城市地下空間數(shù)據(jù)信息化管理研究與實踐

孫雪梅，劉全海，李樓，冉慧敏，陳凱

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213000； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213000)

1 引 言

新型基礎(chǔ)測繪是信息化建設(shè)背景下國家應(yīng)對基礎(chǔ)測繪新需求而產(chǎn)生的變革，旨在實現(xiàn)“空間一體、聯(lián)動更新、開放共享、按需服務(wù)”的基礎(chǔ)測繪服務(wù)。城市新型基礎(chǔ)測繪要完善現(xiàn)代測繪基準，推進無比例尺地理信息全面覆蓋，建立城市多維、立體地理要素數(shù)據(jù)庫，基礎(chǔ)地理信息動態(tài)更新，推進基礎(chǔ)地理信息資源共享，改進成果應(yīng)用服務(wù)方式[1，2]。

作為城市基礎(chǔ)測繪的重要內(nèi)容，新形勢下城市地下空間測繪也要與時俱進。北京、上海、天津等城市對地下空間信息化展開不同程度的探索和建設(shè)，總體來說當前國內(nèi)城市地下空間信息化建設(shè)不多[3]，現(xiàn)有工作主要集中在地下管線，還未將地下管線、地下建(構(gòu))筑物在內(nèi)的地下空間作為整體統(tǒng)籌管理[4]。地下空間資料分散在不同行業(yè)主管部門，不同部門間對地下空間信息化缺乏總體考慮，且城市地下空間管理通常基于實體化表達的地下空間設(shè)施，如地下空間三維模型，武漢、江陰等地嘗試通過人工干預(yù)的CAD、激光雷達等數(shù)據(jù)建模，批量化、無人工干預(yù)的三維建模還存在不少技術(shù)難點，實地測繪成果還不能直接服務(wù)于后續(xù)地下空間管理、應(yīng)用，新型基礎(chǔ)測繪體系下地下空間如何管理也還是空白[5，6]。

本文從城市地下空間管理數(shù)據(jù)采集、管理及應(yīng)用出發(fā)，梳理新型基礎(chǔ)測繪體系下城市地下空間管理應(yīng)用要求，并從測繪技術(shù)、地理信息庫建設(shè)、三維建模、GIS可視化應(yīng)用等方面著手，分析新型地下空間測繪服務(wù)體系關(guān)鍵技術(shù)，并以常州市為例，介紹其地下空間新型基礎(chǔ)測繪體系下推廣應(yīng)用成果。

2 新型基礎(chǔ)測繪體系下，城市地下空間管理要求

城市地下空間通常指建設(shè)在城市地表以下，為滿足人類社會生產(chǎn)、生活、安全、防災(zāi)減災(zāi)等需求而建設(shè)的包括地下管線、地下建(構(gòu))筑物等。地下空間有如下特性：①封閉性及隱蔽性，地下建(構(gòu))筑物及地下管線通常位于地下，地下管線更存在分布及走向不明情況，給實際測繪帶來難度；②結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下建(構(gòu))筑物內(nèi)部設(shè)施復(fù)雜，逐個表達數(shù)據(jù)量大；③多維和多尺度特性，受工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等多條件影響，與地面空間結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，與市政、交通、建設(shè)等多行業(yè)緊密相關(guān)[7]。

傳統(tǒng)地下空間管理應(yīng)用通常利用RTK、全站儀導(dǎo)線測量設(shè)備獲取地下空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，對于年代久遠的建(構(gòu))筑物及疑難管線，通常很難獲取準備幾何、物理信息；成果通常表達為DWG格式，規(guī)劃、設(shè)計單位通常作為底圖，進行后續(xù)應(yīng)用。城市新型基礎(chǔ)測繪廣泛采用信息測繪技術(shù)向無比例尺地理數(shù)據(jù)測繪發(fā)展，改善成果表達形式，建立地理空間動態(tài)更新機制，形成地上地下全空間立體數(shù)據(jù)庫，擴大地理數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍[8]。因此新型基礎(chǔ)測繪體系下的地下空間管理應(yīng)用，也需要從測繪手段、數(shù)據(jù)組織形式、管理應(yīng)用形式等方面著手，改變城市地下空間管理應(yīng)用模式[3]：

