地下空间信息化管理平台系统框架研究

1、第 6卷 第 5期 地 下 空 间 与 工 程 学 报 Vol6 2010年 10月 Chinese Journal of Underground Space and Engineering Oct2010地下空间信息化管理平台系统框架研究 *黄 铎 1, 梁文谦 2, 张鹏程 3(1华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室 , 广州 510640; 2广州市政务信息技术中心 , 广州 510030; 3广州市规划勘测设计研究院 , 广州 510060摘 要 :随着地下空间开发日益规模化与多样化 , 在统一的框架下加强对地下空间信息化 建设的管理变得日益重要 。 与地上空间具有统一的空间数据模

2、型与应用模型不同 , 地下空间 在信息化建设的各个方面具有更大的异构性与复杂性 , 因此地下空间信息化集成管理平台的 框架设计需要以对地下空间数据及管理特征的认知为基础 。 本论文首先对地下空间实体的分 类及信息化内容进行了描述 , 然后通过地质及地下管线两类典型的地下空间信息化应用模式 , 从空间数据维数 、 数据结构 、 多细节层次 、 应用模式及标准化等五个方面对地下空间信息化的 数据特征及应用特征进行了分析 , 在此基础上 , 对地下空间管理平台的统一框架进行了分析和 设计 , 并对该框架的特点以及关键技术支持进行了简要讨论 。关键词 :地下空间 ; 信息化 ; 管理平台 ; 系统框架

3、中图分类号 :TU9; TU17文献标识码 :A 文章编号 :16730836(2010 05089307Framework Research of Underground Informatization Management Platform Huang Duo 1, Liang Wenqian 2, Zhang Pengchen 3(1State Key Laboratory of Subtropical Building Science , South China University of Technology , Guangzhou 510640, China ; 2Informat

4、ion Technology Center of Guangzhou Government Affairs , Guangzhou 510030, China ; 3Guanzhou Urban Planning and Design Survey Research Institute , Guangzhou 510060, China Abstract :It becomes more and more important to carry out the construction of underground informatization under uniform frameworkD

5、ifferent from the aboveground s uniform data and application model , the underground informatization is more isomerous and complicated in many ways and the design of management platform has to be based on the comprehension of data and application model characterThe paper describes the classes and co

6、ntent of underground informatization at first and then summarizes five characteristics based on the analysis of geologic and underground pipes informatization constructionAt last this paper designs the uniform framework of underground informatization and analyzes briefly its characteristic and criti

7、cal technique supportKeywords :underground ; informatization , management platform , system framework1引言城市地下空间是相对于以空气为介质的地上 空间而言 , 其广义上的定义是在岩层或土层中天然 形成或经人工开发形成的空间 。 作为一种重要的 自然资源 , 地下空间的开发是城市发展到一定阶段 的产物 , 它对城市的意义一方面是增加城市活动的 物理 空 间 , 另 外 一 方 面 是 使 得 城 市 的 功 能 日 趋 完善 。在地下空间中无论是地下建筑还是地下管网 ,*收稿日期 :2010-0

8、4-17(修改稿 作者简介 :黄铎 (1973- , 男 , 湖北荆州人 , 博士 , 讲师 , 主要从事空间信息在城市规划 、 地下空间与工程等领域的教学 与科研工作 。 E-mail :huangduo188com基金项目 :华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题项目 (2008ZC17都是在三维空间中由连续封闭的三维曲面围合构 建的三维实体 。 对这一三维实体从几何及法律方 面的定义 , 便构成了地下空间不同研究领域的不同 方向 。 对于前者 , 侧重于从自然对象的角度 , 研究 其数据的建模 、 表达与管理 ; 后者则侧重于从法律 产权概念 , 从三维地籍的角度 , 研究

9、在土地的立体 利用中土地利用者和使用者三维产权的定义 。 对 地下空间法律角度的研究集中于三维地籍产权概 念的界定以及技术层面实现等方面 1。 本论文的 研究 , 则主要集中于基于几何对象的地下空间信息 化研究 , 包括地下空间自然对象的信息化内容以及 构建于其上的信息化管理平台的系统框架 。 地下空间信息化是指在地下空间建设过程中 基于信息技术特别是空间信息技术提高其规划 、 实 施及管理水平的过程 , 而管理平台则是实现这一目 标过程中的数字化技术体系与管理体系 。 地下空 间信息化目前的研究大致集中于三个方面 , 第一类 包括地下空间三维数据结构 2, 3、 三维可视化 4, 5等基础性

