城市地下空間數據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中心，江蘇 常州 213000)

1 引 言

新型基礎測繪是信息化建設背景下國家應對基礎測繪新需求而產生的變革，旨在實現“空間一體、聯動更新、開放共享、按需服務”的基礎測繪服務。城市新型基礎測繪要完善現代測繪基準，推進無比例尺地理信息全面覆蓋，建立城市多維、立體地理要素數據庫，基礎地理信息動態更新，推進基礎地理信息資源共享，改進成果應用服務方式[1，2]。

作為城市基礎測繪的重要內容，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，總體來說當前國內城市地下空間信息化建設不多[3]，現有工作主要集中在地下管線，還未將地下管線、地下建(構)筑物在內的地下空間作為整體統籌管理[4]。地下空間資料分散在不同行業主管部門，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?；趯嶓w化表達的地下空間設施，如地下空間三維模型，武漢、江陰等地嘗試通過人工干預的CAD、激光雷達等數據建模，批量化、無人工干預的三維建模還存在不少技術難點，實地測繪成果還不能直接服務于后續地下空間管理、應用，新型基礎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據采集、管理及應用出發，梳理新型基礎測繪體系下城市地下空間管理應用要求，并從測繪技術、地理信息庫建設、三維建模、GIS可視化應用等方面著手，分析新型地下空間測繪服務體系關鍵技術，并以常州市為例，介紹其地下空間新型基礎測繪體系下推廣應用成果。

2 新型基礎測繪體系下，城市地下空間管理要求

城市地下空間通常指建設在城市地表以下，為滿足人類社會生產、生活、安全、防災減災等需求而建設的包括地下管線、地下建(構)筑物等。地下空間有如下特性：①封閉性及隱蔽性，地下建(構)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結構復雜，地下建(構)筑物內部設施復雜，逐個表達數據量大；③多維和多尺度特性，受工程地質、水文地質等多條件影響，與地面空間結構聯系緊密，與市政、交通、建設等多行業緊密相關[7]。

傳統地下空間管理應用通常利用RTK、全站儀導線測量設備獲取地下空間內部結構信息，對于年代久遠的建(構)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，規劃、設計單位通常作為底圖，進行后續應用。城市新型基礎測繪廣泛采用信息測繪技術向無比例尺地理數據測繪發展，改善成果表達形式，建立地理空間動態更新機制，形成地上地下全空間立體數據庫，擴大地理數據應用范圍[8]。因此新型基礎測繪體系下的地下空間管理應用，也需要從測繪手段、數據組織形式、管理應用形式等方面著手，改變城市地下空間管理應用模式[3]：

(1)融合多種新型測繪技術提高地下空間數據測繪效率，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地理空間數據建立地下空間數據庫，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，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據庫，以三維模型表達地下空間內部設施結構，使得用戶不需要再關注細部圖元，提高地理信息表達效率，解決地下空間結構復雜、表達復雜問題[10，11]。

(4)通過GIS可視化技術實現城市地下空間采集、管理、應用信息化、精細化、一體化管理，從數據流及業務流兩方面著手解決傳統測繪中圖形文件信息分散，難以統籌管理問題[12]；

(5)結合多行業、多源多類型數據進行深度挖掘應用，拓展地下空間信息圖譜，在城市規劃管理、人防、軌道交通進行示范性應用，實現新型基礎測繪開放共享、綜合服務的要求。

3 基于新型基礎測繪的地下空間管理應用關鍵技術

3.1 新型測繪技術應用

(1)北斗衛星增強服務系統

新型基礎測繪首先是GNSS、激光雷達、傾斜攝影等一系列新型測繪技術的應用，也同樣適用于地下空間測繪。北斗衛星導航系統衛星數量多，采用三頻定位，抗干擾能力強，兼容北斗衛星的GNSS可以彌補傳統GNSS在高樓密集區和樹叢茂密地區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，實現了利用GNSS技術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

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)筑物掃描點云數據量大，冗余數據多，數據處理工作效率較低，可以基于Cyclone等軟件對點云的抽稀處理功能進行二次開發，自動判斷給定處理范圍內周圍地物，同時剔除無效冗余點云。處理后的激光三維立體點云數據直接導入至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據，切換不同的視圖，將三維立體點云數據轉為二維平面數據，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據如圖1所示。

圖1 激光三維掃描獲取的地下空間點云數據

(3)內外業配合的地下空間采集測繪

地下空間測繪通過外業采集點位、內業繪制相互配合生成最終成果，北斗衛星增強服務系統、激光三維掃描技術可以提高外業采集效率，為進一步提高測繪數據處理效率，可以基于CAD研發地下空間采集系統，在CAD平臺上實現地下建(構)筑物、地下管線探測數據的快速圖形化，同時將樓層、材質等相關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、數據檢查模塊，對數據質量快速查詢、定位、處理及修改提供便利，最終的成果數據可以直接提供后續入庫管理。