(1)融合多種新型測繪技術(shù)提高地下空間數(shù)據(jù)測繪效率，解決地下空間因封閉及隱藏而帶來的無法準確測繪問題。

(2)通過集成地下空間、地下管線等多源異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)建立地下空間數(shù)據(jù)庫，將地下空間與城市立面空間無縫銜接連接[9]。

(3)研究三維可視化技術(shù)，將地下空間升維，建立地上模型、地下模型和地表模型三位一體的空間信息數(shù)據(jù)庫，以三維模型表達地下空間內(nèi)部設(shè)施結(jié)構(gòu)，使得用戶不需要再關(guān)注細部圖元，提高地理信息表達效率，解決地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表達復(fù)雜問題[10，11]。

(4)通過GIS可視化技術(shù)實現(xiàn)城市地下空間采集、管理、應(yīng)用信息化、精細化、一體化管理，從數(shù)據(jù)流及業(yè)務(wù)流兩方面著手解決傳統(tǒng)測繪中圖形文件信息分散，難以統(tǒng)籌管理問題[12]；

(5)結(jié)合多行業(yè)、多源多類型數(shù)據(jù)進行深度挖掘應(yīng)用，拓展地下空間信息圖譜，在城市規(guī)劃管理、人防、軌道交通進行示范性應(yīng)用，實現(xiàn)新型基礎(chǔ)測繪開放共享、綜合服務(wù)的要求。

3 基于新型基礎(chǔ)測繪的地下空間管理應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 新型測繪技術(shù)應(yīng)用

(1)北斗衛(wèi)星增強服務(wù)系統(tǒng)

新型基礎(chǔ)測繪首先是GNSS、激光雷達、傾斜攝影等一系列新型測繪技術(shù)的應(yīng)用，也同樣適用于地下空間測繪。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量多，采用三頻定位，抗干擾能力強，兼容北斗衛(wèi)星的GNSS可以彌補傳統(tǒng)GNSS在高樓密集區(qū)和樹叢茂密地區(qū)固定解無法快速獲取的局限性，提高遮擋條件下定位精度，提供統(tǒng)一的、完整的、高精度的基準參考。同時可以利用似大地水準面模型，解算高分辨率厘米級精度的精化大地水準面，實現(xiàn)了利用GNSS技術(shù)在測得高精度的平面位置的同時獲得該點的正常高，代替低等級水準測量、三角高程測量。

(2)激光三維掃描技術(shù)

三維激光掃描儀能夠高速獲取被測對象表面的三維坐標，快速采集大范圍空間點位信息，適合地下空間信息快速采集[13]。但一個地下建(構(gòu))筑物掃描點云數(shù)據(jù)量大，冗余數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)處理工作效率較低，可以基于Cyclone等軟件對點云的抽稀處理功能進行二次開發(fā)，自動判斷給定處理范圍內(nèi)周圍地物，同時剔除無效冗余點云。處理后的激光三維立體點云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入至CAD，利用Cloud Work for CAD所屬功能進行快速切片，隱藏切片外的點云數(shù)據(jù)，切換不同的視圖，將三維立體點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為二維平面數(shù)據(jù)，從而快速生成二維線劃圖。激光三維掃描獲取的地下空間點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 激光三維掃描獲取的地下空間點云數(shù)據(jù)

