数字地下空间与工程

第26卷第11期岩石力学与工程学报V ol.26 No.11 2007年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2007
数字地下空间与工程
朱合华1，2，李晓军1，2
(1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)
摘要：
念，即为地下空间与工程提供开放的信息组织方法和信息发布框架，建立完整的数据标准及数据处理方法，并提
供可视化手段及相关软件。

首先对地下空间与工程的基本理论框架体系进行了研究，分别从工程、信息、服务和
软件架构四个角度对体系进行描述和定义，给出了地下空间与工程的数据分类体系与数据标准化方法，将地下空
间与工程中的对象建模分为地质体建模、地下管线建模和地下构筑物建模三大类，并对建模方法分别进行详细阐
述。

然后对空间查询与空间分析方法进行了探讨，在三维可视化与虚拟现实技术方面，提出了应用时应当遵循的
一些基本准则。

最后结合上海长江隧道的实际工程，进行了尝试和应用。

研究结果表明，数字地下空间与工程是
一个信息的发布与共享平台，也是一个地下空间与工程的数字化博物馆，通过它能使复杂的地下空间与工程透明
化，真正实现对庞杂的工程资料综合动态管理，提高数据可视化程度，充分体现出工程信息的价值，提高工程效
率，实现工程智能决策。

还阐述下一步应重点开展的一些研究工作。

关键词：数值分析；数字地下空间与工程；数字地层；三维地层信息系统；地下空间信息系统；地下工程数字化；
三维地理信息系统
中图分类号：O 241；TD 231.18 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)11–2277–12 DIGITAL UNDERGROUND SPACE AND ENGINEERING
ZHU Hehua1，2，LI Xiaojun1，2
(1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai200092，
China；2. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China)
Abstract：After a comprehensive review on the exploitation of information technology in geotechnical engineering and underground engineering，a concept of digital underground space and engineering(DUSE) is proposed. The objectives of DUSE are strategically targeted to provide a way to obtain and organize information about underground space and engineering as follows：(1) a framework in which to publish information；(2) a set of standards about data；(2) new software and services to process useful information out of these data；and (4) new visualization tools to display all relevant information. Then，a theoretical framework of DUSE，which describes the system architecture of DUSE from the viewpoint of engineering，information，services and software system，are put forward. Thus，a taxonomy of all the data in the system is defined. Modeling of 3D space geometrical objects is divided into three categories，which are geological modeling，pipeline modeling and underground structure modeling. Accordingly，the modeling methods of each category are discussed；and spatial query tools and spatial analysis methods are examined. Some basic principles that should be followed in the process of employing
收稿日期：2007–04–28；修回日期：2007–06–08
基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA11Z118，2006AA11Z102)；国家科技部、上海市科委部市合作世博科技专项(科技部：2005BA908B06，上海市科委：05dz05806)；上海市科技攻关项目(052112010)；教育部第四届高等学校青年教师教学科研奖励计划(2002–293)
作者简介：朱合华(1962–)，男，博士，1983年毕业于重庆大学采矿工程系化学矿开采专业，现任教授、博士生导师，主要从事隧道与地下工
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visualization and virtual reality technology are also given. Finally，a case study of Shanghai Yangtze River tunnel project is provided. Research results show that DUSE is an innovative new information platform for the whole cycle life of underground space and engineering. DUSE is also a digital museum of the underground space and engineering. By employing the concept，the method and the techniques provided in DUSE，a more realistic and transparent underground space and engineering could be built；huge amount of data could be easily managed and effectively visualized. Therefore，useful information of these data can be processed，improving working efficiency and promoting the implementation of intelligent decision about the engineering project. In addition，some research topics that need to be further addressed are also discussed.
Key words：numerical analysis；digital underground space and engineering(DUSE)；digital strata；3D strata information system；underground space information system；digitalization of underground engineering；3D geographic information system
1 引言
人类自从进入信息社会以来，信息的产生、处理与发布已经是一种非常重要的经济和社会行为。

信息化是当今社会的一大特征，各行各业不例外，在土木工程这样一个历史悠久的传统领域中，引入信息技术进行相关科学研究，并促进这一传统产业的改造和技术升级，是当前一项重要研究内容。

信息通常对人们是有意义的，往往通过对数据进行恰当的组织、整理与分析而得到。

因此数据不等于信息，但数据是信息的基础。

如果将数据或信息以适当的电子形式存储，供进一步传输、处理、
迄今为止，最宏伟的数字化系统构想应当是数字地球[1]，由美国前副总统A. Gore于1998年正式提出。

