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城市地下空间信息化关键技术研究及典型应用

发布日期:2018-01-19 发表者:潘声勇 浏览次数:134次

       随着城镇化进程的加快,城市的规划、发展,越来越需要全维度的城市空间数据的支撑。包括空中、地表和地下,而城市地下空间开发,也是城市的未来。


       建设背景

       有一个比较形象的说法是这样的,19世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑的世纪,21世纪是地下空间开发利用的世纪,侧面反映出地下空间开发利用在当前的重要性。纵观地下空间开发利用发展历史,国外起步较早,自1845年伦敦地铁的兴建到现在已有170多年,我国源于上世纪50年代,目前处于起步阶段。国家近期也出台了一系列政策,比如住建部发布的地下空间建设十三五规划,明确指出:“到2020年,不低于50%的城市初步建立包括地下空间开发利用现状、规划建设管理、档案管理等的综合管理系统,有效提升城市地下空间信息化管理能力”。

       在地下空间信息化建设方面,发达国家于上世纪90年代将GIS技术应用于地下空间信息管理,日本、荷兰、美国等地建立了相应的信息系统,可方便查询和调用地下管网信息。近几年也相继出现了一些商业化软件,如GOAD、EarthVision、DataMine等,主要侧重在地层的数字化。国内方面,近10年来,北京、厦门、上海、杭州、南京、广州等地相继建立了地下空间综合管理信息系统,具备数据加载、浏览定位、查询统计、量算分析、辅助规划、三维展示等功能。


       关键技术

       目前地下空间开发利用需要突破的关键技术有几点:全要素数据管理(地理、地质、地下管线、地下构建筑物……)、全生命周期管理(规划、建设、维护、后期运营)、专业分析方法(地质环境分析、地下管网分析)、三维建模与可视化分析(2D→3D、静态→动态)、三位一体化(地上建筑、地面利用类型、地下空间信息)、新技术集成(大数据、BIM、VR)。

       主要服务框架如图1所示。在数据中心建设中,主要关注:多源异构数据统一、可扩展、层次化管理;实现按主题多层次动态资源管理;实现目录定制和海量地质数据管理。将地下空间信息进行分类,主要包括基础地理、地质环境、地下管线、地下建构筑物、城市规划等。这里将城市规划信息列入,是以前城市地质发展中所较少关注的(图2)。


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图1 城市地下空间信息化服务框架

 

       在专业分析方法上,一是地质环境分析,涉及比较常见的基于模板定制与多数据约束的快速成图技术,地层图、剖面图等等;面向工程应用的专业分析计算,如面向黏土领域的分析技术、力学参数统计、计算;评价模型的自定义构建技术。

       二是地下管网专业分析,如拉链式公路,开挖与其他城市规划相冲突的现象,希望通过建立相关的数据库,将前期的信息全部摸清,结合新的规划内容,做更加完善的规划设计。

       三是三维建模与可视化。多手段的三维建模方法,包括工程地质建模、水文地质建模、基础地质建模、地形三维建模、地下管线建模、外部三维模型导入等。其中地形三维建模中涉及坡度坡向分析、挖填方计算、洪水淹没分析等等;基础地质三维建模涉及复杂地质体、交互建模技术、基底稳定性评价等;工程地质三维建模涉及多源数据耦合地质体建模方法、表征工程地质结构特征及参数、评价主要工程地质问题等,实际应用中可以进行任意线路的剖面切割、模拟隧道开挖与漫游,为工程建设服务;水文地质三维建模中,表征各含水层结构特征及水文地质参数,评价浅层地下水对地下空间开发的影响。对于地面沉降可以进行可视化模拟,比如对天津地面沉降的模拟对当地城市规划建设起了很大作用。

       模型建立后,需要提供多方式、多手段的三维可视化分析。包括交互式的地形分析、体数据三维分析、深度切割分析及动态剖切分析等。值得一提的是,在传统的二维地质图里,会有线和区的一些拓扑工作,构建了三维地质模型后,模型精度更为重要,模型的拓扑结构正确是最基本的,研发设计的三维模型自主查错功能,能够保证地层之间接触的合理性和真实性,不会出现三维结构里地层和地层之间的交叉、重叠或是有缝隙的情况。

       在四维动态分析中,包括海岸线动态变迁预演,地下水水位变化,运动轨迹的实时展示等。

       除了针对传统的地质模型,兼容常规的三维模型数据格式,无缝支持.obj、3ds、BIM、点云模型、倾斜摄影模型等。将这些模型和地质模型做统一管理,最终实现全空间地上地下一体化三维模型效果。

       针对海量异构数据,在三维数据的渲染上,采用多级LOD以及视锥体裁剪的方式,进行数据快速渲染,比如深圳市60万栋建筑物的三维调度,目前国内最大的三维模型——柴达木盆地(面积12万平方公里、建模深度达7000米)等。

       在新技术新方法研究上,涉及基于层位和断层信息的自动建模,关键算法研究,包括不规则曲面,断裂,地质特征线,蘑菇体等特殊地质构造现象等建模的一些算法。


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图2 地下空间数据内容


       典型应用

       嘉兴地下空间开发利用:首次将三维地质结构纳入到地下空间开发利用评价指标里,在三维地质空间模型里可以直接看到评价,实现随时按任一深度任一区间模型的评价,且可将结果进行直观的可视化表达,并且基于评价的三维模型结果,直接进行资源量的估算,包括一些相关的地块优选,线路优选,在乌镇的互联网大会上也做了相关实验。

       常州地下管线规划、设计与管理:实现综合管网空间、属性数据和业务数据统一动态管理,为综合管网的规划、设计、施工、运营、评估提供可靠的依据和服务。

       江苏岩土三维辅助设计:将三维可视化设计成果作为进行工程布置与分析,虚拟孔开挖施工、基坑开挖、基桩布置等的可视化决策信息,并针对岩土勘察流程来进行辅助设计。在江苏电力设计院电桩布设上得到了很好的应用。


       展望未来

       地下空间信息化不仅要围绕地质工作来做,还涉及方方面面的领域,比如上面提到的市政、城市规划等领域的工作,最终能作为智慧城市的重要组成部分;信息系统很重要的一点是动态性,即可维护可更新性,包括现在的更多的多源传感数据动态集成与融合;大数据、云计算、VR、BIM等新技术应用;将信息化工作融入到环境、工程、管理与服务等工作中,实现信息无缝衔接。

(作者单位:武汉中地数码科技有限公司