城市空间立体单元在CIM建设中的探索实践

田力男,孙 琦,徐文坤,董 平,田志欣,荣 超,焦泽中

(1. 青岛市住房和城乡建设局,山东 青岛 266316; 2. 青岛市勘察测绘研究院,山东 青岛 266033;3. 易智瑞信息技术有限公司,北京 100007; 4. 青岛市房屋使用安全服务中心,山东 青岛 266023)

城市信息模型(city information modeling,CIM)以建筑信息模型、地理信息系统、物联网等技术为基础,整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据,是三维数字空间的城市信息有机综合体[1-2]。

2020年10月,青岛市入选住房和城乡建设部“新城建”试点城市,按照《青岛市国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》、“数字青岛”和双十二工作方案“全市一张数字底板”场景需要,急需建设山海城一体化的CIM基础平台[3-5]。

青岛市CIM基础平台建设汇聚了丰富的CIM数据,涵盖基础地理信息、规划管控数据、资源调查数据、精细信息模型、倾斜摄影、建筑信息模型和其他三维模型数据、物联感知及大量的公共专题数据。为了发挥滨海城市特色,平台建设还增加了大量的海洋近海岸、岛屿、海洋环境、海洋气象等空间和业务多维数据。这些数据使城市大量的时空数据与非时空数据汇聚,为智慧城市提供丰富的数据源基础。同时,大量的数据条带化管理,如何建立关联,如何实现各委办对共享信息的按需获取,以何为载体实现对外分发共享等一系列问题,也对数据融合及共享使用提出了挑战[6]。

本文针对CIM平台建设中多源数据融合存在的问题,利用地球网格空间编码规则、知识图谱、多源语义模型等先进技术和模型,重点研究空间网格与CIM数据融合的关键技术,在CIM1-7[7]成果的基础上提出城市空间单元的概念,构建多层级的三维空间立体单元,实现以城市空间为基本单元的海量城市底板和城市空间的多种要素信息融合,以期为城市提供更便捷、更安全的城市信息基础服务。

1 城市空间立体单元概念

城市空间是城市社会、经济、政治、文化等要素的运行载体,空间要素之间的联系密切,共同支撑着城市的正常协调运行,各类城市活动所形成的功能区则构成了城市空间结构的基本框架[8]。

城市空间包含多种属性。城市空间具有物质属性,作为城市社会中各类要素相互作用关系的物化及其在城市土地上的投影,它使城市系统能以物质形态存在,并使各种关系在物质形态层面得到统一,城市实体环境是其外在表现。城市空间具有社会属性,作为人的活动场所,个体的行为、社会的组织、社会组织权力群体和机构的活动等,必然会导致形成社会阶层,邻里与社区组织,以及土地利用、建筑环境的空间分异。城市空间具有生态属性,城市作为一个有机体,与所依托的环境(包括生物与非生物环境)存在着相互作用,生态因子、种群、群落,生态系统的分布格局及其通过相互作用而呈现的动态变化,影响到城市整体空间形态。城市空间的多种属性既相互独立,又相互关联,具有共生融合、制约效应。

城市空间是人类赖以生存的载体根基,是人类社会活动的基本空间单元。党的十八大报告提出“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的要求,自此重视绿水青山为主导的生态空间、以人为本的生活空间、集约高效的生产空间,开始成为城乡建设工作的重中之重[9]。

为了更好地协调人地关系,为了不同的业务目标,城市空间被划分或管控为不同的空间。如城乡规划从适宜建设的角度,对空间管控划定“三区四线”,即禁建区、限建区、适建区、绿线、蓝线、黄线、紫线[9];土地利用规划则出于土地资源保护的需要,实施“三界四区”管控,即城乡建设用地规模边界、扩展边界、禁建边界,以及允许建设区、有条件建设区、限制建设区和禁止建设区[10];环境保护规划依据生态和环境保护的需求,开展生态功能区划和环境功能区划工作,前者选取优化准入区、重点准入区、限制开发区、禁止准入区4类生态环境功能区,后者则将空间分为自然生态保留区、生态功能调节区、食品安全保障区、聚居发展引导区、资源开发维护区5种环境功能类型区;城市运行管理出于城市精细化管理需要,以1万m2为基本单位,将城区划分成若干个网格状单元,再根据网格内城市管理部件分布等情况,将数个、甚至数十个万米单元网格合并成一个工作网格,实现城市空间的网格化、数字化。

为了提升城市空间协同治理的能力[11],青岛市CIM基础平台建设中首次提出了“城市空间立体单元”的概念。城市空间立体单元是以城市地表向上向下各延展N千米所形成的空间体,利用多层级的三维空间立体单元将整个城市空间体划分为多个小立方体,以小立方体为载体承载区域内的社会、经济、政治、文化、地下设施、气象等多种要素信息并进行融合,为城市空间协同治理提供最小细胞单元。

