地下空间三维建模方法研究及应用

吴海明 杜朋卫 周芳玲 陈忠权

（同创数字空间（北京）有限公司，北京 100048）

［摘 要］ 地下空间三维建模传统的方法是基于现场采集的数据，内业对数据建库后进行数据升维，使得地下空间数据自二维数据变为三维模型，此方法在多样三维模型构建和数据更新方面存在诸多问题。本文对地下空间数据采集方法及自动三维建模技术进行研究论证，涉及的地下空间包含城市地下管线、地下空洞和场地浅部地层，通过对地下空间数据的采集、处理、分析和建模，实现对城市地下空间体快速准确、自动化的三维构建，便于在三维地理信息系统（GIS）平台进行联动展示，为城市地下空间规划、设计、施工、管理和应急等方面提供有力支持，有助于提高地下空间的利用效率和管理水平，同时也为城市智能化建设提供了重要的数据支持。

［关键词］ 城市地下空间；探地雷达；自动三维建模

0 引言

城市地下空间作为城市基础设施的重要组成部分，地下空间的合理开发不仅能够有效解决城市交通拥堵、土地资源紧张等问题，还能为城市居民创造更加舒适的生活环境。因此，向地下要空间、向地下要资源已成为世界各国应对城市病的必然选择［1］。

在智慧城市建设和城市精细化管理背景下，地下空间三维模型作为地下实体的数字化表达，具有重要的数据支撑和挖掘分析价值。然而，由于地下管线空间分布越来越复杂，地下管线探测成果的二维图形已无法表达管线之间的复杂空间关系，而三维管线的直观明了正好可以弥补二维成果的不足［2］，如何精准、高效地构建地下空间三维模型成为当前行业面临的技术难题。传统的地下空间建模方法主要依赖于人工测绘数据和人机交互绘制，存在效率低、精度不足、适应性差等问题，难以满足复杂地下结构的建模需求。为此，本文提出了一套地下空间数据采集、自动三维建模的应用方法，有助于对地下空间模型数据的更新展示，以应对现代化城市地下空间管理的迫切需求。

1 地下空间数据采集方法

1.1 激光陀螺采集法

1.1.1 激光陀螺采集仪设计架构

激光陀螺采集仪的主要硬件包括单片机、激光测距、陀螺仪模块、灯光切换电路、相机等模块。单片机通过外围电路控制灯光的开关和远近光切换，为地下空间提供照明；陀螺仪提供主机的实时姿态，为边角边计算获取角度参数；相机提供MJPG 格式视频流，并通过无线局域网技术（Wi-Fi）模块发送到数据采集软件，展示地下空间的实时画面；激光测距模块由单片机控制，其控制指令通过Wi-Fi的串口透传功能从采集软件中发送，看门狗电路保障主机系统正常运行，储存模块保存图像分辨率等关键设置参数，总体设计架构如图1所示。

图1 激光陀螺采集仪设计架构

1.1.2 激光陀螺采集仪计算方法

通过激光测距模块测得目标点至采集仪之间的距离，根据陀螺仪计算采集仪与目标点之间的旋转角，利用三角函数算法，计算得到目标点之间的距离。如图2 所示，先测算出采集仪至目标点A、B 之间的距离S1、S2，根据陀螺仪获取的旋转角α，利用三角函数计算得到AB 两点间的距离S，可表示为

图2 激光陀螺采集仪计算示意图

通过该方法可以采集地下井室和附属设施的尺寸和高度，代替了传统人工测量的方法，在确保数据精度的同时，既提高了数据采集的效率，又规避调查人员进入有限空间作业的风险，保障数据采集的安全。

1.2 单目视觉SLAM 点云采集法

1.2.1 单目视觉SLAM算法原理

单目视觉即时定位与地图构建（simultaneous localization and mapping，SLAM）根据透视投影的关系和最小二乘法，基于相机投影矩阵和匹配点对集，计算得到目标点的三维空间坐标，进而重建物体的三维数据［3］。在视觉测程法的基础上使用图像对齐，并结合基于滤波的方法进行半稠密深度图估计，进而把选取出来的关键帧图像融合到全局地图中［4］，单目视觉SLAM算法原理如下。