10、的理论研究 , 第二类包括各专业类别数据 库建设 6、 信息系统开发 7, 8等应用性的系统开 发 , 第三类则包括在地下空间信息系统的集成研究 方面 , 比如朱合华等 9从数据组织 、 系统框架等方 面对城市地下空间信息系统及其关键技术进行了 研究 ; 琚娟等 10则从地下空间基础平台数据组织 方式的角度 , 对地下空间的数据分类 、 空间索引等 进行了研究 。地下空间开发是一个整体 , 其规划 、 开发 、 管理 与信息化建设理应在一个集成与整合的框架中进 行 。 上述有关地下空间信息化的研究 , 或者是某一 类别的基础性理论研究 , 或者是某一专题的应用实 践 , 而在集成性的研究方面

11、, 上述的研究以一般性 的信息化建设模式构建地下空间信息化建设集成 框架 , 对地下空间各类型要素的专有特性则阐述不 够 。 基于这一考虑 , 本论文首先对地下空间信息化 内容进行了归纳 , 然后通过对广州市地质地层信息 化以及地下管线信息化的研究分析与总结了地下 空间信息化在技术与管理方面的特征 , 在此基础 上 , 论文对地下空间信息化管理平台的形态框架进 行了研究并分析了系统构建的关键技术 。2地下空间信息化建设内容城市地下空间中的实体类别包括 (地质 地 层 、 地下管线 、 各类人工构筑物 (地下交通 、 人防工 程 、 商业综合体 、 地下资源 (地下水 、 矿产资源 等 。 关于

12、地下空间信息化内容的分类 , 一般划分为 地质 (地层 信息 、 地下管线信息 、 地下构筑物信息 等 10, 11。 根据地下空间信息化建设的实际情况 , 本论文将地下空间信息化划分为地质 (地层 信息 化 、 地下管线信息化 、 地下构筑物信息化 、 地下铁路 信息化等四个方面 。21地质 (地层 信息化对地质 (地层 信息化在广义上可理解为数字 地层的概念 , 是指对原始地层信息 (由地壳运动和 周围环境引起 和施工扰动信息 (人类工程活动引 起 用数字化的方法直观展现出来 11。 在实践中 , 基于数据标准化分类的考虑 , 通常只考虑地质与地 层自然环境相关的信息化内容 。总结地层 (

13、地质 信息化建设理论研究和实践 开发两方面的工作 , 其内容包括 :(1 地质 (勘察 信息的理论模型 。 这一方面 从空间建模的基础理论到数据应用的表达模型这 一完整的体系进行了研究 12。(2 数据模型与可视化模型 。 这一方面的研 究侧重技术方面的理论研究 , 包括适合工程地质和 岩土工程学科特点的地层数据模型 2, 3, 地质及地 层三维可视化的模型及技术 4, 5。(3 应用及开发方面的信息化建设 。 这一方 面包括地质数据库建设 , 地质 (勘察 信息系统建 设等 , 主要阐述在地质 (地层 空间数据的建库工 程及应用系统开发 7, 8。22地下管线信息化地下管线是城市赖以生存和发

14、展的物质基础 , 也是城市规划 、 建设和管理的重要基础信息 。 我国 自 20世纪 80年代末开始研究建立城市地下管线 信息系统 , 并随着城市地理信息系统技术的广泛应 用而逐渐发展完善 。 目前地下管线信息化已经成 为服务于城市建设的重要信息化建设内容 , 其研究 范畴包括 :(1 地下管线的编码 。 基于管线的类别代码 、 子类代码 、 识别码对管线进行统一编码与一致性 表达 13;(2 三维管线数据结构及可视化的研究 。 从 地下管线的数据模型 、 数据结构出发分析三维管线 的模型构造 , 以处理管线模型的顶点计算 、 衔接处 的圆滑处理 14, 15;(3 地下管线数据组织与数据库建

15、设 。 从数 据采集 、 数据处理到成果库的建立 , 以及兼顾不同 应用需求的数据采集方案与基于空间数据引擎的498地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 6卷数据组织方法等 16, 17;(4 地下管线管理信息系统 。 分析从地下管 线的数据采集 、 应用系统框架设计到应用系统建设 的过程 , 特别对信息系统建设过程中的数据监理组 织 、 功能体系以及与其他空间信息系统的关系进行 了描述 8, 18;(5 管线分析 。 主要实现管线的纵断面分析 、 横断面分析 、 最佳路径 、 最近设施分析 、 事故分析 、 交叉口分析 、 三维空间分析等 19, 20。23地下构筑物信息化地下构筑物一般情

