城市地下空间要素的数字化路径探讨与思考——以上海市为例

安文通

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 上海市地质勘查技术研究院，上海 200072；3. 自然资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；4. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

城市地下空间开发利用是我国近年来城市建设的热点，建设速度之快、规模之大，史无前例[1]。与地面空间相比，地下空间具有空间相对隔离、隔音、自然灾害影响小、环境污染小等优点[2-4]，合理的开发利用城市地下空间，可有效缓解城市发展过程中日益突出的人地矛盾，提高土地的利用效率，保障城市的可持续发展。但是与城市地下空间的开发规模相比，当前城市地下空间的数字化水平相对滞后，在数字经济上升为国家战略的背景下，推动城市地下空间的数字化建设迫切且必要。所谓数字化可分别从专业概念和泛化的社会认同两个角度来理解，其专业概念通常是指将现实中各类复杂的信息转变为可度量的数据，通过建立数字化模型的方式转变为二进制代码，存储于计算机的过程；而泛化的社会认同更多的是强调通过数字化技术打通阻碍信息传递的壁垒，实现跨部门的系统互通、数据互联，为业务赋能，支撑决策。本文所提到的城市地下空间数字化建设是指利用数字化技术来解决城市地下空间在规划、建设、管理和运维过程中数据共建、共治和共享的相关问题，补齐城市数字底座，支撑智慧城市建设。

上海市作为我国最早开发利用城市地下空间资源的城市之一，在地下空间数字建设方面开展了诸多探索，取得了一些重要成果，例如：三维地籍调查、三维城市地质调查和地下管线普查及可视化等。另一方面，上海市城市地下空间数字化建设也存在诸多不足，例如：地下空间涉及要素和管理部门众多，彼此数据不通；不同要素的数字化建设单位各自为战，步调不一；数据更新滞后维护困难等问题。针对城市地下空间数字化建设，本文认为可从以下三个维度来进行思考：一是可视化，二是可实用，三是可持续。首先，建设全市标准统一的可视化全要素地下空间数字底座是数字化建设最基本的需求；其次，数字底座实现应用级别的业务功能是数字化建设的基本目标和着力点；最后，实现数字底座的共建、共治和共享，保障其生命力和可持续是数字化建设成功与否的重要标志。本文对上海市城市地下空间要素的数字化现状进行总结，对过往经验和不足进行思考，以期对我国同类型城市的地下空间的数字化建设提供借鉴。

1 城市地下空间数字化现状

1.1 城市地下空间数字化背景

近些年发展数字经济，推进数字化转型是国家重大战略，城市地下空间数字化建设是城市数字化转型的重要内容，对于提高城市治理的精细化水平具有重要意义，无论中央和地方都非常重视城市地下空间的数字化建设。国家层面，2016年6月，住建部印发了《城市地下空间开发利用“十三五”规划》，其中一项主要任务是推进地下空间普查和地下空间信息系统建设，促进实现城市地下空间数字化管理，提升城市地下空间管理标准化、信息化、精细化水平[5]；2020年9月，住建部印发城市信息模型（CIM）基础平台技术导则，提出构建三维数字空间的城市信息有机综合体[6]，其中城市地下空间是CIM基础平台建设重要组成部分；2021年02月，自然资源部办公厅印发《自然资源三维立体时空数据库建设总体方案》指出建设自然资源三维立体时空数据库和数据库管理系统，城市地下空间资源作为自然资源的一部分，其相关数据对于政府科学决策和社会建设管理具有重大价值[7]；2021年8月，自然资源部办公厅印发《实景三维中国建设技术大纲（2021版）》的通知，提出为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底[8]，城市地下空间是空间基底不可或缺的部分。

上海市一直以来都非常重视城市地下空间数字化建设，先后开展如三维城市地质调查、三维地籍调查、地下管线普查、数字孪生建设等工作，在城市地下空间数字化建设方面取的显著成效。2021年8月，上海市住建委、市规划资源局、市交通委等7个与城市地下空间开发利用相关的委办局印发《关于加强本城市地下市政基础设施建设的实施意见》，要求深入开展设施普查，开展数据归集，构建全市统一的覆盖地下管线、地下通道、地下公共停车场、民防工程的城市地下市政基础设施综合数据库，全面推进地下市政基础设施城市数字化转型，进一步夯实基础底座，实现地下市政基础设施“数治”新范式，全面提升城市地下市政基础设施建设与管理的科学化、精细化、智能化水平[9]，对城市地下空间的数字化建设提出了更高的要求。

