孫雪梅，劉全海，李樓，冉慧敏，陳凱

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213000； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213000)

1 引 言

新型基礎(chǔ)測繪是信息化建設背景下國家應對基礎(chǔ)測繪新需求而產(chǎn)生的變革，旨在實現(xiàn)“空間一體、聯(lián)動更新、開放共享、按需服務”的基礎(chǔ)測繪服務。城市新型基礎(chǔ)測繪要完善現(xiàn)代測繪基準，推進無比例尺地理信息全面覆蓋，建立城市多維、立體地理要素數(shù)據(jù)庫，基礎(chǔ)地理信息動態(tài)更新，推進基礎(chǔ)地理信息資源共享，改進成果應用服務方式[1，2]。

作為城市基礎(chǔ)測繪的重要內(nèi)容，新形勢下城市地下空間測繪也要與時俱進。北京、上海、天津等城市對地下空間信息化展開不同程度的探索和建設，總體來說當前國內(nèi)城市地下空間信息化建設不多[3]，現(xiàn)有工作主要集中在地下管線，還未將地下管線、地下建(構(gòu))筑物在內(nèi)的地下空間作為整體統(tǒng)籌管理[4]。地下空間資料分散在不同行業(yè)主管部門，不同部門間對地下空間信息化缺乏總體考慮，且城市地下空間管理通?；趯嶓w化表達的地下空間設施，如地下空間三維模型，武漢、江陰等地嘗試通過人工干預的CAD、激光雷達等數(shù)據(jù)建模，批量化、無人工干預的三維建模還存在不少技術(shù)難點，實地測繪成果還不能直接服務于后續(xù)地下空間管理、應用，新型基礎(chǔ)測繪體系下地下空間如何管理也還是空白[5，6]。

本文從城市地下空間管理數(shù)據(jù)采集、管理及應用出發(fā)，梳理新型基礎(chǔ)測繪體系下城市地下空間管理應用要求，并從測繪技術(shù)、地理信息庫建設、三維建模、GIS可視化應用等方面著手，分析新型地下空間測繪服務體系關(guān)鍵技術(shù)，并以常州市為例，介紹其地下空間新型基礎(chǔ)測繪體系下推廣應用成果。

2 新型基礎(chǔ)測繪體系下，城市地下空間管理要求

城市地下空間通常指建設在城市地表以下，為滿足人類社會生產(chǎn)、生活、安全、防災減災等需求而建設的包括地下管線、地下建(構(gòu))筑物等。地下空間有如下特性：①封閉性及隱蔽性，地下建(構(gòu))筑物及地下管線通常位于地下，地下管線更存在分布及走向不明情況，給實際測繪帶來難度；②結(jié)構(gòu)復雜，地下建(構(gòu))筑物內(nèi)部設施復雜，逐個表達數(shù)據(jù)量大；③多維和多尺度特性，受工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等多條件影響，與地面空間結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，與市政、交通、建設等多行業(yè)緊密相關(guān)[7]。

傳統(tǒng)地下空間管理應用通常利用RTK、全站儀導線測量設備獲取地下空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，對于年代久遠的建(構(gòu))筑物及疑難管線，通常很難獲取準備幾何、物理信息；成果通常表達為DWG格式，規(guī)劃、設計單位通常作為底圖，進行后續(xù)應用。城市新型基礎(chǔ)測繪廣泛采用信息測繪技術(shù)向無比例尺地理數(shù)據(jù)測繪發(fā)展，改善成果表達形式，建立地理空間動態(tài)更新機制，形成地上地下全空間立體數(shù)據(jù)庫，擴大地理數(shù)據(jù)應用范圍[8]。因此新型基礎(chǔ)測繪體系下的地下空間管理應用，也需要從測繪手段、數(shù)據(jù)組織形式、管理應用形式等方面著手，改變城市地下空間管理應用模式[3]：

(1)融合多種新型測繪技術(shù)提高地下空間數(shù)據(jù)測繪效率，解決地下空間因封閉及隱藏而帶來的無法準確測繪問題。

(2)通過集成地下空間、地下管線等多源異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)建立地下空間數(shù)據(jù)庫，將地下空間與城市立面空間無縫銜接連接[9]。

(3)研究三維可視化技術(shù)，將地下空間升維，建立地上模型、地下模型和地表模型三位一體的空間信息數(shù)據(jù)庫，以三維模型表達地下空間內(nèi)部設施結(jié)構(gòu)，使得用戶不需要再關(guān)注細部圖元，提高地理信息表達效率，解決地下空間結(jié)構(gòu)復雜、表達復雜問題[10，11]。

