三维建模技术在地下空间数据处理中的应用

摘要：三维建模技术作为地下空间数据处理的核心手段，正深刻改变着地下空间信息管理与利用的模式。本文主要研究三维建模技术在地下空间数据处理中的应用。从三维建模技术基础及在地下空间数据处理中的优势分析出发，从三个方面探索三维建模技术在不同类型地下空间数据处理中的应用，推动地下空间合理开发与利用。

关键词：三维建模技术；地下空间；数据处理

引言

在城市化进程持续加速的背景下，地下空间资源开发已成为拓展城市发展容量、提升空间承载效能的战略选择。然而，地下空间环境具有多要素耦合特征，涵盖地质结构体、地下管网系统及建构筑物等复杂对象，传统二维数据处理模式在空间特征可视化方面存在显著局限性。三维建模技术的突破为地下空间信息处理提供了创新解决方案，该技术通过多源数据融合技术实现地下空间信息的三维可视化重构，使研究者能够直观把握空间实体的几何形态与相互作用关系。在城市地下管网规划、矿产资源开采、地下交通枢纽建设等典型场景中，该技术通过构建高精度三维模型，为工程决策提供直观数据支撑，显著提升了地下空间数据处理的效率与精度，为地下空间的科学开发与可持续利用奠定了技术基础。

一、三维建模技术基础及在地下空间数据处理中的优势

（一）三维建模技术原理概述

三维建模技术体系包含多种实现路径，其核心在于通过几何特征参数化、材质属性数字化及空间位置坐标化等技术手段，构建目标对象的虚拟数字孪生体。在地下空间领域，主流建模方法主要包括激光扫描建模、摄影测量建模及GIS数据驱动建模三种技术范式。基于激光扫描的建模技术依托飞行时间法（ToF）原理，通过激光发射器与接收器的协同工作，实现目标表面三维坐标的毫米级测量，高效获取高密度点云数据，为构建精细化三维模型提供原始数据支撑。摄影测量建模则基于多视影像匹配算法，通过对目标区域的多角度影像序列进行特征提取与立体像对解算，实现物体三维几何信息的非接触式获取。GIS数据驱动建模依托城市地理空间框架数据，通过整合地形地貌、地下管网等多源数据资源，基于统一空间基准与语义规则构建三维场景模型，实现地下空间信息的可视化表达与空间分析。

（二）数据可视化优势

传统地下空间数据呈现方式存在信息维度缺失与空间关系模糊等局限性。三维建模技术通过多尺度渲染引擎与空间分析工具，实现地下空间信息的立体化表达。在地质构造可视化方面，采用Marching Cubes算法重构三维地层模型，结合体绘制技术展示不同岩性的空间分布。某过江隧道工程中，该技术成功预测了粉质黏土与中风化砂岩的接触带位置，误差控制在±0.5m以内。在管网系统可视化领域，基于WebGL的三维引擎支持亿级数据量的实时渲染。通过材质库与着色器技术，实现不同管线的差异化显示：电力管线采用红色半透明材质，通信管线使用蓝色网格结构，给水管线以绿色实体圆柱表示。为规划设计与日常维护提供了清晰、直观的参考依据，极大地提高了数据的可读性与可理解性。

（三）空间分析能力提升

三维建模技术通过构建全要素数字孪生模型，为地下空间开发提供了多维度空间分析工具。在矿山资源管理领域，基于GIS平台的三维矿体模型支持储量估算与开采方案优化。以某铜钼矿为例，通过克里金插值法构建品位分布模型，结合块段法计算矿石储量，系统还可模拟不同开采顺序对边坡稳定性的影响，通过有限元分析预测潜在滑移面，将开采风险降低3。在城市地下空间开发领域，BIM与三维建模技术的深度融合实现了全生命周期空间分析。