1）视觉里程计（visual odometry，VO）。通过分析单目摄像头连续帧之间的图像特征，计算相机的运动姿态（旋转和平移），从而估计机器人在环境中的位置变化。

2）后端优化。对视觉里程计得到的位姿估计结果进行优化，以减少累积误差，提高定位和地图构建的精度。通常采用非线性优化算法，如光束法平差（bundle adjustment）。

3）回环检测。检测相机是否回到了之前访问过的位置，若检测到回环，则可以通过修正位姿来消除累积误差，进一步提高地图的一致性和准确性。

4）地图构建。根据相机的位姿和图像特征，构建环境的地图。地图可以是稀疏的特征点地图，也可以是稠密的像素地图，具体取决于应用场景和算法需求。

1.2.2 单目视觉SLAM计算流程

单目视觉SLAM的计算流程如图3所示。

图3 单目视觉SLAM计算流程

技术关键点在于创建临时数据集，通过关键帧之间的特征点匹配，计算出匹配点的空间坐标，把关键帧信息和匹配点坐标信息等追加到临时数据集中，在闭环矫正后输出为点云文件。

本采集方法实现了移动过程中生成高精度的空间三维地图，并提取特征点来获取三维点云数据。与传统的数据采集手段相比，不但降低了数据采集的作业强度，而且提高了作业效率和数据精度。与市场上的三维激光扫描设备对比，在满足数据精度要求的同时，不但大大降低了设备采购的成本，而且设备小巧轻便，便于现场数据采集，特别适用于狭小空间的数据采集。

2 自动化三维建模方法

目前地理信息系统（geographic Information system，GIS）行业的三维模型数据体量很大，在调用服务并加载时，一是对数据服务器和用户端的带宽要求很高，否则数据加载很慢；二是大体量的模型切片，即使在服务数据分级的情况下，切片数据达到显存极值后系统易崩溃；三是分级数据在地图缩放时的分级切换影响使用者的实际体验效果；四是数据更新滞后，因其数据发布过程烦琐，难以满足在局部数据更新后整体数据及时发布的要求，只能定期进行模型更新。因此，数字城市及各类智慧应用场景迫切需要一种快速轻量化的三维建模方法。本文介绍一种实例化思维的自动建模方法，并在地下管线、地下空洞及浅部地层的可视化系统得到应用。

实例化建模是一种提高渲染效率和管理场景数据的技术。当创建一个三维对象（如圆柱体）时，这个对象就是一个原型。通过实例化可以在场景中多次放置这个对象的“实例”，这些实例共享原型的几何数据（如顶点、边、面等信息），而不是每个实例都拥有一份完整的几何数据副本。这样在渲染时，对于相同的对象，只需要处理一次几何数据，根据每个实例的位置、旋转、缩放等变换信息来显示它们在场景中的不同状态（管线尺寸及路由），从而节省内存和提高渲染速度。每个实例在共享几何数据的同时，都有唯一的属性特征（如空间位置、大小及权属等），即保持了“单体化”的特性，可以参与单体及其他GIS分析。

3 自动化三维建模应用实例

3.1 城市地下管线建模应用

城市地下管网是城市的“生命线”，随着城市现代化进程加速，传统的依靠多专业叠合的二维“平面图+剖面图”的规划设计，已经难以满足城市正常审批和管理的需要［5-7］，地下管线的数据量日益增加，传统的二维管线管理系统难以直观地表现地下管线间错综复杂的空间关系［8］。目前市场大多管线自动化建模思路是根据数据库生成管线模型，然后制作管线分级切片形成三维管线服务数据［9-10］，基于实例化建模方法可以避免掉繁杂的中间模型生成及切片操作。

3.1.1 地下管线建模思路

地下管线进行建模之前，按照统一的技术规范和数据标准，对各类地下管线数据进行检查并建立地下管线数据库，确保数据库的完整性和准确性。

地下管线自动建模主要技术思路为基于地下管线数据库，构建永久的三维管线模型库，在管线三维成图时使用模型实例化技术，利用数据库中构件的空间信息，自动根据索引来实例化海量地下管线特征点、地下管线、附属物、井盖等管线体的三维模型，并映射相应的预设材质、纹理和颜色等模型信息。

