城市地下空間要素的數字化路徑探討與思考
——以上海市為例

安文通

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 上海市地質勘查技術研究院，上海 200072；3. 自然資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；4. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072）

城市地下空間開發利用是我國近年來城市建設的熱點，建設速度之快、規模之大，史無前例[1]。與地面空間相比，地下空間具有空間相對隔離、隔音、自然災害影響小、環境污染小等優點[2-4]，合理的開發利用城市地下空間，可有效緩解城市發展過程中日益突出的人地矛盾，提高土地的利用效率，保障城市的可持續發展。但是與城市地下空間的開發規模相比，當前城市地下空間的數字化水平相對滯后，在數字經濟上升為國家戰略的背景下，推動城市地下空間的數字化建設迫切且必要。所謂數字化可分別從專業概念和泛化的社會認同兩個角度來理解，其專業概念通常是指將現實中各類復雜的信息轉變為可度量的數據，通過建立數字化模型的方式轉變為二進制代碼，存儲于計算機的過程；而泛化的社會認同更多的是強調通過數字化技術打通阻礙信息傳遞的壁壘，實現跨部門的系統互通、數據互聯，為業務賦能，支撐決策。本文所提到的城市地下空間數字化建設是指利用數字化技術來解決城市地下空間在規劃、建設、管理和運維過程中數據共建、共治和共享的相關問題，補齊城市數字底座，支撐智慧城市建設。

上海市作為我國最早開發利用城市地下空間資源的城市之一，在地下空間數字建設方面開展了諸多探索，取得了一些重要成果，例如：三維地籍調查、三維城市地質調查和地下管線普查及可視化等。另一方面，上海市城市地下空間數字化建設也存在諸多不足，例如：地下空間涉及要素和管理部門眾多，彼此數據不通；不同要素的數字化建設單位各自為戰，步調不一；數據更新滯后維護困難等問題。針對城市地下空間數字化建設，本文認為可從以下三個維度來進行思考：一是可視化，二是可實用，三是可持續。首先，建設全市標準統一的可視化全要素地下空間數字底座是數字化建設最基本的需求；其次，數字底座實現應用級別的業務功能是數字化建設的基本目標和著力點；最后，實現數字底座的共建、共治和共享，保障其生命力和可持續是數字化建設成功與否的重要標志。本文對上海市城市地下空間要素的數字化現狀進行總結，對過往經驗和不足進行思考，以期對我國同類型城市的地下空間的數字化建設提供借鑒。

1 城市地下空間數字化現狀

1.1 城市地下空間數字化背景

近些年發展數字經濟，推進數字化轉型是國家重大戰略，城市地下空間數字化建設是城市數字化轉型的重要內容，對于提高城市治理的精細化水平具有重要意義，無論中央和地方都非常重視城市地下空間的數字化建設。國家層面，2016年6月，住建部印發了《城市地下空間開發利用“十三五”規劃》，其中一項主要任務是推進地下空間普查和地下空間信息系統建設，促進實現城市地下空間數字化管理，提升城市地下空間管理標準化、信息化、精細化水平[5]；2020年9月，住建部印發城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則，提出構建三維數字空間的城市信息有機綜合體[6]，其中城市地下空間是CIM基礎平臺建設重要組成部分；2021年02月，自然資源部辦公廳印發《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》指出建設自然資源三維立體時空數據庫和數據庫管理系統，城市地下空間資源作為自然資源的一部分，其相關數據對于政府科學決策和社會建設管理具有重大價值[7]；2021年8月，自然資源部辦公廳印發《實景三維中國建設技術大綱（2021版）》的通知，提出為經濟社會發展和各部門信息化提供統一的空間基底[8]，城市地下空間是空間基底不可或缺的部分。

上海市一直以來都非常重視城市地下空間數字化建設，先后開展如三維城市地質調查、三維地籍調查、地下管線普查、數字孿生建設等工作，在城市地下空間數字化建設方面取的顯著成效。2021年8月，上海市住建委、市規劃資源局、市交通委等7個與城市地下空間開發利用相關的委辦局印發《關于加強本城市地下市政基礎設施建設的實施意見》，要求深入開展設施普查，開展數據歸集，構建全市統一的覆蓋地下管線、地下通道、地下公共停車場、民防工程的城市地下市政基礎設施綜合數據庫，全面推進地下市政基礎設施城市數字化轉型，進一步夯實基礎底座，實現地下市政基礎設施“數治”新范式，全面提升城市地下市政基礎設施建設與管理的科學化、精細化、智能化水平[9]，對城市地下空間的數字化建設提出了更高的要求。