2 城市空间立体单元探索与实践

城市空间立体单元作为青岛市CIM基础平台建设的重要内容,具有举足轻重的作用。首先,城市空间立体单元全面服务于城市建设实时全生命周期管理,涉及从城市现状到未来总体规划-详细规划-方案设计-工程施工-竣工验收,实时体现城市全生命周期动态;其次,城市空间立体单元涵盖地表地下城市空间,全面服务于城市“规、建、管、运、检、服”全生命周期一体化[12],为未来城市空间治理提供新型载体和基本管理单元;最后,城市空间立体单元通过引擎及编码等关键技术验证,探索海、陆、空等地上地下全空间域、全要素的城市建(构)筑物,与人口、经济、法人等多要素信息的融合解决方案(如图1所示,小Q指城市空间立体单元)。

图1 以城市空间立体单元为核心的规建管运服检全生命周期一体化雏形

2.1 城市空间立体单元关键技术

城市空间立体单元通过建设标准规范体系建设、数据中心、引擎建设、运维系统和场景协同集成系统,实现了CIM基础平台中的数据融合与共享(如图2所示)。

图2 城市空间立体单元技术架构

(1)标准规范体系建设由空间码编码规范、一码归集和一码共享规范3部分构成,主要基于北斗网格码进行扩展,为多源数据上码提供规范。

(2)城市空间立体单元数据中心实现了立体单元库、立体单元编码库和立体单元图谱库建设。立体单元库主要存储多层级的立体单元数据;立体单元编码库主要存储多层次立体单元对应的编码信息;立体单元图谱库主要存储基于立体单元构建的各类知识图谱。

(3)城市空间立体单元引擎建设主要实现了服务引擎、一码归集引擎和一码共享引擎。构建城市空间立体单元服务引擎,形成从码的生成、变更、注销、监管等全生命周期的管理体系,实现以城市空间立体单元空间码为抓手打通城市空间立体单元内部各项业务系统,归集全链条数据。通过一码归集服务引擎,将“规、建、管、运、服、检”等核心业务的成果通过城市空间立体单元空间码链接起来,形成数据归集库,以业务成果统一归集或服务调用形式,实现“一码关联”,明确归集数据配置,同时提供归集服务的管理和统计查询的功能。一码共享引擎,通过共享目录管理、共享数据配置、共享服务管理实现“城市空间立体单元管空间”共享内容的规范化、可视化、高效化管理(如图3所示)。

图3 城市空间立体单元创建

(4)城市空间立体单元运维系统,为实现以立体单元为载体的“规、建、管、运、服、检”全生命周期数据实时监测、动态展示等功能提供后台支撑,主要实现了空间单元创建管理、编码生成与管理、城市空间立体单元治理模型、城市空间立体单元共享管理(如图4、图5所示)。

图4 城市空间立体单元数据治理

图5 城市空间立体单元模拟业务网格(以行政单元和城管万米网格为例)

(5)城市空间立体单元场景协同集成系统,聚焦“规、建、管、运、服、检”城市全生命周期应用场景综合集成、高效协同,以城市空间立体单元码为支撑,以CIM基础平台为载体,实现“一码管空间”业务链构建,采用数据共享、同步迭代等方法,从宏观层面上,完成青岛市城市空间动态监测;从微观层面上,实现日常空间管理信息实时获取,为促进规划、建设、历史名城保护、防灾减灾等一批场景关联集成,全方位拓展“立体单元”综合应用提供基础支撑。系统建设具体包括单元信息、单元图谱、单元查询、单元动态监管等内容(如图6所示)。

图6 城市空间立体单元动态监管系统

2.2 城市空间立体单元“三色空间”应用实践

在生态、宜居、美丽、和谐的城市发展建设新理念下,蓝绿空间是实现人民群众高品质生活、推进城乡高质量发展的重要抓手。为顺应青岛市环湾发展空间规律,青岛市第十三次党代会确立了新时代背景下青岛市“环湾引领、组团布局、蓝绿交融、网络支撑”的城市空间发展格局[13]。在青岛市CIM基础平台建设中,利用城市空间立体单元,模拟青岛市“蓝绿黄”三色城市空间,将青岛市的“蓝绿交融”城市空间发展格局一目了然地展示在眼前,并在立体单元上融合了多维数据,如绿色空间中的公园、绿道和湿地,蓝色空间中的海岸带、河流、湖泊、港口、海洋监测等信息(如图7所示)。

图7 三色空间模拟展示

基于城市空间立体单元的三色空间数据,可作为一个整体对外分发,亦可满足各区县的按行政区划索取需要。

3 结 语

城市是一个动态的生命体,城市空间协同治理为一个城市的生态、宜居、美丽、和谐发展提供了新的思路,但由于数据的孤立,导致大数据存在却无法发挥更大的价值。

本文提出了城市空间立体单元的概念,基于《地球空间网格编码规则》(GB/T 40087—2021)[14]剖分的多层级立体单元拟合为任意的空间范围或管制区域,并将城市的多种城市要素信息、语义知识图谱一并载入立体单元,突破了多部门、多业务单元城市空间划分或管制区域的空间数据获取限制,为多部门间信息共享、空间协同治理打下良好的基础,为未来青岛市都市圈打造,及胶东半岛城市群一体化发展规划做好了数据和技术准备。

城市空间立体单元作为一种新的空间载体,目前仍存在一系列的难点亟待攻关,如基于立体单元的空间运算等,需随着青岛市CIM平台的建设不断实践和完善。