三维地下空间信息系统应用综述
三维地下空间信息系统应用综述
随着我国地铁、地下管线、岩土工程、地质灾害防治等工程建设的不断加快，大量的空间信息数据需要管理，因此迫切需要建立地下空间信息管理系统。目前，大多数单位通过二维地下空间信息系统进行地下空间数据的管理、分析。但是随着地下空间应用的不断深入，二维地下空间系统法表达三维实体的空间形态与实体间的三维空间拓扑关系，难以取得令人满意的效果，因而，二维系统在地下空间应用的不足日益凸显。
“三维数字地下”三维地下空间信息系统在虚拟现实技术与三维地质建模等技术支持下，对地质体、地下管网等、地下构筑物实现可视化展示，并对地质勘察、设计、施工及城市规划、管理中各种地下空间地理分布信息进行数据采集、存储、管理和分析，能够对庞杂的工程资料进行综合动态管理。提高数据可视化程度，充分挖掘地质信息的价值，为建筑、城市规划及岩土工程勘察等相关领域提供有力的决策依据，因此，三维地下空间信息系统具有广阔的应用前景。
一、三维地下空间信息系统市场发展空间巨大
（1）地下空间开发已成为城市发展趋势，必然带动地下空间信息产业发展，市场规模将超千亿元
近年来我国经济发展迅速，城市化水平和人民生活水平不断提高，2009年人均GDP达到3711美元，一些发达城市如上海、北京等已经超过10000美元。与此同时，城市发展面临土地资源紧张、绿地面积减少、交通拥堵等诸多问题，随着土地利用强度的不断提高，土地利用由平面利用逐渐向竖向发展，向高空和地下发展是历史的必然。根据国际经验，当城市人均GDP达到1000美元时，就进入城市地下空间开发利用时期；当城市人均GDP达到3000美元时，城市具备大规模开发建设地下空间的现实需要和经济实力，城市进入大规模开发利用地下空间的阶段。在进行城市地下空间大规模开发过程，需要加强地下空间开发的统一规划与管理，而地下空间信息是城市地下空间规划与管理的基础，城市地下空间开发必将带动地下空间信息产业的发展。
根据北京交通委的规划，北京地区将在2015年完成轨道交通建设19条，最终达到营运里程561公里，其中静态投资将达到2000亿元。除北京外，目前我国还有32个城市正规划建设地铁，已有28个城市获得批复。按照现有规划，今年我国将建成地铁480公里，2020年总里程将达6100公里。2010至2015年地铁建设投资规划额将达11568亿。在高达1万亿元地铁建设投资中，地下交通设施信息管理的投资将占到总投资的5%-10%，市场规模将达到500-1000亿元。
城市地下管线是城市的生命线，随着城市化进程的加速推进，作为城市基础设施重要组成部分的地下管线系统也越来越复杂，地下管线的普查与信息化建设将成为城市管理的一项重点工作。以北京二环路地下管线综合检测为例，地下管线检测面积近2平方公里，检测费用为300万元，每平方公里检测费用达到150万元。北京市建成区面积近2000平方公里，地下管线普查的市场规模将达到30亿元。全国城市建成区的面积达到20万平方公里以上，地下管线普查市场规模达到3000亿元。地下管线信息化管理与系统建设将占到地下管线普查市场份额的10%-20%，市场规模可达300-600亿元。
（2）地下空间信息是空间信息产业发展的一个增长极，预计将由现在的不到5%提高到整个空间信息产业市场的30%以上
目前，空间信息系统主要集中在地表范围的数据表达及管理，其占空间信息系统应用市场份额的95%以上。由于我国地下空间信息数据管理起步晚、底子薄，地下空间信息数据管理占空间信息系统应用市场份额的不到5%。但是，随着我国城市化发展进程的不断推进，地下空间信息数据的应用范围越来越广泛，市场空间越来越大，特别是在地下交通设施管理、地下管线信息管理与系统建设等方面。将带动地下空间信息系统的飞速发展，未来地下空间信息系统将占到空间信息产业市场份额的30%以上，“三维数字地下”成为带动空间信息产业发展的一个增长极。