1.2 国外城市数字化

城市地下空间数字化是城市数字化的重要组成部分，国外的城市数字化研究主要集中在以BIM（Building Information Modeling，简称BIM）为核心的三维建模和其与地理信息系统的结合。三维城市模型（3D City Model）的概念是由“数字地球（Digital Earth）”发展而来的，目前三维城市模型分为设计模型和现实世界模型，设计模型是由工程师制作而成主要应用于建筑行业，现实世界模型通常是在地理信息系统中对现实对象的表达[10]。目前，越来越多的研究人员已经开始重视三维城市建模的研究，因为其在城市规划、土地利用管理、交通管理等方面中发挥着越来越重要的作用[11]，为此国外学者开展了诸多尝试，例如：开放街道地图（Open Street Map，简称OSM）目标是创造一个内容自由且能让所有人编辑的世界地图[12]；Skyline三维地理信息服务平台可实现创建和发布逼真的交互式三维场景，应用于数字城市；利用BIM模型构建城市不同功能模块及整合其附属的详细信息[13-14]等。近些年，随着中国城市数字化转型进程的加快，国内学者关于城市信息模型（City Information Modeling，简称CIM）的相关研究也在逐渐引起关注[10]。此外，物联网（Internet of Things，简称IoT)）对未来城市地下空间运维的有效支持也是城市地下空间数字化的重要内容，如在地下交通管理、政府管理、公共基础设施和地下资源管理等方面[4,15-17]。

1.3 上海市城市地下空间数字化现状

上海市城市地下空间数字化建设工作始于对不同城市地下空间组成要素的专题调查工作，如：上海市三维地籍调查、三维城市地质调查和地下管线普查等专题工作，随着各类要素数据的积累，数字化工作开始向全市范围、全要素和系统性的基础数字底座方向发展，上海市城市地下空间数字化工作相比于国内其他城市呈现出体量大、要素全、标准高等特点。城市地下空间的组成要素包括地质体、各类地下建（构）筑物、地下管线等。城市地下空间的规划、建设、管理和运维涉及众多政府部门和企业，以上海市为例，涉及城市地下空间开发利用的政府部门就有上海市住建委、市规划资源局、市交通委和市民防办等。管理职能的复杂导致城市地下空间的数字化建设一直以来都是以某一类型要素的地下空间为目标，例如针对地下管线的数字化，针对轨道交通的数字化等等，随着上海市“一网通管”工作的推进，整合各类已有城市地下空间数据资源将是未来趋势。按照前面提到的三个维度可视化、可实用和可持续，上海市城市地下空间数字化基本实现了各类地下空间要素的可视化，基于数字化逻辑的各类业务应用级功能正在建设阶段，未来可持续的全生命周期数字底座尚处于探索阶段。

下面本文分别针对城市地下空间的组成要素地质体、各类地下建（构）筑物和地下管线、地下监测网络等方面来介绍上海市在城市地下空间数字化建设的进展：

（1）地质体

地质体是城市地下空间开发的载体，上海市三维城市地质调查始于2004年，通过多年努力建立了包含地质钻孔、地质环境监测信息、专题地质图和三维地质模型的核心数据库，为上海市城市地下空间综合调查提供了基础数据。总的来说目前上海市地质数字化建设成果显著，在地质资料汇交共享方面建设有上海地质资料信息共享平台，在三维城市地质方面建设有上海市三维城市地质信息系统，此外还有专业应用系统如上海市地面沉降信息管理系统、地质环境监测信息管理平台等。这些地质领域的数字化建设成果对于上海市城市地下空间的开发利用提供了有力支撑，对保障城市安全提供了基础数字底板[18-21]。

（2）地下建（构）筑物

地下建（构）筑物是城市地下空间利用中最普遍的方式，上海市地下建（构）筑物建设规模巨大，主要开发类型包括地下室、地下停车场、地下商业设施、市政基础设施、地下桩基、地下民防设施、隧道、地下通道、综合管廊等等。为了查清上海市中心城区地下建（构）筑物规模，上海市开展了地下空间初始地籍调查[22-24]，建成了中心城区地下建（构）筑物数据库和三维模型。据不完全数据统计，截至2020年底，全市累计调查地下空间6万多个，包括地下场室、地上建筑物桩基、高架（道路、桥梁）的承台桩基等。