(3)內(nèi)外業(yè)配合的地下空間采集測繪

地下空間測繪通過外業(yè)采集點位、內(nèi)業(yè)繪制相互配合生成最終成果，北斗衛(wèi)星增強服務(wù)系統(tǒng)、激光三維掃描技術(shù)可以提高外業(yè)采集效率，為進一步提高測繪數(shù)據(jù)處理效率，可以基于CAD研發(fā)地下空間采集系統(tǒng)，在CAD平臺上實現(xiàn)地下建(構(gòu))筑物、地下管線探測數(shù)據(jù)的快速圖形化，同時將樓層、材質(zhì)等相關(guān)屬性信息與幾何實體掛接。搜索查詢模塊、圖層與編碼處理模塊、數(shù)據(jù)檢查模塊，對數(shù)據(jù)質(zhì)量快速查詢、定位、處理及修改提供便利，最終的成果數(shù)據(jù)可以直接提供后續(xù)入庫管理。

3.2 建立集地下空間和地下管線等多種數(shù)據(jù)為一體的全空間立體數(shù)據(jù)庫

(1)全空間立體數(shù)據(jù)庫

地理信息數(shù)據(jù)庫的建立和維護是新型基礎(chǔ)測繪體系下的地下空間管理應(yīng)用的重點工作，城市規(guī)劃、建設(shè)和管理逐步走向精細化管理，也對城市空間信息管理提出了新的需求。城市地下空間設(shè)施上承地表建筑，下接地下管線、地層地質(zhì)等設(shè)施信息，孤立的地下建(構(gòu))筑物設(shè)施信息不足以支撐地下空間精細化管理需求，需要以地下建(構(gòu))筑物為發(fā)散點形成包含城市立體空間數(shù)據(jù)的綜合信息庫[14]。

實際建設(shè)時可以集成地下管線、地面建筑、用地類型、地質(zhì)構(gòu)造、道路、地面建筑、規(guī)劃條件等地上、地表、地下多類信息，建立包含城市三維立體空間數(shù)據(jù)的綜合信息庫、同時利用空間位置掛接地下空間相關(guān)的規(guī)劃、建設(shè)、交通、城市管理信息，最終形成的城市立體數(shù)據(jù)庫不再是靜態(tài)的二維平面圖，不同種類的地理空間基礎(chǔ)信息不再是割裂的信息孤島，各類信息相互獨立又相互聯(lián)系，可以為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理提供多維度、多層次、多角度、多結(jié)構(gòu)的嵌套信息剖面圖，如圖2所示。

圖2 全空間立體數(shù)據(jù)庫

(2)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

地下空間數(shù)據(jù)庫涉及的數(shù)據(jù)量大，種類多，二維數(shù)據(jù)可采用Oracle等面向?qū)ο蟮年P(guān)系型數(shù)據(jù)庫統(tǒng)籌管理海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)庫建設(shè)時需要對地理空間數(shù)據(jù)編碼設(shè)計，采用多時態(tài)管理技術(shù)管理空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)以時間軸上的時間段過濾空間數(shù)據(jù)，做到任意時間點數(shù)據(jù)快速回放。

三維數(shù)據(jù)庫也是新形勢下城市地下空間重要建設(shè)內(nèi)容，三維庫也可以利用Oracle管理，原始3ds Max模型及紋理數(shù)據(jù)均以二進制形式存儲，使用時可以利用三維建模工具將原始模型轉(zhuǎn)換成usx格式并發(fā)布供后續(xù)應(yīng)用。二維庫、三維庫的地理坐標和場景可通過視域映射同步，通過唯一碼映射可采用同一屬性庫，二維、三維數(shù)據(jù)庫可實時交互聯(lián)動。

3.3 傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪成果升維，配合地形、建筑信息模型(BIM)三維空間表達地下空間

(1)“基于參數(shù)”的地下空間三維建模

新型基礎(chǔ)測繪體系下的地理實體為地下空間三維可視化提供了很好的切入點，二維表達的地下空間數(shù)據(jù)存在大量內(nèi)外范圍線、輔助點線等內(nèi)部輔助圖元信息，用戶使用較少但卻必不可缺，降低了二維數(shù)據(jù)的表達效率。三維數(shù)據(jù)整合地下空間內(nèi)部圖元形成獨立三維模型，數(shù)據(jù)表達效率大幅提高[15，16]。

