城市地下空間要素的數(shù)字化路徑探討與思考
——以上海市為例

安文通

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 上海市地質(zhì)勘查技術(shù)研究院，上海 200072；3. 自然資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；4. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

城市地下空間開發(fā)利用是我國近年來城市建設的熱點，建設速度之快、規(guī)模之大，史無前例[1]。與地面空間相比，地下空間具有空間相對隔離、隔音、自然災害影響小、環(huán)境污染小等優(yōu)點[2-4]，合理的開發(fā)利用城市地下空間，可有效緩解城市發(fā)展過程中日益突出的人地矛盾，提高土地的利用效率，保障城市的可持續(xù)發(fā)展。但是與城市地下空間的開發(fā)規(guī)模相比，當前城市地下空間的數(shù)字化水平相對滯后，在數(shù)字經(jīng)濟上升為國家戰(zhàn)略的背景下，推動城市地下空間的數(shù)字化建設迫切且必要。所謂數(shù)字化可分別從專業(yè)概念和泛化的社會認同兩個角度來理解，其專業(yè)概念通常是指將現(xiàn)實中各類復雜的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭啥攘康臄?shù)據(jù)，通過建立數(shù)字化模型的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制代碼，存儲于計算機的過程；而泛化的社會認同更多的是強調(diào)通過數(shù)字化技術(shù)打通阻礙信息傳遞的壁壘，實現(xiàn)跨部門的系統(tǒng)互通、數(shù)據(jù)互聯(lián)，為業(yè)務賦能，支撐決策。本文所提到的城市地下空間數(shù)字化建設是指利用數(shù)字化技術(shù)來解決城市地下空間在規(guī)劃、建設、管理和運維過程中數(shù)據(jù)共建、共治和共享的相關(guān)問題，補齊城市數(shù)字底座，支撐智慧城市建設。

上海市作為我國最早開發(fā)利用城市地下空間資源的城市之一，在地下空間數(shù)字建設方面開展了諸多探索，取得了一些重要成果，例如：三維地籍調(diào)查、三維城市地質(zhì)調(diào)查和地下管線普查及可視化等。另一方面，上海市城市地下空間數(shù)字化建設也存在諸多不足，例如：地下空間涉及要素和管理部門眾多，彼此數(shù)據(jù)不通；不同要素的數(shù)字化建設單位各自為戰(zhàn)，步調(diào)不一；數(shù)據(jù)更新滯后維護困難等問題。針對城市地下空間數(shù)字化建設，本文認為可從以下三個維度來進行思考：一是可視化，二是可實用，三是可持續(xù)。首先，建設全市標準統(tǒng)一的可視化全要素地下空間數(shù)字底座是數(shù)字化建設最基本的需求；其次，數(shù)字底座實現(xiàn)應用級別的業(yè)務功能是數(shù)字化建設的基本目標和著力點；最后，實現(xiàn)數(shù)字底座的共建、共治和共享，保障其生命力和可持續(xù)是數(shù)字化建設成功與否的重要標志。本文對上海市城市地下空間要素的數(shù)字化現(xiàn)狀進行總結(jié)，對過往經(jīng)驗和不足進行思考，以期對我國同類型城市的地下空間的數(shù)字化建設提供借鑒。

