城市地下空间数据信息化管理研究与实践

孙雪梅，刘全海，李楼，冉慧敏，陈凯

(1.常州市测绘院，江苏 常州 213000； 2.常州市地理信息智能技术中心，江苏 常州 213000)

1 引 言

新型基础测绘是信息化建设背景下国家应对基础测绘新需求而产生的变革，旨在实现“空间一体、联动更新、开放共享、按需服务”的基础测绘服务。城市新型基础测绘要完善现代测绘基准，推进无比例尺地理信息全面覆盖，建立城市多维、立体地理要素数据库，基础地理信息动态更新，推进基础地理信息资源共享，改进成果应用服务方式[1，2]。

作为城市基础测绘的重要内容，新形势下城市地下空间测绘也要与时俱进。北京、上海、天津等城市对地下空间信息化展开不同程度的探索和建设，总体来说当前国内城市地下空间信息化建设不多[3]，现有工作主要集中在地下管线，还未将地下管线、地下建(构)筑物在内的地下空间作为整体统筹管理[4]。地下空间资料分散在不同行业主管部门，不同部门间对地下空间信息化缺乏总体考虑，且城市地下空间管理通常基于实体化表达的地下空间设施，如地下空间三维模型，武汉、江阴等地尝试通过人工干预的CAD、激光雷达等数据建模，批量化、无人工干预的三维建模还存在不少技术难点，实地测绘成果还不能直接服务于后续地下空间管理、应用，新型基础测绘体系下地下空间如何管理也还是空白[5，6]。

本文从城市地下空间管理数据采集、管理及应用出发，梳理新型基础测绘体系下城市地下空间管理应用要求，并从测绘技术、地理信息库建设、三维建模、GIS可视化应用等方面着手，分析新型地下空间测绘服务体系关键技术，并以常州市为例，介绍其地下空间新型基础测绘体系下推广应用成果。

2 新型基础测绘体系下，城市地下空间管理要求

城市地下空间通常指建设在城市地表以下，为满足人类社会生产、生活、安全、防灾减灾等需求而建设的包括地下管线、地下建(构)筑物等。地下空间有如下特性：①封闭性及隐蔽性，地下建(构)筑物及地下管线通常位于地下，地下管线更存在分布及走向不明情况，给实际测绘带来难度；②结构复杂，地下建(构)筑物内部设施复杂，逐个表达数据量大；③多维和多尺度特性，受工程地质、水文地质等多条件影响，与地面空间结构联系紧密，与市政、交通、建设等多行业紧密相关[7]。

传统地下空间管理应用通常利用RTK、全站仪导线测量设备获取地下空间内部结构信息，对于年代久远的建(构)筑物及疑难管线，通常很难获取准备几何、物理信息；成果通常表达为DWG格式，规划、设计单位通常作为底图，进行后续应用。城市新型基础测绘广泛采用信息测绘技术向无比例尺地理数据测绘发展，改善成果表达形式，建立地理空间动态更新机制，形成地上地下全空间立体数据库，扩大地理数据应用范围[8]。因此新型基础测绘体系下的地下空间管理应用，也需要从测绘手段、数据组织形式、管理应用形式等方面着手，改变城市地下空间管理应用模式[3]：

(1)融合多种新型测绘技术提高地下空间数据测绘效率，解决地下空间因封闭及隐藏而带来的无法准确测绘问题。

(2)通过集成地下空间、地下管线等多源异构地理空间数据建立地下空间数据库，将地下空间与城市立面空间无缝衔接连接[9]。

(3)研究三维可视化技术，将地下空间升维，建立地上模型、地下模型和地表模型三位一体的空间信息数据库，以三维模型表达地下空间内部设施结构，使得用户不需要再关注细部图元，提高地理信息表达效率，解决地下空间结构复杂、表达复杂问题[10，11]。

(4)通过GIS可视化技术实现城市地下空间采集、管理、应用信息化、精细化、一体化管理，从数据流及业务流两方面着手解决传统测绘中图形文件信息分散，难以统筹管理问题[12]；

