潘良波，周 文，丁志慶，石小蒙, *，李倩楠，范維寧

(1.正元地理信息集團(tuán)股份有限公司，北京 101300；2.北京市智慧管網(wǎng)安全評(píng)價(jià)及運(yùn)營(yíng)監(jiān)管工程技術(shù)研究中心，北京 101300; 3.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

城市地下空間是地表以下自然形成或人工開(kāi)發(fā)的空間，是寶貴的自然資源和重要的戰(zhàn)備資源[1-3]。在中國(guó)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的大背景下，快速的城市化進(jìn)程加劇了城市土地資源的供需矛盾，地上空間開(kāi)發(fā)利用趨于飽和,科學(xué)、高效、安全地開(kāi)發(fā)利用地下空間資源成為緩解城市病、改善城市生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化國(guó)土空間結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化城市韌性的重要手段[3-5]。隨著地下空間開(kāi)發(fā)利用趨于多樣化、深度化、復(fù)雜化，供水管網(wǎng)漏損、地面塌陷、火災(zāi)等事故、災(zāi)害頻發(fā)[2,5]。城市地下空間信息化工作被行業(yè)管理者越發(fā)重視[6]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多專家學(xué)者對(duì)地下空間信息化建設(shè)的研究，主要聚焦在地下管網(wǎng)、人防、地質(zhì)等單一領(lǐng)域。黃平等[7]提出基于GIS 的人防工程管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)思路，實(shí)現(xiàn)了人防工程在規(guī)劃布局、建設(shè)管理、平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換、維護(hù)使用等方面的支撐保障作用。鄭豐收等[8]提出了城市地下管線智慧化管理平臺(tái)的建設(shè)思路與關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地下管線監(jiān)、控、管一體化管理。宋越等[9]主要面向城市地質(zhì)提出了地上、地下一體化三維可視化平臺(tái)技術(shù)框架。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)地下空間信息化仍然存在諸多問(wèn)題：1)各行業(yè)、專業(yè)信息管理分散，系統(tǒng)之間相互割裂、難以協(xié)同[10]；2)精細(xì)化管理程度不高，停留在對(duì)普查、調(diào)查、竣工等現(xiàn)狀信息粗放式管理的模式；3)地上、地下全空間三維集成可視化水平較低，現(xiàn)階段主要集中在地下管網(wǎng)、地質(zhì)環(huán)境、地鐵等單一要素的三維呈現(xiàn)；4)輔助地下空間開(kāi)發(fā)利用與安全運(yùn)維管理的應(yīng)用欠缺。

為解決上述地下空間開(kāi)發(fā)利用與安全運(yùn)維管理過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文將地下空間作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行統(tǒng)籌管理，同時(shí)融入地下空間“全生命周期管理”理念，提出地上地下全空間數(shù)據(jù)組織、融合、可視化、分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)技術(shù)，研發(fā)集地下空間信息集成、快速建模、可視化表達(dá)與科學(xué)決策為一體的城市地下空間信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下空間數(shù)據(jù)的一體化管理和應(yīng)用，助力城市地下空間精細(xì)化管理與智慧化決策，夯實(shí)新型智慧城市建設(shè)與國(guó)土空間規(guī)劃體系建設(shè)的地下基礎(chǔ)，為服務(wù)地下空間開(kāi)發(fā)利用、保障地下空間安全和科學(xué)管理提供支撐。

1 地上、地下全空間一體化智慧管理技術(shù)

地下空間的開(kāi)發(fā)與利用不僅僅依賴于地質(zhì)情況，與地上的構(gòu)建筑物、工程施工、人口的密集程度也有著密切的聯(lián)系[11-13]。城市地上、地下空間的綜合統(tǒng)籌和一體化規(guī)劃可以最大限度地降低因地質(zhì)情況和其他構(gòu)建筑物造成的地下空間規(guī)劃利用不合理等情況。本文以海量、多源異構(gòu)、多分辨率城市地上地下數(shù)據(jù)高效組織及三維可視化為核心，深度融合大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析挖掘技術(shù)，攻克地上、地下多源數(shù)據(jù)組織，全空間數(shù)據(jù)一體化融合，地上、地下數(shù)據(jù)時(shí)空一體可視化，地上、地下一體化分析、預(yù)測(cè)與服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市地上、地下PB級(jí)數(shù)據(jù)的集成管理與服務(wù)。