(4)通過GIS可視化技術(shù)實現(xiàn)城市地下空間采集、管理、應用信息化、精細化、一體化管理，從數(shù)據(jù)流及業(yè)務流兩方面著手解決傳統(tǒng)測繪中圖形文件信息分散，難以統(tǒng)籌管理問題[12]；

(5)結(jié)合多行業(yè)、多源多類型數(shù)據(jù)進行深度挖掘應用，拓展地下空間信息圖譜，在城市規(guī)劃管理、人防、軌道交通進行示范性應用，實現(xiàn)新型基礎(chǔ)測繪開放共享、綜合服務的要求。

3 基于新型基礎(chǔ)測繪的地下空間管理應用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 新型測繪技術(shù)應用

(1)北斗衛(wèi)星增強服務系統(tǒng)

新型基礎(chǔ)測繪首先是GNSS、激光雷達、傾斜攝影等一系列新型測繪技術(shù)的應用，也同樣適用于地下空間測繪。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量多，采用三頻定位，抗干擾能力強，兼容北斗衛(wèi)星的GNSS可以彌補傳統(tǒng)GNSS在高樓密集區(qū)和樹叢茂密地區(qū)固定解無法快速獲取的局限性，提高遮擋條件下定位精度，提供統(tǒng)一的、完整的、高精度的基準參考。同時可以利用似大地水準面模型，解算高分辨率厘米級精度的精化大地水準面，實現(xiàn)了利用GNSS技術(shù)在測得高精度的平面位置的同時獲得該點的正常高，代替低等級水準測量、三角高程測量。

(2)激光三維掃描技術(shù)

三維激光掃描儀能夠高速獲取被測對象表面的三維坐標，快速采集大范圍空間點位信息，適合地下空間信息快速采集[13]。但一個地下建(構(gòu))筑物掃描點云數(shù)據(jù)量大，冗余數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)處理工作效率較低，可以基于Cyclone等軟件對點云的抽稀處理功能進行二次開發(fā)，自動判斷給定處理范圍內(nèi)周圍地物，同時剔除無效冗余點云。處理后的激光三維立體點云數(shù)據(jù)直接導入至CAD，利用Cloud Work for CAD所屬功能進行快速切片，隱藏切片外的點云數(shù)據(jù)，切換不同的視圖，將三維立體點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為二維平面數(shù)據(jù)，從而快速生成二維線劃圖。激光三維掃描獲取的地下空間點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 激光三維掃描獲取的地下空間點云數(shù)據(jù)

(3)內(nèi)外業(yè)配合的地下空間采集測繪

地下空間測繪通過外業(yè)采集點位、內(nèi)業(yè)繪制相互配合生成最終成果，北斗衛(wèi)星增強服務系統(tǒng)、激光三維掃描技術(shù)可以提高外業(yè)采集效率，為進一步提高測繪數(shù)據(jù)處理效率，可以基于CAD研發(fā)地下空間采集系統(tǒng)，在CAD平臺上實現(xiàn)地下建(構(gòu))筑物、地下管線探測數(shù)據(jù)的快速圖形化，同時將樓層、材質(zhì)等相關(guān)屬性信息與幾何實體掛接。搜索查詢模塊、圖層與編碼處理模塊、數(shù)據(jù)檢查模塊，對數(shù)據(jù)質(zhì)量快速查詢、定位、處理及修改提供便利，最終的成果數(shù)據(jù)可以直接提供后續(xù)入庫管理。

3.2 建立集地下空間和地下管線等多種數(shù)據(jù)為一體的全空間立體數(shù)據(jù)庫

(1)全空間立體數(shù)據(jù)庫

地理信息數(shù)據(jù)庫的建立和維護是新型基礎(chǔ)測繪體系下的地下空間管理應用的重點工作，城市規(guī)劃、建設和管理逐步走向精細化管理，也對城市空間信息管理提出了新的需求。城市地下空間設施上承地表建筑，下接地下管線、地層地質(zhì)等設施信息，孤立的地下建(構(gòu))筑物設施信息不足以支撐地下空間精細化管理需求，需要以地下建(構(gòu))筑物為發(fā)散點形成包含城市立體空間數(shù)據(jù)的綜合信息庫[14]。

