数字地下空间与工程——理论方法、平台及应用

本书主要论述数字地下空间和数字化地下工程两个方面，它们是相辅相成的。数字地下空间由数字地层、数字地下管线和数字地下建（构）筑物组成，这三者在数字地下空间信息场中是无缝连接的整体；数字化地下工程是对工程全寿命期数据的数字化，涵盖工程规划、勘察、设计、施工、监测与监理、运维与管理各阶段的数据采集、处理、表达、分析，是对数字地下空间信息场的不断更新与迭代。书中数字化技术将地下空间与工程的全寿命期数据透明地展现出来，构建了相应的理论技术体系和平台，并应用服务于大量的工程实践活动中，全面体现了现代信息技术和传统地下空间与工程的有机融合。

本书可供对地下空间与工程数字化、智能化、智慧化研究和应用感兴趣的读者阅读，也可供高等院校相关专业的师生参考。

本书主要介绍数字地下空间与数字化地下工程两方面的内容。地下空间泛指地球表面以下、人类工程活动所及的范围，涵盖工程地质和水文地质（即岩土体和地下水， 工程活动中统称地层）、地下管线和地下建（构）筑物等；地下工程指在地下空间赋存的地层介质中开展的人类工程活动，包括修建地下管线、地下建（构）筑物等。数字地下空间与工程是利用现代信息技术将传统的地下空间与地下工程（含工程过程活动） 以数字化的方式直观展现出来。数字地下空间由数字地层、数字地下管线和数字地下建（构）筑物组成，这三者在地下空间虚拟场中是有机融合、无缝连接的整体；数字化地下工程则涉及对工程全寿命期数据的数字化，包括工程规划、勘察、设计、施工、监测与监理、运维与防灾各阶段的数据采集、处理、表达、分析和决策服务。

迄今为止，数字地下空间与工程的发展经历了4 个阶段。第1 阶段（1998 ～ 2002 年），提出了“数字地层”的概念，初步建立了城市三维地层信息管理系统，并在地层的数据标准、建模和空间分析方面开展了研究工作。第2 阶段（2003 ～ 2005 年），在“数字地层”基础上构建了“数字地下空间”的框架体系，研究提出了数字地下空间的数据标准和地下管线、地下建（构）筑物的建模方法，集成了各种地下空间数据，实现了数字地层、数字地下管线和数字地下建（构）筑物的有机融合和无缝连接。第3 阶段（2006 ～ 2012 年），启动了全寿命期“数字化地下工程”的研究工作，促进了数字化技术的工程应用和推广，数字化工作从关注复杂区域的空间转变为注重点状和线状的工程活动。数字化地下工程的研究与应用又促进了数字地下空间技术的发展，如城市轨道交通建设，我们可以从一个车站、一个区间和一条线的数字化工作开始着手， 直至形成整个城市的轨道交通数字化系统。第4 阶段（2013 年至今），随着“智慧地球”的提出和“人工智能”的快速发展，数字地下空间与工程正逐步迈入智能化、智慧化阶段。目前，智慧地下基础设施已经启动建设，数字地下空间与工程进入快速发展阶段。前两个阶段侧重于理论和方法研究，第3 阶段开始进行工程应用，第4 阶段开始形成体系并逐步实现智能化、智慧化，为政府决策者、工程建设者、工程管理者提供直接服务，尤其是随着建筑信息模型（building information modeling，BIM）技术的推广而深入发展。数字化技术的影响和作用正日益彰显，逐渐丰富着地下空间与工程的内涵，数字化转型发展在地下空间与工程领域早已开始。

数字地下空间与工程在全寿命期的不同阶段，有着不同的功能和作用。在项目的规划阶段，可实现在复杂地形地质环境下的仿真规划，避免因规划失误而导致安全隐患或造价过高；在项目的建设阶段，可做到项目的信息化动态设计和施工安全控制； 在项目的运维阶段，可起到项目“病历单”的作用，使项目的精准维养有的放矢。