實際建模過程中，地下建(構(gòu))筑物樓層、門、消防栓、停車位、柱體、電梯、墻體、地下管線井、閥門等設(shè)施對象測繪成果二維表達上有一定參數(shù)規(guī)則，因此可以直接基于設(shè)施二維表達提取相應(yīng)建模規(guī)則，設(shè)計并建立了完善的三維部件符號庫、紋理庫，研發(fā)三維建模軟件，基于二維地下空間數(shù)據(jù)庫，分析并自動提取了地下空間三維設(shè)施對象信息和建模規(guī)則，基于3ds Max軟件下研發(fā)地下空間三維自動建模功能，實現(xiàn)了二維地下空間到三維模型的全自動生成[17]，如圖3、圖4所示。

圖3 “基于參數(shù)”的地下建(構(gòu))筑物三維建模成果

圖4 “基于參數(shù)”的地下管線三維建模成果

(2)融合BIM表達不同細節(jié)顆粒的地下空間

與三維GIS模型相比，BIM模型能詳細表達建筑細部結(jié)構(gòu)，二者融合可以表達不同細節(jié)顆粒的地下空間模型。利用通用的標準IFC(工業(yè)基礎(chǔ)類)格式作為中間格式，基于IfcOpenShell等開源庫，研發(fā)了BIM數(shù)據(jù)向3ds Max三維模型自動轉(zhuǎn)換及屬性信息無損提取軟件，發(fā)布至三維GIS平臺實現(xiàn)城市級大場景的瀏覽與應(yīng)用。同時可以采用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫MongoDB進行BIM屬性信息的存儲，支持BIM模型屬性查詢、增減，適應(yīng)數(shù)據(jù)標準變化[18]。

實際三維建模時，大范圍區(qū)域可以應(yīng)用批量建模，重點區(qū)域可采用人工精細建模或BIM模型，綜合三維自動建模與人工精細建模相互之間的優(yōu)勢，打通數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)入庫及三維建模更新鏈路，形成城市地下空間建模到三維應(yīng)用的完整技術(shù)體系。

3.4 基于GIS可視化技術(shù)研發(fā)地下空間綜合管理軟件

新型基礎(chǔ)測繪中多源、多模態(tài)、異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)，通常利用GIS可視化手段按需提供服務(wù)。地下空間也可以綜合CAD、WebGIS等泛GIS平臺實現(xiàn)地下空間數(shù)據(jù)的高效、精細管理[12]。

(1)CAD平臺

以CAD平臺為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)，搭建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)檢查、成圖、整飾出圖軟件平臺，實現(xiàn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯生產(chǎn)的作業(yè)流程，同時可以打通CAD與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互鏈路，實現(xiàn)地下空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新入庫。

(2)WebGIS平臺

基于WebGIS搭建地下空間輕量級瀏覽應(yīng)用服務(wù)，提供瀏覽、統(tǒng)計分析功能，能將相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)疊加瀏覽，通過服務(wù)的形式為其他部門、項目提供專業(yè)服務(wù)，實現(xiàn)新型基礎(chǔ)測繪開放共享、按需服務(wù)的目標。

(3)三維應(yīng)用平臺

考慮到地下空間數(shù)據(jù)多維數(shù)、多層次、細節(jié)豐富的特征，引入三維可視化技術(shù)研發(fā)三維GIS管理軟件，在實現(xiàn)實時三維GIS模型構(gòu)建、內(nèi)外業(yè)一體化動態(tài)更新的同時，集成BIM，實現(xiàn)了城市級別的地下管線、地下空間建(構(gòu))筑物三維模型以及地表三維模型的集成與一體化管理應(yīng)用。