（3）地下空间信息必然需要用三维方式进行表达，三维技术的成熟进一步推动地下空间信息产业发展
在北京通州新城的建设中，通州新城运河核心区地下空间被划分为4层，地上主要供行人步行和公共交通，而其他地铁、交通枢纽甚至大量的商业设施则都会集中到地下，其中地下一层供车辆通行，最下面一层与地铁接驳。地下信息空间层次的特征，必然要求用三维的方式进行表达。与此同时，在地下管线管理过程中，由于地下管线分布纵横交错，二维图形无法表现管线之间的空间关系。有些管线上下起伏，与地面垂直的一段管线在平面图上只能以一个点与相应注记来表示，视觉效果不直观，三维空间信息系统更加适合地下信息数据的表达。而三维空间信息系统在数据获取、数据模型、数据存储方式、三维可视化表达等方面的关键技术的成熟，可以更好的解决地下空间信息系统应用的实际问题，从而推动地下空间信息系统市场的发展。
二、三维地下空间信息系统建设紧迫性与必要性
（1）摸清和掌握地下家底的需要
2010年7月28日，南京栖霞路塑料四厂因丙烯泄露发生的爆炸事故，事故造成13人死亡，120人住院治疗，其中14名危重人员。此次爆炸事故系肇事者强挖，碰裂地下管线所致。由于南京市地下各类管网铺设缺乏统一管理，地下管网混乱，至今无完整的地下管网图及相关管理管网的系统，“注定”了南京爆炸事故的发生。2010年5月25日，北京京广桥辅路发生自来水管爆裂事故，京广桥下一片泽国，严重影响了附近的交通及居民生活。自2006年京广桥附近发生污水管破裂，引发地面坍塌事故以来，京广桥附近已经发生五次地下管线破损事故。在京广桥水患频发的背后，是京城地下管线资料管理方面的巨大缺失。
据有关部门的调研，全国大约70%的城市没有地下管线基础性的城建档案资料，地下管线信息不清的现状普遍存在。城市规划部门在审批地下管线位置时，经常出现管线“打架”现象；建设施工中经常发生管线被挖断事故，引起停水、停电、停气甚至通讯中断，造成严重的经济损失和不良的社会影响。据不完全统计，全国每年因施工引起的管线事故所造成的直接经济损失达50亿元，间接经济损失达400亿元。
在北京，因为连年超量开采地下水，使北京城近邻部分地区的地下水位每年以0.5-1.0米的速度下降，并且形成范围越来越大的地下水位下降漏斗区。据勘测，在北京的地下已形成面积为1000平方公里的地下水位下降漏斗区，平均水位下降4.3米，漏斗中心地带地下水位下降达40米。尤其是北京东郊超量开采地下水和水位大幅度下降，引起北京东郊地层压密面沉降现象。产煤大省山西因长年采煤过度，致地质灾害日益严重。
因此，在城市地下空间开发过程中，摸清和掌握地下管线、地下资源、地下交通设施、地下民防工程等地下空间信息数据就显得尤为重要。三维空间信息系统可以直观展示地下空间信息数据，方便对地下管线、地下资源、地下交通设施、地下民防工程的管理。
（2）节约工程建设投资成本的需要
近年来，随着城市市政建设的发展，许多修建不久的马路、人行道，常常会遭“开膛破肚”，今天铺设水管，明天又铺设电缆，有的甚至在一个地方出现多家反复“掘路”的现象。人们用“马路拉链”来形容这种反复无常的工程。城市市政部门在进行地下管线建设时，由于没有档案资料，不得不组织专人沿道路两侧每100 至200 米处进行开挖，探查地下管线埋设状况后才能进行施工，既造成了人力财力的浪费，又影响了工程设计进度和施工的进行。
“马路拉链”在影响城市面貌和市民生活的同时，更重要的是造成巨大浪费。据测算，道路施工导致需要开挖
损坏部分设施收费是：沥青路面每平方米300多元，水泥路面每平方米为170到200元，普通人行道板每平方米100多元，路沿石每米90元，下水管道每米1000多元，自来水管道每米700元，排水管网接入城市管网每处8000元，施工人员的工钱每天40-70元。诸如此类加起来，城市道路每挖1米得花费至少上万元。现有城市道路中，即便只有1%曾有过“拉链”现象，按上述标准计算，光修补费用就是一个天文数字。