1.1 地上、地下多源數(shù)據(jù)組織技術(shù)

隨著地下空間元素的多元化，地球空間信息涉及范圍從地球表面擴(kuò)展到了地上、地下全空間，然而目前的數(shù)據(jù)組織方式主要集中在傳統(tǒng)二維空間的數(shù)據(jù)組織方式，很難滿足城市立體化的發(fā)展要求，亟需研究一種地上、地下全空間三維數(shù)據(jù)組織技術(shù)。本文在Geohash算法的基礎(chǔ)上，突破二維空間索引編碼的方式，基于等分法將高程數(shù)據(jù)劃分為多級(jí)、多精度的高程段，加入高程約束，將地上、地下全空間剖分為多級(jí)、多精度的三維立體空間網(wǎng)格，并建立全球唯一的網(wǎng)格編碼，實(shí)現(xiàn)地上、地下多源數(shù)據(jù)的組織，核心技術(shù)思路如下。

1.1.1 三維立體空間網(wǎng)格剖分

1)球面網(wǎng)格。根據(jù)Geohash算法，用平面遞歸的方式將地球球面按照經(jīng)度范圍和緯度范圍分別劃分為多級(jí)、等分的不同區(qū)間段。

2)高程區(qū)間段。在地上、地下全空間三維高程范圍內(nèi)，按照由低到高的順序，利用等分法的原則將地球球面以下的地下空間以及地球球面以上的地上空間的高程范圍劃分為多個(gè)級(jí)別、等分的高程區(qū)間段；高程級(jí)別越高，高程區(qū)間段的高度越短，所表示的空間位置越精確。

3)網(wǎng)格組合。將球面維度的網(wǎng)格與高程維度的高程區(qū)間段組合形成以地球球面為基準(zhǔn)的全球三維立體空間網(wǎng)格，同一級(jí)別的網(wǎng)格在3個(gè)維度上包括的區(qū)間段是相同的，球面維度的單位為“度”(°)，高程維度的單位為m。全球三維立體網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 全球三維立體網(wǎng)格示意圖

1.1.2 三維立體空間網(wǎng)格編碼

1)單維度編碼。球面網(wǎng)格的經(jīng)緯度編碼參照Geohash的二進(jìn)制編碼方式；高程維度以0,1,2,…,n-1的編碼方式為每一級(jí)、每一個(gè)高程區(qū)間段進(jìn)行編碼。例如：第1級(jí)的高程區(qū)間段編碼分別為0，1，2，…，(n-1)；第2級(jí)的高程區(qū)間段編碼分別為00，01，02，…，0(n-1)，10，11，…，1(n-1)，…，(n-1)1，(n-1)2，…，(n-1)(n-1)；以此類推，得到高程維度每一級(jí)的編碼。

2)轉(zhuǎn)碼。根據(jù)實(shí)際使用需求采用base 32、base 36、base 64等編碼方式，將球面網(wǎng)格的經(jīng)緯度編碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值編碼；將高程區(qū)間段的編碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值編碼，其中1個(gè)編碼表示唯一的1個(gè)數(shù)值，用數(shù)值編碼表示每一級(jí)、每一個(gè)高程區(qū)間段的數(shù)值。

3)組碼。將球面網(wǎng)格的編碼和高程維度的編碼交叉重組，在球面網(wǎng)格編碼的基礎(chǔ)上加入高程編碼，構(gòu)成了全球三維立體網(wǎng)格的編碼；球面編碼在前，高程編碼在后，每一級(jí)別的全球三維立體網(wǎng)格編碼的前綴都是該位置的上一級(jí)別的全球三維立體網(wǎng)格編碼。

1.2 地上、地下全空間數(shù)據(jù)一體化融合技術(shù)