1.2 國外城市數字化

城市地下空間數字化是城市數字化的重要組成部分，國外的城市數字化研究主要集中在以BIM（Building Information Modeling，簡稱BIM）為核心的三維建模和其與地理信息系統的結合。三維城市模型（3D City Model）的概念是由“數字地球（Digital Earth）”發展而來的，目前三維城市模型分為設計模型和現實世界模型，設計模型是由工程師制作而成主要應用于建筑行業，現實世界模型通常是在地理信息系統中對現實對象的表達[10]。目前，越來越多的研究人員已經開始重視三維城市建模的研究，因為其在城市規劃、土地利用管理、交通管理等方面中發揮著越來越重要的作用[11]，為此國外學者開展了諸多嘗試，例如：開放街道地圖（Open Street Map，簡稱OSM）目標是創造一個內容自由且能讓所有人編輯的世界地圖[12]；Skyline三維地理信息服務平臺可實現創建和發布逼真的交互式三維場景，應用于數字城市；利用BIM模型構建城市不同功能模塊及整合其附屬的詳細信息[13-14]等。近些年，隨著中國城市數字化轉型進程的加快，國內學者關于城市信息模型（City Information Modeling，簡稱CIM）的相關研究也在逐漸引起關注[10]。此外，物聯網（Internet of Things，簡稱IoT)）對未來城市地下空間運維的有效支持也是城市地下空間數字化的重要內容，如在地下交通管理、政府管理、公共基礎設施和地下資源管理等方面[4,15-17]。

1.3 上海市城市地下空間數字化現狀

上海市城市地下空間數字化建設工作始于對不同城市地下空間組成要素的專題調查工作，如：上海市三維地籍調查、三維城市地質調查和地下管線普查等專題工作，隨著各類要素數據的積累，數字化工作開始向全市范圍、全要素和系統性的基礎數字底座方向發展，上海市城市地下空間數字化工作相比于國內其他城市呈現出體量大、要素全、標準高等特點。城市地下空間的組成要素包括地質體、各類地下建（構）筑物、地下管線等。城市地下空間的規劃、建設、管理和運維涉及眾多政府部門和企業，以上海市為例，涉及城市地下空間開發利用的政府部門就有上海市住建委、市規劃資源局、市交通委和市民防辦等。管理職能的復雜導致城市地下空間的數字化建設一直以來都是以某一類型要素的地下空間為目標，例如針對地下管線的數字化，針對軌道交通的數字化等等，隨著上海市“一網通管”工作的推進，整合各類已有城市地下空間數據資源將是未來趨勢。按照前面提到的三個維度可視化、可實用和可持續，上海市城市地下空間數字化基本實現了各類地下空間要素的可視化，基于數字化邏輯的各類業務應用級功能正在建設階段，未來可持續的全生命周期數字底座尚處于探索階段。

下面本文分別針對城市地下空間的組成要素地質體、各類地下建（構）筑物和地下管線、地下監測網絡等方面來介紹上海市在城市地下空間數字化建設的進展：

（1）地質體

地質體是城市地下空間開發的載體，上海市三維城市地質調查始于2004年，通過多年努力建立了包含地質鉆孔、地質環境監測信息、專題地質圖和三維地質模型的核心數據庫，為上海市城市地下空間綜合調查提供了基礎數據。總的來說目前上海市地質數字化建設成果顯著，在地質資料匯交共享方面建設有上海地質資料信息共享平臺，在三維城市地質方面建設有上海市三維城市地質信息系統，此外還有專業應用系統如上海市地面沉降信息管理系統、地質環境監測信息管理平臺等。這些地質領域的數字化建設成果對于上海市城市地下空間的開發利用提供了有力支撐，對保障城市安全提供了基礎數字底板[18-21]。

（2）地下建（構）筑物

地下建（構）筑物是城市地下空間利用中最普遍的方式，上海市地下建（構）筑物建設規模巨大，主要開發類型包括地下室、地下停車場、地下商業設施、市政基礎設施、地下樁基、地下民防設施、隧道、地下通道、綜合管廊等等。為了查清上海市中心城區地下建（構）筑物規模，上海市開展了地下空間初始地籍調查[22-24]，建成了中心城區地下建（構）筑物數據庫和三維模型。據不完全數據統計，截至2020年底，全市累計調查地下空間6萬多個，包括地下場室、地上建筑物樁基、高架（道路、橋梁）的承臺樁基等。