“三维数字地下”的应用可以从根本上改变目前无序的人工管理状态，避免每一次地下管线基础工程建设都要从管线探测和管线普查工作开始，进行重复建设，浪费政府财力、物力现象的发生。三维地下空间信息系统为地下工程建设管理、设计、决策快速准确地提供各种所需的图、文、声、像并茂的资料，从而大大节省工程建设投资成本。
（3）地下灾害事故应急与防灾减灾的需要
2003年7月1日，上海地铁4号线浦西联络通道发生特大涌水事故。大量流砂涌入隧道，引起隧道部分结构损坏，周边地区地面沉降严重，导致黄浦江大堤沉降并断裂，周边建筑物倾斜、倒塌，对周围环境造成严重破坏。事故造成直接经济损失约1.5亿元人民币。2007年3月28日，位于北京市海淀南路的地铁10号线工程苏州街车站东南出入口发生一起塌方事故，此事故导致地面发生塌陷，并造成6名工人死亡。2007年11月29日，北京西大望路地下通道施工发生塌方，导致西大望路由南向北方向主路4条车道全部塌陷，主辅路隔离带和部分辅路也发生塌陷，坍塌面积约100 m2，此事故虽未造成人员伤亡，但导致该路段断路，交通严重拥堵。
由于地下灾害存在很大的不确定性，是一个时间和空间不断变化的过程，因此，对地下工程进行信息化管理是非常必要的。通过三维地下空间信息系统展示地质条件和现场监测数据，从而提高防范和处置地下灾害事故的能
力。
三、国内外地下空间信息化发展状况
国外发达国家于上世纪八、九十年代将GIS技术应用于地下工程中。加拿大地调所（GSC）在八十年代中后期用GIS进行矿产资源潜力填图研究。美国联邦地调所（USGS）在1970 -1980 年之间先后建立了50 多个信息系统，包括美国资源库、煤炭数据库、水文数据库、海洋地质数据库、地球化学与岩石分析数据库等。1990 年荷兰和哥伦比亚在山区地质灾害中利用GIS信息数据库管理系统开发了斜坡稳定性分析模型。GIS技术不断应用于工程勘察管理之中，日本大阪经历10 余年的努力，建成了大阪湾地层数据信息系统数据库。目前，国外已经开发了一些比较成熟的三维商业化地层信息系统软件如美国xox公司的SHAPES，法国T-surf公司研制的GOCAD (Geological Object Computer Aided Design) 、加拿大阿波罗科技集团的Lynx /Microlyx 等。在地下管线信息化建设方面，纽约历时三年投入巨资打造地下地图工程。用户利用该信息系统可以方便地查询和调用地下管网信息。巴黎在老城区的改造过程中面对复杂的地下管网，也建立了城市地下管网信息系统方便用户使用。澳大利亚和美国一些地方基于GIS 技术也建立了地下水监测和管理系统。
我国城市地下空间信息化起步较晚。在20世纪90年代由于矿山，石油行业中信息化应用推动城市地层信息化的发展。香港从1991 年起对辖区的地质地层数据信息进行分类、存储、综合解释和展示。1997年武汉市勘察设计院建立了二维的“武汉市工程勘察信息系统”，中科院武汉岩土力学研究所提出了三维地层信息系统。在地下管线方面，北京市测绘设计院于1987年开始筹建地下管线信息系统，该系统可用于查询，绘制管网点的剖面信息，对地下管网空间信息进行迭加处理和分析。目前，国内近百个城市通过地下管线普查的方式建立了综合地下管线信息管建系统，但在地下管线普查之后，由于缺少系统的规划、缺少约束机制，动态更新方式存在缺陷、没有考虑各管线权属单位的利益等多方面的原因，再加之动态更新的资金没有保障，致使真正做到对地下管线进行动态更新的城市很少。其它地下构筑物及地质地层数据的权属和更新管理也缺乏一套良好的管理体制来进行管理。
四、三维地下空间信息系统的应用领域
（1）城市地下空间规划
城市地下空间作为一个新兴的国土资源，对提高土地利用率、降低中心城市密度、疏导交通、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持历史文化景观、减少环境污染和改善城市生态起到不可忽视的作用。三维地下空间信息系统可用于地下空间基础资料的管理，便于了解和掌握城市地下空间开发利用的现状和发展条件；确定地下空间开发容量，控制城市地下空间的发展规模；确定城市地下空间开发的功能，进行空间布局，综合确定平面和竖向规划；确定地下空间的交通组织形式，安排各类工程配套设施，为各项工程设计提供依据。