地下空間涉及的數(shù)據(jù)由于業(yè)主單位、采集時(shí)間以及參考標(biāo)準(zhǔn)的不同，致使數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，同時(shí)也造成了數(shù)據(jù)之間的誤差。目前，關(guān)于地上、地下一體化的研究主要集中在地上、地下一體化建模方面，研究人員更加傾向于從數(shù)據(jù)源頭打破各類數(shù)據(jù)之間的壁壘，從最初的建模層面上實(shí)現(xiàn)地上、地下一體化數(shù)據(jù)融合。雖然，這種方法可以更加精準(zhǔn)地達(dá)到地上、地下一體化的目的，但是這種方式不能直接利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，要重新建模，而重新建模需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力以及時(shí)間。為有效解決現(xiàn)有地上、地下全空間不同來(lái)源、不同類型的三維模型之間的一體化集成問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)地上、地表、地下3層空間的多維空間表達(dá)，本文根據(jù)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及其數(shù)據(jù)情況，對(duì)收集、處理、建模的原始數(shù)據(jù)與成果數(shù)據(jù)進(jìn)行詳實(shí)的精度、準(zhǔn)確度分析與判斷，確定地上、地下一體化模型融合的基準(zhǔn)面。并以此為基礎(chǔ)，將地上三維模型、地表影像、地下空間設(shè)施模型、地質(zhì)體模型按照統(tǒng)一坐標(biāo)系、統(tǒng)一比例尺進(jìn)行模型裝載與融合，實(shí)現(xiàn)地上、地下數(shù)據(jù)的一體化融合，見(jiàn)圖2。

圖2 地上、地下全空間數(shù)據(jù)一體化融合

1.2.1 數(shù)據(jù)的收集和整理

收集可以表達(dá)地上、地表和地下空間的數(shù)據(jù)，包括地表影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、二維矢量數(shù)據(jù)、地上三維模型數(shù)據(jù)、地下空間設(shè)施模型數(shù)據(jù)、地下管線三維模型數(shù)據(jù)和地質(zhì)環(huán)境三維模型數(shù)據(jù)。其中，地上三維模型數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)三維手工模型(3DMax等格式)、傾斜攝影模型、BIM；地下空間設(shè)施模型數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)三維手工模型(3DMax等格式)、BIM等；地質(zhì)環(huán)境三維模型數(shù)據(jù)包括三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和三維地質(zhì)屬性模型。對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并在不改變各類數(shù)據(jù)表達(dá)內(nèi)容的前提下按照相關(guān)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整。

1.2.2 數(shù)據(jù)檢查與校驗(yàn)

檢查收集和整理數(shù)據(jù)的質(zhì)量、坐標(biāo)、格式等是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。檢驗(yàn)原始模型是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了融合，是否存在交叉、分離等現(xiàn)象。

1.2.3 高程基準(zhǔn)面選取與論證

高程基準(zhǔn)面是實(shí)現(xiàn)地上、地下全空間三維模型數(shù)據(jù)一體化融合的基礎(chǔ)。在對(duì)各類涉及地形高程數(shù)據(jù)的精度、坐標(biāo)、質(zhì)量等進(jìn)行精確的分析判斷之后，選取數(shù)據(jù)獲取時(shí)間最新、數(shù)據(jù)精度最高、最能表達(dá)當(dāng)下地表起伏情況的地表高程數(shù)據(jù)為高程基準(zhǔn)面。涉及地表高程的數(shù)據(jù)有地形數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)三維手工模型數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型數(shù)據(jù)和三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)。

1.2.4 模型校正

利用確定的高程基準(zhǔn)面，采用空間校正和配準(zhǔn)、編輯DEM和布爾運(yùn)算，校正DEM、傳統(tǒng)三維手工模型、傾斜攝影模型和三維地質(zhì)模型中的地表起伏。

