城市地下空间测绘与三维建模技术

城市地下空间测绘与三维建模技术

曹彤辉

摘要：随着城市化进程的加速，城市地下空间的开发利用日益受到重视。城市地下空间测绘与三维建模技术作为支撑地下空间规划、设计、施工及管理的关键技术，对于提升城市空间利用效率、保障地下设施安全具有重要意义。本文综述了城市地下空间测绘与三维建模技术的现状、关键技术、应用案例及未来发展趋势，旨在为该领域的研究人员和实践者提供参考和借鉴。

关键词：城市地下空间；测绘技术；三维建模

引言

城市地下空间作为城市发展的重要资源，具有隐蔽性强、管理困难的特点。随着智慧城市建设的推进，如何高效、准确地测绘和建模城市地下空间，成为城市规划、建设和管理的重要课题。城市地下空间测绘与三维建模技术，通过获取地下空间的准确位置信息、地形地貌数据等，为地下空间的规划、设计、施工及管理提供了有力支持。本文将从技术现状、关键技术、应用案例及未来发展趋势等方面，对城市地下空间测绘与三维建模技术进行综述。

一、城市地下空间测绘与三维建模技术现状

（一）测绘技术

城市地下空间测绘技术的发展日新月异，其技术体系已逐步从传统的依赖人工测量的模式转向自动化、智能化的高精度测绘。传统测绘技术，如全站仪和水准仪，尽管在地下空间测绘中仍扮演着不可或缺的角色，特别是在一些特殊环境或特定需求下，其稳定性和可靠性得到了验证。然而，面对复杂的地下空间结构、有限的作业空间以及日益提高的精度要求，这些传统技术逐渐显露出局限性。相比之下，现代测绘技术以其高效、精准的优势，在城市地下空间测绘领域迅速崛起并占据主导地位。激光雷达（LiDAR）技术作为现代测绘技术的杰出代表，通过发射激光束并接收反射信号，能够在非接触的情况下，快速、准确地获取地下空间的三维点云数据。这些数据不仅包含了空间位置信息，还反映了地下结构的形状、尺寸及表面纹理等细节，为后续的三维建模提供了丰富而精确的基础资料。此外，无人机影像测绘技术也是现代测绘技术的重要组成部分。无人机搭载的高分辨率相机能够在空中灵活飞行，拍摄地下空间的纹理信息，如隧道内壁、管道表面等。结合先进的影像处理技术，这些纹理信息可以与几何信息相结合，生成具有高度真实感的三维模型。无人机影像测绘技术不仅提高了测绘效率，还降低了人员进入高风险地下空间的风险，为城市地下空间测绘提供了更加安全、便捷的解决方案。

（二）三维建模技术

城市地下空间三维建模技术是将测绘数据转化为可视化三维模型的关键环节。随着计算机图形学、虚拟现实等技术的快速发展，三维建模技术也在不断进步和完善。目前，常用的三维建模技术主要包括基于点云数据的建模、基于影像的建模以及混合建模方法。基于点云数据的建模方法充分利用了激光雷达技术获取的高密度点云数据。通过对点云数据进行滤波、配准、分割等预处理操作，可以提取出地下空间的结构特征，并利用算法自动生成三维模型。这种方法具有建模速度快、精度高的优点，尤其适用于复杂地下结构的建模。基于影像的建模方法则侧重于利用无人机影像或地面摄影获取的纹理信息。通过影像匹配、特征提取等技术手段，可以将二维影像转换为三维模型。这种方法能够保留地下空间的真实纹理和色彩信息，使得三维模型更加逼真、生动。然而，由于影像数据受光照、角度等因素影响较大，因此在实际应用中需要结合其他数据源进行补充和修正。混合建模方法则是将基于点云数据的建模和基于影像的建模相结合的一种技术。通过综合利用两种方法的优点，可以实现更精细、更真实的三维模型构建。例如，可以先利用点云数据构建出地下空间的基本框架和几何形状，然后再利用影像数据为模型添加纹理和色彩信息。这种方法不仅提高了建模的精度和效率，还使得三维模型更加符合人们的视觉习惯和认知需求。

