城市地下空间信息集成管理与服务平台关键技术及应用

潘良波，周 文，丁志庆，石小蒙, *，李倩楠，范维宁

(1.正元地理信息集团股份有限公司，北京 101300；2.北京市智慧管网安全评价及运营监管工程技术研究中心，北京 101300; 3.山东正元地球物理信息技术有限公司，山东 济南 250000)

0 引言

城市地下空间是地表以下自然形成或人工开发的空间，是宝贵的自然资源和重要的战备资源[1-3]。在中国经济突飞猛进的大背景下，快速的城市化进程加剧了城市土地资源的供需矛盾，地上空间开发利用趋于饱和,科学、高效、安全地开发利用地下空间资源成为缓解城市病、改善城市生态环境、优化国土空间结构、强化城市韧性的重要手段[3-5]。随着地下空间开发利用趋于多样化、深度化、复杂化，供水管网漏损、地面塌陷、火灾等事故、灾害频发[2,5]。城市地下空间信息化工作被行业管理者越发重视[6]。

近年来，国内诸多专家学者对地下空间信息化建设的研究，主要聚焦在地下管网、人防、地质等单一领域。黄平等[7]提出基于GIS 的人防工程管理信息系统设计与实现思路，实现了人防工程在规划布局、建设管理、平战转换、维护使用等方面的支撑保障作用。郑丰收等[8]提出了城市地下管线智慧化管理平台的建设思路与关键技术，实现了地下管线监、控、管一体化管理。宋越等[9]主要面向城市地质提出了地上、地下一体化三维可视化平台技术框架。

现阶段国内地下空间信息化仍然存在诸多问题：1)各行业、专业信息管理分散，系统之间相互割裂、难以协同[10]；2)精细化管理程度不高，停留在对普查、调查、竣工等现状信息粗放式管理的模式；3)地上、地下全空间三维集成可视化水平较低，现阶段主要集中在地下管网、地质环境、地铁等单一要素的三维呈现；4)辅助地下空间开发利用与安全运维管理的应用欠缺。

为解决上述地下空间开发利用与安全运维管理过程中存在的问题，本文将地下空间作为一个有机整体进行统筹管理，同时融入地下空间“全生命周期管理”理念，提出地上地下全空间数据组织、融合、可视化、分析、预测、评价技术，研发集地下空间信息集成、快速建模、可视化表达与科学决策为一体的城市地下空间信息平台，实现对地下空间数据的一体化管理和应用，助力城市地下空间精细化管理与智慧化决策，夯实新型智慧城市建设与国土空间规划体系建设的地下基础，为服务地下空间开发利用、保障地下空间安全和科学管理提供支撑。

1 地上、地下全空间一体化智慧管理技术

地下空间的开发与利用不仅仅依赖于地质情况，与地上的构建筑物、工程施工、人口的密集程度也有着密切的联系[11-13]。城市地上、地下空间的综合统筹和一体化规划可以最大限度地降低因地质情况和其他构建筑物造成的地下空间规划利用不合理等情况。本文以海量、多源异构、多分辨率城市地上地下数据高效组织及三维可视化为核心，深度融合大数据存储、分析挖掘技术，攻克地上、地下多源数据组织，全空间数据一体化融合，地上、地下数据时空一体可视化，地上、地下一体化分析、预测与服务等关键技术，实现城市地上、地下PB级数据的集成管理与服务。

1.1 地上、地下多源数据组织技术

随着地下空间元素的多元化，地球空间信息涉及范围从地球表面扩展到了地上、地下全空间，然而目前的数据组织方式主要集中在传统二维空间的数据组织方式，很难满足城市立体化的发展要求，亟需研究一种地上、地下全空间三维数据组织技术。本文在Geohash算法的基础上，突破二维空间索引编码的方式，基于等分法将高程数据划分为多级、多精度的高程段，加入高程约束，将地上、地下全空间剖分为多级、多精度的三维立体空间网格，并建立全球唯一的网格编码，实现地上、地下多源数据的组织，核心技术思路如下。

