对城市地下空间三维模型构建与应用业务需求与现状,建立地下空间数据中心。数据库内容包括原始资料数据、地质空间数据、三维模型数据、元数据。

同时,开发地下空间数据中心数据管理与服务系统,通过集成多尺度、多参数、多专业的基础信息数据、专题业务数据[10,11],实现了地质及其地下空间数据的有效组织与管理,支持对数据的建库、检查、导入、更新、编辑、备份与还原、查询、统计等功能;支持对矢量数据、管线数据、三维模型数据等从生产、处理、发布、配置等一系列流程,实现了其在自主三维GIS平台上的数据加载显示、数据查询等功能,方便应用系统的调用;同时支持数据交换、发布与共享服务。

表1数据库数据内容

Table 1 The data content of the database

原始资料数据

基础地质、矿产地质、工程地质、水文地质、环境地质、灾害地质、地质资源、地球物理、地球化学、遥感地质和气候等。

地质空间数据

地理地图数据(矢量格式数据和影像格式数据)和各专业空间数据(矢量格式数据、影像格式数据和分图层的各专业调查图件等)。

三维模型数据

钻孔数据、物探数据和三维地质模型数据、地下空间设施三维模型

元数据

数据的内容、质量、条件、可靠程度等数据的其它特征

数据库分类

数据内容

2.1.3 城市地下空间三维可视化应用集成软件产品研发

研发了集地下空间信息集成、快速三维建模、模型融合、可视化表达与科学决策为一体的三维可视化应用软件,实现对地上地下全空间模型数据的一体化管理和应用,同时涵盖地下空间开发利用、工程地质勘察应用管理等专项应用,可为国土、规划、市政等行业提供专项支撑。

(1)地下空间模型数据集成展示

支持对地质专题成果图以及地下三维地质模型、管线模型、地下空间构建筑物三维模型等地下空间多源、多时相海量异构数据的一体化集成展示,在三维场景中完美呈现地上建筑、城市景观、地质环境、地下管线、地下空间构建筑物等要素的三维特征表达。并支持数据展示、图层控制、场景控制、场景漫游等丰富的三维可视化交互功能,为地下空间海量信息多层次、立体一体化应用与分析提供基础数据支撑。

(2)城市地下空间模型数据精细化管理

针对城市地下空间建设现状与未来规划,支持对城市级多尺度、多参数、多专业的地下空间数据的有效组织与管理,支持对地下空间模型按楼层、按地层、按深度多个维度的查询统计分析,为城市地下空间模型精细化管理提供支撑。

(3)地下空间三维模型分析

平台提供对地下空间三维模型的剖切、基坑开挖、虚拟钻孔、动态推演、隧道开挖、钻孔查询等地质专业分析功能,可为城市管理部门与规划设计部门的地下空间相关决策管理工作提供参考依据。

(4)基于地下空间三维模型的专项应用

1)大型建筑物选址分析:基于高精度地上地下全空间三维模型,支持根据导入的工程规划建筑矢量面以及一些建筑物基本信息,在三维场景中模拟生成建筑物原型,进行建设区域软土层评价以及桩基与地下已有设施的冲突评价,分析是否与已有的地下空间设施产生碰撞、冲突等情况,判断是否会影响周围区域内的地下构筑物、地质环境等,得出大型建筑物选址的专业综合建议,为城市进行旧城改造、新城建设等提供辅助决策。

2)地下轨道交通选线规划分析:基于高精度地下空间三维模型,支持根据轨道交通规划方案路线与现有地区地质条件和地下空间设施的交互关系,遵循“避让原则”对规划设计方案进行评价,评估当前设计线路的影响范围、需搬迁房屋数量等,分析统计出规划方案穿越地层长度对比图、障碍物数量对比图、地质剖面与地下空间联合剖面图,为地下轨道交通规划、选址与施工提供有力支撑,提高选址规划的科学性和经济性。

3)地面坍塌应急分析:根据地面塌陷现场情况,对接地下水、地下病害体、地下空间设施运行状态等实时监测信息,在三维场景中快速对塌陷事故进行重建模拟,通过对事故发生的地点、塌陷范围、深度、影响范围的设置,真实还原事故情况,并基于高精度地上地下全空间三维模型统计出可能影响到的地质资源、地下空间资源(管线、地下空间设施等数据)情况,为事故处置提供辅助决策。

