GIS在城市地下空间中的应用

1 引言
世界人口在不断增长，而地面上适于生存的土地正在被充分开发正面临着日益减少的问题，人们把眼光转到地下了。地下空间已被视为人类所拥有的，迄今为止尚未被充分开发的一种宝贵的自然资源，开发利用地下空间是开拓新的生存空间较为现实的途径^[1]。
随着经济的发展，城市建设的规模也越来越大，地下构筑物越来越多、地下管网越来越密集，地下工程设计与施工过程中对位置的要求越来越精确。然而在现实生活中，由于建设的需要城市道路经常“开膛破肚”，不仅妨碍市民出行，而且经常由于资料的不齐或者不准确而导致停水、断电、中断通讯、网络和电视，造成巨大经济损失，而且有些还因此造成爆炸、火灾、有毒气体排放等，严重危害人民群众的生命安全。
中国城市规划协会地下管线专业委员会秘书长洪立波指出，“全国大约有70%的城市地下管线没有基础性城建档案资料，地下管线家底不清的现状普遍存在，据不完全统计，全国每年因施工而引发的管线事故所造成的直接经济损失达50亿元，间接经济损失达400亿元。”还有由于地下空间缺乏统一的规划，造成在规划一条地铁线路时需要移走大量的管线，费时费力。因而在地下空间的管理中引入GIS技术是很有意义的，而且有必要利用GIS技术对城市的整个地下空间实行统一的管理。
2 地下空间的研究内容
地下空间，是指在地面以下的岩层或土层中天然形成或经过人工开发形成的空间。本文主要研究的是城市地下空间，包括以下四个方面：地质勘察、地下管线、地下交通和人防工程。
2.1 地质勘察
随着经济的发展，城市建设的步伐和规模都以前所未有的速度展开，大量的建设项目使城市工程地质勘察活动在深度和广度都达到了相当规模，这些工程的勘察成果是十分宝贵的信息资源，它们不仅对城市规划、建设起了十分重要的作用，还有很高的重复利用价值。
地质勘察是指利用勘察、物探、试验和检测等工程技术手段，调查、分析和评价区域范围(勘察场区)的地质、环境特征、岩土工程条件等，以获取定型和定量的结果，使用专题图、报表和文字报告来表现，这是一个复杂的综合过程。勘察主要包括勘察场区、地层和勘探孔三类对象。勘察场区是工程勘察的空间范围，是具有一定地表面积和不定深度的三维空间实体。勘察场区地表下立体空间是由许多具有一定厚度和分布特征的不规则空间实体—地层构成，底层通常通过断面(剖面)或表面来展示其空间几何形态。地层具有如下特征：1)地层具有一定层理特征和地质年代、地质成因、岩土特征等关键特性，相同的地层具有相同的关键
特性；2)不同地层按一定层序在垂直方向上叠加，水平分布受地质构造和外力影响也呈一定规律。通过勘探孔进行勘探、物探，并进行原位测试或取样进行室里试验，获取原始的物理几何、岩土力学和化学组成等特征的离散数据。
利用GIS技术建立城市工程勘察信息系统，可以使地质资料由“死”资料变成“活”信息，对于实现城市地学信息资源共享，支持城市规划建设的科学决策，完善单项岩土工程勘察，以及为城市地质学的研究提供基础数据都有非常重大的现实意义。
2.2 地下管线
地下管线是城市基础设施的重要组成部分，是城市规划、建设和管理的重要基础信息。对于一般城市来说，地下管线主要包括给水、污水、雨水、煤气、工业、电力、电信等7大类管线，它们就像人体的“神经”和“血管”，日夜担负着传递信息、输送能量和排放城市废物的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，是城市的“生命线”。
我国城市地下管线管理一直比较薄弱，不少城市存在地下管线分布情况不明，管线档案资料不完整、不准确、不规范，资料分散保管，城市建设缺少系统的管线档案资料可供查询，造成管线事故不断发生。目前我国地下管线面临的具体问题大致如下：
