城市地下空间三维模型构建方法

［摘 要］实景三维是对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字虚拟空间，其可实现数字空间与现实空间的实时关联互通，而部件级三维模型是其重要的组成部分。作为城市发展的重要载体及城市规划建设的基础，城市地下空间的实景三维建设必不可少。本文针对城市地下空间的特点，结合国家新型基础测绘北京试点-丽泽商务区地下空间实景数据生产项目，提出多源数据融合的城市地下空间部件级三维模型构建方法，并探讨了城市地下空间发展及数据应用场景，为城市地下空间三维数据的广泛应用提供助力。

［关键词］实景三维；地下空间；部件级；三维模型

引言

城市地下空间开发利用是我国近年来城市建设的热点，建设速度之快、规模之大，史无前例［1］。地下空间作为城市智慧管理与运营的实体介质（如交通系统、物流系统等基础设施）中不可或缺的组成部分，是实现智慧城市的关键因素［2］。实景三维是传统测绘技术面向新时期经济发展与生态文明建设需求的一次转型升级，城市地下空间三维模型是城市实景三维模型的重要组成部分。地下空间信息完整准确，对于城市规划、设计、施工及竣工至关重要。

北京市在“十四五”规划中提出要建成全球数字经济标杆城市、全球新型智慧城市标杆［3］。2021年6月，北京市获自然资源部批复成为国家新型基础测绘建设试点城市，试点建设内容包含丽泽商务区1 km2地上地下部件级实景三维。地下实景三维建模主要包括对地下管线、隧道、轨道交通、地下建（构）筑物等地下空间对象的三维建模。探索不同地下空间地物三维模型的采集与构建方法，方便地下空间三维模型应用，为智慧城市赋能。

在对地下空间的建筑物进行三维建模的过程中，由于竣工图纸难收集、现势性弱，且地下空间要素多，因此相较于地上，地下空间三维建模难度较大。地下空间复杂多变，数据的获取可以通过多种方式实现，对于不同类型的地下空间需要采用不同的建模方法。本文提出一种基于工程图纸、点云数据、地下管线探测数据、全景影像数据等多源数据融合构建城市地下部件级三维模型的方法。

1.1 地下空间三维建模的分类

地下空间是城市发展的宝贵资源，它是指城市地表以下，为满足人类社会生产、生活、交通、环保、能源、安全、防灾减灾等需要而进行开发、建设与利用的空间［4］。地下空间按照功能类型主要可分为地下交通空间、地下商业服务空间、地下市政空间、地下公管公服空间、地下仓储空间、特殊功能空间等。

地下空间三维建模是指通过将地下空间的各种要素进行数字化的方式，构建出真实、精确、可视的三维地下模型。地下空间三维模型具有复杂性、多专业性、多样性、分散性和时态性等特征［5］，涵盖专业多，涉及部门多，其组成要素主要包括地下管线模型、地下建（构）筑物模型等［6］。

1.2 地下空间建模的要求

为了实现地面地下数据的无缝整合对接，地下空间建模对几何数据、纹理数据与属性数据均提出了更加严格的要求［7］。

1.2.1 模型分级

根据不同用途要求，对地下空间三维模型设置不同的模型精细度（level of detail，LOD），可分为LOD1、LOD2、LOD3、LOD4 四个细节层次。其中，LOD1 模型为简易模型，LOD2 为基础模型，LOD3为标准模型，LOD4为精细模型。

1.2.2 模型整体要求

1.2.2.1 几何要求

地下空间模型要素应全面完整，不应有遗漏和冗余。不同类型、不同细节层次数据的拓扑关系应完整正确。模型制作过程中，几何上要以能够准确表达对象的几何形态特征为准则。模型中不应存在冗余的点、线、面。模型的相邻面应严格衔接，不应出现缝隙及错位、交叉情况。

1.2.2.2 纹理要求

用于地下空间建模的纹理数据应真实反映模型的颜色、质地；纹理数据应色调协调，自然美观；纹理数据应与几何模型细节层次相匹配，纹理应清晰可辨；纹理拼接应过渡自然；纹理命名严格按照命名规则，宜转换为统一的文件格式。对于重复利用的纹理，可建立纹理库。

