面向新质生产力的超大城市实景三维地下管线建设路径

摘要 ：实景三维中国作为现代技术条件下经济社会要素时空全面分析、多维展示、趋势研判等的新颖手段和方法,在加快构建体现高质量发展要求的经济布局和国土空间体系,特别是在发展新质生产力方面正在发挥更大的作用。城市地下管线三维空间信息是实景三维中国建设的组成部分。本文结合基于空间分析的多源数据融合技术、地上地下一体化时空数据协同采集技术、基于建筑信息模型的部件级管线模型构建技术,全面思考了地下管线实景三维建设的技术手段,对支撑赋能超大城市全域数字化转型三维场景建设与发展具有一定的参考应用价值。

正文

实景三维中国旨在打造数字中国建设的统一时空底座，从而满足各行业、各部门和社会公众对自然资源时空基础数据的迫切需求 ^{[1 -3 ]} 。其中，部件级实景三维建设要对城市形态进行客观唯一、精确的数字化表达；对城市时空行为进行全面准确、时序的数字化态表达。此外，新质生产力是由技术革命性突破、生产要素创新性配置、产业深度转型而催生出来的，以劳动者、劳动资料、劳动对象及其优化组合的跃升为基本内涵 ^{[4 -6 ]} 。

实景三维建设要求城市地下空间基础设施具备更高的信息化、智能化水平，而地下管线作为地下空间的重要组成部分，是输送资源、能源、信息及提供公共服务的关键载体 ^{[7 ]} ，面临全面绿色化、提升韧性及数字化转型的迫切需求，是实景三维建设培育和发展新质生产力的着力点之一 ^{[8 ]} 。

本文以上海为例，提出超大城市实景三维地下管线建设实施路径，按照统一的数据标准体系进行多源数据融合，地上地下一体化协同采集，实现部件级实景三维建模，打造市政管网立体三维的数据底座，创新超大城市市政管网数字化、智慧化管理的新理念、新技术、新模式。

1  基于空间分析的多源管线数据融合

地下管线是城市的血管和神经，也是城市运行的生命线 ^{[9 -11 ]} 。超大城市的地下管线与构筑物密集，以上海为例，地下管网埋设可追溯到19世纪，各类管线层叠埋设。1988年上海开始将薄膜管线图数字化，从原先的管线图升级为上海市地下综合管线数据库。2011年上海开始推行管线跟测合同作为规划许可前置条件，用跟测成果更新数据库，但仍有大量历史管线缺少准确的竣工资料。因此，在超大城市通过将权属单位专业数据、普查数据、跟测竣工数据及历史沉淀的数字化数据融合，能够快速形成一套相对完备、准确的城市管线基础成果。

1.1  权属单位专业数据融合

权属单位专业数据现势性较强、属性齐全、关联关系准确，但空间精度较差。因此，需以全市管线地理信息库数据为底版，结合现状地形，通过内业判断、外业核实的方式进行整合、替代、接边，融合两套数据中优势性的数据内容，从而形成较齐全、可靠性较高、唯一性较强的现状管线数据库 ^{[12 ]} 。

1.1.1  数据分析

以上海市某街道燃气管线为例，该区域燃气的专业管线约为26.5 km，有平面坐标但没高程，管道连接关系准确，管线材质、管径、埋设日期等属性齐备；全市管线库该区域燃气管线约为28.1 km，来源主要为2018年普查数据和历年跟测数据，含平面坐标与高程，专业属性有所缺失，个别管线现势性不强。

通过对专业管线69项属性字段和全市管线库属性字段进行梳理，建立了对应关系，部分属性字段对照关系见表 1。

表  1 燃气部分属性字段对照关系

使用改进单向Hausdorff距离计算管线数据之间的平面距离，公式为

(1)

式中， a 和 b 分别为燃气专业管线和全市管线库的某段管线数据； p 为 a 线节点要素； q 为 b 的对应线节点要素； N 为 a 线节点要素个数。计算示意如图 1所示。

图  1 距离计算示意

通过内业计算26.5 km燃气专业管线到全市管线库的改进单向Hausdorff距离, 统计可得，距离在0.3 m内的燃气专业管线长度为8.2 km，超出0.3 m的为18.3 km。

对超出的部分选取路段进行外业探测检核，探测总长度约为1.73 km。按照＜0.3 m、[0.3，1] m和>1 m三档分别统计1.73 km探测检核数据与燃气专业管线、全市管线库数据的改进单向Hausdorff距离，距离分布见表 2。

表  2 多源管线数据距离统计

通过探测管线数据实测分析，两套数据中约1/3在限差内，约1/2相差在0.3~1.0 m，约1/6相差较大。通过管线建设时间属性，可以确定为管线后期改排而全市管线库未更新。但对未变化的管线，全市管线库数据空间精度略好于专业数据。

1.1.2  融合原则及处理方式

专业数据融合原则是以全市管线库数据为底版融合专业管线数据，判别不同数据源间的同根管线，判别一般根据管线精度和同时存在的可能性。全市管线库与专业管线的相互关系分为3类。

