城市地下空間信息集成管理與服務平臺關鍵技術及應用

潘良波，周 文，丁志慶，石小蒙, *，李倩楠，范維寧

(1.正元地理信息集團股份有限公司，北京 101300；2.北京市智慧管網安全評價及運營監管工程技術研究中心，北京 101300; 3.山東正元地球物理信息技術有限公司，山東 濟南 250000)

0 引言

城市地下空間是地表以下自然形成或人工開發的空間，是寶貴的自然資源和重要的戰備資源[1-3]。在中國經濟突飛猛進的大背景下，快速的城市化進程加劇了城市土地資源的供需矛盾，地上空間開發利用趨于飽和,科學、高效、安全地開發利用地下空間資源成為緩解城市病、改善城市生態環境、優化國土空間結構、強化城市韌性的重要手段[3-5]。隨著地下空間開發利用趨于多樣化、深度化、復雜化，供水管網漏損、地面塌陷、火災等事故、災害頻發[2,5]。城市地下空間信息化工作被行業管理者越發重視[6]。

近年來，國內諸多專家學者對地下空間信息化建設的研究，主要聚焦在地下管網、人防、地質等單一領域。黃平等[7]提出基于GIS 的人防工程管理信息系統設計與實現思路，實現了人防工程在規劃布局、建設管理、平戰轉換、維護使用等方面的支撐保障作用。鄭豐收等[8]提出了城市地下管線智慧化管理平臺的建設思路與關鍵技術，實現了地下管線監、控、管一體化管理。宋越等[9]主要面向城市地質提出了地上、地下一體化三維可視化平臺技術框架。

現階段國內地下空間信息化仍然存在諸多問題：1)各行業、專業信息管理分散，系統之間相互割裂、難以協同[10]；2)精細化管理程度不高，停留在對普查、調查、竣工等現狀信息粗放式管理的模式；3)地上、地下全空間三維集成可視化水平較低，現階段主要集中在地下管網、地質環境、地鐵等單一要素的三維呈現；4)輔助地下空間開發利用與安全運維管理的應用欠缺。

為解決上述地下空間開發利用與安全運維管理過程中存在的問題，本文將地下空間作為一個有機整體進行統籌管理，同時融入地下空間“全生命周期管理”理念，提出地上地下全空間數據組織、融合、可視化、分析、預測、評價技術，研發集地下空間信息集成、快速建模、可視化表達與科學決策為一體的城市地下空間信息平臺，實現對地下空間數據的一體化管理和應用，助力城市地下空間精細化管理與智慧化決策，夯實新型智慧城市建設與國土空間規劃體系建設的地下基礎，為服務地下空間開發利用、保障地下空間安全和科學管理提供支撐。

1 地上、地下全空間一體化智慧管理技術

地下空間的開發與利用不僅僅依賴于地質情況，與地上的構建筑物、工程施工、人口的密集程度也有著密切的聯系[11-13]。城市地上、地下空間的綜合統籌和一體化規劃可以最大限度地降低因地質情況和其他構建筑物造成的地下空間規劃利用不合理等情況。本文以海量、多源異構、多分辨率城市地上地下數據高效組織及三維可視化為核心，深度融合大數據存儲、分析挖掘技術，攻克地上、地下多源數據組織，全空間數據一體化融合，地上、地下數據時空一體可視化，地上、地下一體化分析、預測與服務等關鍵技術，實現城市地上、地下PB級數據的集成管理與服務。

1.1 地上、地下多源數據組織技術

隨著地下空間元素的多元化，地球空間信息涉及范圍從地球表面擴展到了地上、地下全空間，然而目前的數據組織方式主要集中在傳統二維空間的數據組織方式，很難滿足城市立體化的發展要求，亟需研究一種地上、地下全空間三維數據組織技術。本文在Geohash算法的基礎上，突破二維空間索引編碼的方式，基于等分法將高程數據劃分為多級、多精度的高程段，加入高程約束，將地上、地下全空間剖分為多級、多精度的三維立體空間網格，并建立全球唯一的網格編碼，實現地上、地下多源數據的組織，核心技術思路如下。

