城市空間立體單元在CIM建設中的探索實踐

田力男,孫 琦,徐文坤,董 平,田志欣,榮 超,焦澤中

(1. 青島市住房和城鄉建設局,山東 青島 266316; 2. 青島市勘察測繪研究院,山東 青島 266033;3. 易智瑞信息技術有限公司,北京 100007; 4. 青島市房屋使用安全服務中心,山東 青島 266023)

城市信息模型(city information modeling,CIM)以建筑信息模型、地理信息系統、物聯網等技術為基礎,整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來多維多尺度信息模型數據和城市感知數據,是三維數字空間的城市信息有機綜合體[1-2]。

2020年10月,青島市入選住房和城鄉建設部“新城建”試點城市,按照《青島市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》、“數字青島”和雙十二工作方案“全市一張數字底板”場景需要,急需建設山海城一體化的CIM基礎平臺[3-5]。

青島市CIM基礎平臺建設匯聚了豐富的CIM數據,涵蓋基礎地理信息、規劃管控數據、資源調查數據、精細信息模型、傾斜攝影、建筑信息模型和其他三維模型數據、物聯感知及大量的公共專題數據。為了發揮濱海城市特色,平臺建設還增加了大量的海洋近海岸、島嶼、海洋環境、海洋氣象等空間和業務多維數據。這些數據使城市大量的時空數據與非時空數據匯聚,為智慧城市提供豐富的數據源基礎。同時,大量的數據條帶化管理,如何建立關聯,如何實現各委辦對共享信息的按需獲取,以何為載體實現對外分發共享等一系列問題,也對數據融合及共享使用提出了挑戰[6]。

本文針對CIM平臺建設中多源數據融合存在的問題,利用地球網格空間編碼規則、知識圖譜、多源語義模型等先進技術和模型,重點研究空間網格與CIM數據融合的關鍵技術,在CIM1-7[7]成果的基礎上提出城市空間單元的概念,構建多層級的三維空間立體單元,實現以城市空間為基本單元的海量城市底板和城市空間的多種要素信息融合,以期為城市提供更便捷、更安全的城市信息基礎服務。

1 城市空間立體單元概念

城市空間是城市社會、經濟、政治、文化等要素的運行載體,空間要素之間的聯系密切,共同支撐著城市的正常協調運行,各類城市活動所形成的功能區則構成了城市空間結構的基本框架[8]。

城市空間包含多種屬性。城市空間具有物質屬性,作為城市社會中各類要素相互作用關系的物化及其在城市土地上的投影,它使城市系統能以物質形態存在,并使各種關系在物質形態層面得到統一,城市實體環境是其外在表現。城市空間具有社會屬性,作為人的活動場所,個體的行為、社會的組織、社會組織權力群體和機構的活動等,必然會導致形成社會階層,鄰里與社區組織,以及土地利用、建筑環境的空間分異。城市空間具有生態屬性,城市作為一個有機體,與所依托的環境(包括生物與非生物環境)存在著相互作用,生態因子、種群、群落,生態系統的分布格局及其通過相互作用而呈現的動態變化,影響到城市整體空間形態。城市空間的多種屬性既相互獨立,又相互關聯,具有共生融合、制約效應。

城市空間是人類賴以生存的載體根基,是人類社會活動的基本空間單元。黨的十八大報告提出“促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的要求,自此重視綠水青山為主導的生態空間、以人為本的生活空間、集約高效的生產空間,開始成為城鄉建設工作的重中之重[9]。

為了更好地協調人地關系,為了不同的業務目標,城市空間被劃分或管控為不同的空間。如城鄉規劃從適宜建設的角度,對空間管控劃定“三區四線”,即禁建區、限建區、適建區、綠線、藍線、黃線、紫線[9];土地利用規劃則出于土地資源保護的需要,實施“三界四區”管控,即城鄉建設用地規模邊界、擴展邊界、禁建邊界,以及允許建設區、有條件建設區、限制建設區和禁止建設區[10];環境保護規劃依據生態和環境保護的需求,開展生態功能區劃和環境功能區劃工作,前者選取優化準入區、重點準入區、限制開發區、禁止準入區4類生態環境功能區,后者則將空間分為自然生態保留區、生態功能調節區、食品安全保障區、聚居發展引導區、資源開發維護區5種環境功能類型區;城市運行管理出于城市精細化管理需要,以1萬m2為基本單位,將城區劃分成若干個網格狀單元,再根據網格內城市管理部件分布等情況,將數個、甚至數十個萬米單元網格合并成一個工作網格,實現城市空間的網格化、數字化。

為了提升城市空間協同治理的能力[11],青島市CIM基礎平臺建設中首次提出了“城市空間立體單元”的概念。城市空間立體單元是以城市地表向上向下各延展N千米所形成的空間體,利用多層級的三維空間立體單元將整個城市空間體劃分為多個小立方體,以小立方體為載體承載區域內的社會、經濟、政治、文化、地下設施、氣象等多種要素信息并進行融合,為城市空間協同治理提供最小細胞單元。

