城市及地下空间测绘技术体系构建的几个问题

耿 丹 王 丹 李丹彤

(1. 建设综合勘察研究设计院有限公司, 北京 100007; 2. 自然资源部城市空间信息重点实验室, 北京 100007)

0 引言

随着国民经济的持续发展与城镇化水平的不断提高,我国城市地下空间的开发利用进入新的快速发展阶段,由建(构)筑物、交通设施、综合管廊、管线设施等构成的地下空间设施已经成为城市基础设施的重要组成部分,是发挥城市功能、提升城市综合承载力、确保城市社会经济协调可持续发展的重要基础和保障。地下空间及其设施数据作为重要的城市地理信息数据,是城市规划、建设、运行、管理与服务以及灾害预防、应急、环境治理等的重要支撑信息,是保障城市安全和高效运行的基石[1]。

城市及地下空间测绘要发挥其应有的作用,应该构建具有规范性、精确性、完整性和先进性的技术体系。本文结合作者参与《城市测绘基本技术要求》(GB/T 35637-2017)、《城市地下空间测绘规范》(GB/T 35636-2017)两部国家标准起草和应用验证工作实践,总结分析城市及地下空间测绘业务特点和需求,从数据流、技术方法、成果类型、应用领域、任务类型等方面探讨城市及地下空间测绘技术体系构建问题,以期为城市及地下空间测绘服务与保障能力建设和提升提供借鉴。

2 城市及地下空间测绘特点及需求

2.1 城市及地下空间测绘的业务特点

(1)全空间一体化

城市地上地下和室内室外一体化的规划建设管理,离不开测绘技术服务的支撑,为此需要提供不同尺度空间对象的数据融合和表述服务。不同尺度空间对象的数据包括城市群、城市圈和超大城市级别的大空间尺度的遥感影像,及能表达建筑和城市家具构件信息的建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)数据等;同时还需要通过地面和地下联系测量、BIM与地理信息系统(Geographic Information System, GIS)数据集成、平面影像与三维模型集成等一系列技术方法实现不同尺度空间对象的融合描述和表达。

(2)目标对象隐蔽密集

人口密集是我国城市的显著特点,随之产生的房屋建筑、市政基础设施、城市家具等测绘对象种类多、立体分布、密度大、互遮挡等特点,位于窄巷的建筑立面、立交桥等易遮挡对象及建筑内部和地下空间等隐蔽对象的精准测绘是提高城市精细化管理水平的技术保障。

需要根据测绘服务的实际业务需求,灵活选用先进、高效的测绘技术,突破空间和时间的限制,并保证测绘成果的完整性和精准性。如充分发挥飞行器的优势,采用多平台激光雷达(LiDAR)或倾斜摄影技术从多个角度采集测绘目标时空信息;又如采用同步定位与制图(SLAM)移动扫描技术,突破室内和地下空间难以利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)信号进行高精度定位等问题[2]。

(3)目标对象变化快

我国新型城镇化建设带来的人口变化和经济发展已成为土地利用和土地覆盖变化的主要驱动力[3],随之产生的城市建筑高度、空间功能、植被景观、交通运力的变化越来越快,城市空间对象在不断地新增、消除和发生形态变化,需要合理选用多星座GNSS、移动测量建模、物联网、倾斜摄影等经济快捷的监测技术手段,快速识别违法用地、垃圾违法倾倒等城市精细化治理的棘手问题,以及重要基础设施形变、道路病害、管线破损等危及城市及地下空间安全的问题。