数字地球勾绘出了信息时代人类在地球上生存、工作、学习和生活的时代特征。

数字地球的提出引起了各国政府的高度重视，更引起了学术界研究上的一个热潮。

尽管D. Bulter[2]指出，“由于A. Gore在2000年总统竞选中的落败，预示了美国政府逐渐不再直接支持数字地球计划”，然而这一宏伟计划所产生的影响却是极其深远的。

在地下空间的开发和利用过程中，由于地质环境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程中灾害事故的突发性以及对环境影响的控制难度，地下工程施工与管理的难度就必然有别于地面工程。

地下工程活动是一项不断获取数据、分析数据和处理数据的过程，需要在工程的勘察、设计和施工过程中不断获取各种各样的信息和数据，并对这些大量、复杂的信息和数据进行快速处理、及时反馈，以优化设计并指导施工。

因此地下工程的建设，特别是重大的地下工程建设，其数字化问题显得更为重要和迫切。

近年来，国外在地下工程数字化领域开展了一系列的研究工作，许多研究被列为政府资助计划项目。

弗吉尼亚理工大学自2003年开展AMADEUS (adaptive real-time geologic mapping，analysis and design of underground space)[3，4]研究计划，其基本思想是研究利用数字照相方法记录隧道掌子面的地质情况，通过图像解释技术研究获取隧道的地质特征与属性并建立相关数据库，再利用虚拟现实技术建立隧道开挖的虚拟环境。

然后基于有限元、离散元、关键块理论等数值分析方法建立岩体的地质力学模型，结合隧道的三维数字变形测量技术的研究，对隧道开挖和支护的力学行为进行模拟与反分析。

最终目标是：利用信息技术，为岩体地下工程的地质描述、分析、设计与施工建立自适应实时更新系统。

奥地利2004年开展CITYGRID项目[5]的研究，该项目被列入欧盟EUREKA计划，其目标是建立地上、地下统一的整个城市数字化模型，用于城市规划、城市噪音控制、交通规划、地下管线规划、城市防灾及工程项目管理等。

欧盟开展了一项研究计划，即TUNCONSTRUCT(technology innovation in underground construction)[6，7]，由来自11个国家的成员组成，其目标是推动地下基础设施建设技术的革新，以减少地下工程建设时间和降低地下工程建设造价。

该项目一个重要组成部分就是开发集规划、勘察、设计、施工和运营维护于一体的地下工程信息系统(underground construction information system，UCIS)，该系统对地下工程(特别是隧道工程)全生命周期数据进行管理，并将数据提供给工程建设和管
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理的各个参与方。

英国剑桥大学和帝国理工大学2005年联合开展了一项智能基础设施(smart infrastructure)[8]研究计划，其目标是为各种城市基础设施(主要针对地下的隧道与供水系统等)开发出无线传感网络，以实现对这些基础设施的长期监测。

此外，韩国学者M. Sagong等[9]采用PDA(personal digital assistant)和无线网络传输技术建立隧道掌子面的数字化描述系统(digitalized tunnel face mapping system，DiTFAMS)，用于将隧道掌子面的围岩图像、围岩类别等地质信息快速传递到决策人员，以利于施工过程中的迅速决策。

C. Yoo等[10]基于地理信息系统软件ArcGIS开发了一个隧道风险管理系统(IT-based tunneling risk management system，IT-TURISK)，用于隧道施工过程对周围环境的影响进行风险评估，并予以指导设计。

以数字地球概念为启发，国内在地下工程领域而开展的数字化研究也是方兴未艾。

朱合华[11]最早提出了数字地层的概念，指出数字地层即是利用现代的计算机技术，将原始地层信息(同地壳运动和周围环境引起的)和施工扰动地层信息(由人类工程活动引起的)，用数字化的方法直观地展现出来。

尔后，朱合华[12]及白世伟等[13，14]分别提出了三维地层信息系统的概念，指出建立城市三维地层信息管理系统，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，可极大地提高工程效率，实现工程智能决策，从而充分体现出工程信息的价值。