1)空間校正和配準(zhǔn)。不同類型、不同來(lái)源的數(shù)據(jù)參考的地理坐標(biāo)系不同，同時(shí)由于建模軟件的限制，傳統(tǒng)手工三維模型通常不具有地理坐標(biāo)系的概念，僅僅是建立在一個(gè)正交三維場(chǎng)景中的模型。三維GIS系統(tǒng)中的三維場(chǎng)景，一般以經(jīng)緯度為基準(zhǔn)面，可以最大程度的將真實(shí)的世界展示在人們眼前。使用布爾沙模型或莫洛堅(jiān)斯基模型進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將不同空間坐標(biāo)系下的各類模型在不改變模型空間位置和幾何形狀的前提下統(tǒng)一到同一球面空間參考下。在三維模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，對(duì)組成模型的頂點(diǎn)的空間位置進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)貼圖紋理以及紋理坐標(biāo)不做改變，這樣可以保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后，模型紋理不變。

2)編輯DEM。采用人工交互的方式，將DEM與高程基準(zhǔn)面保持完全一致，包括平移頂點(diǎn)、增加頂點(diǎn)、刪除頂點(diǎn)、抽稀頂點(diǎn)、碰撞分析(根據(jù)指定的空間規(guī)則，分析DEM、三維模型是否與指定的空間規(guī)則一致，同時(shí)標(biāo)識(shí)出DEM與三維模型中不一致的部分)。

3)布爾運(yùn)算。將2個(gè)或多個(gè)物體進(jìn)行交集、并集、差集等的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)DEM與三維地質(zhì)模型的一體化融合、DEM與地上三維模型的一體化融合以及三維地質(zhì)模型與地下空間設(shè)施模型的一體化融合。

1.2.5 模型構(gòu)建

將已經(jīng)實(shí)現(xiàn)融合的DEM、地上三維模型數(shù)據(jù)、地下空間設(shè)施模型和三維地質(zhì)模型進(jìn)行分級(jí)、切片存儲(chǔ)。對(duì)于地表影像數(shù)據(jù)，采用地表影像數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地表影像與DEM的一體化融合。同時(shí)，根據(jù)用戶提供的二維矢量數(shù)據(jù)(建筑物矢量面和地下管網(wǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù))，利用矢量面拉體工具和地下管網(wǎng)三維模型生成工具，生成以DEM為基準(zhǔn)的構(gòu)建筑物的三維矢量模型和地下管網(wǎng)的三維模型，實(shí)現(xiàn)三維矢量模型和地下管網(wǎng)三維模型的構(gòu)建以及與DEM的一體化融合。

1.3 地上、地下全空間一體化數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

為解決海量、多源異構(gòu)地上、地下全空間數(shù)據(jù)可視化調(diào)度問(wèn)題，采用GPU和CPU混合渲染架構(gòu)，支持Direct3D和OpenGL雙引擎。通過(guò)分析GPU程序訪存特征，使用多級(jí)緩存技術(shù)，對(duì)CPU-GPU融合系統(tǒng)的末級(jí)緩存進(jìn)行最優(yōu)的靜態(tài)劃分，提供更加快速的圖形渲染和并行運(yùn)算能力。

同時(shí)，采用基于地理坐標(biāo)系的四叉樹(shù)或八叉樹(shù)劃分的空間索引技術(shù)，依據(jù)當(dāng)前場(chǎng)景視點(diǎn)位置決定哪些數(shù)據(jù)需要從云端下載緩存到本地，哪些數(shù)據(jù)需要從本地緩存載入內(nèi)存，哪些數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存緩存到顯存，構(gòu)成從本地緩存、內(nèi)存、顯存的3級(jí)緩存結(jié)構(gòu)和調(diào)度策略。整個(gè)調(diào)度過(guò)程使用多線程技術(shù)，一個(gè)線程進(jìn)行數(shù)據(jù)的渲染，一個(gè)或一個(gè)以上的線程從網(wǎng)絡(luò)下載數(shù)據(jù)，并將其緩存到本地磁盤，進(jìn)而加載到內(nèi)存中。

此外，在數(shù)據(jù)生成緩存時(shí)，進(jìn)行對(duì)象打組及壓縮處理，減少對(duì)象存儲(chǔ)空間，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能與渲染性能。引擎還通過(guò)實(shí)例化技術(shù)、LOD技術(shù)、場(chǎng)景視錐體剪裁技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)TB級(jí)地下時(shí)空數(shù)據(jù)的真實(shí)感可視化與高效調(diào)度。

1.4 地上、地下全空間一體化數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)技術(shù)

