城市数字地下空间基础信息系统及应用

1、城市数字地下空间基础信息系统及应用第2卷第8期2006年12月地下空间与工程ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringVo1.21)ec.2OO6文章编号:1673-0836(2006)081301-07城市数字地下空间基础信息系统及应用朱合华r,张芳,李晓军,彭芳乐,丁文其(1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系岩土工程重点实验室,上海200092;2.安徽理工大学,淮南232000;3.北京市勘察设计研究院,北京100038)摘要:随着大规模开发城市地下空间时代的到来,以及动态实时管理和分析需求的不断增加,城市三维地下空间信息系统的建设已

2、越来越迫切.本文详细地分析了城市三雏地下空间信息系统的设计目标,数据源,功能需求,用户界面需求,性能需求,并以此为基础,采用三层架构对系统进行详细地总体设计,最后将本系统应用于上海某地下工程,旨在为工程建设的信息化服务.关键词:数字地下空间;数据库;三维模型;有限元中图分类号:TU984.1l3文献标识码:AApplicationofUrbanFundamentalGeo-DigitalUndergroundSpaceInformationSystemZHUHehua一IZHANGFang.LIXiao-jun,PENGFangle,DINGWenqi(1.DepartmentofGeotec

3、hnicalEngineering.KeyLaboratoryofGeotechnicalEngineering-TongfiUniversity-Shanghai200092.China;2.DepartmentofCivilEngineering,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan232001-China;3.BeijingGeotechnicalImtite-Beijing100038-China)Abstract:Basedontheextensivedevelopmentofurbanundergroundspaceandt

4、heincreasingdemandofilffor-mationdynamicmanagementandsummarizationltheconstructionofurbanGeodigitalundergroundspacesystemisimperative,Inthispaper-thetechnicalstructureoftrileverswhichincludesdesigningtargetsanddataresource-functiondistributionandgraphics-userinterface-capacityperformancectctocreatea

5、nurbanGeodigitalundergroundspacesystemismainlydiscussedandallexampleofundergroundprojectinShanghaiisdemonstratedforitsapplication.Itgivestheguidancetoprojectspractice.Keywords:geo-digital;database:3Dmodel;finiteelementmethod1引言近年来三维地质建模系统研究发展较快,已经形成了相当的规模,并在市场上得到应用.商业软件中,美国占的比例最大,其次是法国,以色列,加拿大等国.这些商

6、业软件采用的建模方法是不断发展的,块体构模技术是一种传统的地质构模方法,60年代和70年代开发的系统采用了这种构模技术,如RTZ公司开发的OBMS系统,Minetec公司的MEDS系统,这种技术思路简单便于实现,用于边界简单,属性渐变的3D空间实体构模很有效,能够方便地实现真三维建模,便于物理场的模拟,但对于边界变化复杂,属性突变的空间实体构模必须不断降低单元尺寸,引起系统数据量急剧膨胀,解决方案是只在边界区域进行局部单元细化.80年代以来,对描述复杂实体的数据模型研究不收稿日期:2006-0915作者简介:朱合华(1962.),男,安徽巢湖人,同济大学教授,博士生导师.主要从事隧道及地下工程

7、,数字地下空间的研究.Email:zhuhhkonline.sh.an1302地下空间与工程第2卷断取得进展,尤其以几何造型技术的引入,混合数据模型的发展最引人注目,在地质建模商业软件的开发中被相继引入,运用最普遍的是具有拓扑关系的三维矢量模型和面体混合数据模型.2系统设计目标城市三维地下空间信息系统的设计目标是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,进一步利用专家系统建立知识推理模型,实现工程智能决策,充分挖掘工程信息的价值.本系统是在计算机硬件和软件支持下,对地质体,地下构筑物等实体实现可视化和信息化,并对城市地下空间的勘察,设计,施工,监测乃至城市规划和管理中各种地图和

8、空间地理分布信息进行数据采集,存贮,管理,分析和输出的一个综合性空间信息系统,是数字城市建设的重要组成部分和基础组件,是城市信息化和城市可持续发展的重要内容(朱合华,2002;2005;吴江斌,2003).3系统数据源分析地下空间信息包括实体定位信息,非定位信息以及时间尺度信息,其中实体定位信息指的是空间几何位置描述信息,如地质构造几何信息,地下构筑物(地下管线,地铁等)几何信息等,这类信息以地理坐标和拓扑关系为描述主线;非定位信息指的是属性描述信息,如污染情况,沉降情况,历史开挖情况等;时间尺度信息指的是记录定位信息和非定位信息的不同时间尺度信息.在工程实际中,我们可以用许多方法来得到描述上