3.2 建立集地下空間和地下管線等多種數據為一體的全空間立體數據庫

(1)全空間立體數據庫

地理信息數據庫的建立和維護是新型基礎測繪體系下的地下空間管理應用的重點工作，城市規劃、建設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。城市地下空間設施上承地表建筑，下接地下管線、地層地質等設施信息，孤立的地下建(構)筑物設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)筑物為發散點形成包含城市立體空間數據的綜合信息庫[14]。

實際建設時可以集成地下管線、地面建筑、用地類型、地質構造、道路、地面建筑、規劃條件等地上、地表、地下多類信息，建立包含城市三維立體空間數據的綜合信息庫、同時利用空間位置掛接地下空間相關的規劃、建設、交通、城市管理信息，最終形成的城市立體數據庫不再是靜態的二維平面圖，不同種類的地理空間基礎信息不再是割裂的信息孤島，各類信息相互獨立又相互聯系，可以為城市規劃、建設、管理提供多維度、多層次、多角度、多結構的嵌套信息剖面圖，如圖2所示。

圖2 全空間立體數據庫

(2)數據庫建設

地下空間數據庫涉及的數據量大，種類多，二維數據可采用Oracle等面向對象的關系型數據庫統籌管理海量多源異構數據信息。數據庫建設時需要對地理空間數據編碼設計，采用多時態管理技術管理空間數據，實現以時間軸上的時間段過濾空間數據，做到任意時間點數據快速回放。

三維數據庫也是新形勢下城市地下空間重要建設內容，三維庫也可以利用Oracle管理，原始3ds Max模型及紋理數據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換成usx格式并發布供后續應用。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、三維數據庫可實時交互聯動。

3.3 傳統基礎測繪成果升維，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”的地下空間三維建模

新型基礎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據存在大量內外范圍線、輔助點線等內部輔助圖元信息，用戶使用較少但卻必不可缺，降低了二維數據的表達效率。三維數據整合地下空間內部圖元形成獨立三維模型，數據表達效率大幅提高[15，16]。

實際建模過程中，地下建(構)筑物樓層、門、消防栓、停車位、柱體、電梯、墻體、地下管線井、閥門等設施對象測繪成果二維表達上有一定參數規則，因此可以直接基于設施二維表達提取相應建模規則，設計并建立了完善的三維部件符號庫、紋理庫，研發三維建模軟件，基于二維地下空間數據庫，分析并自動提取了地下空間三維設施對象信息和建模規則，基于3ds Max軟件下研發地下空間三維自動建模功能，實現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”的地下建(構)筑物三維建模成果

圖4 “基于參數”的地下管線三維建模成果

(2)融合BIM表達不同細節顆粒的地下空間

與三維GIS模型相比，BIM模型能詳細表達建筑細部結構，二者融合可以表達不同細節顆粒的地下空間模型。利用通用的標準IFC(工業基礎類)格式作為中間格式，基于IfcOpenShell等開源庫，研發了BIM數據向3ds Max三維模型自動轉換及屬性信息無損提取軟件，發布至三維GIS平臺實現城市級大場景的瀏覽與應用。同時可以采用非結構化數據庫MongoDB進行BIM屬性信息的存儲，支持BIM模型屬性查詢、增減，適應數據標準變化[18]。

實際三維建模時，大范圍區域可以應用批量建模，重點區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勢，打通數據生產、數據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用的完整技術體系。

3.4 基于GIS可視化技術研發地下空間綜合管理軟件

新型基礎測繪中多源、多模態、異構地理空間數據，通常利用GIS可視化手段按需提供服務。地下空間也可以綜合CAD、WebGIS等泛GIS平臺實現地下空間數據的高效、精細管理[12]。

(1)CAD平臺

以CAD平臺為基礎進行二次開發，搭建基礎數據采集到數據檢查、成圖、整飾出圖軟件平臺，實現外業數據采集到內業數據編輯生產的作業流程，同時可以打通CAD與數據庫數據交互鏈路，實現地下空間數據動態更新入庫。

(2)WebGIS平臺

基于WebGIS搭建地下空間輕量級瀏覽應用服務，提供瀏覽、統計分析功能，能將相關地理空間數據疊加瀏覽，通過服務的形式為其他部門、項目提供專業服務，實現新型基礎測繪開放共享、按需服務的目標。

(3)三維應用平臺

考慮到地下空間數據多維數、多層次、細節豐富的特征，引入三維可視化技術研發三維GIS管理軟件，在實現實時三維GIS模型構建、內外業一體化動態更新的同時，集成BIM，實現了城市級別的地下管線、地下空間建(構)筑物三維模型以及地表三維模型的集成與一體化管理應用。