吴立新等[15]提出了建立数字矿山的构想。

周翠英等[16]结合重大工程，提出建立地下空间信息系统，论述了地下空间信息系统的开发方法和关键技术。

朱合华等[17]针对大规模城市基础设施建设中出现的“城市病”，提出了应当将地层、地下构筑物、地下管线和地下水信息统一考虑，建立城市地下空间信息系统。

李晓军等[18]在总结三维GIS、数字地层、三维地层可视化、地下工程虚拟现实系统等相关概念及研究的基础上，给出了一个地下工程数字化的定义，即地下工程数字化就是以数字地层为依托，以信息化手段对地下工程建设过程中的勘察、设计、施工及监测等数据进行集中高效地管理，为地下工程的建设、管理、运营、维护与防灾提供信息共享和分析平台，最终实现一个地下工程全生命周期的数字化博物馆。

琚娟等[19]针对地下空间的开发利用，提出了建立数字地下空间基础平台，该平台是一个集信息存储、三维建模、空间分析、虚拟浏览为一体的综合系统。

综上可知，自从数字地球的概念诞生以来，地下工程数字化技术的研究与应用大致经历了三个阶段。

第一阶段以提出概念为主，如数字地层、数字矿山、三维地层信息管理系统等概念，相关的研究刚刚开始起步。

第二阶段是研究的深入阶段，这一阶段研究人员大多从各自的专业应用角度出发来对数字化进行理解和解释，并在此基础上进行研究，因而研究成果虽然较多却系统性不强，难以在实际工程中得到采用，主要原因可能在于缺乏一个完整的数字化理论框架体系指导。

第三阶段是地下工程数字化理论和框架体系逐渐发展和工程界的日益重视阶段，这一阶段由于工程界对数字化概念的逐渐接受和实际应用需求，推动了相关理论和框架体系的不断深入和发展。

笔者认为，当前研究正处于第二阶段向第三阶段转变的过程中，因此非常有必要对地下空间与工程数字化的相关理论框架体系和相关技术方法做一深入的探讨。

2 数字地下空间与工程
相对于以空气为介质的地上空间来说，地下空间泛指以岩土体和水为介质的地面以下的空间。

在地下空间的开发利用(如矿山开采、水电站建设、城市地下空间的开发与利用等)以在地下工程的全生命周期过程中，人们已经在各个方面积累大量的数据，其中涉及勘察、设计、施工、数值分析、监测、检测、运营与维护等，甚至更多。

尽管已经掌握了关于这些方面大量的数据，也有很多相关的经验和知识，但想从这些数据中迅速得到有用的信息却并非易事，特别是当需要在远程获取信息时。

表面上看，似乎是这些数据缺乏统一的标准，或者是仅仅因为它们停留在纸面上而未被数字化，或者是缺少界面友好的三维可视化工具，但真正缺少的是能够有效组织和利用这些数据的方法，以使得数据变得更加有意义。

核心的问题在于如何将原始数据转换为有用的信息，正如A. Gore[1]在数字地球概念中所提到的，“如今对知识有着永远不能满足的渴求，但同时又有着太多的数据未加以利用”。

2.1 数字地下空间与工程信息系统框架
为此，首先应当进行数字地下空间与工程的理论框架体系研究，为地下空间与工程提供开放的信息组织方法和信息发布框架，建立完整的数据标准，
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研究数据处理方法，提供可视化手段及相关软件。

数字地下空间与工程的目标就是为地下空间与工程全生命周期所涉及数据提供一个全新的信息平台，其中所有相关数据的生成、发布与处理都是以数字化的形式进行，并可以将现有的地下空间与工程的数据转换到该平台中。

由于地下空间与工程的复杂性和人们认知对象的角度、背景、兴趣和方法的差异性，会导致对同一对象不同的理解和抽象，进而导致不同系统之间的信息共享与互操作障碍。

为了建立数字地下空间与工程的信息平台，必须建立开放式的、人们共同认可的、观点统一的研究对象认知抽象过程。

虽然目前数字地下空间与工程的信息系统框架还是一个空白的领域，但是地理信息系统的信息系统框架已经较为成熟并被广泛采纳。

欧洲标准化委员会地理信息技术委员会(CEN/TC287)[20]提出地理信息参考模型标准草案；国际标准化组织地理信息技术委员会(ISO/TC211)于2002年发布了“地理信息参考模型”[21]；开放地理信息系统协会(open spatial consortium，OGC)于2003年提出OGC参考模型(OGC reference model，ORM)[22]。