2.2 城市及地下空间测绘的技术需求

(1)时空分辨率和测量精度要求高

城市及地下空间规划、建设、管理和服务中,需要的地理空间数据的分辨率和几何精度高,空间分辨率一般要求米级、分米级,甚至达到厘米级;而几何精度基本上要求达到分米、厘米级。空间精准度高的地理空间数据也经常需要较高的更新频次即时间分辨率,这也是城市地理信息数据的一项重要特征。同时,城市及地下空间测绘成果在专题维度、时间维度上对数据的精准度要求也非常高。如建筑密集区域数字正射影像图(Digital Orthophoto Map, DOM)的地面分辨率要求可达0.2 m、0.1 m甚至0.05 m,其对应的平面位置中误差要求达到1.0 m、0.5 m甚至0.25 m,航摄影像获取周期一般为1～2年甚至更短。

(2)需要三维/真三维分析表达

自然资源部最近提出,要逐步推进地上地下三维实景数据的管理与应用,建立二三维一体化的自然资源和国土空间三维实景数据库,加强地上地下一体化管理,实现客观世界的大场景三维动态可视化管理,并努力实现动态实时实景可视化[4]。

为建筑和市政基础设施等空间对象提供三维描述和表达,是服务和保障城市及地下空间规划建设管理应用的基础性需求。只有三维/真三维数据才能以合适的精细度和准确度描述并表达实体对象的空间位置、几何特征、专题特征及时间特征,同时需要构建城市真三维模型或城市信息模型(City Information Modeling, CIM)[5]对三维数据进行科学组织管理和表达,以充分发挥三维数据成果的应用效能。

3 城市及地下空间测绘技术体系构建中的问题

3.1 城市及地下空间测绘技术框架

城市及地下空间测绘的服务对象可包括城市群、城市圈、各种规模的城市、城镇、园区,以及综合管廊、管线、建筑、道路等地上地下基础设施。如图1所示,城市及地下空间测绘的技术框架包含地理信息数据流、测绘活动所采用的技术方法、获得的测绘数据成果类型、技术和成果应用领域和测绘任务类型几个维度的技术内容。

3.2 地理信息数据流

国家标准《测绘基本术语》(GB/T 14911-2008)将测绘学定义为:研究地理信息的获取、处理、描述和应用的学科。《中华人民共和国测绘法》将测绘定义为:对自然地理要素或者地表人工设施的形状、大小、空间位置及其属性等进行测定、采集、表述,以及对获取的数据、信息、成果进行处理和提供的活动。由此可以看出测绘是一种活动,活动内容即获取(包括测定、采集,当然也包括更新)和处理地理信息,并通过地理信息描述和表达测绘对象的空间及属性特征。因此地理信息的获取、处理、表达和应用是测绘活动的核心内容,而城市及地下空间测绘是保障和服务于城市及地下空间规划、建设与管理的测绘地理信息活动[6],主旨是帮助城市规划建设管理者和居民更好的认识我们现实中所处的城市及地下空间环境。

从技术层面来说,城市及地下空间地理信息的获取、处理、表达和管理都要面向具体的规划建设管理相关业务需求,通过数据库、专题应用系统或地理信息公共平台等方式实现应用落地。这其中需要根据应用需求确定地理信息测绘成果的类型和规格,并结合作业条件选择合适的数据获取和处理方法及表达形式,同时根据应用范围确定数据的管理和共享方式。因此应避免无明确定位和业务边界的地理信息数据系统或平台建设。

城市及地下空间测绘包含以下地理信息数据流维度的技术内容:

(1)数据获取,包括数据的初次获取和更新,可分为调查和测绘两种方式,调查包括资料收集、工作底图编绘及属性信息调查表制作、现场调查等过程,测绘即通过控制测量建立测绘基准和框架的基础上,通过常规测量、GNSS测量、摄影测量与遥感等技术手段,获得所需地理信息数据的过程;

(2)数据处理,包括对所获取的初始数据进行清洗、整理、提取、融合等,如点云数据的去噪、BIM数据的语义裁剪、专题特征的提取、影像数据与点云数据的融合,彩色信息与光谱信息的融合,GNSS数据与地面传感数据融合等;