實際建設時可以集成地下管線、地面建筑、用地類型、地質(zhì)構(gòu)造、道路、地面建筑、規(guī)劃條件等地上、地表、地下多類信息，建立包含城市三維立體空間數(shù)據(jù)的綜合信息庫、同時利用空間位置掛接地下空間相關(guān)的規(guī)劃、建設、交通、城市管理信息，最終形成的城市立體數(shù)據(jù)庫不再是靜態(tài)的二維平面圖，不同種類的地理空間基礎(chǔ)信息不再是割裂的信息孤島，各類信息相互獨立又相互聯(lián)系，可以為城市規(guī)劃、建設、管理提供多維度、多層次、多角度、多結(jié)構(gòu)的嵌套信息剖面圖，如圖2所示。

圖2 全空間立體數(shù)據(jù)庫

(2)數(shù)據(jù)庫建設

地下空間數(shù)據(jù)庫涉及的數(shù)據(jù)量大，種類多，二維數(shù)據(jù)可采用Oracle等面向?qū)ο蟮年P(guān)系型數(shù)據(jù)庫統(tǒng)籌管理海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)庫建設時需要對地理空間數(shù)據(jù)編碼設計，采用多時態(tài)管理技術(shù)管理空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)以時間軸上的時間段過濾空間數(shù)據(jù)，做到任意時間點數(shù)據(jù)快速回放。

三維數(shù)據(jù)庫也是新形勢下城市地下空間重要建設內(nèi)容，三維庫也可以利用Oracle管理，原始3ds Max模型及紋理數(shù)據(jù)均以二進制形式存儲，使用時可以利用三維建模工具將原始模型轉(zhuǎn)換成usx格式并發(fā)布供后續(xù)應用。二維庫、三維庫的地理坐標和場景可通過視域映射同步，通過唯一碼映射可采用同一屬性庫，二維、三維數(shù)據(jù)庫可實時交互聯(lián)動。

3.3 傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪成果升維，配合地形、建筑信息模型(BIM)三維空間表達地下空間

(1)“基于參數(shù)”的地下空間三維建模

新型基礎(chǔ)測繪體系下的地理實體為地下空間三維可視化提供了很好的切入點，二維表達的地下空間數(shù)據(jù)存在大量內(nèi)外范圍線、輔助點線等內(nèi)部輔助圖元信息，用戶使用較少但卻必不可缺，降低了二維數(shù)據(jù)的表達效率。三維數(shù)據(jù)整合地下空間內(nèi)部圖元形成獨立三維模型，數(shù)據(jù)表達效率大幅提高[15，16]。

實際建模過程中，地下建(構(gòu))筑物樓層、門、消防栓、停車位、柱體、電梯、墻體、地下管線井、閥門等設施對象測繪成果二維表達上有一定參數(shù)規(guī)則，因此可以直接基于設施二維表達提取相應建模規(guī)則，設計并建立了完善的三維部件符號庫、紋理庫，研發(fā)三維建模軟件，基于二維地下空間數(shù)據(jù)庫，分析并自動提取了地下空間三維設施對象信息和建模規(guī)則，基于3ds Max軟件下研發(fā)地下空間三維自動建模功能，實現(xiàn)了二維地下空間到三維模型的全自動生成[17]，如圖3、圖4所示。

圖3 “基于參數(shù)”的地下建(構(gòu))筑物三維建模成果

圖4 “基于參數(shù)”的地下管線三維建模成果

(2)融合BIM表達不同細節(jié)顆粒的地下空間

與三維GIS模型相比，BIM模型能詳細表達建筑細部結(jié)構(gòu)，二者融合可以表達不同細節(jié)顆粒的地下空間模型。利用通用的標準IFC(工業(yè)基礎(chǔ)類)格式作為中間格式，基于IfcOpenShell等開源庫，研發(fā)了BIM數(shù)據(jù)向3ds Max三維模型自動轉(zhuǎn)換及屬性信息無損提取軟件，發(fā)布至三維GIS平臺實現(xiàn)城市級大場景的瀏覽與應用。同時可以采用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫MongoDB進行BIM屬性信息的存儲，支持BIM模型屬性查詢、增減，適應數(shù)據(jù)標準變化[18]。

實際三維建模時，大范圍區(qū)域可以應用批量建模，重點區(qū)域可采用人工精細建模或BIM模型，綜合三維自動建模與人工精細建模相互之間的優(yōu)勢，打通數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)入庫及三維建模更新鏈路，形成城市地下空間建模到三維應用的完整技術(shù)體系。

