浅析城市地下管线三维数据的共享使用

2019-12-14张志春

城市与减灾 2019年6期

张志春

前言

改革开放以来，随着中国城市空间的快速扩大和城镇人口大量集中，诸多城市出现了配套基础设施建设和管理明显滞后于发展要求的现象，经常出现局部内涝、挖断供水管道引起地面坍塌、燃气管道火灾及热力管道泄漏和专用通信光缆被挖断等事件。

城市地下管网设施（简称地下管网）是城市基础设施的重要组成部分，具有埋在地下不易被发现、投运后维护较少、维护检查难度大、周边环境变化大、原始资料记录不准确等特点，较少被社会治理方重点关注，但是此类管网发生事故后果比较严重，如2013年11月22日山东黄岛输油管道爆炸造成62人死亡、136人受伤的特别重大事故。据析，导致地下管网各种事故不断发生的关键因素之一是缺乏完整的、准确度满足相关方使用要求的地下管网三维数据，也没有对数据实现共享使用。本文就地下管网三维数据如何实现共享使用进行探讨。

地下管网分类、时空特征及其管理概况

图1 某地下管廊局部图

地下管网主要包括给水及排水管网（包括给水管网、污水管网、雨水管网、工业专用回水（包括冷凝水）管网、再生水管网、中水管网、直饮水管网等）、供热管网（包括蒸汽和热水）、燃料管网（包括气体和液体类化学物料）、电力电缆管网、通信电缆管网和光缆管网、有线广播电视网络、真空垃圾管网等。《城市地下管线探测技术规程》（GJJ61—2017）中地下管线指敷设于地下，用于传送能源、信息和排泄废物等的管道（沟、廊）、线缆等及其附属设施。按功能可分为给水、排水、燃气、热力、电力、通信、工业等，包括长输管线和城市管线。图1为某地下管廊局部图。

从生命周期管理的角度出发，地下管网主要包括规划、建设、运维、报废、再规划阶段，具有多个时态；从各实体的属性（如类别、位置、形状、大小等）及其与相邻实体之间的空间关系出发，地下管网有多个属性，包含多个关系（如距离关系、包含关系、相交关系和连通关系）。从管理的责任角度出发，地下管网由不同职能部门、不同专业进行规划、设计、施工和运维管理等。以某地级市的实际现状来看，主要涉及发展和改革、自然资源、住房和城乡建设、交通运输、水利等政府部门和管线权属单位、勘察设计单位、施工单位。图2为地下管网管理特征图。

图2 地下管网管理特征

地下管网三维数据库、探测技术、可视化表达及建设中存在的问题

地下管网三维数据库是在信息技术（计算机软件、硬件、数据库和网络技术）的支持下，对地下管线及相关设备和附属设施的各种数据，按照既定标准或要求进行实地测绘，取得准确数据，依据特定模式完成数据处理（输入、存储、查询、统计、分析、维护、更新、输出和共享应用等），主要包含按照管线类别分别存储的管点数据表、管线段数据表和管线建构（筑）物边界数据表等，其基础数据主要通过查询规划资料、查询竣工验收测量资料、探测管线等方式获取。管线探测成果数据库是地下管网三维建模的主要数据来源，常见的基础信息包括类别、本体信息、管内介质信息、埋深断面尺寸、附属建筑、线路布局、埋藏位置、埋藏深度、地理信息、权属及管理单位信息等。

地下管网数据信息探测方法主要包括电磁感应法、探地雷达法、听音法和相关法、管道CCTV检测法、管线电子标识系统法、管线状态传感器法等（图3、图4）。

三维可视化使得数据结果的表达更加直观，满足人们从不同几何角度的视觉需求，可归纳为二维图形图像学方法、三维图形图像学方法、三维表达及虚拟现实技术、三维表达与增强现实技术、时空可视化技术等。

北京市、广州市等已经建立了以城市地下管网三维数据库为主要技术支撑的信息平台，可实现部分数据共享。近年来建设的地下综合管廊也大部分实现了地下管网数据共享使用。也有部分中小城市（如十堰市、南宫市、石家庄市等）已经初步实现了地下管网数据共享使用（图5）。但仍然有大量数据信息没有输入系统而无法查询和使用。大部分管网权属公司也建设了自己的管网GIS系统，但主要用于管理自己的数据，对于其他权属单位的管线数据，因为各种原因（主要是没有获取其他管线数据的渠道，或者已经获取的其他类型的管线数据不能满足本单位系统要求）而无法入库。