3.5 地下空間信息管理與綜合應用模式研究

新型基礎測繪需要在服務模式上創新，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發展，因此利用地下空間二維、三維數據庫和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領域展開研究，如自然資源部門的地下空間規劃設計與開發管理、住建部門的人防工程開發建設與維護管理、城市軌道交通管理部門的軌道交通站點及線路的開發建設與運營管理等，對相關應用領域開展業務需求分析、信息資源需求分析，以充分利用地下空間數據，指導后續示范應用系統的建設。深入分析研究了以上相關部門的信息資源構成，以地下建(構)筑物為核心，擴展相關專題的信息資源，研究并形成地下空間及拓展信息資源圖譜，指導未來對數據資源的充分利用、挖掘。

(2)建立地下空間開發資源評估技術體系并開展應用實踐

結合工程地質情況、水文地質情況、歷史文保、潛在開發價值、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體系(圖5)，以格網形式對地下空間資源按豎向層次進行質量評估，利用GIS可視化技術表達評估結果，劃定地下空間資源分區，指導后續地下空間資源開發利用[19]。

圖5 地下空間資源質量評估方法

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

以新型基礎測繪為指導而建立起的集地下空間數據綜合地理信息服務平臺，通過二維、三維形式展示地下空間層次、結構信息，結合規劃、地質、地面設施、管線等多源信息，可以從宏觀及單體角度對地下空間設施的規劃、利用提供技術支撐，一庫多用，實現地下商業、娛樂、休閑、交通、停車、防災等功能合理配置，同時滿足規劃、交通、管理等多種用途。翔實準確的地下空間數據也為軌道交通周邊地塊調查管理、人防應急掩蔽提供數據支撐，為城市安全運行和提升城市綜合承載能力、城鎮化發展質量提供保障。

4 應用案例

常州市以新型基礎測繪下地下空間管理要求為指導，在常規測繪技術的基礎上引入GNSS及北斗增強定位系統實現地下空間快速精準定位，引入激光三維掃描技術、探地雷達等物探技術快速獲取地下空間詳細結構，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用效果，集成常州市地下空間普查、動態更新數據、地面建筑、地質構造、地下空間規劃信息等多源、多模態數據，建立城市立體空間數據庫，并基于地下空間三維建模技術，融合BIM模型將傳統基礎測繪成果向三維升級，研究地上地下一體化無縫表達的數據模型、數據整合以及可視化等技術，基于CAD平臺、WebGIS、三維GIS平臺，研發地下空間CAD應用系統、地下空間管理系統、地下空間三維應用系統及地下空間綜合應用系統，平臺總體結構如圖6所示：

圖6 常州市地下空間綜合管理平臺總體架構

常州市通過地下空間綜合管理平臺的建設：

(1)集成地下建(構)筑物、地下管線、地質構造、道路、地面建筑、影像、地形等數據構建全空間立體數據庫，形成基于實體、縱向統一、多尺度融合、面向應用的常州市地下空間專題數據庫，同時通過軟件系統及作業流程配合，實現了地下管線、地下建構筑物數據動態更新入庫，為常州市自然資源和規劃局后續基礎地理信息空間平臺建設提供數據服務[21]，如圖7所示。

圖7 三維GIS可視化技術服務城市地下空間管理

(2)常州市地下空間數據由簡單管理與單一資料提供應用方式向地下空間的高效化和精細化管理的巨大提升，以技術現代化促進地下空間成果應用多樣化，推進地下空間管理業務形態轉型升級。

(3)常州市自然資源和規劃局基于地下空間現狀數據，按經緯格網劃分常州市主城區，對地下空間資源分不同豎向層次進行評估，劃定地下空間資源分區，指導地下空間資源開發利用，如圖8、圖9所示。

圖8 常州市主城區次淺層地下空間資源評估結果

圖9 常州市主城區淺層地下空間資源評估結果

(4)針對地下空間應用形式單一，通過數據服務及應用服務形式，常州市在人防工程管理(圖10)、軌道交通建設與運營管理(圖11)等方面開展了典型示范應用，拓展地下空間多行業融合應用，符合新型基礎測繪體系下促進系統內及行業之間信息共享要求。

圖10 常州市人防三維仿真應用

圖11 常州地鐵三維GIS應用平臺-BIM與GIS數據集成展示

5 總結與展望

本文以新型基礎測繪服務要求出發，根據當前城市地下空間管理應用的重難點，分析新型基礎測繪體系下城市地下空間管理應用的要求和關鍵技術。通過引入新型測繪技術，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、縱向統一、多尺度融合、面向應用的二三維地理空間數據庫，實現了成果管理應用由平面向立體空間發展，基于GIS可視化技術研發常州市地下空間管理平臺，并在服務模式上創新，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應用。未來地下空間三維模型可繼續為室內導航、自動停車等提供三維場景式服務，而基于地下空間設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展，從而形成了常州市“空間一體、聯動更新、開放共享、按需服務”新型地下空間測繪服務體系[22，23]。