(3)数据表达,包括时空多个维度的多种方式展现,除常规二三维通用数据格式对数据本身进行可视化绘图展现外,还包括对数据分析结果的可视化表达,如静态或动态热力图、动态监测数据的变化聚焦表达、合理抽象和概括的自适应表达、增强现实展示等。

(4)数据管理,包括构建数据模型(如城市信息模型)、数据库(如地下空间数据库)等方式科学组织存储和管理数据并通过应用系统或信息平台等方式实现数据的共享与交换。

3.3 技术方法

测绘生产是一项高度依赖于技术手段的工作。以往城市及地下空间测绘实施中使用的主要手段包括常规地面地下测量及联系测量、卫星导航定位测量、摄影测量与遥感、GIS等技术。近年来,物联网、大数据、云计算、人工智能、移动通信、虚拟现实、增强现实等新一代信息技术的发展为测绘提供了不可或缺的技术支撑,不仅推动了已有测绘技术手段的升级改造,而且也提供了新的技术途径,有力促进了城市及地下空间测绘新成果的开发、业务能力的提升和服务领域的扩大。城市测绘当前的技术方法主要体现在以下方面。

(1)在卫星导航定位测量方面,随着我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)持续发展、美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)不断完善和俄罗斯的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GLONASS)加紧现代化进程,多星座及与惯性导航系统的联合使用,为城市地面控制测量、细部特征点测量中的卫星定位提供了效率、精度和可靠性的极大改善。

(2)无人机作为重要的摄影测量与遥感传感器搭载平台,其经济、高效、易操作等优势使其在城市测绘中得到了广泛应用。

(3)随着时空大数据分析技术的发展,将多平台融合激光雷达测量生成的点云或倾斜摄影测量生成的Mesh模型数据通过聚类分割[7]等算法进行单体化、对象化和特征矢量化,实现非结构化测绘成果的结构化处理,能够为城市精细化管理水平的提升提供可分析的高质量时空数据基础。

(4)无地面控制数字航空摄影测量为城市大比例尺高精度地形图测绘任务缩短了作业周期、降低了生产成本。

(5)高光谱成像技术用于城市环境污染调查和园林病害监测等,将定性遥感提升为定性定量遥感,大大提升污染和病害监测精度。

(6)利用人工智能对高分辨率遥感影像进行语义分割,为违建和固废垃圾监测等业务提供高效可靠的技术支撑。

(7)智能全站仪系统通过目标自动搜索、识别、跟踪和精确照准并获得角度、距离和三维坐标等信息[8],在城市重要基础设施变形监测领域得到了广泛的应用。

(8)地面传感网的广泛应用,使城市的实体对象间实现万物互联成为可能,其与空、天对地观测系统的集成应用,为城市精细化管理提供了动态、实时、连续、准确的城市运行状态数据支撑。

3.4 数据成果类型

结合上文所述人工智能等高新技术方法的应用,城市及地下空间测绘数据成果体现出集成化、精准化、结构化、语义化的发展趋势。我们可以将城市及地下空间测绘数据成果分为表面特征数据和地理实体数据两类(如图2)。

(1)表面特征数据

表面特征数据包括卫星影像、航空影像、数字正射影像、数字高程模型、数字表面模型、Mesh模型、点云等,这类数据较为直观,主要通过人眼观察读取数据所表述的信息,包括城市及地下空间对象的空间位置、几何形态、外观纹理等。因其较少承载空间对象的内在结构等语义信息,难以支持计算机对其进行知识提取和分析。

(2)地理实体数据

升级版的数字线划地图(Digital Line Graphic, DLG)、实体三维模型和经结构化、语义化处理的高分辨率遥感影像、点云和Mesh模型,经集成至统一空间参照系、统一语义的BIM数据等均属于地理实体数据。不同于表面特征数据,地理实体数据具有细粒度结构化实体对象的丰富语义信息,能够很好地支持主题查询、多维分析或空间数据挖掘等各类应用。