1.1.1 三维立体空间网格剖分

1)球面网格。根据Geohash算法，用平面递归的方式将地球球面按照经度范围和纬度范围分别划分为多级、等分的不同区间段。

2)高程区间段。在地上、地下全空间三维高程范围内，按照由低到高的顺序，利用等分法的原则将地球球面以下的地下空间以及地球球面以上的地上空间的高程范围划分为多个级别、等分的高程区间段；高程级别越高，高程区间段的高度越短，所表示的空间位置越精确。

3)网格组合。将球面维度的网格与高程维度的高程区间段组合形成以地球球面为基准的全球三维立体空间网格，同一级别的网格在3个维度上包括的区间段是相同的，球面维度的单位为“度”(°)，高程维度的单位为m。全球三维立体网格如图1所示。

图1 全球三维立体网格示意图

1.1.2 三维立体空间网格编码

1)单维度编码。球面网格的经纬度编码参照Geohash的二进制编码方式；高程维度以0,1,2,…,n-1的编码方式为每一级、每一个高程区间段进行编码。例如：第1级的高程区间段编码分别为0，1，2，…，(n-1)；第2级的高程区间段编码分别为00，01，02，…，0(n-1)，10，11，…，1(n-1)，…，(n-1)1，(n-1)2，…，(n-1)(n-1)；以此类推，得到高程维度每一级的编码。

2)转码。根据实际使用需求采用base 32、base 36、base 64等编码方式，将球面网格的经纬度编码转换为相应的数值编码；将高程区间段的编码转换为相应的数值编码，其中1个编码表示唯一的1个数值，用数值编码表示每一级、每一个高程区间段的数值。

3)组码。将球面网格的编码和高程维度的编码交叉重组，在球面网格编码的基础上加入高程编码，构成了全球三维立体网格的编码；球面编码在前，高程编码在后，每一级别的全球三维立体网格编码的前缀都是该位置的上一级别的全球三维立体网格编码。

1.2 地上、地下全空间数据一体化融合技术

地下空间涉及的数据由于业主单位、采集时间以及参考标准的不同，致使数据质量参差不齐，同时也造成了数据之间的误差。目前，关于地上、地下一体化的研究主要集中在地上、地下一体化建模方面，研究人员更加倾向于从数据源头打破各类数据之间的壁垒，从最初的建模层面上实现地上、地下一体化数据融合。虽然，这种方法可以更加精准地达到地上、地下一体化的目的，但是这种方式不能直接利用现有数据，要重新建模，而重新建模需要耗费大量的人力、物力、财力以及时间。为有效解决现有地上、地下全空间不同来源、不同类型的三维模型之间的一体化集成问题，实现地上、地表、地下3层空间的多维空间表达，本文根据城市地下空间开发利用现状及其数据情况，对收集、处理、建模的原始数据与成果数据进行详实的精度、准确度分析与判断，确定地上、地下一体化模型融合的基准面。并以此为基础，将地上三维模型、地表影像、地下空间设施模型、地质体模型按照统一坐标系、统一比例尺进行模型装载与融合，实现地上、地下数据的一体化融合，见图2。

图2 地上、地下全空间数据一体化融合

1.2.1 数据的收集和整理

收集可以表达地上、地表和地下空间的数据，包括地表影像数据、DEM数据、二维矢量数据、地上三维模型数据、地下空间设施模型数据、地下管线三维模型数据和地质环境三维模型数据。其中，地上三维模型数据包括传统三维手工模型(3DMax等格式)、倾斜摄影模型、BIM；地下空间设施模型数据包括传统三维手工模型(3DMax等格式)、BIM等；地质环境三维模型数据包括三维地质结构模型和三维地质属性模型。对收集到的数据进行整理，并在不改变各类数据表达内容的前提下按照相关要求对数据进行简单调整。

1.2.2 数据检查与校验

检查收集和整理数据的质量、坐标、格式等是否符合相关标准规定。检验原始模型是否已经实现了融合，是否存在交叉、分离等现象。

1.2.3 高程基准面选取与论证

高程基准面是实现地上、地下全空间三维模型数据一体化融合的基础。在对各类涉及地形高程数据的精度、坐标、质量等进行精确的分析判断之后，选取数据获取时间最新、数据精度最高、最能表达当下地表起伏情况的地表高程数据为高程基准面。涉及地表高程的数据有地形数据、传统三维手工模型数据、倾斜摄影模型数据和三维地质模型数据。

