三维GIS技术在城市地下空间规划中的应用分析

三维GIS技术在城市地下空间规划中的应用分析

任若微

中国一冶集团有限公司交通工程公司湖北武汉430000

【摘要】文章从三维GIS技术，三维GIS基本功能，城市地下空间规划内容，三维GIS在地下空间规划中的作用四方面来阐述。

【关键词】三维；GIS；地下空间；城市规划；应用

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（3DGIS）技术为解决这一问题提供了可能。

一、三维GIS技术

经过几十年的发展,二维GIS己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),但它们并未将高程变量作为独立的变量加以处理,只将其作为附属变量,虽能表达出地表的起伏,但对地下信息的描述能力十分有限。而三维GIS是布满整个三维空间的GIS,其通过对人类从某点观察视觉效果的模仿,使三维对象更具真实感,较好的弥补了二维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,已率先形成了具有部分三维GIS功能的专用三维GIS,如法国的GOCAD软件、加拿大LYNX软件等。但是,迄今为止,国内外还没有一个成熟完整的三维GIS系统,相关系统大多集中在三维可视化方面,缺乏对各对象间关系的表达,管理大批量三维空间对象和空间分析的能力都比较弱。

二、三维GIS基本功能

由于三维GIS尚处于研究阶段,不同学者对其不同领域三维GIS功能的理解

也不甚相同。由于地下空间规划主要以地学对象为研究载体,所以笔者主要对地学方面三维GIS的基本功能加以总结,主要包括以下几个方面:

(l)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: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:三维布尔操作(交、并、差、切割断面、开挖等)、三维计算计算体积、表面积、距离、方向等)。

三、城市地下空间规划内容

目前,国家正在加速推进城市地下空间资源开发利用规划的技术标准建设与编制研究。与传统城市规划类似,也可将地下空间规划分为总体规划和详细规划两个阶段。在地下空间总体规划阶段,需对地下空间需求情况进行总体预测,并对功能使用及规模进行分析,开展地下空间立体布局设计,统筹安排各类专业设施中长期分布等。而在详细规划价段,需基于总体规划内容进一步明确各类地下工程建设的技术指标、相互间关系及整合要求,对地下工程建设的经济状况进行分析,提出切实可行的工程实施措施等。需要指出的是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。但是,传统的规划技术主要关注研究区域的二维表达,这对于地表规划己经足够了,而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,而三维GIS技术为解决这一问题提供了可能。

四、三维GIS在地下空间规划中的作用

由于三维GIS技术可以对地质、构建筑物等地下空间对象进行直观、形象地描述,所以其可应用于地下空间规划设计的各个阶段。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。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、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。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的分析预测。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,三维GIS能较好的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,三维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。

城市地下空间开发需要科学合理的地下空间规划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由于3DGIS尚处于研究阶段，还没有一个较为完善的3DGIS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：

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