(5)结合多行业、多源多类型数据进行深度挖掘应用，拓展地下空间信息图谱，在城市规划管理、人防、轨道交通进行示范性应用，实现新型基础测绘开放共享、综合服务的要求。

3 基于新型基础测绘的地下空间管理应用关键技术

3.1 新型测绘技术应用

(1)北斗卫星增强服务系统

新型基础测绘首先是GNSS、激光雷达、倾斜摄影等一系列新型测绘技术的应用，也同样适用于地下空间测绘。北斗卫星导航系统卫星数量多，采用三频定位，抗干扰能力强，兼容北斗卫星的GNSS可以弥补传统GNSS在高楼密集区和树丛茂密地区固定解无法快速获取的局限性，提高遮挡条件下定位精度，提供统一的、完整的、高精度的基准参考。同时可以利用似大地水准面模型，解算高分辨率厘米级精度的精化大地水准面，实现了利用GNSS技术在测得高精度的平面位置的同时获得该点的正常高，代替低等级水准测量、三角高程测量。

(2)激光三维扫描技术

三维激光扫描仪能够高速获取被测对象表面的三维坐标，快速采集大范围空间点位信息，适合地下空间信息快速采集[13]。但一个地下建(构)筑物扫描点云数据量大，冗余数据多，数据处理工作效率较低，可以基于Cyclone等软件对点云的抽稀处理功能进行二次开发，自动判断给定处理范围内周围地物，同时剔除无效冗余点云。处理后的激光三维立体点云数据直接导入至CAD，利用Cloud Work for CAD所属功能进行快速切片，隐藏切片外的点云数据，切换不同的视图，将三维立体点云数据转为二维平面数据，从而快速生成二维线划图。激光三维扫描获取的地下空间点云数据如图1所示。

图1 激光三维扫描获取的地下空间点云数据

(3)内外业配合的地下空间采集测绘

地下空间测绘通过外业采集点位、内业绘制相互配合生成最终成果，北斗卫星增强服务系统、激光三维扫描技术可以提高外业采集效率，为进一步提高测绘数据处理效率，可以基于CAD研发地下空间采集系统，在CAD平台上实现地下建(构)筑物、地下管线探测数据的快速图形化，同时将楼层、材质等相关属性信息与几何实体挂接。搜索查询模块、图层与编码处理模块、数据检查模块，对数据质量快速查询、定位、处理及修改提供便利，最终的成果数据可以直接提供后续入库管理。

3.2 建立集地下空间和地下管线等多种数据为一体的全空间立体数据库

(1)全空间立体数据库

地理信息数据库的建立和维护是新型基础测绘体系下的地下空间管理应用的重点工作，城市规划、建设和管理逐步走向精细化管理，也对城市空间信息管理提出了新的需求。城市地下空间设施上承地表建筑，下接地下管线、地层地质等设施信息，孤立的地下建(构)筑物设施信息不足以支撑地下空间精细化管理需求，需要以地下建(构)筑物为发散点形成包含城市立体空间数据的综合信息库[14]。

实际建设时可以集成地下管线、地面建筑、用地类型、地质构造、道路、地面建筑、规划条件等地上、地表、地下多类信息，建立包含城市三维立体空间数据的综合信息库、同时利用空间位置挂接地下空间相关的规划、建设、交通、城市管理信息，最终形成的城市立体数据库不再是静态的二维平面图，不同种类的地理空间基础信息不再是割裂的信息孤岛，各类信息相互独立又相互联系，可以为城市规划、建设、管理提供多维度、多层次、多角度、多结构的嵌套信息剖面图，如图2所示。

图2 全空间立体数据库

(2)数据库建设

地下空间数据库涉及的数据量大，种类多，二维数据可采用Oracle等面向对象的关系型数据库统筹管理海量多源异构数据信息。数据库建设时需要对地理空间数据编码设计，采用多时态管理技术管理空间数据，实现以时间轴上的时间段过滤空间数据，做到任意时间点数据快速回放。

三维数据库也是新形势下城市地下空间重要建设内容，三维库也可以利用Oracle管理，原始3ds Max模型及纹理数据均以二进制形式存储，使用时可以利用三维建模工具将原始模型转换成usx格式并发布供后续应用。二维库、三维库的地理坐标和场景可通过视域映射同步，通过唯一码映射可采用同一属性库，二维、三维数据库可实时交互联动。