3.5 地下空間信息管理與綜合應(yīng)用模式研究

新型基礎(chǔ)測繪需要在服務(wù)模式上創(chuàng)新，要從被動向主動、從后臺向前臺、從間接向直接向一站式服務(wù)發(fā)展，因此利用地下空間二維、三維數(shù)據(jù)庫和GIS可視化管理軟件，進一步可以：

(1)研究并形成地下空間及拓展信息資源圖譜

對需要利用到地下空間行業(yè)領(lǐng)域展開研究，如自然資源部門的地下空間規(guī)劃設(shè)計與開發(fā)管理、住建部門的人防工程開發(fā)建設(shè)與維護管理、城市軌道交通管理部門的軌道交通站點及線路的開發(fā)建設(shè)與運營管理等，對相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域開展業(yè)務(wù)需求分析、信息資源需求分析，以充分利用地下空間數(shù)據(jù)，指導(dǎo)后續(xù)示范應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)。深入分析研究了以上相關(guān)部門的信息資源構(gòu)成，以地下建(構(gòu))筑物為核心，擴展相關(guān)專題的信息資源，研究并形成地下空間及拓展信息資源圖譜，指導(dǎo)未來對數(shù)據(jù)資源的充分利用、挖掘。

(2)建立地下空間開發(fā)資源評估技術(shù)體系并開展應(yīng)用實踐

結(jié)合工程地質(zhì)情況、水文地質(zhì)情況、歷史文保、潛在開發(fā)價值、工程可行性等多方面的因素，建立地下空間資源評估指標和參數(shù)體系(圖5)，以格網(wǎng)形式對地下空間資源按豎向?qū)哟芜M行質(zhì)量評估，利用GIS可視化技術(shù)表達評估結(jié)果，劃定地下空間資源分區(qū)，指導(dǎo)后續(xù)地下空間資源開發(fā)利用[19]。

圖5 地下空間資源質(zhì)量評估方法

(3)推進地下空間在地下空間規(guī)劃管理、人防工程管理、軌道交通管理等領(lǐng)域的示范應(yīng)用

以新型基礎(chǔ)測繪為指導(dǎo)而建立起的集地下空間數(shù)據(jù)綜合地理信息服務(wù)平臺，通過二維、三維形式展示地下空間層次、結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合規(guī)劃、地質(zhì)、地面設(shè)施、管線等多源信息，可以從宏觀及單體角度對地下空間設(shè)施的規(guī)劃、利用提供技術(shù)支撐，一庫多用，實現(xiàn)地下商業(yè)、娛樂、休閑、交通、停車、防災(zāi)等功能合理配置，同時滿足規(guī)劃、交通、管理等多種用途。翔實準確的地下空間數(shù)據(jù)也為軌道交通周邊地塊調(diào)查管理、人防應(yīng)急掩蔽提供數(shù)據(jù)支撐，為城市安全運行和提升城市綜合承載能力、城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量提供保障。

4 應(yīng)用案例

常州市以新型基礎(chǔ)測繪下地下空間管理要求為指導(dǎo)，在常規(guī)測繪技術(shù)的基礎(chǔ)上引入GNSS及北斗增強定位系統(tǒng)實現(xiàn)地下空間快速精準定位，引入激光三維掃描技術(shù)、探地雷達等物探技術(shù)快速獲取地下空間詳細結(jié)構(gòu)，于“十三五”期間完成了常州市地下空間普查[20]。

為進一步提升地下空間管理應(yīng)用效果，集成常州市地下空間普查、動態(tài)更新數(shù)據(jù)、地面建筑、地質(zhì)構(gòu)造、地下空間規(guī)劃信息等多源、多模態(tài)數(shù)據(jù)，建立城市立體空間數(shù)據(jù)庫，并基于地下空間三維建模技術(shù)，融合BIM模型將傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪成果向三維升級，研究地上地下一體化無縫表達的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)整合以及可視化等技術(shù)，基于CAD平臺、WebGIS、三維GIS平臺，研發(fā)地下空間CAD應(yīng)用系統(tǒng)、地下空間管理系統(tǒng)、地下空間三維應(yīng)用系統(tǒng)及地下空間綜合應(yīng)用系統(tǒng)，平臺總體結(jié)構(gòu)如圖6所示：