上海市地下建（构）筑物数字化工作开展较早，全市统一的数据库有效的支撑了城市重点工程的规划、审批、建设、管理和运维。同时也要注意的是当前信息化技术发展迅速，随着建（构）筑物BIM模型、城市CIM平台、数字孪生城市和元宇宙等概念的提出，传统的城市地下建（构）筑物三维建模及数据管理模式是否能满足新技术的需求还有待检验，新技术与现有系统及数据的融合也需要尽快开展相关技术探索，例如研究利用新建建（构）筑物的BIM模型更新现有数据库，免去收集图纸、矢量化和三维建模等一系列繁琐工作，有效提高数据更新效率。

（3）地下管网

地质体与地下建（构）筑物是地下空间开发利用的主体，除此之外还包括地下监测设施、地下管线等。其中实时监测网络是地下设施安全运维的有力保障，目前上海市建设有各类针对不同地下设施的地下监测网络，如针对地质环境、地面沉降和轨道交通等方面；而地下管线是保障城市安全运行的重要基础设施[25-26]，且主要利用的浅层地下空间资源，上海市地下管线经过多年普查已积累海量数据。总体来说，其他地下设施的数字化主要是为保障城市地下设施的安全运营，解决如“马路拉链”等城市管理难题。

2 上海市城市地下空间要素的数字化路径

近些年，随着“十四五”规划要求加快推进数字化转型，以及物联网、智慧城市、韧性城市等新型城市建设目标的提出，城市地下空间数字化建设也在适应新的要求。但是，应该认识到数字化的基础是建设能够覆盖全市，包含地下全要素，同时包含城市地下空间规划、建设、管理和运维必要属性信息的基础数据底板。本文围绕城市地下空间数字化的可视化、可实用和可持续三个维度，结合未来城市数字化转型的潜在需求，总结目前上海市城市地下空间要素的数字化路径（如图1所示），如下：

（1）通过整合各领域已有地下空间调查（包括管线、地质、地下建（构）筑物和地下监测网络等）成果，完成地下空间全要素数据的补全；

（2）针对全要素地下空间数据制定相应的数据标准，规范二/三维数据的建库和建模；

（3）通过数据融合、标准化处理、三维建模等技术手段，建立标准规范的全要素地下空间数据库；

（4）依托相关政府部门审批系统或管理系统建立可靠的数据更新机制，确保地下空间数据的及时准确更新；

（5）以地下空间基础数据底板为基础，服务于城市的地下空间规划、建设、管理和运维，为城市数字化转型和精细化管理服务。

其核心内容可概括为3个方面，分别为：基于可视化原则建立全要素地下空间数字底座；基于可实用性建设专业应用场景；基于可持续原则建立数据更新机制。

图1 上海市地下空间要素的数字化路径Fig.1 The digital path of underground space elements in Shanghai

2.1 建立全要素地下空间数字底座

随着上海市三维城市地质调查、地下管线普查、三维地籍调查等专项试点工作的开展，地下空间单要素数字化工作取的明显成效。但是随着城市数字化转型对地下空间数据的要求不断提高，单要素地下空间数据显然不能满足城市数字化转型的需求。为此近些年上海市城市地下空间数字化工作开始探索面向全要素的数字化路径，集地质体、地下建（构）筑物、地下管线、地下监测网络为一体的地下空间开发利用管理平台将是未来城市地下空间数字化发展的方向，如图2所示。在此基础上结合城市CIM平台、数字孪生等基础平台构成地上、地下一体化的基础空间数字底座，支撑城市的精细化、智慧化管理。

图2 面向全要素的城市地下空间数字化概念Fig.2 Concept of digitalization of all underground elements

面向全要素的城市地下空间数字化平台可有效打破数据壁垒，促进地下空间数据的共建、共治和共享，推动地下基础数据更大范围的应用，支撑地下市政基础设施建设与管理的数字化转型，提升基础设施管理效率和服务水平，服务数字经济战略和城市数字化转型。

2.2 建设专业应用场景

上海市城市地下空间数字化工作最显著的特征之一是从第一维度的数据“可视化”到数据的“可实用”。无论是三维城市地质调查、地下管线普查还是三维地籍调查的初期由于基础数据薄弱，而无法支撑大规模专业应用。通过多年的数据积累和技术积累全市范围内的地下空间数据已初具规模，全市范围内的地下空间开发利用情况通过信息化手段已经实现可视化。现阶段对于地下空间数据价值的挖掘是上海市城市地下空间数字化建设的新任务，通过数据共享、发布服务、场景建设等方式支撑政府管理和决策，支撑地下空间的规划和建设，支撑相关基础设施的运维和管理（如图3所示），充分发挥地下空间数字底座的价值是未来地下空间数字化建设的发展方向。