1 城市地下空間數(shù)字化現(xiàn)狀

1.1 城市地下空間數(shù)字化背景

近些年發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型是國家重大戰(zhàn)略，城市地下空間數(shù)字化建設是城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)容，對于提高城市治理的精細化水平具有重要意義，無論中央和地方都非常重視城市地下空間的數(shù)字化建設。國家層面，2016年6月，住建部印發(fā)了《城市地下空間開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，其中一項主要任務是推進地下空間普查和地下空間信息系統(tǒng)建設，促進實現(xiàn)城市地下空間數(shù)字化管理，提升城市地下空間管理標準化、信息化、精細化水平[5]；2020年9月，住建部印發(fā)城市信息模型（CIM）基礎平臺技術(shù)導則，提出構(gòu)建三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體[6]，其中城市地下空間是CIM基礎平臺建設重要組成部分；2021年02月，自然資源部辦公廳印發(fā)《自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設總體方案》指出建設自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，城市地下空間資源作為自然資源的一部分，其相關(guān)數(shù)據(jù)對于政府科學決策和社會建設管理具有重大價值[7]；2021年8月，自然資源部辦公廳印發(fā)《實景三維中國建設技術(shù)大綱（2021版）》的通知，提出為經(jīng)濟社會發(fā)展和各部門信息化提供統(tǒng)一的空間基底[8]，城市地下空間是空間基底不可或缺的部分。

上海市一直以來都非常重視城市地下空間數(shù)字化建設，先后開展如三維城市地質(zhì)調(diào)查、三維地籍調(diào)查、地下管線普查、數(shù)字孿生建設等工作，在城市地下空間數(shù)字化建設方面取的顯著成效。2021年8月，上海市住建委、市規(guī)劃資源局、市交通委等7個與城市地下空間開發(fā)利用相關(guān)的委辦局印發(fā)《關(guān)于加強本城市地下市政基礎設施建設的實施意見》，要求深入開展設施普查，開展數(shù)據(jù)歸集，構(gòu)建全市統(tǒng)一的覆蓋地下管線、地下通道、地下公共停車場、民防工程的城市地下市政基礎設施綜合數(shù)據(jù)庫，全面推進地下市政基礎設施城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型，進一步夯實基礎底座，實現(xiàn)地下市政基礎設施“數(shù)治”新范式，全面提升城市地下市政基礎設施建設與管理的科學化、精細化、智能化水平[9]，對城市地下空間的數(shù)字化建設提出了更高的要求。

1.2 國外城市數(shù)字化

城市地下空間數(shù)字化是城市數(shù)字化的重要組成部分，國外的城市數(shù)字化研究主要集中在以BIM（Building Information Modeling，簡稱BIM）為核心的三維建模和其與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合。三維城市模型（3D City Model）的概念是由“數(shù)字地球（Digital Earth）”發(fā)展而來的，目前三維城市模型分為設計模型和現(xiàn)實世界模型，設計模型是由工程師制作而成主要應用于建筑行業(yè)，現(xiàn)實世界模型通常是在地理信息系統(tǒng)中對現(xiàn)實對象的表達[10]。目前，越來越多的研究人員已經(jīng)開始重視三維城市建模的研究，因為其在城市規(guī)劃、土地利用管理、交通管理等方面中發(fā)揮著越來越重要的作用[11]，為此國外學者開展了諸多嘗試，例如：開放街道地圖（Open Street Map，簡稱OSM）目標是創(chuàng)造一個內(nèi)容自由且能讓所有人編輯的世界地圖[12]；Skyline三維地理信息服務平臺可實現(xiàn)創(chuàng)建和發(fā)布逼真的交互式三維場景，應用于數(shù)字城市；利用BIM模型構(gòu)建城市不同功能模塊及整合其附屬的詳細信息[13-14]等。近些年，隨著中國城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程的加快，國內(nèi)學者關(guān)于城市信息模型（City Information Modeling，簡稱CIM）的相關(guān)研究也在逐漸引起關(guān)注[10]。此外，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡稱IoT)）對未來城市地下空間運維的有效支持也是城市地下空間數(shù)字化的重要內(nèi)容，如在地下交通管理、政府管理、公共基礎設施和地下資源管理等方面[4,15-17]。