(1) 新增管线。补齐底版管位，除非与现有地形、现势管线存在显著冲突，一般均应加入底版。结合数据现势性，利用专业数据对底版未覆盖或覆盖不足的区域进行补充并做好接边，提高管线数据覆盖率，同时做好数据来源标记。

(2) 删除管线。清理底版无效的旧数据，当有显著证据表明其已不存在或废弃时，应修改管线状态或删除。结合地形图、专业管线、底版的现势性，发现底版中不可能存在的管线(如建构筑物占位，道路改扩建等)，删除相关管线或修改管线状态，如有疑问的进行外业核实。

(3) 修改管线、属性。底版与专业管线中能找到同根管线时，修正底版中存在错误的连接关系，修正、补齐底版中存在错误、空缺的属性。因修复管线连接关系产生的新管线段应区别于一般管线。

1.1.3  外业核查

数据融合时，应充分利用已有数据验证专业管线数据的精度、属性可靠性。专业管线一旦利用，其空间位置、属性不应产生新的显著错误，不应与已有数据存在显著冲突。

融合过程中，对存疑管线应进行外业核实，如管线有、无数据的相对可靠性等，外业核查对象应为内业无法处理且可以通过外业解决矛盾的管线。外业核查一般核实既有数据的相对准确性，对新建、改排、走向不准确的管线不进行外业采集。

1.2  普查数据融合

普查数据的优点是空间精度较高、不同管种的相互关系较好; 缺点是一般为阶段性成果，后续的更新、废弃管线无法及时更新，且物探精度低于见管跟测精度。因此，普查一般是在缺乏大范围、较高精度、现势的管线数据区域，用于建立该区域的底版数据。

上海市于2015—2018年启动最新一轮管线普查，于2019—2020年启动普查数据与全市管线库数据的融合工作。全市普查数据融合技术路线如图 2所示。

图  2 普查数据融合技术路线

1.2.1  普查数据分析

数据融合前，首先对各类已有管线数据进行资料质量评价，确定不同来源数据的使用方式，见表 3。全市管线库数据和普查数据相比，在数据质量、数据量和整体关系等方面有以下特点。

表  3 普查、跟测管线数据分析

1.2.2  普查数据融合原则

普查数据融合原则为：空间位置准确性优先、整体关系良好优先、现势性优先。

(1) 新测数据与内业数字化管线整合。以新测管线为依据，合理修改旧管线数据。在添加新管线时，应严格参照标准使新管线属性与实地相一致，若遇原数据存在部分层名、属性等有问题时，应予以更正。

(2) 同一管线多种新测成果整合。在相同管线的前提下，重叠管线相互之间平面平均误差≤30 cm，高程平均误差≤15 cm时，一般以实测符号为准进行合理取舍，尽量保留存在实测符号的管线 ^{[13 ]} 。

(3) 对不同来源管线数据进行接边。在处理接边问题时，应综合利用各种来源数据，优先将接边工作控制为图幅间的接边；无法处理为图幅间接边的，应控制为道路的区块接边；无法控制为道路区块接边的，应控制为以区界接边；无法控制为以区界接边的，则需进行数据整合 ^{[14 ]} 。在接边处保证管线间存在重叠段。

1.2.3  普查数据融合外业核实

普查数据外业核实主要包括普查数据与跟测数据的取舍；普查数据与数字化数据的取舍；普查数据现势性问题处理。

外业核实的方法包括外业巡图和管线探测仪辅助定位。外业巡图针对管线空间位置、属性冲突、连接关系错误的情况，通过巡图调查管线明显点、确定管线位置、核实属性。管线探测仪辅助定位针对除排水外其他管线，通过探测管线位置和走向，确定管线取舍。

2  地上地下一体化时空数据协同采集

2.1  众源地理信息辅助下的管线变化发现

管线工程项目的规划方案、施工图设计和工程物探资料是管线变化发现的重要来源。上海以“一网通办”道路挖掘一件事项目申报为抓手，收集市政道路挖掘施工信息、管线规划和竣工移交资料，结合三维激光扫描车现场巡查、影像及照片平台上传比对分析等方式，建立以建设信息为主、定期巡查信息为辅、大众互动参与信息为补充的超大城市地下综合管线更新情报获取的科学新模式 ^{[15 ]} 。

以上海某路口合杆管线为例，通过多种方式快速掌握路口杆箱建设最新动态，及时发现地下管线变化，如图 3所示。

图  3 众源地理信息辅助下的管线变化 发现

2.2  多平台、多视角协同数据采集

充分利用管线融合数据的基础上，对发现变化的管线进行协同数据采集。技术方法为：基于车载三维激光扫描技术，实现地表道路要素采集；以地面道路数据为底板，将地上管线附属物(灯杆、电箱、消防栓等)作为衔接点建立序列号和时间戳，连接至地下管网数据；综合使用电磁感应法、地质雷达法、信标示踪法等方法进行地下管线探测，即通过多平台、多视角协同采集的方式解决地下管线、地表道路、地上管线附属物由于测绘精度等指标不一致导致的地上地下“两张皮”问题，利用同名管线附属物为媒介实现地上地下一体化时空数据一次性采集；最后将各种来源数据比对复核，形成一套数据齐全、权属清晰、质量可靠的现状管线成果。地上地下一体化时空数据协同采集如图 4所示。