1.1.1 三維立體空間網格剖分

1)球面網格。根據Geohash算法，用平面遞歸的方式將地球球面按照經度范圍和緯度范圍分別劃分為多級、等分的不同區間段。

2)高程區間段。在地上、地下全空間三維高程范圍內，按照由低到高的順序，利用等分法的原則將地球球面以下的地下空間以及地球球面以上的地上空間的高程范圍劃分為多個級別、等分的高程區間段；高程級別越高，高程區間段的高度越短，所表示的空間位置越精確。

3)網格組合。將球面維度的網格與高程維度的高程區間段組合形成以地球球面為基準的全球三維立體空間網格，同一級別的網格在3個維度上包括的區間段是相同的，球面維度的單位為“度”(°)，高程維度的單位為m。全球三維立體網格如圖1所示。

圖1 全球三維立體網格示意圖

1.1.2 三維立體空間網格編碼

1)單維度編碼。球面網格的經緯度編碼參照Geohash的二進制編碼方式；高程維度以0,1,2,…,n-1的編碼方式為每一級、每一個高程區間段進行編碼。例如：第1級的高程區間段編碼分別為0，1，2，…，(n-1)；第2級的高程區間段編碼分別為00，01，02，…，0(n-1)，10，11，…，1(n-1)，…，(n-1)1，(n-1)2，…，(n-1)(n-1)；以此類推，得到高程維度每一級的編碼。

2)轉碼。根據實際使用需求采用base 32、base 36、base 64等編碼方式，將球面網格的經緯度編碼轉換為相應的數值編碼；將高程區間段的編碼轉換為相應的數值編碼，其中1個編碼表示唯一的1個數值，用數值編碼表示每一級、每一個高程區間段的數值。

3)組碼。將球面網格的編碼和高程維度的編碼交叉重組，在球面網格編碼的基礎上加入高程編碼，構成了全球三維立體網格的編碼；球面編碼在前，高程編碼在后，每一級別的全球三維立體網格編碼的前綴都是該位置的上一級別的全球三維立體網格編碼。

1.2 地上、地下全空間數據一體化融合技術

地下空間涉及的數據由于業主單位、采集時間以及參考標準的不同，致使數據質量參差不齊，同時也造成了數據之間的誤差。目前，關于地上、地下一體化的研究主要集中在地上、地下一體化建模方面，研究人員更加傾向于從數據源頭打破各類數據之間的壁壘，從最初的建模層面上實現地上、地下一體化數據融合。雖然，這種方法可以更加精準地達到地上、地下一體化的目的，但是這種方式不能直接利用現有數據，要重新建模，而重新建模需要耗費大量的人力、物力、財力以及時間。為有效解決現有地上、地下全空間不同來源、不同類型的三維模型之間的一體化集成問題，實現地上、地表、地下3層空間的多維空間表達，本文根據城市地下空間開發利用現狀及其數據情況，對收集、處理、建模的原始數據與成果數據進行詳實的精度、準確度分析與判斷，確定地上、地下一體化模型融合的基準面。并以此為基礎，將地上三維模型、地表影像、地下空間設施模型、地質體模型按照統一坐標系、統一比例尺進行模型裝載與融合，實現地上、地下數據的一體化融合，見圖2。

圖2 地上、地下全空間數據一體化融合

1.2.1 數據的收集和整理

收集可以表達地上、地表和地下空間的數據，包括地表影像數據、DEM數據、二維矢量數據、地上三維模型數據、地下空間設施模型數據、地下管線三維模型數據和地質環境三維模型數據。其中，地上三維模型數據包括傳統三維手工模型(3DMax等格式)、傾斜攝影模型、BIM；地下空間設施模型數據包括傳統三維手工模型(3DMax等格式)、BIM等；地質環境三維模型數據包括三維地質結構模型和三維地質屬性模型。對收集到的數據進行整理，并在不改變各類數據表達內容的前提下按照相關要求對數據進行簡單調整。

1.2.2 數據檢查與校驗

檢查收集和整理數據的質量、坐標、格式等是否符合相關標準規定。檢驗原始模型是否已經實現了融合，是否存在交叉、分離等現象。

1.2.3 高程基準面選取與論證

高程基準面是實現地上、地下全空間三維模型數據一體化融合的基礎。在對各類涉及地形高程數據的精度、坐標、質量等進行精確的分析判斷之后，選取數據獲取時間最新、數據精度最高、最能表達當下地表起伏情況的地表高程數據為高程基準面。涉及地表高程的數據有地形數據、傳統三維手工模型數據、傾斜攝影模型數據和三維地質模型數據。