1.3 上海市城市地下空間數(shù)字化現(xiàn)狀

上海市城市地下空間數(shù)字化建設工作始于對不同城市地下空間組成要素的專題調(diào)查工作，如：上海市三維地籍調(diào)查、三維城市地質(zhì)調(diào)查和地下管線普查等專題工作，隨著各類要素數(shù)據(jù)的積累，數(shù)字化工作開始向全市范圍、全要素和系統(tǒng)性的基礎數(shù)字底座方向發(fā)展，上海市城市地下空間數(shù)字化工作相比于國內(nèi)其他城市呈現(xiàn)出體量大、要素全、標準高等特點。城市地下空間的組成要素包括地質(zhì)體、各類地下建（構(gòu)）筑物、地下管線等。城市地下空間的規(guī)劃、建設、管理和運維涉及眾多政府部門和企業(yè)，以上海市為例，涉及城市地下空間開發(fā)利用的政府部門就有上海市住建委、市規(guī)劃資源局、市交通委和市民防辦等。管理職能的復雜導致城市地下空間的數(shù)字化建設一直以來都是以某一類型要素的地下空間為目標，例如針對地下管線的數(shù)字化，針對軌道交通的數(shù)字化等等，隨著上海市“一網(wǎng)通管”工作的推進，整合各類已有城市地下空間數(shù)據(jù)資源將是未來趨勢。按照前面提到的三個維度可視化、可實用和可持續(xù)，上海市城市地下空間數(shù)字化基本實現(xiàn)了各類地下空間要素的可視化，基于數(shù)字化邏輯的各類業(yè)務應用級功能正在建設階段，未來可持續(xù)的全生命周期數(shù)字底座尚處于探索階段。

下面本文分別針對城市地下空間的組成要素地質(zhì)體、各類地下建（構(gòu)）筑物和地下管線、地下監(jiān)測網(wǎng)絡等方面來介紹上海市在城市地下空間數(shù)字化建設的進展：

（1）地質(zhì)體

地質(zhì)體是城市地下空間開發(fā)的載體，上海市三維城市地質(zhì)調(diào)查始于2004年，通過多年努力建立了包含地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息、專題地質(zhì)圖和三維地質(zhì)模型的核心數(shù)據(jù)庫，為上海市城市地下空間綜合調(diào)查提供了基礎數(shù)據(jù)。總的來說目前上海市地質(zhì)數(shù)字化建設成果顯著，在地質(zhì)資料匯交共享方面建設有上海地質(zhì)資料信息共享平臺，在三維城市地質(zhì)方面建設有上海市三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)，此外還有專業(yè)應用系統(tǒng)如上海市地面沉降信息管理系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息管理平臺等。這些地質(zhì)領(lǐng)域的數(shù)字化建設成果對于上海市城市地下空間的開發(fā)利用提供了有力支撐，對保障城市安全提供了基礎數(shù)字底板[18-21]。

（2）地下建（構(gòu)）筑物

地下建（構(gòu)）筑物是城市地下空間利用中最普遍的方式，上海市地下建（構(gòu)）筑物建設規(guī)模巨大，主要開發(fā)類型包括地下室、地下停車場、地下商業(yè)設施、市政基礎設施、地下樁基、地下民防設施、隧道、地下通道、綜合管廊等等。為了查清上海市中心城區(qū)地下建（構(gòu)）筑物規(guī)模，上海市開展了地下空間初始地籍調(diào)查[22-24]，建成了中心城區(qū)地下建（構(gòu)）筑物數(shù)據(jù)庫和三維模型。據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2020年底，全市累計調(diào)查地下空間6萬多個，包括地下場室、地上建筑物樁基、高架（道路、橋梁）的承臺樁基等。

上海市地下建（構(gòu)）筑物數(shù)字化工作開展較早，全市統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫有效的支撐了城市重點工程的規(guī)劃、審批、建設、管理和運維。同時也要注意的是當前信息化技術(shù)發(fā)展迅速，隨著建（構(gòu)）筑物BIM模型、城市CIM平臺、數(shù)字孿生城市和元宇宙等概念的提出，傳統(tǒng)的城市地下建（構(gòu)）筑物三維建模及數(shù)據(jù)管理模式是否能滿足新技術(shù)的需求還有待檢驗，新技術(shù)與現(xiàn)有系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的融合也需要盡快開展相關(guān)技術(shù)探索，例如研究利用新建建（構(gòu)）筑物的BIM模型更新現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫，免去收集圖紙、矢量化和三維建模等一系列繁瑣工作，有效提高數(shù)據(jù)更新效率。