图3 地下空间数据的潜在应用场景Fig.3 Potential application scenarios of underground space digitization

2.3 建立数据更新机制

数据的实时性是数字底座建设的重点也是难点，同时也是保障数据质量和数据价值的必要条件。对于上海市已建成的地下设施通过资料收集、外业普查等手段可逐步纳入数字底座，但是对于新建的地下工程，由于工程分布零散，建设时间不统一，工程施工频繁（如管线施工等），工程规模不一，建设单位众多等原因无法通过大规模普查的方式更新入库，因此为了保证地下空间数字底座的价值必须建立相关的数据更新机制，即：实现本文所说的第三个维度“可持续”。2021年8月上海市住建委、规划资源局等7个委办局印发的《关于加强本城市地下市政基础设施建设的实施意见》中指出建立数据动态更新及共享机制，完善地下市政基础设施及管理相关的各类数据资源，建立以权属单位终身负责制为基础的数据动态维护工作机。通过体制机制的建立可确保数据信息的唯一性和准确性，如图4所示，本文提出新建地下工程数据更新潜在的路径。

图4 新建地下工程数据更新路径及关系Fig.4 Update path of new underground engineering data

3 地下空间数字化的一些思考

3.1 数字化的意义

本文通过对地下空间数字化工作具体内容进行梳理，认为地下空间数字化工作的定位应该是通过构建全要素地下空间数字底座来完善或补齐城市基础数据底板，有效支撑城市地下空间的规划、建设、管理和运维，完善地下空间的治理机制。数字化建设的终极目标应该是实现地下空间全要素数据的存量数据补全、长效管理、持续更新和广泛应用，实现全要素、全生命周期的地下空间精细化、智慧化管理。

地下空间资源有别于地表资源，一旦建成其改建或扩建难度都很大，而且已建成地下设施会对未来地下设施的规划建设在空间上产生阻碍。因此，不合理的设计不仅是对空间资源的浪费，而且会对未来地下资源的开发利用产生不利影响。而全要素地下空间数字底座对于减少设计失误和减少地表地下建设因避让造成的损失具有重要的实际应用价值。

3.2 数字化面临的困难

地下空间数字化建设的最大困难在于数据来源和共享机制，如前所述不同类型的地下空间要素数据可能分散在不同的建设管理单位，上海市通过多年努力才逐渐形成覆盖中心城区的各类地下空间数据库和管理系统，对于新建地下工程的数据更新目前尚缺少有效、高效的管理手段，而能否实现新建地下工程数据的闭环管理和全量更新（如表1所示，列出了新建工程所涉及地下空间内容），将是决定全要素地下空间数字底座实际价值的重要标准。

通过调研，本文认为针对新建地下工程数据更新最有效的途径是依托相关政府部门审批的管理流程沉淀数据。例如：规划资源部门可通过工程建设项目审批环节对其职权范围内的新建工程设计资料和竣工资料进行归集、更新和沉淀；住建部门可通过建设工程施工许可和竣工验收等环节沉淀数据；而交通部门则涉及交通类项目的规划、审批、管理和验收等环节，如何统筹管理各个部门归集的数据，明确权责边界，将数据进行统一处理更新是未来地下空间数据管理的难点。

表1 新建工程涉及地下空间内容Table 1 Contents of underground space involved in new construction

此外，除了数据来源和共享机制协调困难外，针对全要素地下空间数据尚缺少统一完善的数据标准，针对不同格式、不同类型的地下空间数据尚缺少广泛适用且功能齐全的三维空间数据平台，导致针对全要素地下空间数据的融合和应用功能开发存在较大技术难度。

4 总结与展望

本文通过对上海市城市地下空间要素的数字化路径进行探讨和思考，取得以下认识：

（1）通过多年的建设上海市城市地下空间数字化取的显著成效，建设内容涵盖了地质、地下建（构）筑物、地下管线、地下监测网络等，涵盖了地下空间规划、建设、管理和运维的各个环节。

（2）通过多年的数据积累和技术积累，上海市城市地下空间数字化建设内容正在由可视化向可实用、可持续方向发展，整合各类已有城市地下空间数据资源，通过数字化支撑政府管理和社会运维是未来的发展方向。

（3）数据的更新机制是未来数字化建设关注的重点，结合当前已有的工程建设项目审批系统、BIM模型、CIM平台和数字化交付等手段建立互动机制，是实现地下空间数据常态化更新的主要路径，通过更新来保障数字底板的质量和生命力。