1.2.4 模型校正

利用確定的高程基準面，采用空間校正和配準、編輯DEM和布爾運算，校正DEM、傳統三維手工模型、傾斜攝影模型和三維地質模型中的地表起伏。

1)空間校正和配準。不同類型、不同來源的數據參考的地理坐標系不同，同時由于建模軟件的限制，傳統手工三維模型通常不具有地理坐標系的概念，僅僅是建立在一個正交三維場景中的模型。三維GIS系統中的三維場景，一般以經緯度為基準面，可以最大程度的將真實的世界展示在人們眼前。使用布爾沙模型或莫洛堅斯基模型進行三維坐標轉換，將不同空間坐標系下的各類模型在不改變模型空間位置和幾何形狀的前提下統一到同一球面空間參考下。在三維模型進行坐標轉換過程中，對組成模型的頂點的空間位置進行轉換，對貼圖紋理以及紋理坐標不做改變，這樣可以保證坐標轉換完成后，模型紋理不變。

2)編輯DEM。采用人工交互的方式，將DEM與高程基準面保持完全一致，包括平移頂點、增加頂點、刪除頂點、抽稀頂點、碰撞分析(根據指定的空間規則，分析DEM、三維模型是否與指定的空間規則一致，同時標識出DEM與三維模型中不一致的部分)。

3)布爾運算。將2個或多個物體進行交集、并集、差集等的計算，實現DEM與三維地質模型的一體化融合、DEM與地上三維模型的一體化融合以及三維地質模型與地下空間設施模型的一體化融合。

1.2.5 模型構建

將已經實現融合的DEM、地上三維模型數據、地下空間設施模型和三維地質模型進行分級、切片存儲。對于地表影像數據，采用地表影像數據與DEM數據融合技術，實現地表影像與DEM的一體化融合。同時，根據用戶提供的二維矢量數據(建筑物矢量面和地下管網測繪數據)，利用矢量面拉體工具和地下管網三維模型生成工具，生成以DEM為基準的構建筑物的三維矢量模型和地下管網的三維模型，實現三維矢量模型和地下管網三維模型的構建以及與DEM的一體化融合。

1.3 地上、地下全空間一體化數據可視化技術

為解決海量、多源異構地上、地下全空間數據可視化調度問題，采用GPU和CPU混合渲染架構，支持Direct3D和OpenGL雙引擎。通過分析GPU程序訪存特征，使用多級緩存技術，對CPU-GPU融合系統的末級緩存進行最優的靜態劃分，提供更加快速的圖形渲染和并行運算能力。

同時，采用基于地理坐標系的四叉樹或八叉樹劃分的空間索引技術，依據當前場景視點位置決定哪些數據需要從云端下載緩存到本地，哪些數據需要從本地緩存載入內存，哪些數據需要從內存緩存到顯存，構成從本地緩存、內存、顯存的3級緩存結構和調度策略。整個調度過程使用多線程技術，一個線程進行數據的渲染，一個或一個以上的線程從網絡下載數據，并將其緩存到本地磁盤，進而加載到內存中。

此外，在數據生成緩存時，進行對象打組及壓縮處理，減少對象存儲空間，提升網絡傳輸性能與渲染性能。引擎還通過實例化技術、LOD技術、場景視錐體剪裁技術等，實現TB級地下時空數據的真實感可視化與高效調度。

1.4 地上、地下全空間一體化數據分析、預測、評價技術

為解決輔助地下空間開發利用與安全運維管理的應用欠缺問題，本文從全域視角出發，基于大數據分析技術深度挖掘地下空間要素的變化規律及發展趨勢，探究知識驅動型輔助決策模型的實現過程，形成基于業務流和事件協作的任務分解方法。通過構建大型建筑物選址分析、地下軌道交通選線規劃等多尺度輔助決策分析模型，實現地下空間安全預測、預報，精準支撐城市地下空間的開發利用與安全運營[14-15]。