9、述地学数据,这些多源数据,可统称为地理数据,它们包括区域地质数据(观测点资料,断层走向产状数据,剖面图等),物探数据(地球物理,地球化学),地磁数据,遥感数据,地震数据,测井数据,钻孔数据,平洞数据,地质构造场数据,重力数据,航磁数据,数字化地图等.郑国平(2004)根据建设部城市地下空间开发利用管理规定中对城市地下空间的定义并结合岩土工程和工程地质学科的特点,将城市地下空间信息划分为五类:地层信息和地质勘探信息,地下水资源信息,地下构筑物,地下管线,施工过程信息,并其对数据源进行了全面的归纳和总结.本文采用上述分类方法,不再详述.4系统需求分析4.1系统功能需求系统的基本功能由输入模块,数据

10、库管理模块,功能模块,系统维护模块,输出模块五大模块组成,其中功能模块中包含三维地层建模,构筑物建模,三维可视化,空间分析,专业应用等子模块.4.1.1输入模块(1)数据采集:需要提供多种数据获取手段,包括手扶跟踪数字化,图纸扫描屏幕数字化,直接从测量仪器获取数据及外部数据文件等.(2)外部数据格式转换:支持较广泛的数据交换格式,实现与多种图形处理系统交换数据,向用户提供数据交换的程序接口,便于用户交换自己的格式,也提供直接录入数据的模式.(3)数据编辑与处理:主要提供图形编辑和属性编辑功能,属性编辑主要与数据库相关联,图形编辑则与可视化交互功能紧密联系.4.1.2数据库管理模块(1)空间数据

11、管理:实现数据的组织与管理,为适应不同用户,不同应用的需求,可以分别使用文件和关系型数据库系统来存储和管理空间几何数据;属性数据由关系数据库来管理;同时提供修改和更新等数据管理功能.(2)数据库管理:包括数据库事物管理,用户权限管理,数据容错与恢复,空间索引,属性索引等.(3)数据共享服务;(4)数据查询:能够提供由属性数据查空间,空问数据查属性,拓扑查询,属性数据条件查询,查询报表生成等功能.4.1.3功能模块(1)三维地层建模:作为最基本的功能建模模块,将提供各种系统内部支持的建模功能,从空间维数上可提供地层的2D,2.5D,3D建模功能,从数据模型上可提供基于TEN,基于多层TIN,基于

12、面模型三种可选建模方式,方便处理断层,尖灭,透镜体等复杂地层情况.(2)构筑物建模:包括地铁建模,地下管网建模等,目前系统主要采用CSG模型构建,同时也提供了基于单纯形剖分的地下管网建模.(3)三维可视化:提供基本图形操作如镜象,偏移,拉伸,修剪,打断等功能以及缩放,旋转,平移,消隐等操作,可以根据用户需要,方便进行各类专题图的显示和交互,分层输出各种专题图,各类统计图,图表及数据等.(4)空间分析:主要提供一些基于数据库和基2006年第8期朱合华,等:城市数字地下空间基础信息系统及应用1303本图元的分析功能,典型的有空间统计分析,三维面积体积计算,空间叠置及缓冲区分析等;(5)专业应用:提

13、供数值分析,地下水模拟,地面沉降分析,地下工程监测等子模块为工程设计和施工提供依据.4.1.4系统维护模块:提供口令更改,一致性检查,后备恢复,元数据扩充,数据字典更新,数据更新等功能.4.1.5输出模块:提供数据格式转换,注记符号编辑,打印等功能.4.2用户界面需求采用直观的窗口式作为主用户界面,其中嵌入菜单式界面,命令式界面和表格式界面,以方便不同用户的需求,且提供丰富的帮助信息.43性能需求系统除了要求具有一般软件的性能外,需特别考虑对海量数据进行快速处理,存储和显示的要求.主要包括:4.31系统效率根据系统运行和管理要求,系统能否及时地向用户提供有用信息,精度是否满足用户要求,系统的数

14、据储存,调用和分析操作是否方便,系统出错及资源的使用效率如何等等.4.3.2系统可靠性系统运行稳定,能够很快修复系统事故,可靠性还包括系统有关的数据文件和程序是否妥善保存,以及系统是否有后备体系等.4.3.3可扩展性系统设计时留有接口,可在现行系统上增加功能模块.可方便地通过软件的提升,设备的扩展,提高系统的运行效能.4,3.4可移植性系统必须按国家规范标准设计,包括数据表示,专业分类,编码标准,记录格式等,都要按照统一的规定,以保证数据与外界的匹配,交换和共享.4.3.5容量需求系统涉及海量的空间数据和非空间数据,数据的组织与管理以此为前提进行.4.36服务性需求系统需要一个高效可靠,易于管