1)城市管理制度不善，缺少综合管理制度与规范。大多数城市地下管线建设是“谁投资，谁建设，谁管理”，由于各类管线产权所属不同部门，经费来源、施工时间不同，出现多头建设，管线工程不按基建程序办事，违法建设严重。
2)地下管线档案信息质量不高，缺少动态管理机制。城市地下管线不完善、不准确、不真实，这往往能够造成我们进行地下工程时候对地下管线造成破坏。
3)资金严重缺乏，缺少基本的资金保障。由于地下管线分属于不同的权属单位，每个单位对于地下管线的投入也不一样，造成有些管线年久失修，容易造成故障。
针对地下管线目前存在的问题，除了完善地下管线的管理制度问题之外，还得建立基于GIS的管理信息系统，对于地下管线的探测、监理、入库、更新、查询、出图等进行有效的管理。
2.3 地下交通
地下交通是指相关系列交通设施在地下进行连续建设所形成的地下交通体系和网络。地下交通一般可分为地下轨道交通系统、地下道路系统、地下停车场。本文所讲的地下交通主要是指地铁。由于目前地铁在我国是比较新的项目，大多数城市在建设地铁也进行了地铁信息的工作，地铁信息化包括设计规划信息化、施工检测信息化、工程资料管理信息化、生产运营信息化等几个方面。目前国内地铁信息化主要集中在施工和运营方面，在规划设计信息化方面有待进一步发展，相关技术和经验尚在不断探索中，需参考GIS的相关原理和分析方法。
2.4 人防工程
人防工程既是提高国家整体防卫能力、提高城市抗御自然灾害和防空抗毁能力的物质基础，又是城市地下空间开发利用的重要组成部分。新中国成立以来，人民防空工程建设从无到有，从小到大，从弱到强，虽然经历了长足的发展，取得了明显的进步，但仍然存在不容忽视的问题和缺陷。1)人防工程建设的数量严重不足。我国的人防工程总量虽然不少，但是人均占有量与发达国家相比还存在相当大的差距。2)人防工程建设的质量亟待提高。现有人防工程中，有很多都是上世纪六七年代的产物，这部分人防工程质量较差，设施陈旧，配套设施不完善，管理维护不到位、不及时，使用寿命较短，改造起来比较困难，无法满足现代技术
条件下信息化战争防空袭的需要。3)人防工程的信息化还比较落后，很多城市都没有做这方面的工作。因而有必要对人防工程进行信息化，对所有的人防工程统一
的管理、监控，真正做到平时可以作为商业用地发挥经济效益，发生灾害时能够起到应急防灾的作用。
3 基于SOA架构的统一地下信息平台
目前, 国内在城市地下空间信息化建设方面的工作还不多, 而且, 现有的工作热点主要集中在对地层、地下管线、地下水等方面, 并没有将已有城市地下空间信息作为一个整体加以规划建设^{[3 ]}。地下空间的一些基础资料信息分布在不同的单位，如管线分布在市政和规划部分，地铁资料则为地铁公司所掌握，因而有必要对这些分布在城市不同单位、的地下空间资料进行整合，建立一个分布式的地下空间数据库，把地质勘察、地下管线、地下交通和人防工程有机地结合在一起。
3.1 建立统一数据标准
由于地下空间资料分别有不同的单位掌握，每个单位对这些资料的管理都有独立的GIS系统。有采用ArcGIS、有采用CAD、MapInfo等等。由于不同的GIS平台在存储地理信息的方式、数据的组织结构、数据的表现形式等各方面各不相同，因而在这些系统中进行数据的直接共享是不可能的，需要在这些数据之间作相应的格式转换才能实现。地理数据由于其海量的特性，不可能把各个部门的数据格式统一为一种数据格式，因此制定一个统一的数据标准，如GML，各地下空间的共享成员单位都能提供自己数据格式到标准格式的转换，这样大家都能够访问其它单位共享的数据。在地下空间中不仅有大量的GIS数据需要制定统一的标准，而且在地下空间工程施工过程中也存在大量的图纸和文档，这些施工图多以CAD文件方式存储，对于这一部分的访问标准亦需要制定出一个统