以大型建筑物選址分析為例，核心技術思路如下：

1)以建筑物底面多邊形為基礎按照1.1倍的緩沖面積開展地下空間設施的緩沖區分析。

2)基于上一步分析結果，進行垂直方向的碰撞分析，判斷哪些地下空間設施與建筑物樁基有沖突。垂直方向上的碰撞分析，是將建筑物的每個樁基與地下空間設施進行碰撞分析。

3)分析得出沖突位置水平方向的坐標范圍和垂直方向的坐標范圍，垂直方向為相對坐標(相對于地面)。

4)根據沖突位置坐標范圍信息繪制沖突位置高亮模型(建筑物樁基的高亮模型)。

2 平臺設計

平臺基于物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術，采用面向服務的體系架構，構建符合標準協議、具有較強通用性、功能完善的地下空間應用服務系統，平臺總體架構見圖3。

圖3 平臺總體架構

2.1 地下空間數據中心

地下空間數據中心包括基礎數據庫和專題數據庫。

1)基礎數據是表征地下空間要素客觀、固有特征的空間數據與屬性數據，可為系統提供各類基礎數據來源，包括基礎地理數據、城市地質數據以及地下空間設施數據3大類。基礎數據庫數據內容如表1所示。

表1 基礎數據庫數據內容

2)專題數據是表征地下空間要素的特定性質、運行狀態及環境變化數據，可支撐地下空間各類業務應用，包括地下空間業務數據和地下空間動態監測數據，如表2所示。

表2 專題數據庫數據內容

2.2 平臺功能

城市地下空間信息集成管理與服務平臺是面向地下空間全生命周期管理的綜合性應用支撐平臺，覆蓋地下空間數據建庫成圖、管理、可視化、應用分析和共享的整個流程，同時涵蓋地下病害體綜合管理、工程地質勘察應用管理、地球物理數據處理等專項應用，可支撐地下空間基礎數據、業務數據和監測數據的一體化管理、應用和決策分析，為城市地下空間規劃、建設、運行、安全和管理提供全方位、高效、長期的信息服務與支撐。平臺包含地下空間基礎信息平臺和地下空間專項應用平臺，平臺功能結構如圖4所示。

圖4 平臺功能結構

3 應用實踐

目前，城市地下空間信息集成管理與服務平臺已成功應用到某地級市地下空間信息化項目中。

3.1 地上、地下一體化數據集成展示與管理

該地級市地下空間信息化項目涉及的地下空間數據范圍達190 km2，數據量達1.02 PB；數據來源主要包括國土部門、規劃部門、城建部門、地調部門、交通部門及地鐵集團等相關單位；數據內容包括地質環境、地下管線、地基、地下空間設施等各類要素基礎空間數據、屬性數據及其物聯網監測數據；數據格式覆蓋CAD、二維矢量、傾斜攝影、3DMax手工模型、BIM、Geo3DGML地質模型等。各類數據質量參差不齊，參考的坐標系、使用的比例尺、選擇的地表統一基準面等多個方面存在差異。

為解決該地級市大范圍、海量、多源異構地下空間數據的一體化集成展示與管理的問題，本文通過采用地上、地下多源數據組織技術，根據城市地下空間管理需求，將該地級市190 km2，地上、地下500 m范圍剖分為547×104個三維立體空間網格，重點針對核心示范區2 km2、地上地下500 m范圍按照m級剖分為8.89×108個三維立體空間網格，并生成全部網格的三維空間唯一標識編碼，進而建立基于三維立體空間網格編碼的數據組織關系與索引機制。通過試驗對比，相較于傳統經緯度坐標的空間查詢管理方式，效率提高3～5倍。通過地上、地下全空間數據一體化融合技術，選取與該地級市實際高程相符的DEM數據為高程基準面，基于自主研發的數據融合工具，首先，將該地級市190 km2范圍30 m精度的DEM與核心示范區2 km2范圍2 m精度的DEM進行融合；然后，以融合后的DEM為最終確定的高程基準面，將地上傾斜攝影模型、地上構建筑物模型、BIM、地質體模型、地下管線模型及其地下空間設施模型分別與融合后的DEM進行空間位置校準；最后，分別進行三維地質模型與高程基準面、地下空間設施模型的自動布爾運算，并根據實際情況通過人機交互方式對模型接邊進行手動調整，進而實現不同來源、不同坐標系、不同高程基準面數據的地上、地下一體化融合。通過采用地上、地下全空間一體化數據可視化技術，自主研發三維可視化引擎實現該地級市190 km2范圍、1.02 PB地下空間相關數據在三維場景中可視化調度渲染，快速、逼真呈現地上建筑、城市景觀、地質環境、地下管線、地下空間設施、地基等要素的三維特征，進而為城市地下空間資源規劃布局優化、科學開發利用以及安全運維保障提供支撐。地上、地下一體化數據集成展示與管理見圖5。