二、三维建模技术在不同类型地下空间数据处理中的应用

（一）城市地下管廊数据处理

作为城市生命线工程，地下管廊的全生命周期管理依赖于空间数据的精准解析（见表1）。三维建模技术通过多源数据融合实现地下管网系统的数字化重构，为管廊规划、建设与运维提供三维可视化支撑。在数据整合阶段，通过整合既有管线普查成果与LiDAR点云数据，采用参数化建模技术构建包含电力、通信、燃气等多专业管线的精细化模型。模型整合了管线几何参数与物理属性，直观呈现网络拓扑关系，为后续分析提供数据基底。在规划设计阶段，BIM与GIS技术的协同应用突破传统二维设计局限。通过构建包含地质条件、周边建筑及既有管线的三维场景，支持多方案比选与空间冲突检测。例如在某新区管廊规划中，系统通过模拟不同路由方案的施工可行性，优化管廊埋深与节点布置，减少对既有设施的影响。这种可视化决策模式使规划效率提升30%，方案合理性显著增强。运维管理阶段，三维模型与物联网技术的深度融合实现动态监测与智能诊断。通过在模型中集成传感器数据接口，实时映射管廊环境参数与设备运行状态。当监测到某段燃气管道压力异常时，系统自动定位故障点并生成处置预案。基于模型的虚拟巡检技术，可模拟不同工况下的应急响应流程，将故障处理时效提高。这种数字化运维模式为城市基础设施安全运行提供了可靠保障。

（二）矿山地下空间的数字化开发范式

矿山地下空间包含矿体形态、巷道网络及地质构造等多维度信息，其数据处理需要兼顾空间复杂性与动态演化特征。三维建模技术通过地质统计学方法与数值模拟技术的结合，构建矿山地下空间的全要素数字模型。在矿体建模领域，基于克里金插值法的三维地质模型实现矿体形态与品位分布的三维可视化表达，为储量估算与开采方案设计提供空间决策支持。通过构建矿体三维实体模型，系统可直观呈现矿化带空间展布特征，辅助确定最优开采边界。巷道系统建模方面，三维建模技术整合测量数据与工程图纸，建立包含主巷、支巷及硐室的高精度几何模型。结合通风系统、排水管网等辅助设施的空间参数，构建矿山地下空间的综合信息模型。该模型支持巷道网络的连通性分析与通行能力评估，为矿井运输系统优化提供技术支撑。在某金属矿应用中，通过巷道三维模型发现3处通风死角并优化布局，提升井下空气质量监测效率。在开采过程管理中，三维模型与实时监测数据的动态耦合实现矿山生产的智能化调控。系统通过集成地压监测传感器数据，实时更新矿体开采扰动区的应力场分布，结合FLAC3D数值模拟技术预测围岩稳定性。当识别出潜在岩爆风险区域时，系统自动生成支护方案并推送至生产管理平台。这种数字化监测体系将传统经验决策转变为数据驱动的精准调控，显著提升矿山安全生产水平。

（三）地铁工程地下空间数据处理

地铁工程全生命周期管理涉及多维度地下空间数据整合与分析，三维建模技术通过构建全要素数字孪生模型，实现地质、结构与设施信息的立体化表达。在地质建模阶段，三维可视化技术整合钻孔数据与物探成果，构建包含地层岩性、地下水位等多要素的地质体模型，为线路选线提供空间决策支撑，有效规避断裂带、软弱夹层等不良地质风险。线路规划阶段，BIM与GIS技术的深度融合突破传统二维设计局限。通过建立包含既有建构筑物、地下管线及规划道路的三维场景，支持多方案比选与空间冲突检测。例如在换乘站设计中，系统可模拟不同埋深方案的施工可行性，优化车站与周边地下空间的衔接关系，减少对既有交通网络的影响。施工过程中，三维模型与实时监测数据的动态耦合实现工程质量的精准控制。基于Trimble RealWorks的监测系统，将隧道掘进参数与设计模型进行空间匹配，通过自动化全站仪实时采集结构变形数据。当发现某段衬砌收敛值超过允许范围时，系统自动触发预警机制，指导施工参数调整，确保工程安全可控。运营管理阶段，三维模型与物联网技术的集成构建智慧运维体系。通过在模型中嵌入传感器接口，实时映射轨道几何状态、设备运行参数及环境指标。基于数字孪生技术的虚拟巡检系统，可模拟极端工况下的应急响应流程，提升突发事件处置效率。例如在大客流疏导中，三维模型支持客流密度分析与疏散路径优化，保障运营安全。

三、总结

三维建模技术在地下空间数据处理中已展现出显著的优势与应用价值，从基础原理在城市地下管廊、矿山、地铁等不同类型地下空间数据处理中的广泛应用，都为地下空间的规划、建设与管理提供了强大支持。

参考文献

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