城市地下空間三維信息管理平臺建設

王智強

（建材天水地質工程勘察院有限公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

城市地下空間主要指的是地球表面人工開發(fā)形成的空間，使其成為自然資源和戰(zhàn)備資源，從而推進城市的發(fā)展，保證城市發(fā)展需求。結合我國城市化的發(fā)展現(xiàn)狀，可以看出地上空間現(xiàn)已形成飽和狀態(tài)，因此需要開發(fā)地下空間，才可保證城市的可持續(xù)發(fā)展。在城市地下空間開發(fā)過程中，需要融合海量數(shù)據(jù)進行操作，因此信息化手段是城市地下開發(fā)的關鍵。城市地下空間信息化管理需要對整個城市空間數(shù)據(jù)進行整合，才能有效掌握地下地質條件和地下空間資源，進而為地下空間規(guī)劃提供支持。

1 開發(fā)城市地下空間三維信息管理平臺的目標、問題、創(chuàng)新點

本次城市地下空間三維信息管理平臺建設的主要目的是輔助城市基坑監(jiān)測工作，該建設不僅可以明確基坑位移、沉降、應力等問題，并且在連接無線通信系統(tǒng)后可以結合傳輸通道對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行采集和存儲，最終做好開發(fā)處理。開發(fā)城市地下空間三維信息管理平臺不僅具有重要意義，也是我國地下空間開發(fā)的依據(jù)，有關部門和設計部門均需要高度重視[1]。

此過程中涉及的移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，可以幫助地下空間開發(fā)，還可以將各類數(shù)據(jù)輸送至云服務系統(tǒng)，后續(xù)通過在線處理系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行分析和整合。如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)了問題，預警裝置會發(fā)出預警，根據(jù)預警等級進行信號提醒，并通知相應的人員做出數(shù)據(jù)決策。為了保證平臺的使用效果，相關設計人員還需明確工程設備管理模塊，通過此模塊對設備狀態(tài)進行記錄，判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常問題，才可及時通知維護人員維護操作。

但是本次項目在技術方面也出現(xiàn)了各類難題，比如：基坑檢測傳感器的信號問題，由于是地下空間開發(fā)，在地下工作容易受到壓力的影響，因此在信號方面也會出現(xiàn)問題，此類問題會影響傳感器工作的能力。傳感器工作需要明確工作環(huán)境，才可發(fā)揮出自身作用，并獲得更準確的數(shù)據(jù)信息。但是結合實際情況來看，由于壓力問題和信號問題導致傳感器的工作能力下降，基坑監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理才可使用，此時只有剔除異常值，才可確保數(shù)據(jù)處理的有效性，最終明確預警比值，從而選擇合適的方式為決策工作提供數(shù)據(jù)。

本文研究的地下空間三維信息管理平臺可以幫助基坑檢測數(shù)據(jù)開展連續(xù)性工作，同時也降低時間和氣候的影響，因此安全性得到了保障。不但滿足了動態(tài)設計，并且還提供決策信息，指導基坑施工操作。除此之外，在監(jiān)測比值方面也具備一定優(yōu)勢，可以采取自動預警操作，優(yōu)化處置效率，不僅有效控制了成本，還減少了損失。

2 城市地下空間三維信息管理平臺設計和關鍵技術

2.1 地下空間三維信息管理平臺設計

2.1.1 基礎云平臺

基礎云平臺需要具備穩(wěn)定性和高效性，并且還需保障安全性。首先是物聯(lián)網(wǎng)，主要建設專線網(wǎng)絡，專線網(wǎng)絡可以向使用者提供服務。此類網(wǎng)絡和公眾網(wǎng)絡之間存在差異性，結合城市需要進行構建，才可實現(xiàn)物理隔離需求。其次是云平臺，此平臺主要包括下述內容：服務器集群、管理系統(tǒng)、相關工具、監(jiān)控設備、預警系統(tǒng)、運維系統(tǒng)等，多者融合組成互聯(lián)網(wǎng)云平臺[2]。具體的平臺體系架構如圖1 所示。