（3）地下管網(wǎng)

地質(zhì)體與地下建（構(gòu)）筑物是地下空間開發(fā)利用的主體，除此之外還包括地下監(jiān)測設施、地下管線等。其中實時監(jiān)測網(wǎng)絡是地下設施安全運維的有力保障，目前上海市建設有各類針對不同地下設施的地下監(jiān)測網(wǎng)絡，如針對地質(zhì)環(huán)境、地面沉降和軌道交通等方面；而地下管線是保障城市安全運行的重要基礎設施[25-26]，且主要利用的淺層地下空間資源，上海市地下管線經(jīng)過多年普查已積累海量數(shù)據(jù)?？傮w來說，其他地下設施的數(shù)字化主要是為保障城市地下設施的安全運營，解決如“馬路拉鏈”等城市管理難題。

2 上海市城市地下空間要素的數(shù)字化路徑

近些年，隨著“十四五”規(guī)劃要求加快推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以及物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、韌性城市等新型城市建設目標的提出，城市地下空間數(shù)字化建設也在適應新的要求。但是，應該認識到數(shù)字化的基礎是建設能夠覆蓋全市，包含地下全要素，同時包含城市地下空間規(guī)劃、建設、管理和運維必要屬性信息的基礎數(shù)據(jù)底板。本文圍繞城市地下空間數(shù)字化的可視化、可實用和可持續(xù)三個維度，結(jié)合未來城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型的潛在需求，總結(jié)目前上海市城市地下空間要素的數(shù)字化路徑（如圖1所示），如下：

（1）通過整合各領(lǐng)域已有地下空間調(diào)查（包括管線、地質(zhì)、地下建（構(gòu)）筑物和地下監(jiān)測網(wǎng)絡等）成果，完成地下空間全要素數(shù)據(jù)的補全；

（2）針對全要素地下空間數(shù)據(jù)制定相應的數(shù)據(jù)標準，規(guī)范二/三維數(shù)據(jù)的建庫和建模；

（3）通過數(shù)據(jù)融合、標準化處理、三維建模等技術(shù)手段，建立標準規(guī)范的全要素地下空間數(shù)據(jù)庫；

（4）依托相關(guān)政府部門審批系統(tǒng)或管理系統(tǒng)建立可靠的數(shù)據(jù)更新機制，確保地下空間數(shù)據(jù)的及時準確更新；

（5）以地下空間基礎數(shù)據(jù)底板為基礎，服務于城市的地下空間規(guī)劃、建設、管理和運維，為城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型和精細化管理服務。

其核心內(nèi)容可概括為3個方面，分別為：基于可視化原則建立全要素地下空間數(shù)字底座；基于可實用性建設專業(yè)應用場景；基于可持續(xù)原則建立數(shù)據(jù)更新機制。

圖1 上海市地下空間要素的數(shù)字化路徑Fig.1 The digital path of underground space elements in Shanghai

2.1 建立全要素地下空間數(shù)字底座

隨著上海市三維城市地質(zhì)調(diào)查、地下管線普查、三維地籍調(diào)查等專項試點工作的開展，地下空間單要素數(shù)字化工作取的明顯成效。但是隨著城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型對地下空間數(shù)據(jù)的要求不斷提高，單要素地下空間數(shù)據(jù)顯然不能滿足城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求。為此近些年上海市城市地下空間數(shù)字化工作開始探索面向全要素的數(shù)字化路徑，集地質(zhì)體、地下建（構(gòu)）筑物、地下管線、地下監(jiān)測網(wǎng)絡為一體的地下空間開發(fā)利用管理平臺將是未來城市地下空間數(shù)字化發(fā)展的方向，如圖2所示。在此基礎上結(jié)合城市CIM平臺、數(shù)字孿生等基礎平臺構(gòu)成地上、地下一體化的基礎空間數(shù)字底座，支撐城市的精細化、智慧化管理。