1.2.4 模型校正

利用确定的高程基准面，采用空间校正和配准、编辑DEM和布尔运算，校正DEM、传统三维手工模型、倾斜摄影模型和三维地质模型中的地表起伏。

1)空间校正和配准。不同类型、不同来源的数据参考的地理坐标系不同，同时由于建模软件的限制，传统手工三维模型通常不具有地理坐标系的概念，仅仅是建立在一个正交三维场景中的模型。三维GIS系统中的三维场景，一般以经纬度为基准面，可以最大程度的将真实的世界展示在人们眼前。使用布尔沙模型或莫洛坚斯基模型进行三维坐标转换，将不同空间坐标系下的各类模型在不改变模型空间位置和几何形状的前提下统一到同一球面空间参考下。在三维模型进行坐标转换过程中，对组成模型的顶点的空间位置进行转换，对贴图纹理以及纹理坐标不做改变，这样可以保证坐标转换完成后，模型纹理不变。

2)编辑DEM。采用人工交互的方式，将DEM与高程基准面保持完全一致，包括平移顶点、增加顶点、删除顶点、抽稀顶点、碰撞分析(根据指定的空间规则，分析DEM、三维模型是否与指定的空间规则一致，同时标识出DEM与三维模型中不一致的部分)。

3)布尔运算。将2个或多个物体进行交集、并集、差集等的计算，实现DEM与三维地质模型的一体化融合、DEM与地上三维模型的一体化融合以及三维地质模型与地下空间设施模型的一体化融合。

1.2.5 模型构建

将已经实现融合的DEM、地上三维模型数据、地下空间设施模型和三维地质模型进行分级、切片存储。对于地表影像数据，采用地表影像数据与DEM数据融合技术，实现地表影像与DEM的一体化融合。同时，根据用户提供的二维矢量数据(建筑物矢量面和地下管网测绘数据)，利用矢量面拉体工具和地下管网三维模型生成工具，生成以DEM为基准的构建筑物的三维矢量模型和地下管网的三维模型，实现三维矢量模型和地下管网三维模型的构建以及与DEM的一体化融合。

1.3 地上、地下全空间一体化数据可视化技术

为解决海量、多源异构地上、地下全空间数据可视化调度问题，采用GPU和CPU混合渲染架构，支持Direct3D和OpenGL双引擎。通过分析GPU程序访存特征，使用多级缓存技术，对CPU-GPU融合系统的末级缓存进行最优的静态划分，提供更加快速的图形渲染和并行运算能力。

同时，采用基于地理坐标系的四叉树或八叉树划分的空间索引技术，依据当前场景视点位置决定哪些数据需要从云端下载缓存到本地，哪些数据需要从本地缓存载入内存，哪些数据需要从内存缓存到显存，构成从本地缓存、内存、显存的3级缓存结构和调度策略。整个调度过程使用多线程技术，一个线程进行数据的渲染，一个或一个以上的线程从网络下载数据，并将其缓存到本地磁盘，进而加载到内存中。

此外，在数据生成缓存时，进行对象打组及压缩处理，减少对象存储空间，提升网络传输性能与渲染性能。引擎还通过实例化技术、LOD技术、场景视锥体剪裁技术等，实现TB级地下时空数据的真实感可视化与高效调度。

1.4 地上、地下全空间一体化数据分析、预测、评价技术

为解决辅助地下空间开发利用与安全运维管理的应用欠缺问题，本文从全域视角出发，基于大数据分析技术深度挖掘地下空间要素的变化规律及发展趋势，探究知识驱动型辅助决策模型的实现过程，形成基于业务流和事件协作的任务分解方法。通过构建大型建筑物选址分析、地下轨道交通选线规划等多尺度辅助决策分析模型，实现地下空间安全预测、预报，精准支撑城市地下空间的开发利用与安全运营[14-15]。