3.3 传统基础测绘成果升维，配合地形、建筑信息模型(BIM)三维空间表达地下空间

(1)“基于参数”的地下空间三维建模

新型基础测绘体系下的地理实体为地下空间三维可视化提供了很好的切入点，二维表达的地下空间数据存在大量内外范围线、辅助点线等内部辅助图元信息，用户使用较少但却必不可缺，降低了二维数据的表达效率。三维数据整合地下空间内部图元形成独立三维模型，数据表达效率大幅提高[15，16]。

实际建模过程中，地下建(构)筑物楼层、门、消防栓、停车位、柱体、电梯、墙体、地下管线井、阀门等设施对象测绘成果二维表达上有一定参数规则，因此可以直接基于设施二维表达提取相应建模规则，设计并建立了完善的三维部件符号库、纹理库，研发三维建模软件，基于二维地下空间数据库，分析并自动提取了地下空间三维设施对象信息和建模规则，基于3ds Max软件下研发地下空间三维自动建模功能，实现了二维地下空间到三维模型的全自动生成[17]，如图3、图4所示。

图3 “基于参数”的地下建(构)筑物三维建模成果

图4 “基于参数”的地下管线三维建模成果

(2)融合BIM表达不同细节颗粒的地下空间

与三维GIS模型相比，BIM模型能详细表达建筑细部结构，二者融合可以表达不同细节颗粒的地下空间模型。利用通用的标准IFC(工业基础类)格式作为中间格式，基于IfcOpenShell等开源库，研发了BIM数据向3ds Max三维模型自动转换及属性信息无损提取软件，发布至三维GIS平台实现城市级大场景的浏览与应用。同时可以采用非结构化数据库MongoDB进行BIM属性信息的存储，支持BIM模型属性查询、增减，适应数据标准变化[18]。

实际三维建模时，大范围区域可以应用批量建模，重点区域可采用人工精细建模或BIM模型，综合三维自动建模与人工精细建模相互之间的优势，打通数据生产、数据入库及三维建模更新链路，形成城市地下空间建模到三维应用的完整技术体系。

3.4 基于GIS可视化技术研发地下空间综合管理软件

新型基础测绘中多源、多模态、异构地理空间数据，通常利用GIS可视化手段按需提供服务。地下空间也可以综合CAD、WebGIS等泛GIS平台实现地下空间数据的高效、精细管理[12]。

(1)CAD平台

以CAD平台为基础进行二次开发，搭建基础数据采集到数据检查、成图、整饰出图软件平台，实现外业数据采集到内业数据编辑生产的作业流程，同时可以打通CAD与数据库数据交互链路，实现地下空间数据动态更新入库。

(2)WebGIS平台

基于WebGIS搭建地下空间轻量级浏览应用服务，提供浏览、统计分析功能，能将相关地理空间数据叠加浏览，通过服务的形式为其他部门、项目提供专业服务，实现新型基础测绘开放共享、按需服务的目标。

(3)三维应用平台

考虑到地下空间数据多维数、多层次、细节丰富的特征，引入三维可视化技术研发三维GIS管理软件，在实现实时三维GIS模型构建、内外业一体化动态更新的同时，集成BIM，实现了城市级别的地下管线、地下空间建(构)筑物三维模型以及地表三维模型的集成与一体化管理应用。

3.5 地下空间信息管理与综合应用模式研究

新型基础测绘需要在服务模式上创新，要从被动向主动、从后台向前台、从间接向直接向一站式服务发展，因此利用地下空间二维、三维数据库和GIS可视化管理软件，进一步可以：

(1)研究并形成地下空间及拓展信息资源图谱

对需要利用到地下空间行业领域展开研究，如自然资源部门的地下空间规划设计与开发管理、住建部门的人防工程开发建设与维护管理、城市轨道交通管理部门的轨道交通站点及线路的开发建设与运营管理等，对相关应用领域开展业务需求分析、信息资源需求分析，以充分利用地下空间数据，指导后续示范应用系统的建设。深入分析研究了以上相关部门的信息资源构成，以地下建(构)筑物为核心，扩展相关专题的信息资源，研究并形成地下空间及拓展信息资源图谱，指导未来对数据资源的充分利用、挖掘。

(2)建立地下空间开发资源评估技术体系并开展应用实践

结合工程地质情况、水文地质情况、历史文保、潜在开发价值、工程可行性等多方面的因素，建立地下空间资源评估指标和参数体系(图5)，以格网形式对地下空间资源按竖向层次进行质量评估，利用GIS可视化技术表达评估结果，划定地下空间资源分区，指导后续地下空间资源开发利用[19]。