圖2 面向全要素的城市地下空間數(shù)字化概念Fig.2 Concept of digitalization of all underground elements

面向全要素的城市地下空間數(shù)字化平臺可有效打破數(shù)據(jù)壁壘，促進地下空間數(shù)據(jù)的共建、共治和共享，推動地下基礎數(shù)據(jù)更大范圍的應用，支撐地下市政基礎設施建設與管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升基礎設施管理效率和服務水平，服務數(shù)字經(jīng)濟戰(zhàn)略和城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2.2 建設專業(yè)應用場景

上海市城市地下空間數(shù)字化工作最顯著的特征之一是從第一維度的數(shù)據(jù)“可視化”到數(shù)據(jù)的“可實用”。無論是三維城市地質(zhì)調(diào)查、地下管線普查還是三維地籍調(diào)查的初期由于基礎數(shù)據(jù)薄弱，而無法支撐大規(guī)模專業(yè)應用。通過多年的數(shù)據(jù)積累和技術(shù)積累全市范圍內(nèi)的地下空間數(shù)據(jù)已初具規(guī)模，全市范圍內(nèi)的地下空間開發(fā)利用情況通過信息化手段已經(jīng)實現(xiàn)可視化?，F(xiàn)階段對于地下空間數(shù)據(jù)價值的挖掘是上海市城市地下空間數(shù)字化建設的新任務，通過數(shù)據(jù)共享、發(fā)布服務、場景建設等方式支撐政府管理和決策，支撐地下空間的規(guī)劃和建設，支撐相關(guān)基礎設施的運維和管理（如圖3所示），充分發(fā)揮地下空間數(shù)字底座的價值是未來地下空間數(shù)字化建設的發(fā)展方向。

圖3 地下空間數(shù)據(jù)的潛在應用場景Fig.3 Potential application scenarios of underground space digitization

2.3 建立數(shù)據(jù)更新機制

數(shù)據(jù)的實時性是數(shù)字底座建設的重點也是難點，同時也是保障數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)價值的必要條件。對于上海市已建成的地下設施通過資料收集、外業(yè)普查等手段可逐步納入數(shù)字底座，但是對于新建的地下工程，由于工程分布零散，建設時間不統(tǒng)一，工程施工頻繁（如管線施工等），工程規(guī)模不一，建設單位眾多等原因無法通過大規(guī)模普查的方式更新入庫，因此為了保證地下空間數(shù)字底座的價值必須建立相關(guān)的數(shù)據(jù)更新機制，即：實現(xiàn)本文所說的第三個維度“可持續(xù)”。2021年8月上海市住建委、規(guī)劃資源局等7個委辦局印發(fā)的《關(guān)于加強本城市地下市政基礎設施建設的實施意見》中指出建立數(shù)據(jù)動態(tài)更新及共享機制，完善地下市政基礎設施及管理相關(guān)的各類數(shù)據(jù)資源，建立以權(quán)屬單位終身負責制為基礎的數(shù)據(jù)動態(tài)維護工作機。通過體制機制的建立可確保數(shù)據(jù)信息的唯一性和準確性，如圖4所示，本文提出新建地下工程數(shù)據(jù)更新潛在的路徑。

圖4 新建地下工程數(shù)據(jù)更新路徑及關(guān)系Fig.4 Update path of new underground engineering data

3 地下空間數(shù)字化的一些思考

3.1 數(shù)字化的意義

本文通過對地下空間數(shù)字化工作具體內(nèi)容進行梳理，認為地下空間數(shù)字化工作的定位應該是通過構(gòu)建全要素地下空間數(shù)字底座來完善或補齊城市基礎數(shù)據(jù)底板，有效支撐城市地下空間的規(guī)劃、建設、管理和運維，完善地下空間的治理機制。數(shù)字化建設的終極目標應該是實現(xiàn)地下空間全要素數(shù)據(jù)的存量數(shù)據(jù)補全、長效管理、持續(xù)更新和廣泛應用，實現(xiàn)全要素、全生命周期的地下空間精細化、智慧化管理。