4)工程地质勘察专项应用支撑分析:基于高精度地下空间三维模型,支持在线获取工程地质物理力学参数在三维空间的分布变化,通过建立地基承载力评价模型、桩基承载力评价模型、砂土液化判别模型,实现对工程地质勘察分析的三维可视化应用支撑。

3 创新点

(1)研发形成了适用于大范围(不低于1000km2城市建成区)高精度地下空间三维模型建设与一体化集成融合的成套技术方法体系

自主研究形成了高精度三维地质模型构建技术,研发基于泛协克里格插值的“分级、分块、多源异构”三维地质结构模型建设技术,有效解决了复杂地质环境下模型过构建难度大、周期长、约束条件多的问题;研发基于地质约束的三维地质属性模型时空插值方法,解决了传统的平面插值法(如反距离加权法、克里金插值法等)未考虑时间和空间要素影响的问题,提高了插值精度,保证了插值后时空数据的完整性,进而更准确的确定待插值区域的地质空间分布和变化规律。

自主研发形成了地下空间设施三维模型快速构建技术,研发地下空间构(建)筑物模型的自动拉体建模技术,实现单个常规服务器情况,根据二维地下空间设施数据及属性信息快速生成三维模型不低于1000个每秒;研发地下管网三维模型自动建模技术,实现单个常规服务器情况,支持城市百万级管线三维模型批量建设,秒级构建万条地下管网三维模型。

自主研发形成了地下空间模型无缝融合技术,研发的三维体布尔运算工具,基于自主研发的地下空间三维模型渲染调度技术,可支撑PB级地下空间模型数据按照统一坐标系、统一比例尺进行模型装载与集成融合。

(2)创新三维地质属性模型从建设到应用全流程技术方法

1)三维地质属性模型构建

①基于地质约束的三维地质属性模型时空插值方法。基于地质分区,采用反距离加权插值算法、空间圆弧插补方法等对插值区域进行四维时空插值,解决传统的平面插值法未考虑时间和空间要素影响的问题。②三维立体空间索引算法。基于GeoHash算法,利用立体网格剖分技术,在高程维度按设定规则剖分并编码,实现全球地上地下全空间统一编码;根据三维立体空间编码对地球三维立体空间中的各类数据建立空间索引,有效降低全球全空间数据管理的复杂程度,减少空间数据查询检索的时间。

2)三维地质属性模型管理与可视化

①形成基于空间位置特征的海量三维地质属性模型存储空间划分方法,通过将大数据量的三维网格数据划分为分散的空间相连的小数据存储到不同的逻辑单元中,实现有限存储资源和计算单元的最大化利用,同时提高空间数据的存储能力以及空间分析的效率。②实现海量三维地质属性模型调度渲染中的不可见数据过滤技术,通过对抽稀分级后三维方向上不可见的空间单元进行过滤,确定最粗糙级别的空间单元并进行分块处理,得到多个调度单元进行渲染可视化,通过多层过滤,在不损失可视化效果的前提下,显示效率提升50%以上。

3)三维地质属性模型分析应用

充分挖掘属性模型在定量化分析计算方面的优势,实现对三维地质属性模型的查询统计、剖切、开挖分析和属性综合计算等综合应用功能,同时支持开展桩基承载力评价、地基承载力评价、砂土液化判别。

(3)形成基于高精度地上地下全空间三维模型的可视化应用

从全域视角出发,基于高精度地下空间三维模型,通过大数据分析挖掘技术深度挖掘地下空间要素的变化规律及发展趋势,探究知识驱动型辅助决策模型实现过程,形成基于业务流和事件协作的任务分解方法,通过构建大型建筑物选址分析、地下轨道交通选线规划分析等多尺度辅助决策分析模型,实现地下空间安全预测预报,精准支撑城市地下空间开发利用与安全运营。

4、结论与建议

项目成果已形成规模化应用,在雄安、杭州等10余个项目中顺利实现成果转化,取得了良好的应用效果和可观的经济效益,并为各地地下空间三维模型构建与应用以及智慧化建设提供了示范,加速了相关技术和产品的推广和普及。

下一步将持续对高精度三维地质模型构建进一步深入研究,探索支持地下空间环境更为复杂、数据量更大的技术方法,并进一步提升建模效率;同时基于构建的高精度地下空间三维模型研究更多贴合城市规划、建设和管理等方面需求的可视化分析应用,不断丰富和完善城市地下空间三维模型构建与应用理论体系,为城市地下空间精细化管理及科学的开发利用提供强有力的理论和技术支撑。

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