二、应用案例

近年来，随着科技的飞速发展，城市地下空间测绘与三维建模技术以其高精度、高效率及直观性强的特点，在多个关键领域展现出了广泛的应用价值，极大地推动了城市基础设施的智能化管理和精细化建设。在地铁建设这一重大民生工程中，激光雷达测绘技术凭借其非接触、高精度测量的优势，能够深入隧道内部，精准捕捉隧道壁面的每一个细节，包括形状、尺寸乃至微小的裂缝与变形。结合先进的三维建模软件，这些海量数据被转化为高精度的三维模型，不仅为隧道设计提供了精确的依据，还使施工团队能够提前预见潜在问题，优化施工方案。在运营管理阶段，三维模型更是成为了不可或缺的辅助工具，帮助维护人员快速定位故障点，制定针对性的维护计划，确保地铁运行的安全与顺畅。而在城市地下管网管理方面，无人机影像测绘与三维建模技术的结合，则彻底改变了传统管网管理的面貌。无人机搭载高清相机或红外热成像等设备，能够轻松穿越复杂地形，对地面进行全方位、多角度的拍摄，获取地下管网在地表的投影信息。随后，通过先进的图像处理技术和三维建模算法，这些信息被转化为详尽的三维管网模型。这一模型不仅直观展示了地下管网的布局、走向及埋深，还能模拟水流、气体流动等动态过程，为管网的规划、改造及应急响应提供了科学依据。同时，三维模型还支持交互式查询与分析功能，使得管理人员能够迅速获取所需信息，提高管网维护的效率和准确性，减少因信息不畅导致的误操作与资源浪费。

三、未来发展趋势

首先，多传感器融合技术的广泛应用将成为不可逆转的潮流。随着传感器技术的日益成熟与多样化，未来测绘与建模过程将不再局限于单一数据源，而是会集成激光雷达、无人机影像、红外热成像、雷达探测等多种传感器数据。这种跨模态的数据融合，不仅能够全方位、多角度地捕捉地下空间的复杂信息，还能通过数据互补与校正，显著提升测绘与建模的精度与效率。同时，智能算法的发展将促进多源数据的无缝对接与深度融合，为地下空间的精准描绘提供强有力的技术支持。

其次，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的融合应用，将极大地推动地下空间的可视化与交互性发展。VR技术能够创建出高度逼真的地下空间虚拟环境，使用户仿佛身临其境般探索地下管网、隧道等复杂结构。而AR技术则能在现实世界中叠加虚拟信息，为城市规划者、管理者及公众提供直观、便捷的交互体验。通过VR/AR技术，不仅可以直观展示地下空间的布局与状况，还能进行模拟演练、故障排查等操作，极大地提升决策的科学性与效率。

最后，智能管理系统的研发与应用将成为地下空间管理智能化的关键驱动力。这一系统将集成传感器网络、大数据分析、人工智能决策支持等先进技术，实现对地下空间环境、设施及运行状态的实时监测与智能分析。通过深度学习算法，系统能够自动识别异常状况、预测潜在风险，并为管理者提供科学的决策建议。同时，智能管理系统还能实现与各类城市管理系统的无缝对接，促进信息资源的共享与协同，推动城市地下空间管理的智能化、精细化与高效化。

结束语

城市地下空间测绘与三维建模技术作为支撑城市地下空间规划、设计、施工及管理的重要技术，其发展和应用对于提升城市空间利用效率、保障地下设施安全具有重要意义。随着科技的不断进步和应用场景的不断拓展，城市地下空间测绘与三维建模技术将迎来更加广阔的发展前景。未来，我们需要继续加强技术研发和创新，推动该领域技术的不断进步和应用深化，为智慧城市建设贡献更多智慧和力量。

参考文献

[1]李红梅,管恬融,曹伟强,等.基于倾斜摄影测量的单体建筑三维建模技术初探[J].地矿测绘,2023,39(04):49-53.

[2]周鑫,傅嘉炜,高荣杰,等.CIM技术在城市地下空间建设管理中的应用[J].测绘通报,2023,(S1):80-83+97.

[3]田红霞.城市地下管线三维空间GIS建模关键技术及计算[J].科学技术创新,2022,(32):64-68.