3.4 基于GIS可視化技術(shù)研發(fā)地下空間綜合管理軟件

新型基礎(chǔ)測繪中多源、多模態(tài)、異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)，通常利用GIS可視化手段按需提供服務。地下空間也可以綜合CAD、WebGIS等泛GIS平臺實現(xiàn)地下空間數(shù)據(jù)的高效、精細管理[12]。

(1)CAD平臺

以CAD平臺為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)，搭建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)檢查、成圖、整飾出圖軟件平臺，實現(xiàn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯生產(chǎn)的作業(yè)流程，同時可以打通CAD與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互鏈路，實現(xiàn)地下空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新入庫。

(2)WebGIS平臺

基于WebGIS搭建地下空間輕量級瀏覽應用服務，提供瀏覽、統(tǒng)計分析功能，能將相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)疊加瀏覽，通過服務的形式為其他部門、項目提供專業(yè)服務，實現(xiàn)新型基礎(chǔ)測繪開放共享、按需服務的目標。

(3)三維應用平臺

考慮到地下空間數(shù)據(jù)多維數(shù)、多層次、細節(jié)豐富的特征，引入三維可視化技術(shù)研發(fā)三維GIS管理軟件，在實現(xiàn)實時三維GIS模型構(gòu)建、內(nèi)外業(yè)一體化動態(tài)更新的同時，集成BIM，實現(xiàn)了城市級別的地下管線、地下空間建(構(gòu))筑物三維模型以及地表三維模型的集成與一體化管理應用。

3.5 地下空間信息管理與綜合應用模式研究

新型基礎(chǔ)測繪需要在服務模式上創(chuàng)新，要從被動向主動、從后臺向前臺、從間接向直接向一站式服務發(fā)展，因此利用地下空間二維、三維數(shù)據(jù)庫和GIS可視化管理軟件，進一步可以：

(1)研究并形成地下空間及拓展信息資源圖譜

對需要利用到地下空間行業(yè)領(lǐng)域展開研究，如自然資源部門的地下空間規(guī)劃設計與開發(fā)管理、住建部門的人防工程開發(fā)建設與維護管理、城市軌道交通管理部門的軌道交通站點及線路的開發(fā)建設與運營管理等，對相關(guān)應用領(lǐng)域開展業(yè)務需求分析、信息資源需求分析，以充分利用地下空間數(shù)據(jù)，指導后續(xù)示范應用系統(tǒng)的建設。深入分析研究了以上相關(guān)部門的信息資源構(gòu)成，以地下建(構(gòu))筑物為核心，擴展相關(guān)專題的信息資源，研究并形成地下空間及拓展信息資源圖譜，指導未來對數(shù)據(jù)資源的充分利用、挖掘。

(2)建立地下空間開發(fā)資源評估技術(shù)體系并開展應用實踐

結(jié)合工程地質(zhì)情況、水文地質(zhì)情況、歷史文保、潛在開發(fā)價值、工程可行性等多方面的因素，建立地下空間資源評估指標和參數(shù)體系(圖5)，以格網(wǎng)形式對地下空間資源按豎向?qū)哟芜M行質(zhì)量評估，利用GIS可視化技術(shù)表達評估結(jié)果，劃定地下空間資源分區(qū)，指導后續(xù)地下空間資源開發(fā)利用[19]。

圖5 地下空間資源質(zhì)量評估方法

(3)推進地下空間在地下空間規(guī)劃管理、人防工程管理、軌道交通管理等領(lǐng)域的示范應用

以新型基礎(chǔ)測繪為指導而建立起的集地下空間數(shù)據(jù)綜合地理信息服務平臺，通過二維、三維形式展示地下空間層次、結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合規(guī)劃、地質(zhì)、地面設施、管線等多源信息，可以從宏觀及單體角度對地下空間設施的規(guī)劃、利用提供技術(shù)支撐，一庫多用，實現(xiàn)地下商業(yè)、娛樂、休閑、交通、停車、防災等功能合理配置，同時滿足規(guī)劃、交通、管理等多種用途。翔實準確的地下空間數(shù)據(jù)也為軌道交通周邊地塊調(diào)查管理、人防應急掩蔽提供數(shù)據(jù)支撐，為城市安全運行和提升城市綜合承載能力、城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量提供保障。

4 應用案例

常州市以新型基礎(chǔ)測繪下地下空間管理要求為指導，在常規(guī)測繪技術(shù)的基礎(chǔ)上引入GNSS及北斗增強定位系統(tǒng)實現(xiàn)地下空間快速精準定位，引入激光三維掃描技術(shù)、探地雷達等物探技術(shù)快速獲取地下空間詳細結(jié)構(gòu)，于“十三五”期間完成了常州市地下空間普查[20]。