圖1 平臺體系架構

2.1.2 城市地下空間大數(shù)據(jù)中心

大數(shù)據(jù)中心包含3 個數(shù)據(jù)庫：靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫主要針對地下空間的設施數(shù)據(jù)進行整合，所涵蓋的信息較為基礎。地質數(shù)據(jù)庫主要包括各類水工環(huán)境、遙感影像等；地下空間設施數(shù)據(jù)庫主要整合地下公共服務設施的數(shù)據(jù)。動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫需要對地下的各類管線和交通設施進行分析和優(yōu)化，按照不同的領域需求，對可能出現(xiàn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。業(yè)務數(shù)據(jù)庫主要對地下各類設施進行分析，結合設施的具體參數(shù)劃分業(yè)務，同時還需整合日常管理中出現(xiàn)的各類業(yè)務數(shù)據(jù)，為后續(xù)業(yè)務開展提供支持[3]。

2.1.3 城市地下空間通用支撐平臺

城市地下空間通用支撐平臺若要對地下空間的各類因素進行分析，需要走智能化發(fā)展方向，智慧應用功能為系統(tǒng)提供支持，可滿足平臺的運行需求。其中三維空間地理信息軟件、地理信息時空云平臺等多者之間的融合，可以對地下空間中出現(xiàn)的各類數(shù)據(jù)信息進行管理，還可滿足各個服務系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享的需求，進一步實現(xiàn)全過程管理的目標，最終有效構建空間通用支撐平臺。

2.1.4 智慧應用和用戶群

智慧應用主要指的是地下空間中多個應用平臺，其中包括空間開發(fā)利用管理平臺和輔助決策平臺，通過對地質信息的管理，分析智慧管網(wǎng)信息系統(tǒng)中的綜合管廊；按照實際需求采取智慧人防的措施，保證地熱資源的有效開發(fā)和管理，最終明確地下水資源的管理目標；針對地質災害問題，積極采取管理措施，減少病害；使用地球化學理論分析地下空間可能出現(xiàn)的各類問題，從而為上述各項功能提供數(shù)據(jù)支持和功能需求[4]。

用戶群主要指的是多個用戶構成的網(wǎng)絡集群，城市地下空間規(guī)劃和有關部門之間需要建立聯(lián)系，其中主要包括建設和維護部門，后續(xù)決策層和設計部門也需納入此類系統(tǒng)，按照不同的等級劃分開放訪問權限，保證各個部門都可對系統(tǒng)內部信息有充分了解，以此有效開展相關工作。

大研究需要有大平臺，大平臺應當有大作為。為了搶占引領未來社會經(jīng)濟發(fā)展的關鍵核心技術的戰(zhàn)略制造高點，扎實推進創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，自2016年以來，國家先后在上海、合肥、北京建設了以大科學設施為基礎支撐的綜合性國家科學中心(見表1)。綜合性國家科學中心以大科學設施為基礎支撐，集聚了一流的研究機構，匯集和吸引尖端科研人才，開展基礎研究、進行原始創(chuàng)新、突破關鍵核心技術，成為我國科技創(chuàng)新體系中濃墨重彩的一筆。

2.2 地下空間三維信息管理平臺設計的關鍵技術

2.2.1 地上地下一體化技術

地上地下一體化技術主要采用信息技術手段站在統(tǒng)一的標準下，保證地上空間和地下空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，有效進行組織管理，并且進行集成展示，按照綜合分析的標準進行設計，具體內容如下所述：首先是地上地下空間資源的矢量、影響、模型等各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲，其中包含多元、多尺度特征，還涉及了數(shù)據(jù)映射問題，該問題是構建統(tǒng)一時空基準的關鍵。地上地下一體化技術使用分布式存儲架構，可以滿足可視化需求，同時在工程數(shù)據(jù)方面還可以進行模擬分析，以此為空間提供互動查詢需求[5]。

對于時空一體化而言，需要使用混合架構進行分析，并且在分辨率方面更能滿足三維真實感。此時在混合架構下數(shù)據(jù)和可視化之間處于平衡，突破了可視化技術的難題，尤其是在硬盤和數(shù)據(jù)索引問題上，打破了數(shù)據(jù)可視化技術分析的瓶頸，更能解決可視化匹配問題。