圖5 地上、地下一體化數據集成展示與管理

3.2 地下空間開發利用輔助決策

3.2.1 大型建筑物選址分析

針對該地級市進行大型建筑物規劃選址的需求，根據導入的工程規劃建筑矢量面以及一些建筑物基本信息，在三維場景中模擬生成建筑物原型，進行建設區域軟土層評價以及樁基與地下已有設施的沖突評價，分析是否與已有的地下空間設施產生碰撞、沖突，判斷是否會影響到周圍區域內的地下構筑物、地下資源，是否存在地質問題等，得出大型建筑物選址的專業綜合建議，為城市進行舊城改造、新城建設等提供輔助決策。以某大廈規劃選址為例，根據擬定規劃的設計方案進行地上、地下全空間決策分析，發現大廈擬定的樁基深度與地下水沖突，與周邊14 695 m2的地下空間建筑沖突。大型建筑物選址分析見圖6。

圖6 大型建筑物選址分析

3.2.2 地下軌道交通選線規劃分析

針對該地級市進行地下軌道交通選線規劃的需求，根據軌道交通規劃方案路線與現有地區地質條件(地層、地下溶洞和地下空洞)和地下空間設施(地上構建筑物的樁基和地下構建筑物)的交互關系，遵循“避讓原則”對規劃設計方案進行評價，評估當前設計線路的影響范圍、需搬遷房屋數量、建筑面積，分析統計出規劃方案穿越地層長度對比圖、障礙物數量對比圖、地質剖面與地下空間聯合剖面圖，為地鐵、地下隧道等線性軌道交通規劃、選址與施工提供有力支撐，提高選址規劃的科學性和經濟性。以地鐵選線規劃為例，導入擬定規劃的2條地鐵線路，進行地下軌道交通選線規劃分析，發現2條地鐵規劃線路穿越的地層、障礙物數量均存在明顯差異。通過上述分析可為地鐵施工造價評估、拆遷評估等提供支撐。地下軌道交通選線規劃分析如圖7所示。

圖7 地下軌道交通選線規劃分析

3.3 地面坍塌應急處理

根據地面塌陷現場情況，對接塌陷現場地下水、地下病害體、地下空間設施運行狀態等實時監測信息，在三維場景中快速對塌陷事故進行重建模擬，通過對事故發生的地點、塌陷范圍、影響范圍的設置，真實還原事故的情況，并統計出可能影響到的地質資源(地下水、淺層地溫能)、地下空間資源(包括管線、地下空間設施等數據)情況，為事故處置提供輔助決策。地面坍塌事故模擬分析如圖8所示。

圖8 地面坍塌事故模擬分析

4 結論與建議

本文提出了可以支撐城市地上、地下全空間數據組織、融合、可視化、分析、預測與評價的關鍵技術，打通了地下空間信息化核心技術關鍵環節，實現了城市地上、地下PB級數據的集成管理與服務。在此基礎上，研發了以地下空間有機整體為研究目標的城市地下空間信息集成管理與服務平臺，有效解決了地下空間數據管理分散、系統割裂、精細化管理程度不高、地上地下全空間三維集成可視化水平較低、輔助地下空間開發利用與安全運維管理相關應用欠缺的難題，實現了地下空間數據的一體化管理、應用和決策分析，為城市地下空間規劃、建設、運維提供全方位、高效的信息服務。目前相關成果已成功應用于多個城市地下空間樣板工程，并取得良好的應用效果。

未來，隨著地下空間信息化理論研究的不斷深化與信息技術水平的持續提高，平臺可深度結合大數據、人工智能等新一代信息技術，構建地上、地下全空間基礎時空框架。同時可進一步優化地上、地下全空間一體化數據分析、預測、評價模型，賦能地上、地下空間統籌協同開發，為新型智慧城市建設提供全空間一體化分析、評價和決策服務。