上述参考模型都提出了制定地理信息领域标准的基本框架和概念模型。

CEN的参考模型[20]将地理信息分为两类：地理数据与元数据。

把地理信息服务分为查询与更新服务以及数据转换服务两类，但它没有充分反映开放、分布式的信息服务以及在其基础上的地理信息服务的特点。

ISO/TC211制定的地理信息系列标准[21]以实现地理信息互操作为目标，将地理信息概念的详细描述与信息技术的概念相结合，阐明地理信息管理的方法、工具和服务。

标准参考模型将地理信息系列标准分为5类，即框架和参考模型类、地理信息服务类、数据管理类、数据模型和操作类以及专用标准和现行实用标准类。

OGC制定的参考模型[22]是在OpenGIS规范的基础上提出的，分别从企业、信息、计算、工程与技术视角上对地理信息共享与互操作问题进行了定义，即从空间信息系统目标和范围及策略、空间信息语义描述与加工处理、空间信息发布的组件与接口、空间信息分布式系统交互的机制与功能描述、系统开发的技术选择等5个视角，系统描述了地理信息与地理信息服务，给出了信息共享与互操作的参考模型，它是迄今为止最完善的地理信息标准参考模型。

数字地下空间与工程应对所研究的目标进行认知和抽象，充分理解目标所包含的各种信息，建立合适的逻辑数据模型，以便于信息的管理和组织以及客观世界的系统重现。

数字地下空间与工程信息系统框架的参考模型借鉴了OGC的参考模型ORM，分别从工程、信息、服务和软件架构四个角度对系统进行描述和定义。

从工程角度(即实际用户的角度)出发，数字地下空间与工程系统是一个信息加工处理链，实现了从数据到分析，再到判断，最后到决策这样的一个过程，如图1所示。

图1 数字地下空间与工程的信息加工处理链
Fig.1 Information processing chain of DUSE
从信息的角度，将系统所要处理的信息分为五大类，即地表、地物、地层、地下管线、地下构筑物及其特征信息；几何、拓扑与时空信息；空间参照信息；分块与图层信息；元数据信息。

从服务的角度，系统的服务可分为数据服务、数据处理和分析服务、可视化与虚拟浏览服务以及专业应用服务4大类，它们的关系如图2所示。

从软件架构的角度，系统采取基于网络的多层软件架构方式。

就目前而言，想要对数字地下空间与工程系统框架中的各个方面给出完整的定义还比较困难，以下笔者就其中的几个重要问题：数据的分类与标准化、建模方法、空间查询与空间分析以及三维可视化与虚拟现实技术等展开深入的讨论。

2.2 数据分类与标准化
建立数字地下空间与工程系统信息框架的基本要素是数据，数据的分类与标准化为信息系统的构建提供坚实的基础。

广义上讲，数字地下空间与工程数据包括通过测量、遥感、地理、地质、地球物
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图2 数字地下空间与工程的服务类型及多层式软件架构Fig.2 Services categories and a multi-tier software system architecture of DUSE
理、地球化学等各种手段获得的关于地球表面及其内部的各种数据以及人类工程活动中产生的各种数据。

这些数据是进行地球科学与区域性科学研究的基本素材，特别是自然资源、环境评估、灾害预测、工程决策和可持续发展研究的基本依据。

就工程活动的角度而言，它涵盖从地上到地下，从地层到结构，从工程立项到工程运营所有类型数据源，包括了地理、地质、地下构筑物等；从工程建养一体化的角度出发，包括设计、施工、监测、检测、运营管理等诸多方面。

数字地下空间与工程数据的分类一方面考虑到现行地学和工学数据来源、特征和勘察方法；另一方面需要综合考虑数据库将为地层与工程三维模型模拟与可视化、虚拟浏览、空间分析、业务应用和网上发布提供基础，为建立数字地下空间与工程管理与应用服务系统提供数据支持。

参照国土资源分类标准、城市地质调查、教育学科分类和数字化工程的管理与应用需求，将各类数据按三级分类，涵
表1 数字地下空间与工程数据分类表
Table 1 Taxonomy of DUSE data
一级
分类
二级
分类
三级
分类
一级
分类
二级
分类
三级
分类
地貌(A) 给水(A)
等高线(B) 排水(B)
高程数据(C) 燃气(C)
植被(D) 热力(D)
地形(A)
其他(O) 工业(E)
基础
地理
(A)
地理(B) 电力(F)
地层(A) 电信(G)
构造(B) 综合(H)
岩石(C)
地下
管线
(F)
其他(O)
岩土(D) 矿井(A)
区域地质(A)
其他(O) 新奥法隧道(B)
基岩地质(B) 城市地铁(C)
第四系地质(C)地下变电站(D)
基础
地质
(B)
基础地质勘探(D)盾构隧道(E)
钻孔(A) 地下车库(F)
物理勘探(B) 地下商业街(G)
化学勘探(C) 地下综合体(H)
探井(D) 地下交通枢纽(I)
探槽(E) 地下道路(J)
竖井(F) 共同沟(K)
平洞(G) 地下厂房(L)
勘探(A)
其他(O) 地下船坞(M)
原位测试(B) 地下储气设施(N)
室内试验(C) 地下雨水储存设施(O)
工程
地质
(C)
成果数据(D) 地下垃圾站房(P)
勘探(A)
地下
构筑
物(G)
人防工程(Q)
原位测试(B) 开挖评价模型(A)
室内试验(C) 障碍物分析模型(B)
水文
地质
(D)
成果数据(D)
模型
数据
(H)
地下空间规划模型(C)区域环境地质(A)
水污染(B)
环境污染(C)
环境
地质
(E)
地质灾害(D)
其他
(I)
注：由于篇幅原因，表中略去了部分三级分类的详细内容。