15、理和维护,易于扩充,运行稳定的服务器系统.5系统总体设计系统采用三层架构,分别是:数据服务层,业务逻辑层与用户服务层.数据服务层是整个系统的数据提供者,业务逻辑层直接对其操作实现数据访问,其目标是建立一个面向客户的统一虚拟数据访问层,实现物理上分布的局部数据库数据整合,包括矢量数据库,属性数据库及栅格数据库.业务逻辑层是整个信息基础系统数据资源整合中心与核心业务功能提供者,可实现地物的建模,可视化,虚拟展示与决策分析等功能.它又可划分为建模核心层,表现层,分析层,应用层四个层次.用户服务层面向最终用户,实现用户交互和数据显示,通过系统的安全控制机制及安全认证方法,为最终用户提供基于B/S架构的

16、各种应用服务,实现用户的最终需要.系统总体结构如图1所示.爵盘1ll班!.?,篓荔丝!=蕊i强2孽噬嚣箍勰繇嚣熟嚣魏器毫嚣群i醯毪鼋i巷疆豁嚣想,二二:二|0:蕊麓1.1:鳞壤孽研獬i嚏激滋勰鼢蕊勰饕嚣勰蕊点图l系统总体结构图(李晓军,2006)Fig.1GenerMstructureofthesystem依据功能需要和平台总体结构设计思路,采用分布式对象关系数据库模式设计了系统的数据流程图(图2)6系统开发环境本文自行开发的同济曙光GeoDigital系统是以Windows作为软件开发平台,以Oracle为数据库支撑,利用VC+和OpenGL从底层开发的l304地下空间与工程第2卷数据录入输

17、入模块争形编辑Ill篓拓扑生成ll外部数据规范化功能模块卜_1=叫输出模块问分析模块毳IllI囊空问数据库管理f虚拟数据层)矢量数据库(】心性数据库(i栅格数据库具有完全知识产权的系统.7工程实例查询检索模块图2系统数据流程图Fig.2Dataflowofthesystem7.1工程背景某地下工程拟建于上海市静安区成都路,北京西路,山海关路和大田路合围之处,全地下结构,直径约130m,基坑深度33.4m,地下主体结构采用框架剪力墙结构,基坑维护采用地下连续墙,工程地面位置上海市规划为雕塑公园,该工程拟于2005年8月开工,2007年初结构封顶,随即交付使用,总平面见图3.7.2三维工程地质体建

18、模与分析数据格式转换圈形符库系统维护模块从数据库中提取钻孔数据生成三维钻孔柱状图,并进行钻孔信息查询(图4).在此基础上任意拾取若干个关心钻孔,由钻孔生成剖面图(图5)展示了关心位置处的地层信息;也可直接由提取钻孔数据生成三维地层表面模型(图7).利用本文算法还可以提取任意曲面(图6,7)处的地层信息(图8).7.3地下连续墙建模与分析地下连续墙作为围护结构以及地下结构的部分外墙,其本身的强度与稳定直接关系到整个基坑工程的成败.本文利用岩土工程勘测报告(2005)提供的地下连续墙槽段平面布置图(图9a)提取矢量绘阿注汜符号编辑符号库管理一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一2006年第8期朱

19、合华,等:城市数字地下空间基础信息系统及应用l305图3工程总平面图Fig,3Generalplanofthepr0jeet图4三维钻孔柱状图及钻孔信息查询Fig.43Dbargraphofboringandboringinformationinquiry图5任意提取的钻孔和由此生成的剖面图(含钻孔)Fig.5Arbitraryselectedboreandthecrosssectiononitsbase出槽段信息(图9b)作为地下连续墙建模的数据图6切割工程地层的曲面Fig.6Cutcurvedplaneofthestratum人粉J_fji*I填土淤质粉(淤滗顷粘:11粘.:l一2粉蠊祜t

20、-l粉腰I=jJj_l沙质粉:2粉砂固1粉魄枯士2粉赝枷粉3粉质粘彰砂层图7切割曲面与地层之间的关系Fig.7Relationshipbetweencutcurvedplaneandthestratum墅圃3粉腰拈.粉砂H层曛露强_自mm|m张撼Eml图8切割曲面处的地层信息Fig.8tratuminformationatcutcurvedplane虢黼I.繇誓磁l306地下空间与工程第2卷源.生成地下连续墙模型(图lO).图9地下连续墙槽段平面布置图及提取出来的槽段信息Fig9Planofundergroundcontinuouswalltroughandtheinformationgain

21、ed(a)始体建模(b)按符4段建榄(以嘲包区别槲段)图1O地下连续模型Fig.10Modelofundergroundcontinuouswall图11按槽段显示地下连续墙的地层信息Fig.11Stratumdataofundergroundcontinuouswallbysection施工中地下连续墙每个槽段处酌地层信息很关健,本文利用生成的地下连续墙模型与三维地层模型相叠加,得到每个槽段处的地层信息(图11).7.4地下工程与有限元法集成随时掌握开挖引起地下连续墙的位移和变形,对及时预报施工中出现的问题,判断结构可能产生变位的原因,对指导施工,研究对策和采取措施提供依据,防止过大变形的发生,确保结