其中DLG数据应进行实体类型及语义完整性方面的升级,除现有基础地理信息要素外,应增加满足公共应用需求的必要信息,如各级行政区划和社区等管理服务单元的界线信息、单体建筑物的地址信息等,同时建议根据地理实体的本体特征对地理信息要素分类进行必要的调整补充;对需要注记的信息应作为相应实体或对象的属性信息而不是单独的地理实体或要素;地址应该作为单体建筑物等必备的基本属性信息。

地理实体的分类应超越传统的制图比例尺概念及要素几何表达形式,分类的粒度应与地理实体数据的内容、采集方式及应用需求等相协调。此外,本文建议采用精准度来衡量地理实体的数据特征,包括精细度和准确度两个方面,精细度指的是数据的最小颗粒度或分辨率,而准确度则是指数据的准确程度。精细度、准确度可分别体现在数据的空间维度、专题维度和时间维度上。

3.5 任务类型

根据城市测绘服务需求引领、业务主导的特点,国家标准《城市测绘基本技术要求》将城市测绘任务归纳为基础控制测量、地理信息数据获取、专项测绘、地理信息数据管理与应用四方面;《城市地下空间测绘规范》则将地下空间测绘任务概括为控制测量、现状调查、现状测绘、三维建模和数据管理五方面。事实上,我们可以尝试从另一个角度解读城市及地下空间测绘的任务内容,即建立基准、设定现实、描绘现实及其变化、现实及趋势分析和展现。

建立基准即通过平面、高程、地面、地下控制测量和联系测量,为我们认识世界和改造世界建立统一的时空基准和框架。城市及地下空间工程测绘中的拨地测量、施工放样测设和行政区域界线测绘中的界桩埋设等则属于通过测绘工作设定现实、改造现实的活动。现状调查和各种形式和规格的地理信息数据获取及专项现状测绘工作是城市及地下空间测绘的重要任务,属于描绘现实的范畴,而相对高频多期乃至动态地现状调查和现状测绘即可根据业务需求描绘现实的变化。通过地理信息系统或平台建设,可对数字化测绘成果数据进行管理、分析和多维展现,从而实现对现实及未来趋势的分析和展现,为城市及地下空间的科学运营维护提供数据基础。

上述现状调查包括城市及地下空间某领域的综合普查和专项调查,如地理国情普查、城市土地利用调查、不动产权籍调查、地下管线普查、数字化城市管理部件普查、地名地址调查、单类兴趣点调查等。专题现状测绘包括日照测量、竣工测量、地下空间平面图和断面图测绘、地籍测绘、房产测绘等。规划实施动态监测、地理国情监测、地面沉降测量和建筑变形测量属于监测目标变化的活动[9-10]。

4 结束语

国家标准《城市测绘基本技术要求》和《城市地下空间测绘规范》注重突出城市及地下空间测绘特色,关注测绘地理信息技术的发展和生产实践的需求,立足城市及地下空间测绘的基础性、公共性、服务性、前瞻性特殊性,旨在为构建现代城市及地下空间测绘技术体系提供了标准化支持。自2018年实施以来,两部标准已在全国城市测绘生产实践中得到广泛应用,为推动城市及地下空间测绘的业务发展,提升测绘地理信息的保障服务能力做出了积极贡献。

标准的编写只能通过章节的设定围绕某一个技术维度组织技术内容,同时因其基础性和公共性,不能就一些新技术新方法进行充分阐述或提出主观建议。本文就城市及地下空间测绘技术体系涉及的几个方面以及包含的技术要素进行了讨论,并就一些新型方法和成果的研发提出了建议以期能为衔接两部国标的专项技术标准的制定和修订提供借鉴。此外,城市及地下空间测绘不仅要发展其技术体系,同时还要创新测绘服务的机制体制,以为城市及地下空间规划建设管理和智慧城市建设提供更精准快捷、优质可靠的支撑和保障。