16、况下指地下空间中除地下 管线以外的其他人工建设的设施 , 主要类型包括人 防工程设施 、 地下交通设施 (地下铁路 、 地下隧道 、 地下停车场等 、 地下公共服务设施 (如地下商场 、 地下文化娱乐设施等 以及其他诸如地下防灾设 施 、 地下生产储藏设施等 。 由于地下铁路在地下空 间信息化建设中的特殊性 , 本论文中将其单独分为 一类 。地下构筑物信息化内容可以理解为两部分内 容 , 一部分为结构性信息 , 包括三维空间位置 、 埋 深 、 结构形式 、 支护形式等 , 这一部分信息需要地质 信息 、 管网信息以及地下水信息等共享数据 。 另一 部分与人的活动相关 , 包括运营信息 、 应

17、急设施及 预案信息等 。在地下构筑物的各构成类别中人防工程与城 市战略安全相关 , 目前这一方面的信息化建设相对 而言有较为系统的实践和研究 , 比如对人防工程信 息系统的系统结构 、 数据库设计及功能开发的研究 等 21, 22。 除人防工程信息化之外 , 有关地下构筑 物另外一些研究 , 高新强等人 23以广州市烈士陵 园为例对地下空间规划设计的三维可视化方式进 行了研究和尝试 。24地下铁路信息化地铁建设是非常复杂的一项系统工程 , 其信息 化建设具有多专业类型 、 多数据来源的特征 , 目前 这一方面的系统研究还较为缺乏 。 根据地铁运营 的专业特征 。 地铁信息化建设内容可以划分为两

18、 部分 , 一部分为地铁自身商业运营及管理所需要的 信息化建设 , 比如票务管理 、 商业运营等 , 另外一部 分涉及地铁规划 、 施工 、 维护等与空间信息相关的 内容 , 其信息化建设需要与其他专业类别特别是地 质与地下管线等进行数据的交换与共享 (图 1 。图 1地下铁路数据库框架Fig1Underground railway database framework3地下空间信息化建设的数据及管 理特征分析有关地下空间实体构成的类别划分以及相关 信息化内容的描述 , 反映了地下空间各类构成要素 的自然属性及其信息化技术内容 。 然而 , 信息化建 设同时也是一个管理的过程 , 以地下空间管

19、理平台 构建而言 , 还需要解决应用实践中地下空间信息化 在技术及管理方面的特征 , 以作为理解管理平台系 统框架的基础 。 本论文选择地下空间信息化相对 复杂的地质地层以及地下管线信息化 , 以广州市的 实际建设情况为例 , 分析与总结地下空间多专业类 别信息化在技术应用与管理架构方面的共同特征 , 并据此构建地下空间信息化管理平台的系统框架 。 31地质信息化建设框架广州市地质 (地层 信息的采集与管理包括地 质调查勘察部门 、 城市规划勘察设计部门以及地铁 设计院等部门 , 这些部门在地质勘测方面的业务与 职责具有一定差异 , 其中地质调查勘测部门主要负 责区域地质 、 矿产地质等 ,

20、城市规划勘察设计部门 在地质勘察方面的工作主要为城市规划提供依据 , 而地铁院的地质勘察工作则直接为地铁的建设服 务 。 根据相关调研 , 不同部门对广州市的地质地层 划分标准具有很大差异 , 比如广州市市政工程设计 部门提出了把广州地区岩土划分为 12个主层和 46个亚层 , 城市规划勘察设计部门将第四纪土层 划分为 5个岩性组 , 岩体划分为 7个岩性组 , 而地 铁设计院则将广州地区的岩土划分为 9层 (简称 为 “ 九分方案 ” 。在城市发展与建设中 , 地质调查勘察部门与城 市规划勘察设计部门积累了大量的地质勘察资料 与专题资料 , 目前根据各自信息化建设的特点 , 前 者正在进行广

21、州市城市地质数据库与信息管理和 服务系统建设 , 后者则正在进行地质勘察数据的 GIS 平台转换以及与规划管理部门的规划成果统 一 GIS 平台进行数据集成工作 , 而地铁设计院的地 5982010年第 5期 黄 铎 , 等 :地下空间信息化管理平台系统框架研究质信息管理则在其地铁信息资源 GIS 管理系统中 对地铁线路沿线的地质信息进行了建库和管理 。 基于三个部门地质地层信息化建设的实际情 况 , 可以构建广州市地质信息化的整体框架 (图 2 。图 2广州市地质信息化建设框架Fig2Guangzhou geologic informatization framework32地下管线信息化建