表中工程地质为第一级分类，编码用“C”表示，工程地质勘探为第二级分类，编码用“CA”表示，工程地质勘探手段有多种，比如地质钻孔为第三级分类，编码用“CAA”表示，其他分类以此类推。

需要说明的是，在地下构筑物的分类中，比如盾构隧道主体为第三级分类，编码用“GEA”表示；
数据库
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为体现数字化工程的概念，在第二级分类基础上，编码第三级如使用一位阿拉伯数字即表示诸如工程设计、工程施工等信息，比如编码“GE1”表示盾构隧道设计信息，“GE2”表示盾构隧道施工信息。

这样就将面向实体和面向工程的概念统一起来，且通过惟一的编码联接。

数据的标准化是指用统一的数据格式对数据集进行描述，其关键就是建立一套能够被普遍接受和采纳的元数据标准，以确保数据的最大共享。

以地层与钻孔数据为例，图3给出了一种在关系型数据库中定义其数据信息的组织方式。

鉴于数字地下空间与工程中所涉及的数据量非常大，并且应该吸收已有地理元数据标准、国家标准和行业标准的相关成果，因此这方面还需要做大量的工作。

2.3 建模方法
无论是地质对象还是工程对象，一般都需要在三维空间中对其进行描述，因此建立它们的三维数据模型是进行数据处理和进一步分析的基础。

根据对象种类的不同，可将地下空间与工程中的对象建模进一步分为地质体建模、地下管线建模和地下构筑物建模三大类。

三维地质建模是地学研究的一项基础性工作，也是当前地学领域的一个研究热点。

T. A. Jones [23]从地质学的角度较早地提出
了地质体三维概念模型。

三维地质建模的核心就是寻找合适的数据模型，从目前的研究现状来看，三型三大类～26]。

面模型和体模型在表达地层上各有
特点，面模型侧重于三维空间表面的表示，如地形表面、地层层面等，其优点是便于显示和数据更新，从而简化地层的建模处理过程，不足之处是空间分析难以进行。

体模型侧重于三维空间体的表示，通过对体的描述实现三维空间目标表示，其优点是适于表达复杂的地层及其空间关系、进行空间操作和分析，并且有利于动态修改及几何体的布尔操作，但缺点是存储空间占用较大，计算速度也较慢。

基于以上两者混合的数据模型可以充分利用各自的优
点，因此是三维地质建模的一个主要发展方向[27]。

针对很多城市工程地质范围内地层无复杂地质构造、钻孔数据是地层数据的主要来源等特点，朱合华等[28
，29]
提出了一种基于钻孔的二分拓扑数据结
构以及基于钻孔数据的地层数据模型及建模算法，这种数据模型和算法的主要优点在于整个地层构建过程不需要人工干预，而且十分高效。

此外，近年来针对三维地质模型更新问题的研究[26]、不确定性问题研究[30]也得到逐渐重视，但总的来说这方面的研究还不太成熟。

三维地下管线可以用管线段和管点的几何实体
图3 地层与钻孔数据组织方式
Fig.3 Data organization scheme of strata and borehole
第26卷第11期朱合华，等. 数字地下空间与工程 • 2283 •
来描述。

针对地下管线的特点，管线三维建模分为管点建模和管线段建模两个过程，并可事先建立地下管线的管点实体模型库，通过对管线截面沿管轴线拖拉形成管线段，并经过一定的布尔运算，实现管线段和管点的同步生成，并为后续的管网空间分析提供方便。

