多源数据集成的三维可视化在地下空间开发利用的作用

2022-09-10

引言

随着我国可持续发展的步伐不断加快, 城市地下空间的开发利用获得快速发展。目前我国对城市地下空间规划建设的日益重视, 但对地下空间的潜力评价及开发利用仍缺乏进一步科学评估。今年来, 三维可视化技术在地学领域快速发展, 在构建一个基于三维GIS可视化技术的城市地质信息平台, 在地下空间开发利用过程中适宜性评价、政府决策、城市科学管理、公众安全事业发挥重大作用。

1. 城市地下空间开发利用现状

地下空间有广义和狭义的两种概念。广义地下空间将地面以下均称为地下空间。狭义上地下空间是指地面以下天然形成或经过人工开发形成的可用于满足人类社会生产、生活需求的空间。两者区别在于是否能满足人类开发利用, 广义地下空间实际上即为潜在的可利用资源。

人类地下空间利用历史悠久, 如我国古时引水的竖井暗渠、粮食仓库、居住窑洞等等。现代化城市地下空间开发利用已经历了相当长的一段时间, 追朔历史可以从1863年英国伦敦建成世界上第一条地铁开始。20世纪中期开始日本、欧美等发达国家随着城市化进程的加快, 为解决城市用地紧张、交通阻塞、基础设施落后等问题开始了大规模的地下空间开发与建设, 用途从过街通道、地铁、商场、仓库到地下综合体等不一而足。近年来还涉及到地下发电厂、核电厂、垃圾处理厂等领域。

国内地下空间开发利用从80年代以来发展迅猛, 主要以国防、人防用途为主, 其他领域开发利用主要集中在国内大型城市的地下交通、停车库、商业街、娱乐场等, 近年来一些新兴城市投入了地下综合管廊建设, 目前总体以浅层~中层地下空间开发利用为主, 另外目前开发利用的相关规划和法规亦不完善。

2. 城市三维地质可视化技术现状

城市三维地质可视化技术是地理信息系统 (GIS) 近年来新兴拓展领域, 通过适当的数据结构, 建立地质特征的数学模型, 采用计算机图形技术将数学描述以3D真实感图像的形式表现出来, 如地质体的外貌 (如形状、大小、颜色等) , 使得地质构造分析更为直观、准确。三维可视化技术将成为新的地下空间信息化管理和设计决策有效工具。

国外三维地学可视化系统研究起步较早, 从20世纪80年代开始便已开展了研究与开发。90年代中期以来, 随着计算机性能的提高, 三维地学模拟系统得到很大发展。另外得益于三维扫描、倾斜测量等技术的发展, 地面三维模型的可视化技术已十分先进。

目前我国城市地下三维地质可视化系统主要依托于各试点城市开展的城市地质调查所建立的城市三维地质可视化系统。如上海、天津、杭州等城市三维地质信息系统均初步实现了地质实体包含地层、岩体、地质构造的空间形态的可视化。另外集成了基础地质、工程地质、水文地质、灾害地质等综合地质信息管理, 可以通过模拟的空间剖切、地层分析、虚拟钻孔等空间分析方法, 实时得到研究区的地质、构造特征。所生成的三维图件能够直观展示了研究区地质资料的空间特征和属性特征, 为研究者和决策者提供一定辅助。但由于项目经费有限, 各城市地质调查项目三维地质可视化系统大多没有实现城市地下已有各类人工构筑物及市政、交通等数据采集和模型建立。

3. 城市地下空间开发利用发展需求及存在问题

发达国家的城市发展和建设经验表明未来城市的发展方向将朝着生态城市的方向发展。城市建设总体规划应该从生态城市的高度出发, 地下空间的开发利用亦应符合生态城市的发展需求。以现有的城市经济、社会、环境、基础设施建设等各种客观条件为基础, 是开展城市利用地下空间开发利用科学研究与合理规划的必要前提。各发达城市的先进经验来看, 城市地下空间在功能上主要实现完善的快速交通系统、完善的市政基础设施、可靠的防灾及城市生命线系统。

与地上空间相比较, 地下空间具有隐蔽性、密闭性、稳固性、温湿度相对稳定性等特征。但由于地下空间开发具有不可逆转的特性, 一方面受到地质条件、工程条件和施工技术水平制约, 另一方面在开发利用过程中对地质环境、地下水环境亦有不可忽视的影响。