以大型建筑物选址分析为例，核心技术思路如下：

1)以建筑物底面多边形为基础按照1.1倍的缓冲面积开展地下空间设施的缓冲区分析。

2)基于上一步分析结果，进行垂直方向的碰撞分析，判断哪些地下空间设施与建筑物桩基有冲突。垂直方向上的碰撞分析，是将建筑物的每个桩基与地下空间设施进行碰撞分析。

3)分析得出冲突位置水平方向的坐标范围和垂直方向的坐标范围，垂直方向为相对坐标(相对于地面)。

4)根据冲突位置坐标范围信息绘制冲突位置高亮模型(建筑物桩基的高亮模型)。

2 平台设计

平台基于物联网、云计算、大数据等新一代信息技术，采用面向服务的体系架构，构建符合标准协议、具有较强通用性、功能完善的地下空间应用服务系统，平台总体架构见图3。

图3 平台总体架构

2.1 地下空间数据中心

地下空间数据中心包括基础数据库和专题数据库。

1)基础数据是表征地下空间要素客观、固有特征的空间数据与属性数据，可为系统提供各类基础数据来源，包括基础地理数据、城市地质数据以及地下空间设施数据3大类。基础数据库数据内容如表1所示。

表1 基础数据库数据内容

2)专题数据是表征地下空间要素的特定性质、运行状态及环境变化数据，可支撑地下空间各类业务应用，包括地下空间业务数据和地下空间动态监测数据，如表2所示。

表2 专题数据库数据内容

2.2 平台功能

城市地下空间信息集成管理与服务平台是面向地下空间全生命周期管理的综合性应用支撑平台，覆盖地下空间数据建库成图、管理、可视化、应用分析和共享的整个流程，同时涵盖地下病害体综合管理、工程地质勘察应用管理、地球物理数据处理等专项应用，可支撑地下空间基础数据、业务数据和监测数据的一体化管理、应用和决策分析，为城市地下空间规划、建设、运行、安全和管理提供全方位、高效、长期的信息服务与支撑。平台包含地下空间基础信息平台和地下空间专项应用平台，平台功能结构如图4所示。

图4 平台功能结构

3 应用实践

目前，城市地下空间信息集成管理与服务平台已成功应用到某地级市地下空间信息化项目中。

3.1 地上、地下一体化数据集成展示与管理

该地级市地下空间信息化项目涉及的地下空间数据范围达190 km2，数据量达1.02 PB；数据来源主要包括国土部门、规划部门、城建部门、地调部门、交通部门及地铁集团等相关单位；数据内容包括地质环境、地下管线、地基、地下空间设施等各类要素基础空间数据、属性数据及其物联网监测数据；数据格式覆盖CAD、二维矢量、倾斜摄影、3DMax手工模型、BIM、Geo3DGML地质模型等。各类数据质量参差不齐，参考的坐标系、使用的比例尺、选择的地表统一基准面等多个方面存在差异。

为解决该地级市大范围、海量、多源异构地下空间数据的一体化集成展示与管理的问题，本文通过采用地上、地下多源数据组织技术，根据城市地下空间管理需求，将该地级市190 km2，地上、地下500 m范围剖分为547×104个三维立体空间网格，重点针对核心示范区2 km2、地上地下500 m范围按照m级剖分为8.89×108个三维立体空间网格，并生成全部网格的三维空间唯一标识编码，进而建立基于三维立体空间网格编码的数据组织关系与索引机制。通过试验对比，相较于传统经纬度坐标的空间查询管理方式，效率提高3～5倍。通过地上、地下全空间数据一体化融合技术，选取与该地级市实际高程相符的DEM数据为高程基准面，基于自主研发的数据融合工具，首先，将该地级市190 km2范围30 m精度的DEM与核心示范区2 km2范围2 m精度的DEM进行融合；然后，以融合后的DEM为最终确定的高程基准面，将地上倾斜摄影模型、地上构建筑物模型、BIM、地质体模型、地下管线模型及其地下空间设施模型分别与融合后的DEM进行空间位置校准；最后，分别进行三维地质模型与高程基准面、地下空间设施模型的自动布尔运算，并根据实际情况通过人机交互方式对模型接边进行手动调整，进而实现不同来源、不同坐标系、不同高程基准面数据的地上、地下一体化融合。通过采用地上、地下全空间一体化数据可视化技术，自主研发三维可视化引擎实现该地级市190 km2范围、1.02 PB地下空间相关数据在三维场景中可视化调度渲染，快速、逼真呈现地上建筑、城市景观、地质环境、地下管线、地下空间设施、地基等要素的三维特征，进而为城市地下空间资源规划布局优化、科学开发利用以及安全运维保障提供支撑。地上、地下一体化数据集成展示与管理见图5。