此外，有必要结合地下空间规划与设计的实际需要，在道路–管线–管线工作井的一体化模型等方面开展深入研究。

地下构筑物建模可利用实体建模方法，例如线框模型(wireframe model)，边界表示(boundary representation，B-Rep)法、构造几何实体(constructive solid geometry，CSG)法，构建其几何模型。

其关键在于根据具体的地下构筑物特征建立数据标准，并在此基础上建立其参数化的模型。

考虑到地质体建模的复杂性，由于地质体很难用构造几何实体法来描述，因此为了能够很好地将地质体与地下构筑物模型相结合，边界表示法应当是一种比较好的选择。

此外，为了解决过于复杂的地下构筑物模型对可视化系统造成的负担，有必要结合地下构筑物的不同类型，在多尺度模型上开展深入的研究。

在GIS领域，时态GIS(TGIS)一直是一个研究的热点问题[27]。

地下空间与工程所研究的对象同样也具有空间数据、属性数据随时间不断变化的特点。

例如矿山开采引起的地层沉陷、工程活动诱发的城市地表下沉，以及地下构筑物的施工建造过程等，这些问题的实质是需要在建模方法中引入时间因素，建立合适的时间与空间数据模型——时空数据模型。

周维[31]以隧道的施工过程和监测数据为主要研究对象，采用TGIS中的序列快照模型、基态修正模型对其进行了研究，并在实际工程中进行了应用。

相信这方面的研究会随着应用的深入不断地展开。

2.4 空间查询与空间分析
空间查询与空间分析是在数据模型的基础上，借鉴地理信息系统(GIS)的思想，对现有的数据进行深层次的加工与处理，从中提取出新的有用信息，并找出数据之间的内在规律与联系，从而为专业应用与决策提供工具和手段。

传统的二维GIS在空间分析技术上已经较为成熟，这些方法主要包括：各种查询(简单查询、视图查询与SQL查询)；测量(长度、面积、坡度等)；空间变换(缓冲区分析、叠加分析、空间插值等)；网络优化分析等等。

这其中的一些方法在三维空间中依然可以应用，但是有些方法需要进行扩展或修改，例如重心、体积的测量；体与体间的空间最短距离分析；三维拓扑关系查询等。

此外，针对三维模型和地下工程的特点，还要研究一些新的空间分析方法，例如地质切片与分析、施工过程相关分析(例如土方量计算)、空间碰撞分析、三维缓冲区分析以及地下结构物–地层的空间属性分析(例如分析在地下结构物周围的地层性质)等。

由于地质体数据的不完整、不确定的特点，一般还需要在空间分析方法中研究引入诸如空间插值算法(例如Kriging插值)或可靠度等方法。

2.5 三维可视化与虚拟现实技术
三维可视化与虚拟现实服务也是数字地下空间与工程系统信息框架的一个重要方面。

三维可视化意味着以对人而言更加容易理解的三维图形方式来展示数据与信息，虚拟现实技术则意味着进一步通过计算机营造一个更加形象、逼真和实时交互的虚拟环境。

可以将可视化理解为一个将抽象的数据具体化展现给用户的过程，与此相比，虚拟现实技术是一个将真实的世界在计算机中虚拟出来的过程。

三维可视化与虚拟现实技术的主要目的是为了增强和提高对大量信息获取和理解的手段。

然而仅仅将信息和数据在三维空间中展示出来，效果可能未必很好，有时甚至会适得其反，为此必须结合地下空间与工程的特点，对三维空间中的信息组织方式、信息浏览方式作一些深入的研究。

以下是笔者认为在此方面应当遵循的一些基本准则[32～34]：
(1) 在三维空间中，按照区域、山川河流、道路桥梁、具体对象这样的层次方式对空间信息进行组织与设计，将有助于对信息的迅速把握。

(2) 按照人们在现实世界中早已习惯的那样，在水平面上行走并浏览三维空间，将信息在空间上竖向组织在一起(就像一排排书架一样，但不要太高)，对于提高信息浏览效率来说大有好处。

(3) 当信息量较大时，可采用对象的分层管理与显示、细节层次技术(level of detail，LOD)等多种手段以避免信息过度臃肿。

(4) 所熟知的因特网的超文本(Hypertext)信息组织方式也应该可以用于三维空间信息组织。

(5) 计算机中显示的物体对象未必一定要与现实生活当中所看到的物体对象完全一致。

(6) 计算机中的物体应当尽可能地从外部进行查看和操作，避免进行物体内部–外部的切换，如果要展示内部的信息，可以采取透明等方式进行处理。