现有地下管网及其信息平台建设和数据共享使用方面存在以下问题：

同一地区的不同管网工程缺乏统一安排，经常反复开挖建设；工程建设各环节各行其是，基础数据没有实现统一精准管理，竣工验收实测结果常与竣工图出现较大差异；已投运管网没有进行过全面系统化测绘和数据整理，记录与实际状况出入较大；权属单位对各自掌握信息共享使用在认识上有较大差异、现有档案资料查询方法相对落后也不实用、无法确认不同来源资料记录结果的准确度；缺乏统一的数据制作标准与规范；未建立数据交换通道以保证数据标准的一致性；没有形成标准化的方法（或者形成统一技术联盟等）对各自提供资料记录结果的准确性从基础技术层面统一认证；事故后责任追究中没有引入对原始数据准确性及有关责任的核查，导致权属单位不愿意担负应有的责任，不愿意共享使用；数据的更新效率低下，没有实现定期更新、竣工测量更新、共享交换更新；权属单位只着眼于自己的应用而在数据格式、组织结构、命名、建模方法等方面各不相同，导致建成的系统之间存在语法和语义异构，不能实现跨领域或跨部门的信息共享与互操作；事故发生时无法形成政府、企业和社会三位一体的应急联动格局；现有平台不能够全面支撑数据探测、会诊、治理、养护、动态监管等，不能实现全面共享使用。

图3 探地雷达探测法

图4 管道CCTV检测法

图5 三维地下管网综合管理信息系统应用

目前我国在地下空间三维模型的使用方法方面开展的研究较少，研究程度也较浅，现有系统也较难实现信息的整体査询、分析、空间推理等，阻碍了三维数据的现实应用。国内已出台《管线信息系统建设技术规范》《城市综合地下管线信息系统技术规范》对管线信息系统从技术方面进行规范。三维可视化功能、空间分析能力都强的软件缺乏。现有二维通用GIS平台工具由于视觉效果不直观，使用受限。3D-GIS和建筑信息模型技术（BIM）可为决策、规划和研究、管理提供全面技术支撑，正在成为管线管理基本研究工具。

尽管国内近年来已经开展了一些研究，但能够将各种管网的各种属性数据统一输入一个数据库并进行三维可视化表达的非常少见。在技术层面，这还需要国内的所有管网权属单位、其他有关方和研究者共同研究，真正实现填补空白才能实现共享使用。

地下管网三维数据共享使用的利弊分析

数据共享使用的好处主要表现在统一由政府有关部门带头组织获取和共享地下管网三维数据能优化社会治理。先进的信息处理技术能提高管理效率，能促进各权属单位自身管理，能真正促进落实工程“五方”有关责任，能提升工程整体安全水平，能精确服务于应急处置。实践表明云计算等诸多新技术给以往携带大量信息、涉及多部门的复杂社会问题的解决指明了出路。地下管网的管理也一样，只要创建一定的前提条件（如统计基础数据采集采用的坐标系、统一数据输入和输出格式、统一数据测绘标准、统一数据制作标准、统一数据属性标准等），就可大幅度提高共享使用综合管理效率和质量。

共享使用也可能带来数据泄密引起连锁突发事件、使用带有较大误差的数据及错误使用数据引起局部地区作业安全程度降低、数据管理的内容及程序逐渐复杂化、数据协作处理不当引起工程整体作业风险增加等弊端。

地下管网三维数据库共享使用的方法

地下管网数据共享使用的原理可以描述为在统一制定数据输入格式、数据误差、数据输出格式、数据测绘方法和基础数据采集方法及数据制作方法等基础上，由数据输入方采集满足相关方一致要求的真实数据，再通过最大程度公开数据，最终实现使用方对数据的充分、高效地使用。其中数据共享中特别重要的两个方面，一是数据属性元素的确定，二是数据误差的引入与准确性分析。

如果将数据输入方的数据全部属性表示为集合A，将数据使用方的数据全部属性表示为集合B，那么我们需要的结果就可以用A与B的交集C表示，C中各元素尽可能具有以下特征：属性元素组成基本相同，属性元素包括通用属性元素、专有属性元素两部分；每一项属性元素代表能够反映提供方和需求方对数据的真实要求，而且越细化越好。

误差是一个量的观测值或计算值与其真实值之差。数据提供方在获得原始数据、制作数据的过程中会产生误差。如果传递后的误差不受控制将影响后期使用。在共享应用中误差无处不在，但是可以通过一定的方法来降低误差。首先误差的产生应该做标记，在数据输出的格式中明确表示误差的来源，而且误差标签也应该能够实现不断传递，并用一定的附加格式标签表示，方便数据使用方快速查找误差的来源，消除对自己使用的影响。使用方在使用中会将原来数据的误差带入自己的工作中，产生误差的传递。A与B的交集中各元素的误差、误差传递、误差标签的管理应满足以下要求：输入数据要标注误差，而且要携带误差标签；误差传递需要使用方专门管理，对自己得到的新数据用误差及其标签（误差标签和误差传递标签）标注。

综合以上分析制定三条共享使用的基本做法如下：

①数据的输入方（制造方、提供方）在给第三方数据管理机构的信息平台输入数据时必须给出每一个数据的误差及误差标签；②数据使用方在数据使用中产生的新数据，也必须给出每一个数据的误差及误差标签；③第三方数据管理机构的信息平台出具数据结果时，必须给出每一个数据的误差、误差标签、误差传递标签。

这种做法可用于事故后迅速降低数据查找所需要耗费的时间，也可用于事故之前提前判断是否采用此类数据以及如何规避数据本身带来的影响。