為解決輔助地下空間開(kāi)發(fā)利用與安全運(yùn)維管理的應(yīng)用欠缺問(wèn)題，本文從全域視角出發(fā)，基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)深度挖掘地下空間要素的變化規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì)，探究知識(shí)驅(qū)動(dòng)型輔助決策模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，形成基于業(yè)務(wù)流和事件協(xié)作的任務(wù)分解方法。通過(guò)構(gòu)建大型建筑物選址分析、地下軌道交通選線規(guī)劃等多尺度輔助決策分析模型，實(shí)現(xiàn)地下空間安全預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，精準(zhǔn)支撐城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用與安全運(yùn)營(yíng)[14-15]。

以大型建筑物選址分析為例，核心技術(shù)思路如下：

1)以建筑物底面多邊形為基礎(chǔ)按照1.1倍的緩沖面積開(kāi)展地下空間設(shè)施的緩沖區(qū)分析。

2)基于上一步分析結(jié)果，進(jìn)行垂直方向的碰撞分析，判斷哪些地下空間設(shè)施與建筑物樁基有沖突。垂直方向上的碰撞分析，是將建筑物的每個(gè)樁基與地下空間設(shè)施進(jìn)行碰撞分析。

3)分析得出沖突位置水平方向的坐標(biāo)范圍和垂直方向的坐標(biāo)范圍，垂直方向?yàn)橄鄬?duì)坐標(biāo)(相對(duì)于地面)。

4)根據(jù)沖突位置坐標(biāo)范圍信息繪制沖突位置高亮模型(建筑物樁基的高亮模型)。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，構(gòu)建符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、具有較強(qiáng)通用性、功能完善的地下空間應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，平臺(tái)總體架構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 平臺(tái)總體架構(gòu)

2.1 地下空間數(shù)據(jù)中心

地下空間數(shù)據(jù)中心包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和專題數(shù)據(jù)庫(kù)。

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是表征地下空間要素客觀、固有特征的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，可為系統(tǒng)提供各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、城市地質(zhì)數(shù)據(jù)以及地下空間設(shè)施數(shù)據(jù)3大類。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)內(nèi)容

2)專題數(shù)據(jù)是表征地下空間要素的特定性質(zhì)、運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境變化數(shù)據(jù)，可支撐地下空間各類業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括地下空間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和地下空間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 專題數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)內(nèi)容

2.2 平臺(tái)功能

城市地下空間信息集成管理與服務(wù)平臺(tái)是面向地下空間全生命周期管理的綜合性應(yīng)用支撐平臺(tái)，覆蓋地下空間數(shù)據(jù)建庫(kù)成圖、管理、可視化、應(yīng)用分析和共享的整個(gè)流程，同時(shí)涵蓋地下病害體綜合管理、工程地質(zhì)勘察應(yīng)用管理、地球物理數(shù)據(jù)處理等專項(xiàng)應(yīng)用，可支撐地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一體化管理、應(yīng)用和決策分析，為城市地下空間規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、安全和管理提供全方位、高效、長(zhǎng)期的信息服務(wù)與支撐。平臺(tái)包含地下空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)和地下空間專項(xiàng)應(yīng)用平臺(tái)，平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用實(shí)踐

目前，城市地下空間信息集成管理與服務(wù)平臺(tái)已成功應(yīng)用到某地級(jí)市地下空間信息化項(xiàng)目中。

3.1 地上、地下一體化數(shù)據(jù)集成展示與管理

該地級(jí)市地下空間信息化項(xiàng)目涉及的地下空間數(shù)據(jù)范圍達(dá)190 km2，數(shù)據(jù)量達(dá)1.02 PB；數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括國(guó)土部門、規(guī)劃部門、城建部門、地調(diào)部門、交通部門及地鐵集團(tuán)等相關(guān)單位；數(shù)據(jù)內(nèi)容包括地質(zhì)環(huán)境、地下管線、地基、地下空間設(shè)施等各類要素基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及其物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)格式覆蓋CAD、二維矢量、傾斜攝影、3DMax手工模型、BIM、Geo3DGML地質(zhì)模型等。各類數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，參考的坐標(biāo)系、使用的比例尺、選擇的地表統(tǒng)一基準(zhǔn)面等多個(gè)方面存在差異。