地下空間資源有別于地表資源，一旦建成其改建或擴建難度都很大，而且已建成地下設施會對未來地下設施的規(guī)劃建設在空間上產(chǎn)生阻礙。因此，不合理的設計不僅是對空間資源的浪費，而且會對未來地下資源的開發(fā)利用產(chǎn)生不利影響。而全要素地下空間數(shù)字底座對于減少設計失誤和減少地表地下建設因避讓造成的損失具有重要的實際應用價值。

3.2 數(shù)字化面臨的困難

地下空間數(shù)字化建設的最大困難在于數(shù)據(jù)來源和共享機制，如前所述不同類型的地下空間要素數(shù)據(jù)可能分散在不同的建設管理單位，上海市通過多年努力才逐漸形成覆蓋中心城區(qū)的各類地下空間數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)，對于新建地下工程的數(shù)據(jù)更新目前尚缺少有效、高效的管理手段，而能否實現(xiàn)新建地下工程數(shù)據(jù)的閉環(huán)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間內(nèi)容），將是決定全要素地下空間數(shù)字底座實際價值的重要標準。

通過調(diào)研，本文認為針對新建地下工程數(shù)據(jù)更新最有效的途徑是依托相關(guān)政府部門審批的管理流程沉淀數(shù)據(jù)。例如：規(guī)劃資源部門可通過工程建設項目審批環(huán)節(jié)對其職權(quán)范圍內(nèi)的新建工程設計資料和竣工資料進行歸集、更新和沉淀；住建部門可通過建設工程施工許可和竣工驗收等環(huán)節(jié)沉淀數(shù)據(jù)；而交通部門則涉及交通類項目的規(guī)劃、審批、管理和驗收等環(huán)節(jié)，如何統(tǒng)籌管理各個部門歸集的數(shù)據(jù)，明確權(quán)責邊界，將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理更新是未來地下空間數(shù)據(jù)管理的難點。

表1 新建工程涉及地下空間內(nèi)容Table 1 Contents of underground space involved in new construction

此外，除了數(shù)據(jù)來源和共享機制協(xié)調(diào)困難外，針對全要素地下空間數(shù)據(jù)尚缺少統(tǒng)一完善的數(shù)據(jù)標準，針對不同格式、不同類型的地下空間數(shù)據(jù)尚缺少廣泛適用且功能齊全的三維空間數(shù)據(jù)平臺，導致針對全要素地下空間數(shù)據(jù)的融合和應用功能開發(fā)存在較大技術(shù)難度。

4 總結(jié)與展望

本文通過對上海市城市地下空間要素的數(shù)字化路徑進行探討和思考，取得以下認識：

（1）通過多年的建設上海市城市地下空間數(shù)字化取的顯著成效，建設內(nèi)容涵蓋了地質(zhì)、地下建（構(gòu)）筑物、地下管線、地下監(jiān)測網(wǎng)絡等，涵蓋了地下空間規(guī)劃、建設、管理和運維的各個環(huán)節(jié)。

（2）通過多年的數(shù)據(jù)積累和技術(shù)積累，上海市城市地下空間數(shù)字化建設內(nèi)容正在由可視化向可實用、可持續(xù)方向發(fā)展，整合各類已有城市地下空間數(shù)據(jù)資源，通過數(shù)字化支撐政府管理和社會運維是未來的發(fā)展方向。

（3）數(shù)據(jù)的更新機制是未來數(shù)字化建設關(guān)注的重點，結(jié)合當前已有的工程建設項目審批系統(tǒng)、BIM模型、CIM平臺和數(shù)字化交付等手段建立互動機制，是實現(xiàn)地下空間數(shù)據(jù)常態(tài)化更新的主要路徑，通過更新來保障數(shù)字底板的質(zhì)量和生命力。