22、设框架地下管线信息化建设需要考虑地下管线自身的技术特点及管理模式 。 在技术特点方面 , 地下管 线在不同的专业层面其数据表达的详细程度具有较大的差异 ; 在管理模式方面 ,城市地下管线则为 多各部门所使用 。 以广州市为例 , 地下管线的管理部门除了管线各专业部门外 , 还包括规划设计与管 理部门以及市政园林管理部门 , 不同部门对地下管 线的管理的目标及方式存在很大的差异 。 图 3分 析了广州市地下管线信息化建设中的管线数据处 理流程 。图 3广州市地下管线信息化建设框架Fig3Guangzhou underground pipe informatization framework33地

23、下空间信息化建设的数据特征分析 分析与归纳地下空间信息化特征 , 构建管理平 台建设的技术体系 , 是研究地下空间信息化管理平 台系统框架的基础 。 基于对地下空间信息化整体 以及上述两个类别的案例分析 , 对地下空间信息化管理平台进行以下几方面的技术及管理特征分析 。 331维数空间信息的维数问题是指地物空间结构在数字化中需要以何种维度进行描述和表达 。 在地上空间的信息化表达中 , z 为 (x , y 的连续函数 , 因此 二维是信息化建设的主要维数 。 与此相反 , 在地下空间的空间建模中 , 其 z 值可能为 (x , y 的多值函 数以表达地下空间中地质断层 、 地下孔洞等的空间结

24、构 , 因此为完整表达地下空间的结构 , 真三维是 其重要的维数表达特征 。由于地下空间的信息化应用及管理的范畴非 常广泛 , 从图二与图三可以看出 , 地下空间在不同 的阶段与场合对空间数据维度的理解与需求存在 很大的差异 。 以地质信息化建设为例 , 在地质地层 结构描述以及地下工程设施管理等需要精确化还 原地下空间的场合 , 需要有真三维的空间结构表达 ; 在需要以宏观管理为主的场合 , 比如规划部门 的地质条件分布图 , 则需要以二维空间数据表达 。 332数据结构与地上空间各类地物具有一致性的数据结构 与数据模型不同 , 地下空间在数据结构的表达方面 具有更为复杂的特征 。 由于三维

25、数据结构目前的研究并不成熟 ,在需要以三维模型表达地下空间的 应用场合 ,如何选择和构建地下空间在不同专业类 别与不同应用条件下的标准化与一致性的数据结 构和数据模型是地下空间信息化有待解决的一个重要问题 。 333多细节层次多细节层次概念通常与基于不同层次精度和 复杂度的几何对象 (面 、 体 、 影像等 的不同表达相 关 , 一般用于三维可视化特定对象一系列可变复杂 度的不同表达 。 本论文中多细节层次表达地下空 间信息化建设中数据细节程度在不同的场合的不 同选择和表达 。地下空间不同精度与细节层次的表达体现在 两个方面 , 一是不同维数的表达本身是不同数据精 度的表现 , 比如在地质部门

26、的三维地质结构分析和 规划部门的二维地质条件表达 ; 二是同一维数下的 不同数据细节的表达 , 比如地下管线在专业部门包 括专业阀门的精细表达和规划部门综合管线的数 据综合 。 334应用模式与地上空间的一样 , 地下空间在不同部门 、 不 同场合下具有不同的应用 。 但两者的本质区别在 于 , 地上空间的所有 (二维 应用 , 都可以基于一致 的 、 标准的数据结构以及统一的基础数据 (比如城 市基础地形图 进行 ,不同的部门应用只需要在此 698地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 6卷基础上附加专业信息便可以构建不同的应用 。 但在地下空间的场合 , 信息化应用需要构建于完全不 同的专

27、业类别 、 数据结构以及应用环境之下 。 335标准化标准化是信息化建设及管理中的核心内容之 一 。 从前文可以看出 , 由于专业特征以及不同领域 理解上的差异 , 特定类别 (比如地质地层 在标准 理解方面存在很大差异 , 这一差异直接导致信息化 标准体系的不统一 。 另外一些情况下 , 比如地下管 线信息化涉及多个专业类别的管线 , 每一类别的专 业特征也将体现于管线信息化的标准之上 。 显然 , 地下空间标准化在信息化集成平台建设的初始阶 段需要关注于空间实体表达自身的标准化 , 而无法 如地上空间信息化一般 , 基于实体表达的标准化 , 而将标准化的重点关注于应用构建的标准化 。 4地