1.2.2.3 属性要求

属性数据应依据城市三维模型的应用需要进行采集，用于地下空间建模的属性数据要满足完整性、准确性、实时性要求。

针对地下空间实体介质的不同特点，并结合三维模型的建模要求、范围、内容等，本文以丽泽商务区地下空间实景数据生产为例，提出一种基于多源数据（点云数据、工程图纸、地下管线探测数据、影像数据）融合构建城市地下空间三维模型的方法。整体技术路线如图1所示。

图1 地下空间三维建模流程图

2.1 三维建模数据采集

坐标系统采用北京2000平面坐标系，高程基准采用北京地方高程系。统一以“米”为计量单位。

2.1.1 几何数据采集

2.1.1.1 地下空间控制测量

地下空间控制测量一般包括地面控制测量、地下控制测量以及联系测量。利用地下空间已有控制点时应进行检核，满足《城市地下空间测绘规范》GB/T 35636—2017。

2.1.1.2 三维激光扫描

三维激光扫描技术是继全球定位系统（global positioning system，GPS）之后兴起的又一项高新测量技术，其突破了单点测量的传统方式，采用非接触测量精确地获取被测物体的空间几何信息，通过密集的点云数据快速复建出物体的三维模型［8］，无需多次进场，细节表达详尽，避免了漏测。三维激光扫描技术以其特有的优势逐步应用于地下空间测绘领域［9-10］。

采用架站式三维激光扫描进行点云数据采集，对于建（构）筑物室内及地下狭小空间通过背包式三维激光扫描进行数据采集，主要包括控制测量、扫描路线规划、点云数据采集与处理、数据检查与补测等。最终生成可供建模使用的“.las”或“.rcp”格式的点云数据。

2.1.1.3 地下管线探测

地下管线探测的对象包括埋设于地下的供水管线、排水管线、燃气管线、电力管线、热力管线、通信管线、广播电视等。对测区进行地下管线探测工作，需查明地下管线的类别、平面位置、走向、埋深、高程、规格、材质及管线的附属物、建（构）筑物等，以及地下管线的电缆根数、权属单位或管线运行单位、管线的使用情况。

2.1.2 纹理数据采集

纹理数据采集可采取摄影测量、激光扫描等遥感技术或实地拍照的方式采集，制作管线模型的纹理也可采取图像处理的方式。拍摄时应选择光线较为柔和均匀的天气，按正视角度进行拍摄，避免逆光拍摄。应根据不同细节层次的模型确定拍照需要表现的细节，纹理数据应真实反映材质实际的颜色、质感等［11］。

2.1.3 属性数据采集

属性数据应依据城市三维模型的应用需要进行采集。地下建（构）筑物应包括建筑的名称、权属单位、地下建筑层数、建筑结构、建筑性质、建筑面积、建成时间等，管线模型应该包含管线的类型、材质、埋设方式、断面尺寸、权属单位等。

属性数据利用已有的城市基础地理信息资料和其他统计资料提取，也可采取实地调查的方式采集。对于实地调查采集所得数据应进行检校检查，保证建模属性信息正确完整。

2.2 地下空间建模

2.2.1 地下建（构）筑物建模

地下建（构）筑物建模主要包括丽泽SOHO地下空间模型、轨道交通模型，轨道交通模型包含轨道交通车站、区间隧道、辅助线路（联络通道）、附属设施及其围护结构等。

2.2.1.1 基于工程图纸建模

收集到的设计/竣工图纸来源于规划院、分局等相关部门，需核实图纸中数据的现势性和准确度是否满足建模需要。以收集到的设计/竣工图纸为基础，使用雷维特（Revit）软件进行三维建模，采用标准纹理进行贴图，并对其已有的资料收集的属性信息进行相应的挂接。基于设计/竣工图纸的三维建模步骤：创建工程→加载图纸→建立项目基点、轴网及标高→建立模型→纹理贴图。

2.2.1.2 基于三维激光点云建模

以三维激光点云数据、高分辨率实拍照片作为丽泽SOHO 地下空间、地铁14 号线丽泽商务区站与丽泽SOHO的连廊以及地铁站点地下空间三维建模的源数据，使用Revit软件和三维计算机图形软件3ds Max加载点云并建模，其中包含对地铁车站内出入口楼梯、自动售票机、照明、站台柱子、安检设备、闸机等进行建模，并进行纹理贴图，挂接相应的属性信息。地铁车站地下空间模型如图2所示，地铁车站内部件级模型如图3所示。