3.1.2 地下管线建模数据库设计

本文阐述的地下管线建模技术主要通过数据库关联模型库进行自动建模，管线数据库字段定义需严格依据规范标准设计［11-12］，确保管线数据库导入、导出和关联模型库的逻辑关系，管线数据库主要字段详见表1、表2。

表1 地下管线数据库点表设计

表2 地下管线数据库线表设计

进行地下管线建模时，使用Cesium 的JavaScript 语言库，实现地下管线建模的逻辑、算法，将地下数据库与预设模型库进行链接，使用对象及实例化概念，能够快速完成海量地下管线模型的建模工作。并优化及轻量化其在计算机图形处理器（graphics processing unit，GPU）产生的显存缓存数据，以此来提高系统对数据的响应速度，避免显存溢出等带来的页面崩溃，有效降低了海量数据对计算机硬件的要求，同时也便于局部数据更新的地下管线建模。

3.1.3 地下管线建模实例化

预设的地下管线模型实例库，参照相关技术规范中的各部件实物，使用三维绘图软件3d Max进行各个附属物和管井的建模，并设置所有实例模型平面角度、原点参考位置、尺寸、单位和比例，实例模型库的分级和编码定义规则可参照：通信-附属物-铁塔（编码56042214）、电话-附属物-电话亭（编码56012216）进行预设。实例模型库样例如图4所示。

图4 实例模型库样例

在三维应用场景系统中实现实例化时，调用数据库中的旋转角、空间位置和模型三轴规格即可批量完成实例化模型的建模工作。建模时对地下管线特征点、附属物、井盖、井室五种管线组，分别定义出Line、Feature、Adjunct、Cover 和Well 五个实例对象，然后向此五个实例对象数组中以属性的方式赋值数据库中的管线数据信息，并且读取模型库中对应编码的预设模型，由软件系统的管线组件对实例化进行处理渲染，实现数据库到模型可视化的直接创建，通过项目生产实践，该技术具有模型生成速度快、显存使用率低、数据可实时更新等优点。管线实例化建模流程如图5 所示，管线实例化建模效果如图6所示。

图5 实例化建模流程

图6 实例化建模效果

3.2 地下空洞三维建模应用

地下空洞病害是一个较为复杂且严峻的问题，目前普遍在各个城市中出现，尤其在汛期降雨后集中暴露。其出现原因有多种，比如城市地下排水、供水等管道使用年限较长后，容易出现老化、腐蚀、破裂等问题［13］。管道中的水泄漏到周围土体中，会逐渐带走土颗粒，形成洞穴，随着时间的推移，洞穴不断扩大就会形成地下空洞［14］。此外，过度抽取地下水也会引起地面沉降和地下空洞的产生。道路地下空洞带来的危害有破坏道路结构、增加交通运行危害、对地下管线及其他基础设施和建筑造成破坏［15-16］，目前主要的检测方法是探地雷达法结合钻孔视频进行识别判断。

道路地下空洞自动化三维建模，是使用三维建模技术，实现对道路地下空洞的快速、准确和高效的三维建模，表达道路地下空洞三维空间信息的方法，为道路风险等级评估和维修造价提供更加直观精准的地下空洞构造。

3.2.1 地下空洞建模思路

基于道路地下空洞数据的位置信息、规格信息、土层信息，根据不同种类病害的发育机理，如脱空多成饼形、空洞发育早期多为倒漏斗形、晚期多为正漏斗形的特性，制作出对应的病害实例原型模型，自动建模时根据现场钻孔验证拍摄的影像或已有的空洞材质库映射相应的地层材质信息，实现对道路地下空洞的快速、准确和高效的三维建模。