對于智能分析和預測服務而言，此項工作的分析預測主要對全空間的大數(shù)據(jù)進行維度關聯(lián)分析，因此需要依賴深度學習和人工智能等各類理論，站在全空間大數(shù)據(jù)的角度，按照特征建立關聯(lián)分析模型和預測模型。智能預測主要指的是較為復雜的異構和海量全空間數(shù)據(jù)，在城市空間開發(fā)過程中，需要對動態(tài)地域和空間網(wǎng)格等多個內容形成可視化建設，基于此，時空數(shù)據(jù)也要分析規(guī)律。數(shù)據(jù)分析需要使用回歸分析的方式按照時間序列進行預測，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡支持下，預測工作可以更好地開發(fā)城市地下空間。

2.2.2 地上地下全空間數(shù)據(jù)管理

在數(shù)據(jù)匯總過程中平臺通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集靜態(tài)數(shù)據(jù)信息和各類業(yè)務數(shù)據(jù)，讓其形成動態(tài)數(shù)據(jù)信息。此時有效使用三維動態(tài)交互可視化技術可以幫助數(shù)據(jù)劃分層次，讓其在三維場景中，對各類信息進行匯總，并且滿足信息查詢和輔助功能的需求，從而滿足整體性需求。因此平臺建設通過搭建地下全空間數(shù)據(jù)庫，能夠保證數(shù)據(jù)管理的有效性。

3 地下空間三維信息管理平臺的使用效果

3.1 數(shù)據(jù)展示

從上述可知，無論是地上還是地下平臺建設的使用結果均為開發(fā)工作提供了三維場景操作的工具和瀏覽工具，在線路方面也可以進行漫游操作，同時實現(xiàn)了地上地下一體化的數(shù)據(jù)展示目標。在多重定義下，按照一定規(guī)則條件可以對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化分析并形成圖表，輔助后續(xù)的決策工作。數(shù)據(jù)展示效果如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)展示效果

3.2 輔助決策

在數(shù)據(jù)一體化集成管理方面，可以模擬城區(qū)地下的規(guī)劃，分析地質條件，對地下空間的設施和資源進行有效劃分，保證工程規(guī)劃的合理性，最終為評價提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)為整體規(guī)劃提供輔助決策的目標。此過程涉及了三維空間分析和評價，地質數(shù)據(jù)和地下空間設施的數(shù)據(jù)在其中起到了決定性作用，它可以用科學的方式有效計算，并充分利用地下空間設施的數(shù)據(jù)分析，可以明確空間關系并進行平面剖析，有關部門和規(guī)劃部門可以結合上述數(shù)據(jù)進行決策操作。輔助決策可以為大型建筑的規(guī)劃提供評價和有效劃分地下空間，合理開發(fā)，滿足各方面功能，為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)依據(jù)，確保數(shù)據(jù)的有效性。

3.3 安全監(jiān)測預警與應急指揮

在當前的安全監(jiān)測中，物聯(lián)網(wǎng)可以對實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行有效處理，如果出現(xiàn)異常現(xiàn)象，需要立即報警并操作，此類事故可以采取應急處置，還可對城市中出現(xiàn)的各種事故進行救援，保證城市地下空間的有效運行，并且滿足整體安全性。此過程中應急指揮需要明確完整的服務流程，同時在事故預警后，對事故發(fā)生的原因進行分析，有效進行事故處理，最終對產(chǎn)生事故的原因進行總結，并且對事故結果進行評估，保證可以對城市發(fā)展提供輔助應急措施。

4 結語

綜上所述，城市地下空間信息集成管理與平臺建設在三維技術的支持下，實現(xiàn)了一體化管理目標，此時在同一個空間坐標下，地形和城市建筑均可在三維管理平臺中體現(xiàn)。三維信息管理平臺幫助人們更為直觀地了解建筑地上和地下空間，因此更能對地表和地下設施的安排提供針對性信息。在三維信息管理平臺中，有關部門可以有效使用數(shù)據(jù)管理、定位查詢、輔助測量等功能，從而實現(xiàn)對地下空間的開發(fā)。