图2 地铁车站地下空间模型

图3 地铁车站内部件级模型

2.2.2 地下管线建模

基于二维管线探测成果，使用北京山维科技股份有限公司的EPS 管线建模软件，通过管线、管点参数设置及附属设施模型资源配置，实现二维到三维的快速建模。地下管线三维模型所表达的现场实测实量的管线、管点、附属设施和建（构）物的空间位置、尺寸等，其数学精度应与依据的地下管线数据库保持一致［12］。地下管线模型如图4所示。

图4 地下管线模型整合图

地下管线三维模型应符合下列要求。

1）反映管线类型、管径、形状、特征；

2）对管线连接、变径、断面做圆滑处理；

3）表达管线在平面的走向和竖向的空间拓扑关系；

4）反映管线的连接点和附属物、建（构）筑物间关系。

2.3 数据融合

本项目空间基准为北京2000坐标系，而竣工图纸数据为北京地方坐标系，为统一空间基准。应对不同坐标系下数据进行坐标转换，实现由北京地方坐标系向北京2000坐标系的转换。

地下建（构）筑物模型使用Revit 及3d Max 平台生产为“.rvt”或“.max”格式，而地下管线模型使用EPS 管线建模软件生产为“.obj”格式。为融合建构筑物及管线模型，需通过转换软件进行“.rvt”到“.obj”及“.max”到“.obj”的格式转换，转换后应注意检查模型是否有数据丢漏及纹理缺失等。

将转换后的数据统一整合，并检查模型空间位置、表达质量等是否正确，确认无误后导出形成最终的融合后地下空间三维数字模型。

2.4 模型质量检查

对地下空间数据进行全数质检，主要是对数据进行几何检查、拓扑检查、属性检查等，对检查出的错误进行修改，从而保证数据的质量。结合三维模型生产及产品规范，对三维模型采用人机交互的方式进行检查，主要检查项是模型的空间参考系、位置精度、完整性、属性精度、时间精度、逻辑一致性、表达质量、附件质量，如表1所示［13］。

表1 成果质量检查项

3.1 地下空间数据“标准化”

城市地下空间实景三维建模的推进，离不开城市地下空间数据的支撑。针对地下空间数据应制定相应的数据标准，通过数据融合、标准化处理、三维建模等，建立标准规范的全要素地下空间数据库［14］。

3.2 地下空间“可视化”

为响应三维数字城市全空间领域建设的需要，城市三维建模已逐渐由地面向地下延伸［15］。城市地下空间复杂，缺乏观测手段，地下空间情况不能被完全掌握，是城市地下空间发展面临的难题。发展地下空间可视化并实行信息化管理是城市建设的迫切需要［16］，其重要实现途径就是地下空间三维模型，从而实现地下空间全要素数据的精细化、智能化管理和规划。

3.3 地下空间“数字化”

实景三维建设的最终目标是要实现数字中国，通过数字化支撑政府决策、规划及调度管理，迫切需要向智能化测绘转型升级［17-19］。通过构建全要素地下空间数字底座来完善或补齐城市基础数据底座［20］，可实现城市地下空间规划、建设和运维的全生命周期管理。其中，数据来源、共享机制、数据更新、数据融合、三维建模等是未来城市地下空间数字化建设的难点。

目前城市地下空间的开发主要为城市地下商业街、地下道路与停车系统、轨道交通、综合管廊、地下综合体等地下设施的建设，缺乏对城市地下空间的透明化管理与利用，地下空间的精细化利用程度有待提高。因此，本文提出基于多源数据融合的城市地下空间三维模型构建方法，为城市地下空间部件级三维模型构建提供了一种方案，并在国家新型基础测绘北京试点-丽泽商务区地下空间实景数据生产项目中展开应用。

未来，随着实景三维中国建设的有序推进，城市地下空间的三维数字化不可或缺。地下三维模型的轻量化、数据平台的标准化及数据更新共享机制是未来研究的重点。

参考文献

引文格式：曹淑敏，董书健，解春旭，等.多源数据融合的地下空间三维模型构建方法［J］.北京测绘，2024，38（6）：886-890.

作者简介：曹淑敏（1992—），女，山东济宁人，硕士，工程师，研究方向为新型基础测绘、航测及点云数据处理。E-mail: 1043573568@qq.com