上海市地下建（構）筑物數字化工作開展較早，全市統一的數據庫有效的支撐了城市重點工程的規劃、審批、建設、管理和運維。同時也要注意的是當前信息化技術發展迅速，隨著建（構）筑物BIM模型、城市CIM平臺、數字孿生城市和元宇宙等概念的提出，傳統的城市地下建（構）筑物三維建模及數據管理模式是否能滿足新技術的需求還有待檢驗，新技術與現有系統及數據的融合也需要盡快開展相關技術探索，例如研究利用新建建（構）筑物的BIM模型更新現有數據庫，免去收集圖紙、矢量化和三維建模等一系列繁瑣工作，有效提高數據更新效率。

（3）地下管網

地質體與地下建（構）筑物是地下空間開發利用的主體，除此之外還包括地下監測設施、地下管線等。其中實時監測網絡是地下設施安全運維的有力保障，目前上海市建設有各類針對不同地下設施的地下監測網絡，如針對地質環境、地面沉降和軌道交通等方面；而地下管線是保障城市安全運行的重要基礎設施[25-26]，且主要利用的淺層地下空間資源，上海市地下管線經過多年普查已積累海量數據。總體來說，其他地下設施的數字化主要是為保障城市地下設施的安全運營，解決如“馬路拉鏈”等城市管理難題。

2 上海市城市地下空間要素的數字化路徑

近些年，隨著“十四五”規劃要求加快推進數字化轉型，以及物聯網、智慧城市、韌性城市等新型城市建設目標的提出，城市地下空間數字化建設也在適應新的要求。但是，應該認識到數字化的基礎是建設能夠覆蓋全市，包含地下全要素，同時包含城市地下空間規劃、建設、管理和運維必要屬性信息的基礎數據底板。本文圍繞城市地下空間數字化的可視化、可實用和可持續三個維度，結合未來城市數字化轉型的潛在需求，總結目前上海市城市地下空間要素的數字化路徑（如圖1所示），如下：

（1）通過整合各領域已有地下空間調查（包括管線、地質、地下建（構）筑物和地下監測網絡等）成果，完成地下空間全要素數據的補全；

（2）針對全要素地下空間數據制定相應的數據標準，規范二/三維數據的建庫和建模；

（3）通過數據融合、標準化處理、三維建模等技術手段，建立標準規范的全要素地下空間數據庫；

（4）依托相關政府部門審批系統或管理系統建立可靠的數據更新機制，確保地下空間數據的及時準確更新；

（5）以地下空間基礎數據底板為基礎，服務于城市的地下空間規劃、建設、管理和運維，為城市數字化轉型和精細化管理服務。

其核心內容可概括為3個方面，分別為：基于可視化原則建立全要素地下空間數字底座；基于可實用性建設專業應用場景；基于可持續原則建立數據更新機制。

圖1 上海市地下空間要素的數字化路徑Fig.1 The digital path of underground space elements in Shanghai

2.1 建立全要素地下空間數字底座

隨著上海市三維城市地質調查、地下管線普查、三維地籍調查等專項試點工作的開展，地下空間單要素數字化工作取的明顯成效。但是隨著城市數字化轉型對地下空間數據的要求不斷提高，單要素地下空間數據顯然不能滿足城市數字化轉型的需求。為此近些年上海市城市地下空間數字化工作開始探索面向全要素的數字化路徑，集地質體、地下建（構）筑物、地下管線、地下監測網絡為一體的地下空間開發利用管理平臺將是未來城市地下空間數字化發展的方向，如圖2所示。在此基礎上結合城市CIM平臺、數字孿生等基礎平臺構成地上、地下一體化的基礎空間數字底座，支撐城市的精細化、智慧化管理。

圖2 面向全要素的城市地下空間數字化概念Fig.2 Concept of digitalization of all underground elements

面向全要素的城市地下空間數字化平臺可有效打破數據壁壘，促進地下空間數據的共建、共治和共享，推動地下基礎數據更大范圍的應用，支撐地下市政基礎設施建設與管理的數字化轉型，提升基礎設施管理效率和服務水平，服務數字經濟戰略和城市數字化轉型。

2.2 建設專業應用場景

上海市城市地下空間數字化工作最顯著的特征之一是從第一維度的數據“可視化”到數據的“可實用”。無論是三維城市地質調查、地下管線普查還是三維地籍調查的初期由于基礎數據薄弱，而無法支撐大規模專業應用。通過多年的數據積累和技術積累全市范圍內的地下空間數據已初具規模，全市范圍內的地下空間開發利用情況通過信息化手段已經實現可視化。現階段對于地下空間數據價值的挖掘是上海市城市地下空間數字化建設的新任務，通過數據共享、發布服務、場景建設等方式支撐政府管理和決策，支撐地下空間的規劃和建設，支撐相關基礎設施的運維和管理（如圖3所示），充分發揮地下空間數字底座的價值是未來地下空間數字化建設的發展方向。