2 城市空間立體單元探索與實踐

城市空間立體單元作為青島市CIM基礎平臺建設的重要內容,具有舉足輕重的作用。首先,城市空間立體單元全面服務于城市建設實時全生命周期管理,涉及從城市現狀到未來總體規劃-詳細規劃-方案設計-工程施工-竣工驗收,實時體現城市全生命周期動態;其次,城市空間立體單元涵蓋地表地下城市空間,全面服務于城市“規、建、管、運、檢、服”全生命周期一體化[12],為未來城市空間治理提供新型載體和基本管理單元;最后,城市空間立體單元通過引擎及編碼等關鍵技術驗證,探索海、陸、空等地上地下全空間域、全要素的城市建(構)筑物,與人口、經濟、法人等多要素信息的融合解決方案(如圖1所示,小Q指城市空間立體單元)。

圖1 以城市空間立體單元為核心的規建管運服檢全生命周期一體化雛形

2.1 城市空間立體單元關鍵技術

城市空間立體單元通過建設標準規范體系建設、數據中心、引擎建設、運維系統和場景協同集成系統,實現了CIM基礎平臺中的數據融合與共享(如圖2所示)。

圖2 城市空間立體單元技術架構

(1)標準規范體系建設由空間碼編碼規范、一碼歸集和一碼共享規范3部分構成,主要基于北斗網格碼進行擴展,為多源數據上碼提供規范。

(2)城市空間立體單元數據中心實現了立體單元庫、立體單元編碼庫和立體單元圖譜庫建設。立體單元庫主要存儲多層級的立體單元數據;立體單元編碼庫主要存儲多層次立體單元對應的編碼信息;立體單元圖譜庫主要存儲基于立體單元構建的各類知識圖譜。

(3)城市空間立體單元引擎建設主要實現了服務引擎、一碼歸集引擎和一碼共享引擎。構建城市空間立體單元服務引擎,形成從碼的生成、變更、注銷、監管等全生命周期的管理體系,實現以城市空間立體單元空間碼為抓手打通城市空間立體單元內部各項業務系統,歸集全鏈條數據。通過一碼歸集服務引擎,將“規、建、管、運、服、檢”等核心業務的成果通過城市空間立體單元空間碼鏈接起來,形成數據歸集庫,以業務成果統一歸集或服務調用形式,實現“一碼關聯”,明確歸集數據配置,同時提供歸集服務的管理和統計查詢的功能。一碼共享引擎,通過共享目錄管理、共享數據配置、共享服務管理實現“城市空間立體單元管空間”共享內容的規范化、可視化、高效化管理(如圖3所示)。

圖3 城市空間立體單元創建

(4)城市空間立體單元運維系統,為實現以立體單元為載體的“規、建、管、運、服、檢”全生命周期數據實時監測、動態展示等功能提供后臺支撐,主要實現了空間單元創建管理、編碼生成與管理、城市空間立體單元治理模型、城市空間立體單元共享管理(如圖4、圖5所示)。

圖4 城市空間立體單元數據治理

圖5 城市空間立體單元模擬業務網格(以行政單元和城管萬米網格為例)

(5)城市空間立體單元場景協同集成系統,聚焦“規、建、管、運、服、檢”城市全生命周期應用場景綜合集成、高效協同,以城市空間立體單元碼為支撐,以CIM基礎平臺為載體,實現“一碼管空間”業務鏈構建,采用數據共享、同步迭代等方法,從宏觀層面上,完成青島市城市空間動態監測;從微觀層面上,實現日常空間管理信息實時獲取,為促進規劃、建設、歷史名城保護、防災減災等一批場景關聯集成,全方位拓展“立體單元”綜合應用提供基礎支撐。系統建設具體包括單元信息、單元圖譜、單元查詢、單元動態監管等內容(如圖6所示)。

圖6 城市空間立體單元動態監管系統

2.2 城市空間立體單元“三色空間”應用實踐

在生態、宜居、美麗、和諧的城市發展建設新理念下,藍綠空間是實現人民群眾高品質生活、推進城鄉高質量發展的重要抓手。為順應青島市環灣發展空間規律,青島市第十三次黨代會確立了新時代背景下青島市“環灣引領、組團布局、藍綠交融、網絡支撐”的城市空間發展格局[13]。在青島市CIM基礎平臺建設中,利用城市空間立體單元,模擬青島市“藍綠黃”三色城市空間,將青島市的“藍綠交融”城市空間發展格局一目了然地展示在眼前,并在立體單元上融合了多維數據,如綠色空間中的公園、綠道和濕地,藍色空間中的海岸帶、河流、湖泊、港口、海洋監測等信息(如圖7所示)。

圖7 三色空間模擬展示

基于城市空間立體單元的三色空間數據,可作為一個整體對外分發,亦可滿足各區縣的按行政區劃索取需要。

3 結 語

城市是一個動態的生命體,城市空間協同治理為一個城市的生態、宜居、美麗、和諧發展提供了新的思路,但由于數據的孤立,導致大數據存在卻無法發揮更大的價值。

本文提出了城市空間立體單元的概念,基于《地球空間網格編碼規則》(GB/T 40087—2021)[14]剖分的多層級立體單元擬合為任意的空間范圍或管制區域,并將城市的多種城市要素信息、語義知識圖譜一并載入立體單元,突破了多部門、多業務單元城市空間劃分或管制區域的空間數據獲取限制,為多部門間信息共享、空間協同治理打下良好的基礎,為未來青島市都市圈打造,及膠東半島城市群一體化發展規劃做好了數據和技術準備。

城市空間立體單元作為一種新的空間載體,目前仍存在一系列的難點亟待攻關,如基于立體單元的空間運算等,需隨著青島市CIM平臺的建設不斷實踐和完善。