目前我国城市地下空间开发利用虽发展速度较快, 但总体处于初级阶段。地下开发利用种类繁多, 参与部门和企业众多, 缺乏规划和协调。以往地下工程出现了诸多矛盾, 皆是因为缺乏和完善城市地下空间开发和规划的相关法规、规范。另外随着工程技术水平的发展和城市发展的压力, 地下空间开发利用的逐步向更深部延伸, 一些大型城市 (如上海) 已经将40m以深的深层地下空间开发利用作为未来城市建设发展的重点。由于现阶段地下空间深层利用案例较少, 规划中更是缺少多层次利用规划的协调, 对将来深层利用产生很大影响。

从目前国内地下空间开发利用空间情况看, 对合理规划地下空间开发利用制约最大的问题在于现有地下空间数据和模型还不完善, 包括现有的市政管线、已有的浅层地下建筑物等数据并不完整。

4. 多源数据集成对地下空间开发利用的作用

从未来地下空间开发利用需求及存在问题来看, 以地质为基础建立的多来源地质、环境、市政、交通、水利等数据三维可视化系统, 对完善地下空间开发利用规划有十分重要的作用。具体体现在如下几方面:

4.1 多源数据集约管理和展示

现有三维可视化系统强大的可视化功能, 可提高对复杂地质条件研究区的地质、构造的理解和判别。利用GIS技术以模块、图层形式分类存储和提取地质、水文、环境、市政、交通、水利等多源数据, 将形成全面、系统的多源数据汇总和展示, 并且实现成果的数字化、成果资料的社会化和数据信息的共享化。

另外GIS模块式建设方式易于后期进一步继承数据, 如目前部分城市已完成的浅层地温能资源、土地质量调查评价等数据均可建立专题模块进一步集成。

目前国内大型城市地质调查项目 (如上海、天津等地) 已基本完成了地质、水文、环境的数据集合。如上海三维地质信息管理与服务系统是我国建成的第一个城市级别三维地质信息系统, 系统集成了地理空间、基础地质、工程地质、水文地质、地球物理、环境地球化学等多源、异构的海量数据的管理及其分析应用。同时建立了形象、直观的三位立体展示系统, 大大提高了地质资料的易亦读性和可用性。

4.2 拓展城市发展空间

地下空间是特殊的土地资源, 瑞典曾有专家估计如果以30m深度范围内, 开发城市1/3面积的地下空间, 即可达到城市全部地面建筑的容积, 将极大拓展城市建设空间。但城市地下空间开发利用适宜性的准确评价, 是完善城市地下空间开发利用规划的基础。

在多源数据的综合下, 建立专业评价模型库, 可最大限度提高评价准确性。将地质体通过三维模型直观地展现, 能够最大限度地增强地质分析的直观性和准确性。综合浅层已有地下构筑物、城市市政、地下水质量、地面沉降危险性、区域稳定性等, 给予综合评价不同类型、不同深度地下空间资源开发利用适宜性, 为地下空间开发利用规划编制提供有效数据支撑。

4.3 为城市建设规划提供决策辅助

近年来, 在城市管理、规划建设和工程施工等领域越来越受到有关单位的重视。在部分地上国土、工程、市政等建设领域起到了良好效果。

未来在地下空间开发利用前通过用户与系统进行交互, 可随时掌握地下空间信息, 做出符合客观地质规律的设计, 减少盲目性及地下工程设计施工的风险。在多源数据基础上, 可准确实现实时地下漫游、模拟开挖等功能, 可以快速实现选点评估, 可以显著提高工作效率。另外数据处理的及时性和准确性将为决策提供辅助和依据, 具有很强的社会、经济效益。

4.4 为公共安全提供有力保障

以往国防、人防类地下建筑极为公共安全提供了良好保障。近年来亦有城市实施地下综合管廊时结合人防设计, 做出了很好的探索。

但由于地下空间的隐蔽性和相对封闭性, 地下建筑自身的安全和突发危险是开发利用过程中极为主要的关键点。建立完善的集成已查明地质、水文、环境、市政、交通、水利及已有地下工程等多源数据的三维可视化系统, 在应急救援过程中将提供准确、快速、科学依据, 便于政府统一指挥, 提供科学高效的紧急救援服务, 为城市的公共安全提供强有力的保障。

摘要：城市的快速发展使得土地资源趋于紧张, 地下空间为城市发展提供了更为广阔的空间。地下空间的开发和利用是城市化发展的趋势, 城市地下空间的发展潜力评价是目前城市地质调查的研究重点, 以基础地质、工程地质、水文地质、环境地质为基础进一步综合国土、规划、交通、水利等多源数据建立三维可视化系统, 综合评价不同类型、不同深度地下空间资源开发利用适宜性, 将极大拓展城市建设和地下空间开发利用资源潜力, 为城市建设规划提供决策辅助, 为公共安全提供有力保障。

关键词：城市地质,地下空间,三维可视化