图  4 地上地下一体化时空数据协同采集

3  基于BIM的部件级管线模型构建

3.1  管线三维模型制作

基于统一的三维框架，精确描述各类地理实体时空关系及属性信息，完成三维立体时空数据模型建设，能够进一步提高城市更新效率和质量。以地理实体为单位建设数据模型，按照地下空间层、地表覆盖层、地上构筑层、低空经济层、高空飞行层，有序进行组织和管理，地下管线是地下空间层的重要组成部分。

采用基于XML的数据交换格式将多源异构的地下管线数据转换为统一格式。利用数据清洗和预处理技术，对异常值、缺失值等问题进行处理，确保数据格式和坐标的完整性和准确性。

筛选管线基本特征，利用机器学习算法对管线特征进行分类识别，提取管线轴线，使用圆柱体表面拟合算法建设管段，实现精细化建模及弯头、三通等特征点的自动构建，确保成果支持通用三维数据格式输出、支持管线模型与属性信息的融合输出，实现地下管线与地上附属设施的对应与联通。对模型进行细节处理和优化，删除冗余参照文件和模型元素，提高模型精度和可靠性。

最后将生成的地下管线三维模型与建筑物、地形地貌等其他空间数据融合，构建逼真的实景三维场景。管线可设置不同材质，区分其功能和属性。对生成的模型进行模型简化、纹理映射等优化处理，提高模型真实感，通过添加光照和材质效果，提升三维模型立体感。

3.2  管线BIM模型制作

地下管线形式多样、相互关联性强，传统管线三维模型是将GIS格式管线进行三维化处理，无法满足超大城市精细化、全空间的管理需求。

建筑信息模型(BIM)技术以其直观可视、信息丰富、协同高效等优势，为三维立体时空数据中的地下管线信息化管理提供了新的解决方案。针对新建管线，将BIM应用于管线的全生命周期管理，将地下管线尺寸、材质、位置等信息集成于统一模型，如图 5所示。从管线设计、施工、运营、管理阶段动态更新管线BIM数据。地下管线投入使用后，着重运营维护、设施管理，制定管线信息在全流程中BIM传递交互的标准，避免信息传递中出现错误与丢失，提高维护效率。

图  5 地下管线BIM 模型

地下管线BIM模型辅助以地理信息系统是实现地下管线智慧管理的基础，实现BIM模型交付，对管线的分布情况、走向、埋深等信息进行三维展示和查询分析，能够使管线全周期的沟通与决策在同层面实现，可以通过实施碰撞检测、重叠检查，预判管线冲突问题，在管线设计前期协调各类型管线的空间位置、埋深设定，为后续阶段提供预警。

地下管线BIM建模真实展现地下管线在空间对应的地上建筑、地表道路、地下轨道交通等各种场景，如图 6所示。结合物联感知数据、GIS系统和数字孪生城市技术，实现地下管网的连通分析、净距分析、应急预警分析等专题分析功能 ^{[16 ]} ，为城市规划建设和应急等提供丰富、全面的三维数据底板。

图  6 地下管线空间协同可 视化

4  结语

实景三维中国建设作为新时期测绘地理信息事业的重要方向，旨在精准响应经济社会发展与生态文明建设的全新定位与迫切需求。超大城市地下管线是构成实景三维立体时空数据库地下空间层的重要组成部分，本文从多源地下管线数据融合、一体化时空数据采集、部件级管线三维模型构建等方面阐述了超大城市实景三维地下管线建设路径，有助于提高城市更新效率和质量，为实现实景三维建设、发展新质生产力提供有力支持。

未来需要考虑利用智能感知技术对管线进行长期监测、分析、仿真和预测，将管线二三维联动研究向三维时空数据库建设全面转换，进一步改善实景三维地下管线建设的自动化程度，为构筑更加安全、智慧、更具韧性的地下基础设施管理奠定重要基础 。

面向新质生产力的超大城市实景三维地下管线建设路径

陈功亮 ^1,2 , 朱律 ^1,2 , 陈赛楠 ^1,2

1. 上海市测绘院, 上海 200063;

2. 自然资源部超大城市自然资源时空大数据分析应用重点实验室, 上海 200063

关键词 ：地下管线, 实景三维, 多源融合, 一体化采集, 建筑信息模型

作者简介

作者简介 ：陈功亮(1980-),男,硕士,高级工程师,主要从事地下管线测绘与管理方面的工作。E-mail:[email protected]

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