28、 下 空 间 信 息 化 管 理 平 台 系 统 框架从以上讨论可以看出 , 地下空间信息化建设存 在有多专业类别 、 多数据模型 、 多应用类型以及多 标准体系等现状 , 这是地下空间信息化建设需要尊 重与依据的基础 。 在此基础上 , 地下空间各地物类 型共处于同一介质空间 , 其信息化管理应在一个统 一的管理模式下可持续的进行 。梳理地下空间信息化建设中的各个要素 , 可以 发现它们存在于一个统一的框架之中 , 这一框架基 于一种层次状的体系而构建 。 这一层状体系的第 一层为专业应用层 , 各类专业数据库与专业应用位 于这一层当中 , 比如三维地质分析等 ; 第二层为管 理应用层 ,

29、地下空间信息化应用与城市建设管理相 关的信息及应用位于这一层当中 , 比如规划部门基 于地质条件的选址分析 ; 第三层为公众应用层 , 地 下空间信息化中与非专业部门和公众相关的数据 及应用位于这一层当中 。 图 4表示了这一框架体 系的结构模型 。从以上框架图可以看出 , 地下空间信息化平台 系统架构中最为核心的部分为管理应用层 。 由于 管理应用层中的城市建设各管理部门负责城市建 设的规划 、 实施与管理 , 其整个过程需要地下空间 综合性的专题数据 。 同时 , 城市建设各管理部门也 是城市建设各行业的数据分发中心 , 也要求地下空 间专题数据具有完整性 、 综合性与现势性的特征 。 地

30、下空间信息化管理平台框架实现了不同类 别地下空间对象信息化管理的集成 , 这一集成框架图 4地下空间管理平台系统框架图Fig4System framework of underground management platform 的技术支撑包括多个方面 , 除各自专业类别的技术 支撑体系之外 , 在信息化层面较为关键的技术内容 包括数据存储与分发以及三维空间可视化两个方 面 。 前者包括地下空间数据分布式存储与协同共 享 , 后者包括不同应用层的数据表达模型及三维可 视化 。 这两个方面的技术内容概述如下 :41数据存储与分发数据存储与分发涉及计算机与空间信息学领 域的数据存储与管理 , 包括

31、资源目录体系与共享交 换平台的建设等 。411资源目录体系信息资源目录是信息组织的一种方式 , 是对所 采集的信息资源实施序化的过程 。 对于地下空间 信息资源的管理 , 涉及信息资源分类 、 分级以及元 数据标准的制定 。 由于地下空间涉及多专业 、 多部 门 、 多数据细节层次 , 因此资源的分类与分级需要 根据地下空间信息固有的特性 , 在横向与纵向两个 方面对资源进行了条块分割与归纳 , 以构建一个层 次清楚 、 结构完整的地下空间信息资源体系 。 412共享交换平台地下空间资源目录体系以及据此构建的平台 , 为地下空间各专业类别的数据应用从专业数据共 7982010年第 5期 黄 铎

32、 , 等 :地下空间信息化管理平台系统框架研究898 地下空间与工程学报 第6 卷 享交换平台的构建到一体化管理应用平台的建立 奠定了基础。考虑地下空间多专业类别、 多部门应 用的复杂环境， 地下空间信息交换平台需要实现多 种类型的数据交换接口， 实现对地下空间异构数据 库、 异构数据结构等环境下的信息交换及管理 。 4 2 三维可视化 三维可视化是不同地下空间应用中空间信息 的重要表现形式。 在地下空间信息化管理平台框 三维可视化应用的技术要求包括： 真三维 架中， 可视化， 涉及空间实体在真三维数据管理前提下数 据空间表达与场景操作； 适应不同专业类别表现 特征的地下空间实体三维可视化 ；

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40、过程中 所相关的五个技术及管理方面的数据特征 ， 并据此 对地下空间信息化管理平台的集成系统框架进行 了讨论， 为城市建设管理部门对地下空间信息化可 持续的建设提供了依据和借鉴。 由于地下空间信息化建设的特殊性与复杂性 ， 在集成管理平台的建设过程中需要针对实际情况 有序而渐进的建设。 考虑目前地下空间信息化建 设在一定程度上各自为政的状态 ， 进一步深入讨论 地下空间信息化集成管理平台建设的方法及步骤 ， 无疑具有现实的指导意义。 参考文献（ References） 1 刘敏， 测 黄铎 城市地下空间三维地籍的建立J 156 （ Liu Min，Huang 绘科 学，2007 ，32 （ 5

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