一的格式，以方便用户在查询时对相关的施工图或结构图进行检索。
3.2 空间数据服务
空间数据的服务就是不同格式的空间数据在分布式的环境下，为用户提供访问空间数据的一种技术。实现异构系统平台GIS数据集成有两种方法：1)是制定一个标准的数据存储格式，然后将所有的空间数据按照这种格式进行转换并存储在统一的管理系统中，那么不同的GIS软件数据访问接口通过这种统一的方式进行存储与访问，这种比较耗时费力，而且不同格式的空间数据转换成为统一的格式的数据容易发生信息丢失，同时容易对原有单位的原有GIS系统造成比较大的影响，不利于保护已有的投资。2)另外一种方式是建立一个公共的访问接口标准，不同空间数据管理系统基于公共的接口标准提供给其他的GIS软件进行访
问，GIS软件在访问异构的空间数据时，只需要支持标准接口就可以访问其它格式的空间数据。很明显第二种方式比较符合我们的实际需要。开放式地理信息系统联合会(Open GIS Consortium )早就注意到这个问题，对于异构空间数据库的访问制定了统一的访问接口：如WMS、WCS、WFS等标准接口。
地图服务是将具有地理空间信息的数据制成为地图提供给用户。地图的形式通常以图像的格式进行表达，如PNG、GIF或JPEG,也可以以矢量图形进行表达，如WFS等。有了这些通用的标准接口，空间数据可以跨平台、不经转换得直接使用。
3.3 系统架构设计
由于不同的地下空间数据分属于不同的单位，这些单位在地点是分散的，并且大多已有自己独立的GIS系统，为了充分保护现有的投资，在对现有系统改动不大的情况实现地下空间的数据共享。采用SOA架构来进行设计，如图1所示。






图1 基于SOA架构的地下信息共享平台地下空间的各单位空间数据库依然放在自己单位，只是把相关的数据以一种标准的格式进行共享，提供开放的API(WFS、WMS等)供其它成员单位调用，这些各单位原有的GIS系统不用做太多的更改，只需要添加能够访问开放API的空间数据就能够透明访问其它单位的空间数据而不必理会它们的具体格
式。
3.4 系统实现
当前市面上由很多商用的GIS软件提供标准开放的空间数据服务如ESRI的ArcGIS Server，也有很多开源的GIS软件提供标准空间数据服务，如GeoServer和MapServer等。这些软件大多支持符合OGC规范的WFS、WMS。本次试验采用VC6.0为开发语言，在原有的GIS系统中添加访问WFS和WMS接口的方法，系统实现的运行的界面如图2所示：


图2 系统访问通用WFS、WMS
4 结论
建设城市地下空间信息共享平台是提高城市地下空间资源规划、开发和管理水平的必要手段，是提高城市的管理能力和决策效率必要途径。建立地下空间
共享地理信息系统，不仅能够方便用户查询定位，减少地下工程的事故率，同时城市的规划管理者能够综合利用地下空间现有信息作出更好的决策，减少以后一些不
必要浪费投资。随着地下工程的越来越多，地下空间的信息管理将会越来越受到更多的重视。
参考文献：[1] 童林旭. 地下空间概论(1) 地下空间 2004.3 第24卷第1期 P133-136
[2] 包世泰 基于GIS的地质勘察信息模型研究及其应用 2004年12月
[3 ] 朱合华, 郑国平, 张　芳. 城市地下空间信息系统及其关键技术研究[J ] . 地下空间, 2004 , 24 (5) : 589-595.
作者简介：
李时锦，男，教授级高级工程师，广州市城市规划自动化中心主任
何正国，男，高级工程师，广州市城市规划自动化中心技术开发部
胡海，男，规划网站管理部部长，广州市城市规划自动化中心