為解決該地級(jí)市大范圍、海量、多源異構(gòu)地下空間數(shù)據(jù)的一體化集成展示與管理的問(wèn)題，本文通過(guò)采用地上、地下多源數(shù)據(jù)組織技術(shù)，根據(jù)城市地下空間管理需求，將該地級(jí)市190 km2，地上、地下500 m范圍剖分為547×104個(gè)三維立體空間網(wǎng)格，重點(diǎn)針對(duì)核心示范區(qū)2 km2、地上地下500 m范圍按照m級(jí)剖分為8.89×108個(gè)三維立體空間網(wǎng)格，并生成全部網(wǎng)格的三維空間唯一標(biāo)識(shí)編碼，進(jìn)而建立基于三維立體空間網(wǎng)格編碼的數(shù)據(jù)組織關(guān)系與索引機(jī)制。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，相較于傳統(tǒng)經(jīng)緯度坐標(biāo)的空間查詢管理方式，效率提高3～5倍。通過(guò)地上、地下全空間數(shù)據(jù)一體化融合技術(shù)，選取與該地級(jí)市實(shí)際高程相符的DEM數(shù)據(jù)為高程基準(zhǔn)面，基于自主研發(fā)的數(shù)據(jù)融合工具，首先，將該地級(jí)市190 km2范圍30 m精度的DEM與核心示范區(qū)2 km2范圍2 m精度的DEM進(jìn)行融合；然后，以融合后的DEM為最終確定的高程基準(zhǔn)面，將地上傾斜攝影模型、地上構(gòu)建筑物模型、BIM、地質(zhì)體模型、地下管線模型及其地下空間設(shè)施模型分別與融合后的DEM進(jìn)行空間位置校準(zhǔn)；最后，分別進(jìn)行三維地質(zhì)模型與高程基準(zhǔn)面、地下空間設(shè)施模型的自動(dòng)布爾運(yùn)算，并根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)人機(jī)交互方式對(duì)模型接邊進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同來(lái)源、不同坐標(biāo)系、不同高程基準(zhǔn)面數(shù)據(jù)的地上、地下一體化融合。通過(guò)采用地上、地下全空間一體化數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，自主研發(fā)三維可視化引擎實(shí)現(xiàn)該地級(jí)市190 km2范圍、1.02 PB地下空間相關(guān)數(shù)據(jù)在三維場(chǎng)景中可視化調(diào)度渲染，快速、逼真呈現(xiàn)地上建筑、城市景觀、地質(zhì)環(huán)境、地下管線、地下空間設(shè)施、地基等要素的三維特征，進(jìn)而為城市地下空間資源規(guī)劃布局優(yōu)化、科學(xué)開(kāi)發(fā)利用以及安全運(yùn)維保障提供支撐。地上、地下一體化數(shù)據(jù)集成展示與管理見(jiàn)圖5。

圖5 地上、地下一體化數(shù)據(jù)集成展示與管理

3.2 地下空間開(kāi)發(fā)利用輔助決策

3.2.1 大型建筑物選址分析

針對(duì)該地級(jí)市進(jìn)行大型建筑物規(guī)劃選址的需求，根據(jù)導(dǎo)入的工程規(guī)劃建筑矢量面以及一些建筑物基本信息，在三維場(chǎng)景中模擬生成建筑物原型，進(jìn)行建設(shè)區(qū)域軟土層評(píng)價(jià)以及樁基與地下已有設(shè)施的沖突評(píng)價(jià)，分析是否與已有的地下空間設(shè)施產(chǎn)生碰撞、沖突，判斷是否會(huì)影響到周圍區(qū)域內(nèi)的地下構(gòu)筑物、地下資源，是否存在地質(zhì)問(wèn)題等，得出大型建筑物選址的專業(yè)綜合建議，為城市進(jìn)行舊城改造、新城建設(shè)等提供輔助決策。以某大廈規(guī)劃選址為例，根據(jù)擬定規(guī)劃的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行地上、地下全空間決策分析，發(fā)現(xiàn)大廈擬定的樁基深度與地下水沖突，與周邊14 695 m2的地下空間建筑沖突。大型建筑物選址分析見(jiàn)圖6。