3.2.2 地下空洞建模流程

1）搜集病害案例数据，结合发生地的环境初步分析病害体成因及发育过程。

2）总结各类病害体的发育形态，赋予病害体标准单位尺寸。

3）依据病害体发育形态制作病害体原型库，如饼型、倒漏斗型、马蜂窝型等。

4）总结影响病害体最终形态的关键因子，如病害发育面积、净空高、处于黏土层还是砂土层、是否处于地下水位之下、地表是否有裂缝等，以此作为输入项来调整病害体原型。

5）根据关键因子从原型库匹配最佳原型，来作为此处病害体模型的雏形，再根据病害体原型相关算法来调整模型，如添加纹理、改变模型边缘曲率、调整噪声频率和数量等。

通过三维建模方法构建的地下空洞可以应用与地下工程可视场景中，地下空洞建模效果如图7所示。

图7 地下空洞建模效果

3.3 浅部地层三维建模应用

随着城市地下空间的开发利用，掌握三维地质结构成为科学合理开发利用地下空间的基本前提［17］，一是地层结构复杂，城市建设过程中的填土、开挖、堆载等活动，以及自然地质条件的差异，导致城市浅部地层结构复杂多样，不同区域的地层组成和分布变化较大；二是物理力学性质差异大，从软弱的淤泥质土到坚硬的岩石，城市浅部地层的物理力学性质存在很大差异；三是受人类活动影响显著，对浅部地层的原始状态产生了强烈的干扰，改变了地层的应力状态、地下水分布等，易导致地层沉降、变形等显著问题；四是含有丰富的地下水，城市浅部地层通常是地下水的主要赋存场所，地下水的存在对地层的物理力学性质和稳定性有重要影响，同时也与城市的给排水、地质灾害等密切相关［18］。

浅部地层的结构和稳定性对地面建筑及居民生活安全至关重要，通过自动化三维建模，可以直观地预测和评估潜在的地质风险，如地面塌陷、地裂缝等，从而采取有效措施防止或减轻灾害的影响。

3.3.1 浅部地层三维建模思路

本文阐述的浅部地层三维建模是通过钻孔数据构建地层界面，将地层界面转换为三维体元模型，根据地层特性和土层厚度等数据，构建三维属性模型。钻孔数据主要包括钻孔编号、孔位高程、土层编号、土类别等内容，如表3~表4所示。

表3 数据库钻孔数据样例

表4 数据库主要字段设计

3.3.2 浅部地层三维建模流程

地层三维建模常用的方法是有限元法，本方法从数据库中获取钻孔的空间范围，从用户输入最小元素尺寸大小后，开始计算实例模型的总元素数量，并同时创建各个土层的元素组，把建模范围内所有的元素依次异步分类添加到对应的元素组中，再创建基本实例化正方体模型，按数组统一进行模型实例化，生成地层的三维模型。此方法是基于有限元分析进行模型生成，模型里的每个正方形元素可以加上岩土相关专业属性值，并参与数值计算［19-20］，其形状、位置等可视化属性可根据其他属性计算结果而实时改变，便于在专业的信息系统中进行力学分析和设计。有限元法建模流程如图8 所示，有限元法地层模型如图9所示。

图8 有限元法建模流程

图9 有限元法地层模型

4 结束语

本文介绍了激光陀螺法和单目视觉SLAM 算法在地下空间数据采集的应用，不仅提高了作业人员的工作效率，并且避免了人员进入有限空间作业时的安全风险。对于地下空间数据的可视化应用，研究了实例化自动建模方法，并在地下管线、地下空洞、浅部地层三类数据场景中得到应用，经过测试，对于上述三类数据，本文所提方法可以避免GIS 系统加载的海量切片模型，在可视化系统中直接从数据库获取矢量数据进行实时快速建模，极大地减轻了计算机网络带宽和显卡的压力，并保持了数据的鲜活性。

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［中图分类号］ P208

［文献标识码］A

［文章编号］1007-3000（2025）06-0769-07

引文格式：吴海明，杜朋卫，周芳玲，等. 地下空间三维建模方法研究及应用［J］. 北京测绘，2025，39（6）：769-775.

Reference format: WU Haiming， DU Pengwei， ZHOU Fangling， et al. Research on three-dimensional modeling methods for underground space and their applications［J］. Beijing Surveying and Mapping，2025，39（6）：769-775.

DOI: 10.19580/j.cnki.1007-3000.2025.06.003

［收稿日期］2025-03-19

［基金项目］北京市自然科学基金（4214069）；2024年度北京测绘学会测绘科技进步一等奖（2024-01-01-08）。

［作者简介］

吴海明（1988—），男，河北张家口人，大学本科，工程师，从事测绘地理信息工作。

E-mail: 254735025@qq.com