图5 地下空间资源质量评估方法

(3)推进地下空间在地下空间规划管理、人防工程管理、轨道交通管理等领域的示范应用

以新型基础测绘为指导而建立起的集地下空间数据综合地理信息服务平台，通过二维、三维形式展示地下空间层次、结构信息，结合规划、地质、地面设施、管线等多源信息，可以从宏观及单体角度对地下空间设施的规划、利用提供技术支撑，一库多用，实现地下商业、娱乐、休闲、交通、停车、防灾等功能合理配置，同时满足规划、交通、管理等多种用途。翔实准确的地下空间数据也为轨道交通周边地块调查管理、人防应急掩蔽提供数据支撑，为城市安全运行和提升城市综合承载能力、城镇化发展质量提供保障。

4 应用案例

常州市以新型基础测绘下地下空间管理要求为指导，在常规测绘技术的基础上引入GNSS及北斗增强定位系统实现地下空间快速精准定位，引入激光三维扫描技术、探地雷达等物探技术快速获取地下空间详细结构，于“十三五”期间完成了常州市地下空间普查[20]。

为进一步提升地下空间管理应用效果，集成常州市地下空间普查、动态更新数据、地面建筑、地质构造、地下空间规划信息等多源、多模态数据，建立城市立体空间数据库，并基于地下空间三维建模技术，融合BIM模型将传统基础测绘成果向三维升级，研究地上地下一体化无缝表达的数据模型、数据整合以及可视化等技术，基于CAD平台、WebGIS、三维GIS平台，研发地下空间CAD应用系统、地下空间管理系统、地下空间三维应用系统及地下空间综合应用系统，平台总体结构如图6所示：

图6 常州市地下空间综合管理平台总体架构

常州市通过地下空间综合管理平台的建设：

(1)集成地下建(构)筑物、地下管线、地质构造、道路、地面建筑、影像、地形等数据构建全空间立体数据库，形成基于实体、纵向统一、多尺度融合、面向应用的常州市地下空间专题数据库，同时通过软件系统及作业流程配合，实现了地下管线、地下建构筑物数据动态更新入库，为常州市自然资源和规划局后续基础地理信息空间平台建设提供数据服务[21]，如图7所示。

图7 三维GIS可视化技术服务城市地下空间管理

(2)常州市地下空间数据由简单管理与单一资料提供应用方式向地下空间的高效化和精细化管理的巨大提升，以技术现代化促进地下空间成果应用多样化，推进地下空间管理业务形态转型升级。

(3)常州市自然资源和规划局基于地下空间现状数据，按经纬格网划分常州市主城区，对地下空间资源分不同竖向层次进行评估，划定地下空间资源分区，指导地下空间资源开发利用，如图8、图9所示。

图8 常州市主城区次浅层地下空间资源评估结果

图9 常州市主城区浅层地下空间资源评估结果

(4)针对地下空间应用形式单一，通过数据服务及应用服务形式，常州市在人防工程管理(图10)、轨道交通建设与运营管理(图11)等方面开展了典型示范应用，拓展地下空间多行业融合应用，符合新型基础测绘体系下促进系统内及行业之间信息共享要求。

图10 常州市人防三维仿真应用

图11 常州地铁三维GIS应用平台-BIM与GIS数据集成展示

5 总结与展望

本文以新型基础测绘服务要求出发，根据当前城市地下空间管理应用的重难点，分析新型基础测绘体系下城市地下空间管理应用的要求和关键技术。通过引入新型测绘技术，常州市有效提高了地下空间实地测绘效率，搭建地下空间基于实体、纵向统一、多尺度融合、面向应用的二三维地理空间数据库，实现了成果管理应用由平面向立体空间发展，基于GIS可视化技术研发常州市地下空间管理平台，并在服务模式上创新，拓展地下空间信息资源图谱，推进地下空间成果在自然资源、人防、轨道交通等多个行业应用。未来地下空间三维模型可继续为室内导航、自动停车等提供三维场景式服务，而基于地下空间设施可以试点常州市三维地籍管理，建立地下空间土地使用权价格评估标准可以增加土地利用效益，将土地利用由二维平面向三维立体跨越式发展，从而形成了常州市“空间一体、联动更新、开放共享、按需服务”新型地下空间测绘服务体系[22，23]。