本书共分12 章。第1 章绪论，主要介绍数字化技术在地下空间与工程中的发展与应用；第2 章数字地下空间与工程信息框架基础，主要介绍基于地理认知的空间表达、多源信息集成、信息系统的功能需求及任务、组件化设计和性能指标；第3 章数字地下空间与工程的数据标准、结构和元数据，主要介绍数字地下空间与工程的数据分类和标准、三维数据结构和元数据管理；第4 章数字地下空间综合信息数据库分析与设计，主要介绍面向对象的地下空间综合信息数据库的分析和设计过程，以及数据库的存储方案、数据管理组件的设计和实施；第5 章数字地下空间海量数据存储与性能改善技术，主要介绍空间混合索引、分区技术、SQL 语句的并行处理技术、分布式存储技术等设计方法以提高地下空间海量数据的存储和访问性能；第6 章数字地下空间与工程时空数据预测和插值法，主要介绍空间数据预测及曲面插值法，给出基于离散点的空间确定性预测和曲面插值法，以及可以考虑对估计结果进行不确定性评价的地统计插值法、能够精细化反映时空数据变化特征的时空数据预测和插值法；第7 章数字地下空间与工程的时空建模方法，主要介绍一般建模方法，三维地质、裂隙岩体、地下管线和地下建（构）筑物建模方法，以及基于特征的数字地下空间与工程建模、隧道施工时空建模、基于子钻孔递归思想的三维地质建模方法；第8 章数字地下空间与工程可视化表达和平台实现，主要介绍通用可视化平台的开发、基于TIN 的三维地层显示方法、基于三角形自分解的地表物可视化建模、地下管状结构体三维可视化建模、基于OpenCasCade 的图形平台和可视化组件开发、虚拟现实技术及增强现实技术；第9 章数字地下空间与工程的空间分析，主要介绍核心算法与应用、管线碰撞分析和数字- 数值一体化分析等；第10 章地下空间与工程数据的现场采集技术，主要介绍地球物理勘探技术、地质钻孔过程监测技术、岩体表面的数字图像技术、岩体表面的三维激光扫描技术、岩土原位测试数据的实时反分析法等现场数据快速、实时采集技术； 第11 章和第12 章主要介绍数字地下空间与数字化地下工程的应用实例。

本书相关研究工作相继得到了科学技术部、教育部、交通运输部、国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会等的科研项目，以及来自工业界的诸多重大工程咨询攻关项目的资助。书中汇集了作者及其科研团队二十余年的研究成果，团队成员有：李晓军、刘学增、丁文其、蔡永昌、闫治国、王建秀、吴江斌、郑国平、张芳、琚娟、张建斌、解福奇、王长虹、胡金虎、李新星、董文澎、周春霖、李培楠、武威、陈建琴、周维、孙雪兵、孙庆旭、叶勇庚、刘凤华、李志刚、桑中顺、郑路、庄晓莹、官林星、丁小彬、陈加核、黄赫、芮易、袁钊、王帅、汤渊、牛耘诗、左育龙、陈超、任邦克、奚悦。在书稿的撰写过程中，还得到了朋友和同行们的无私帮助，他们是：香港大学岳中琦，同济大学彭芳乐，上海市规划和自然资源局张先林， 上海勘察设计研究院（集团）有限公司许丽萍、尹骥、杨石飞，上海市民防科学研究所姚保华，上海申通地铁集团有限公司技术中心王秀志，上海城投水务（集团）有限公司沈庞勇，上海同岩土木工程科技股份有限公司刘新根，上海同隧信息科技有限公司俞登华、朱伟佳。在此对上述各位的辛勤劳动和鼎力相助表示衷心的感谢！

本书的出版获得了国家科学技术学术著作出版基金的资助。撰写本书花费了十余年的时间。在编辑过程中，同济大学贺洁、科学出版社为本书的成稿和高质量出版倾注了极大的心血，同济大学乔亚飞、刘芳、沈奕、陈庆、周龙、李嘉豪、蔡武强、王婧萧和李君馨对书稿做了认真校对。本书的顺利出版离不开他们的悉心工作，在此谨表示深深的谢意！同时，对所有支持、鼓励与关心本书出版的各位专家、同行和家人表示诚挚的感谢！

由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。