圖3 地下空間數據的潛在應用場景Fig.3 Potential application scenarios of underground space digitization

2.3 建立數據更新機制

數據的實時性是數字底座建設的重點也是難點，同時也是保障數據質量和數據價值的必要條件。對于上海市已建成的地下設施通過資料收集、外業普查等手段可逐步納入數字底座，但是對于新建的地下工程，由于工程分布零散，建設時間不統一，工程施工頻繁（如管線施工等），工程規模不一，建設單位眾多等原因無法通過大規模普查的方式更新入庫，因此為了保證地下空間數字底座的價值必須建立相關的數據更新機制，即：實現本文所說的第三個維度“可持續”。2021年8月上海市住建委、規劃資源局等7個委辦局印發的《關于加強本城市地下市政基礎設施建設的實施意見》中指出建立數據動態更新及共享機制，完善地下市政基礎設施及管理相關的各類數據資源，建立以權屬單位終身負責制為基礎的數據動態維護工作機。通過體制機制的建立可確保數據信息的唯一性和準確性，如圖4所示，本文提出新建地下工程數據更新潛在的路徑。

圖4 新建地下工程數據更新路徑及關系Fig.4 Update path of new underground engineering data

3 地下空間數字化的一些思考

3.1 數字化的意義

本文通過對地下空間數字化工作具體內容進行梳理，認為地下空間數字化工作的定位應該是通過構建全要素地下空間數字底座來完善或補齊城市基礎數據底板，有效支撐城市地下空間的規劃、建設、管理和運維，完善地下空間的治理機制。數字化建設的終極目標應該是實現地下空間全要素數據的存量數據補全、長效管理、持續更新和廣泛應用，實現全要素、全生命周期的地下空間精細化、智慧化管理。

地下空間資源有別于地表資源，一旦建成其改建或擴建難度都很大，而且已建成地下設施會對未來地下設施的規劃建設在空間上產生阻礙。因此，不合理的設計不僅是對空間資源的浪費，而且會對未來地下資源的開發利用產生不利影響。而全要素地下空間數字底座對于減少設計失誤和減少地表地下建設因避讓造成的損失具有重要的實際應用價值。

3.2 數字化面臨的困難

地下空間數字化建設的最大困難在于數據來源和共享機制，如前所述不同類型的地下空間要素數據可能分散在不同的建設管理單位，上海市通過多年努力才逐漸形成覆蓋中心城區的各類地下空間數據庫和管理系統，對于新建地下工程的數據更新目前尚缺少有效、高效的管理手段，而能否實現新建地下工程數據的閉環管理和全量更新（如表1所示，列出了新建工程所涉及地下空間內容），將是決定全要素地下空間數字底座實際價值的重要標準。

通過調研，本文認為針對新建地下工程數據更新最有效的途徑是依托相關政府部門審批的管理流程沉淀數據。例如：規劃資源部門可通過工程建設項目審批環節對其職權范圍內的新建工程設計資料和竣工資料進行歸集、更新和沉淀；住建部門可通過建設工程施工許可和竣工驗收等環節沉淀數據；而交通部門則涉及交通類項目的規劃、審批、管理和驗收等環節，如何統籌管理各個部門歸集的數據，明確權責邊界，將數據進行統一處理更新是未來地下空間數據管理的難點。

表1 新建工程涉及地下空間內容Table 1 Contents of underground space involved in new construction

此外，除了數據來源和共享機制協調困難外，針對全要素地下空間數據尚缺少統一完善的數據標準，針對不同格式、不同類型的地下空間數據尚缺少廣泛適用且功能齊全的三維空間數據平臺，導致針對全要素地下空間數據的融合和應用功能開發存在較大技術難度。

4 總結與展望

本文通過對上海市城市地下空間要素的數字化路徑進行探討和思考，取得以下認識：

（1）通過多年的建設上海市城市地下空間數字化取的顯著成效，建設內容涵蓋了地質、地下建（構）筑物、地下管線、地下監測網絡等，涵蓋了地下空間規劃、建設、管理和運維的各個環節。

（2）通過多年的數據積累和技術積累，上海市城市地下空間數字化建設內容正在由可視化向可實用、可持續方向發展，整合各類已有城市地下空間數據資源，通過數字化支撐政府管理和社會運維是未來的發展方向。

（3）數據的更新機制是未來數字化建設關注的重點，結合當前已有的工程建設項目審批系統、BIM模型、CIM平臺和數字化交付等手段建立互動機制，是實現地下空間數據常態化更新的主要路徑，通過更新來保障數字底板的質量和生命力。