圖6 常州市地下空間綜合管理平臺總體架構(gòu)

常州市通過地下空間綜合管理平臺的建設(shè)：

(1)集成地下建(構(gòu))筑物、地下管線、地質(zhì)構(gòu)造、道路、地面建筑、影像、地形等數(shù)據(jù)構(gòu)建全空間立體數(shù)據(jù)庫，形成基于實體、縱向統(tǒng)一、多尺度融合、面向應(yīng)用的常州市地下空間專題數(shù)據(jù)庫，同時通過軟件系統(tǒng)及作業(yè)流程配合，實現(xiàn)了地下管線、地下建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)動態(tài)更新入庫，為常州市自然資源和規(guī)劃局后續(xù)基礎(chǔ)地理信息空間平臺建設(shè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)[21]，如圖7所示。

圖7 三維GIS可視化技術(shù)服務(wù)城市地下空間管理

(2)常州市地下空間數(shù)據(jù)由簡單管理與單一資料提供應(yīng)用方式向地下空間的高效化和精細化管理的巨大提升，以技術(shù)現(xiàn)代化促進地下空間成果應(yīng)用多樣化，推進地下空間管理業(yè)務(wù)形態(tài)轉(zhuǎn)型升級。

(3)常州市自然資源和規(guī)劃局基于地下空間現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，按經(jīng)緯格網(wǎng)劃分常州市主城區(qū)，對地下空間資源分不同豎向?qū)哟芜M行評估，劃定地下空間資源分區(qū)，指導(dǎo)地下空間資源開發(fā)利用，如圖8、圖9所示。

圖8 常州市主城區(qū)次淺層地下空間資源評估結(jié)果

圖9 常州市主城區(qū)淺層地下空間資源評估結(jié)果

(4)針對地下空間應(yīng)用形式單一，通過數(shù)據(jù)服務(wù)及應(yīng)用服務(wù)形式，常州市在人防工程管理(圖10)、軌道交通建設(shè)與運營管理(圖11)等方面開展了典型示范應(yīng)用，拓展地下空間多行業(yè)融合應(yīng)用，符合新型基礎(chǔ)測繪體系下促進系統(tǒng)內(nèi)及行業(yè)之間信息共享要求。

圖10 常州市人防三維仿真應(yīng)用

圖11 常州地鐵三維GIS應(yīng)用平臺-BIM與GIS數(shù)據(jù)集成展示

5 總結(jié)與展望

本文以新型基礎(chǔ)測繪服務(wù)要求出發(fā)，根據(jù)當前城市地下空間管理應(yīng)用的重難點，分析新型基礎(chǔ)測繪體系下城市地下空間管理應(yīng)用的要求和關(guān)鍵技術(shù)。通過引入新型測繪技術(shù)，常州市有效提高了地下空間實地測繪效率，搭建地下空間基于實體、縱向統(tǒng)一、多尺度融合、面向應(yīng)用的二三維地理空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了成果管理應(yīng)用由平面向立體空間發(fā)展，基于GIS可視化技術(shù)研發(fā)常州市地下空間管理平臺，并在服務(wù)模式上創(chuàng)新，拓展地下空間信息資源圖譜，推進地下空間成果在自然資源、人防、軌道交通等多個行業(yè)應(yīng)用。未來地下空間三維模型可繼續(xù)為室內(nèi)導(dǎo)航、自動停車等提供三維場景式服務(wù)，而基于地下空間設(shè)施可以試點常州市三維地籍管理，建立地下空間土地使用權(quán)價格評估標準可以增加土地利用效益，將土地利用由二維平面向三維立體跨越式發(fā)展，從而形成了常州市“空間一體、聯(lián)動更新、開放共享、按需服務(wù)”新型地下空間測繪服務(wù)體系[22，23]。