圖6 大型建筑物選址分析

3.2.2 地下軌道交通選線規(guī)劃分析

針對(duì)該地級(jí)市進(jìn)行地下軌道交通選線規(guī)劃的需求，根據(jù)軌道交通規(guī)劃方案路線與現(xiàn)有地區(qū)地質(zhì)條件(地層、地下溶洞和地下空洞)和地下空間設(shè)施(地上構(gòu)建筑物的樁基和地下構(gòu)建筑物)的交互關(guān)系，遵循“避讓原則”對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估當(dāng)前設(shè)計(jì)線路的影響范圍、需搬遷房屋數(shù)量、建筑面積，分析統(tǒng)計(jì)出規(guī)劃方案穿越地層長(zhǎng)度對(duì)比圖、障礙物數(shù)量對(duì)比圖、地質(zhì)剖面與地下空間聯(lián)合剖面圖，為地鐵、地下隧道等線性軌道交通規(guī)劃、選址與施工提供有力支撐，提高選址規(guī)劃的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。以地鐵選線規(guī)劃為例，導(dǎo)入擬定規(guī)劃的2條地鐵線路，進(jìn)行地下軌道交通選線規(guī)劃分析，發(fā)現(xiàn)2條地鐵規(guī)劃線路穿越的地層、障礙物數(shù)量均存在明顯差異。通過(guò)上述分析可為地鐵施工造價(jià)評(píng)估、拆遷評(píng)估等提供支撐。地下軌道交通選線規(guī)劃分析如圖7所示。

圖7 地下軌道交通選線規(guī)劃分析

3.3 地面坍塌應(yīng)急處理

根據(jù)地面塌陷現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)接塌陷現(xiàn)場(chǎng)地下水、地下病害體、地下空間設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，在三維場(chǎng)景中快速對(duì)塌陷事故進(jìn)行重建模擬，通過(guò)對(duì)事故發(fā)生的地點(diǎn)、塌陷范圍、影響范圍的設(shè)置，真實(shí)還原事故的情況，并統(tǒng)計(jì)出可能影響到的地質(zhì)資源(地下水、淺層地溫能)、地下空間資源(包括管線、地下空間設(shè)施等數(shù)據(jù))情況，為事故處置提供輔助決策。地面坍塌事故模擬分析如圖8所示。

圖8 地面坍塌事故模擬分析

4 結(jié)論與建議

本文提出了可以支撐城市地上、地下全空間數(shù)據(jù)組織、融合、可視化、分析、預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)，打通了地下空間信息化核心技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了城市地上、地下PB級(jí)數(shù)據(jù)的集成管理與服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了以地下空間有機(jī)整體為研究目標(biāo)的城市地下空間信息集成管理與服務(wù)平臺(tái)，有效解決了地下空間數(shù)據(jù)管理分散、系統(tǒng)割裂、精細(xì)化管理程度不高、地上地下全空間三維集成可視化水平較低、輔助地下空間開(kāi)發(fā)利用與安全運(yùn)維管理相關(guān)應(yīng)用欠缺的難題，實(shí)現(xiàn)了地下空間數(shù)據(jù)的一體化管理、應(yīng)用和決策分析，為城市地下空間規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維提供全方位、高效的信息服務(wù)。目前相關(guān)成果已成功應(yīng)用于多個(gè)城市地下空間樣板工程，并取得良好的應(yīng)用效果。

未來(lái)，隨著地下空間信息化理論研究的不斷深化與信息技術(shù)水平的持續(xù)提高，平臺(tái)可深度結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建地上、地下全空間基礎(chǔ)時(shí)空框架。同時(shí)可進(jìn)一步優(yōu)化地上、地下全空間一體化數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)模型，賦能地上、地下空間統(tǒng)籌協(xié)同開(kāi)發(fā)，為新型智慧城市建設(shè)提供全空間一體化分析、評(píng)價(jià)和決策服務(wù)。