(2)地下管线规划设计与应急管理
“三维数字地下”具有强大的信息服务和管理功能因此可广泛地应用于管线的规划、设计、调度和施工等方向。通过建立管线拓扑关系模型，可以建立供水分析、流量分析、关闸分析、爆管分析以及管网空间布置的合理规划等。
三维地下空间信息系统可为施工建设提供准确而直观的各种资料，从而减少因地下管网信息不明或不准确而造
成的各种损失，如市政工程施工中掘断光缆、凿穿煤气管线等重大事故的发生。有利于紧急事故的处理，如煤气泄漏、供水管破裂、供电线发生火灾以及其它意外事故造成对管线的破坏，通过信息系统的快速查询和空间分析，动态显示受影响的范围，快速制定抢救方案，如关闭那些阀门，切断那一处的阀门等。
(3)地下交通管理
三维地下空间信息系统可用于地下交通线路的规划与管理，通过分析城市地下交通网络布局及交通站点的分布情况，提出地下交通网络规划方案。合理规划地下交通线路的走向，从而提高地下交通覆盖率、通达率，缩短居民乘车的步行时间和减少换乘次数。
地下交通是建设于地下，且具有封闭性强、运行速度高、起停频繁、客流量大且来源复杂、应急疏散难度大、易受到外界的干扰等特点。其特殊性在于复杂环境下的客流可控性差、突变性强、疏散条件差。在地下交通紧急疏散中，通过建立综合性的、可视化的三维地下空间信息紧急疏散系统，从而便于及时获取事故现场的实时数据，实现紧急疏散的高效、有序进行，减少人力和财产损失，为地下交通的安全运行提供保障。
（4）地下资源开发与管理
三维地下空间信息系统可应用于地下资源开发与管理。一方面，在三维环境下，地下各种采掘工程在空间上的分布及其之间的空间关系变得十分清晰明了；另一方面，三维地下空间信息系统可以将地质属性，如品位，岩性等的空间分布状态进行可视化表达，这样在地下资源开发与管理中，可以方便地查询和利用这些信息。从而使管理人员全面细致地了解地下资源开发与管理的全过程进程，帮助决策者做出最佳决策，从而使矿山生产经营任务得到最佳效果的目的。
五、三维地下空间信息系统未来发展趋势
三维地下空间信息系统未来发展趋势主要体现在以下两点：
（1）地上地下对象一体化表达
目前大多数三维空间信息软件使用切换空间的方法分别表达地上与地下空间，难以实现地上地下对象一体化表达，无法在地上与地下间自由移动，实现两个空间一体化浏览与控制。在三维空间信息系统中，地下镜头模式需要更多的自由度，并且地下镜头对具体的鼠标操作难度加大，镜头处于地表以上时当我们拖动地球时可以以地表作为参照，即可以对地表进行碰撞检测，但当镜头在地表以下时我们往往不能以地表作为碰撞检测的依据。因此如何克服了以上困难，实现了地上地下镜头的一体化表达，实现地上地下镜头之间进行无缝的切换，将是未来“三维数字地下”，三维地下空间信息技术研究的热点。
（2）地下管线动态数据展示与管理
目前，三维管线信息系统的研究重点集中在三维数据结构的设计、优化与实现，三维可视化技术的运用、及系统功能设计等方面。管线信息系统所包含的对象往往也具有时间属性。例如输变电管线和给水管线，用电和用水高峰会随着时间的推移而变化。研究这些管线的时间属性变化规律，可以改善供水、供电的运行机制、提高系统预警能力，为社会带来巨大的经济效益。但目前大多数管线信息系统都不能很好的支持管线对象和事件在时间维的处理。因此，如何设计并运用四维管线信息系统来描述、处理管线对象的时间属性是一个重要研究领域。
徐开敏（Mr.xu kaimin）
遥感应用事业部
地下空间信息行业销售经理
北京国遥新天地信息技术有限公司
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