為進一步提升地下空間管理應用效果，集成常州市地下空間普查、動態(tài)更新數(shù)據(jù)、地面建筑、地質(zhì)構(gòu)造、地下空間規(guī)劃信息等多源、多模態(tài)數(shù)據(jù)，建立城市立體空間數(shù)據(jù)庫，并基于地下空間三維建模技術(shù)，融合BIM模型將傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪成果向三維升級，研究地上地下一體化無縫表達的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)整合以及可視化等技術(shù)，基于CAD平臺、WebGIS、三維GIS平臺，研發(fā)地下空間CAD應用系統(tǒng)、地下空間管理系統(tǒng)、地下空間三維應用系統(tǒng)及地下空間綜合應用系統(tǒng)，平臺總體結(jié)構(gòu)如圖6所示：

圖6 常州市地下空間綜合管理平臺總體架構(gòu)

常州市通過地下空間綜合管理平臺的建設：

(1)集成地下建(構(gòu))筑物、地下管線、地質(zhì)構(gòu)造、道路、地面建筑、影像、地形等數(shù)據(jù)構(gòu)建全空間立體數(shù)據(jù)庫，形成基于實體、縱向統(tǒng)一、多尺度融合、面向應用的常州市地下空間專題數(shù)據(jù)庫，同時通過軟件系統(tǒng)及作業(yè)流程配合，實現(xiàn)了地下管線、地下建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)動態(tài)更新入庫，為常州市自然資源和規(guī)劃局后續(xù)基礎(chǔ)地理信息空間平臺建設提供數(shù)據(jù)服務[21]，如圖7所示。

圖7 三維GIS可視化技術(shù)服務城市地下空間管理

(2)常州市地下空間數(shù)據(jù)由簡單管理與單一資料提供應用方式向地下空間的高效化和精細化管理的巨大提升，以技術(shù)現(xiàn)代化促進地下空間成果應用多樣化，推進地下空間管理業(yè)務形態(tài)轉(zhuǎn)型升級。

(3)常州市自然資源和規(guī)劃局基于地下空間現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，按經(jīng)緯格網(wǎng)劃分常州市主城區(qū)，對地下空間資源分不同豎向?qū)哟芜M行評估，劃定地下空間資源分區(qū)，指導地下空間資源開發(fā)利用，如圖8、圖9所示。

圖8 常州市主城區(qū)次淺層地下空間資源評估結(jié)果

圖9 常州市主城區(qū)淺層地下空間資源評估結(jié)果

(4)針對地下空間應用形式單一，通過數(shù)據(jù)服務及應用服務形式，常州市在人防工程管理(圖10)、軌道交通建設與運營管理(圖11)等方面開展了典型示范應用，拓展地下空間多行業(yè)融合應用，符合新型基礎(chǔ)測繪體系下促進系統(tǒng)內(nèi)及行業(yè)之間信息共享要求。

圖10 常州市人防三維仿真應用

圖11 常州地鐵三維GIS應用平臺-BIM與GIS數(shù)據(jù)集成展示

5 總結(jié)與展望

本文以新型基礎(chǔ)測繪服務要求出發(fā)，根據(jù)當前城市地下空間管理應用的重難點，分析新型基礎(chǔ)測繪體系下城市地下空間管理應用的要求和關(guān)鍵技術(shù)。通過引入新型測繪技術(shù)，常州市有效提高了地下空間實地測繪效率，搭建地下空間基于實體、縱向統(tǒng)一、多尺度融合、面向應用的二三維地理空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了成果管理應用由平面向立體空間發(fā)展，基于GIS可視化技術(shù)研發(fā)常州市地下空間管理平臺，并在服務模式上創(chuàng)新，拓展地下空間信息資源圖譜，推進地下空間成果在自然資源、人防、軌道交通等多個行業(yè)應用。未來地下空間三維模型可繼續(xù)為室內(nèi)導航、自動停車等提供三維場景式服務，而基于地下空間設施可以試點常州市三維地籍管理，建立地下空間土地使用權(quán)價格評估標準可以增加土地利用效益，將土地利用由二維平面向三維立體跨越式發(fā)展，從而形成了常州市“空間一體、聯(lián)動更新、開放共享、按需服務”新型地下空間測繪服務體系[22，23]。