图5 地上、地下一体化数据集成展示与管理

3.2 地下空间开发利用辅助决策

3.2.1 大型建筑物选址分析

针对该地级市进行大型建筑物规划选址的需求，根据导入的工程规划建筑矢量面以及一些建筑物基本信息，在三维场景中模拟生成建筑物原型，进行建设区域软土层评价以及桩基与地下已有设施的冲突评价，分析是否与已有的地下空间设施产生碰撞、冲突，判断是否会影响到周围区域内的地下构筑物、地下资源，是否存在地质问题等，得出大型建筑物选址的专业综合建议，为城市进行旧城改造、新城建设等提供辅助决策。以某大厦规划选址为例，根据拟定规划的设计方案进行地上、地下全空间决策分析，发现大厦拟定的桩基深度与地下水冲突，与周边14 695 m2的地下空间建筑冲突。大型建筑物选址分析见图6。

图6 大型建筑物选址分析

3.2.2 地下轨道交通选线规划分析

针对该地级市进行地下轨道交通选线规划的需求，根据轨道交通规划方案路线与现有地区地质条件(地层、地下溶洞和地下空洞)和地下空间设施(地上构建筑物的桩基和地下构建筑物)的交互关系，遵循“避让原则”对规划设计方案进行评价，评估当前设计线路的影响范围、需搬迁房屋数量、建筑面积，分析统计出规划方案穿越地层长度对比图、障碍物数量对比图、地质剖面与地下空间联合剖面图，为地铁、地下隧道等线性轨道交通规划、选址与施工提供有力支撑，提高选址规划的科学性和经济性。以地铁选线规划为例，导入拟定规划的2条地铁线路，进行地下轨道交通选线规划分析，发现2条地铁规划线路穿越的地层、障碍物数量均存在明显差异。通过上述分析可为地铁施工造价评估、拆迁评估等提供支撑。地下轨道交通选线规划分析如图7所示。

图7 地下轨道交通选线规划分析

3.3 地面坍塌应急处理

根据地面塌陷现场情况，对接塌陷现场地下水、地下病害体、地下空间设施运行状态等实时监测信息，在三维场景中快速对塌陷事故进行重建模拟，通过对事故发生的地点、塌陷范围、影响范围的设置，真实还原事故的情况，并统计出可能影响到的地质资源(地下水、浅层地温能)、地下空间资源(包括管线、地下空间设施等数据)情况，为事故处置提供辅助决策。地面坍塌事故模拟分析如图8所示。

图8 地面坍塌事故模拟分析

4 结论与建议

本文提出了可以支撑城市地上、地下全空间数据组织、融合、可视化、分析、预测与评价的关键技术，打通了地下空间信息化核心技术关键环节，实现了城市地上、地下PB级数据的集成管理与服务。在此基础上，研发了以地下空间有机整体为研究目标的城市地下空间信息集成管理与服务平台，有效解决了地下空间数据管理分散、系统割裂、精细化管理程度不高、地上地下全空间三维集成可视化水平较低、辅助地下空间开发利用与安全运维管理相关应用欠缺的难题，实现了地下空间数据的一体化管理、应用和决策分析，为城市地下空间规划、建设、运维提供全方位、高效的信息服务。目前相关成果已成功应用于多个城市地下空间样板工程，并取得良好的应用效果。

未来，随着地下空间信息化理论研究的不断深化与信息技术水平的持续提高，平台可深度结合大数据、人工智能等新一代信息技术，构建地上、地下全空间基础时空框架。同时可进一步优化地上、地下全空间一体化数据分析、预测、评价模型，赋能地上、地下空间统筹协同开发，为新型智慧城市建设提供全空间一体化分析、评价和决策服务。