田力男,孫 琦,徐文坤,董 平,田志欣,榮 超,焦?jié)芍?/p>

(1. 青島市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局,山東 青島 266316; 2. 青島市勘察測(cè)繪研究院,山東 青島 266033;3. 易智瑞信息技術(shù)有限公司,北京 100007; 4. 青島市房屋使用安全服務(wù)中心,山東 青島 266023)

城市信息模型(city information modeling,CIM)以建筑信息模型、地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為基礎(chǔ),整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來(lái)多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù),是三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體[1-2]。

2020年10月,青島市入選住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“新城建”試點(diǎn)城市,按照《青島市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》、“數(shù)字青島”和雙十二工作方案“全市一張數(shù)字底板”場(chǎng)景需要,急需建設(shè)山海城一體化的CIM基礎(chǔ)平臺(tái)[3-5]。

青島市CIM基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)匯聚了豐富的CIM數(shù)據(jù),涵蓋基礎(chǔ)地理信息、規(guī)劃管控?cái)?shù)據(jù)、資源調(diào)查數(shù)據(jù)、精細(xì)信息模型、傾斜攝影、建筑信息模型和其他三維模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知及大量的公共專題數(shù)據(jù)。為了發(fā)揮濱海城市特色,平臺(tái)建設(shè)還增加了大量的海洋近海岸、島嶼、海洋環(huán)境、海洋氣象等空間和業(yè)務(wù)多維數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)使城市大量的時(shí)空數(shù)據(jù)與非時(shí)空數(shù)據(jù)匯聚,為智慧城市提供豐富的數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)。同時(shí),大量的數(shù)據(jù)條帶化管理,如何建立關(guān)聯(lián),如何實(shí)現(xiàn)各委辦對(duì)共享信息的按需獲取,以何為載體實(shí)現(xiàn)對(duì)外分發(fā)共享等一系列問(wèn)題,也對(duì)數(shù)據(jù)融合及共享使用提出了挑戰(zhàn)[6]。

本文針對(duì)CIM平臺(tái)建設(shè)中多源數(shù)據(jù)融合存在的問(wèn)題,利用地球網(wǎng)格空間編碼規(guī)則、知識(shí)圖譜、多源語(yǔ)義模型等先進(jìn)技術(shù)和模型,重點(diǎn)研究空間網(wǎng)格與CIM數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù),在CIM1-7[7]成果的基礎(chǔ)上提出城市空間單元的概念,構(gòu)建多層級(jí)的三維空間立體單元,實(shí)現(xiàn)以城市空間為基本單元的海量城市底板和城市空間的多種要素信息融合,以期為城市提供更便捷、更安全的城市信息基礎(chǔ)服務(wù)。

1 城市空間立體單元概念

城市空間是城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治、文化等要素的運(yùn)行載體,空間要素之間的聯(lián)系密切,共同支撐著城市的正常協(xié)調(diào)運(yùn)行,各類城市活動(dòng)所形成的功能區(qū)則構(gòu)成了城市空間結(jié)構(gòu)的基本框架[8]。

城市空間包含多種屬性。城市空間具有物質(zhì)屬性,作為城市社會(huì)中各類要素相互作用關(guān)系的物化及其在城市土地上的投影,它使城市系統(tǒng)能以物質(zhì)形態(tài)存在,并使各種關(guān)系在物質(zhì)形態(tài)層面得到統(tǒng)一,城市實(shí)體環(huán)境是其外在表現(xiàn)。城市空間具有社會(huì)屬性,作為人的活動(dòng)場(chǎng)所,個(gè)體的行為、社會(huì)的組織、社會(huì)組織權(quán)力群體和機(jī)構(gòu)的活動(dòng)等,必然會(huì)導(dǎo)致形成社會(huì)階層,鄰里與社區(qū)組織,以及土地利用、建筑環(huán)境的空間分異。城市空間具有生態(tài)屬性,城市作為一個(gè)有機(jī)體,與所依托的環(huán)境(包括生物與非生物環(huán)境)存在著相互作用,生態(tài)因子、種群、群落,生態(tài)系統(tǒng)的分布格局及其通過(guò)相互作用而呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)變化,影響到城市整體空間形態(tài)。城市空間的多種屬性既相互獨(dú)立,又相互關(guān)聯(lián),具有共生融合、制約效應(yīng)。

城市空間是人類賴以生存的載體根基,是人類社會(huì)活動(dòng)的基本空間單元。黨的十八大報(bào)告提出“促進(jìn)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的要求,自此重視綠水青山為主導(dǎo)的生態(tài)空間、以人為本的生活空間、集約高效的生產(chǎn)空間,開(kāi)始成為城鄉(xiāng)建設(shè)工作的重中之重[9]。

為了更好地協(xié)調(diào)人地關(guān)系,為了不同的業(yè)務(wù)目標(biāo),城市空間被劃分或管控為不同的空間。如城鄉(xiāng)規(guī)劃從適宜建設(shè)的角度,對(duì)空間管控劃定“三區(qū)四線”,即禁建區(qū)、限建區(qū)、適建區(qū)、綠線、藍(lán)線、黃線、紫線[9];土地利用規(guī)劃則出于土地資源保護(hù)的需要,實(shí)施“三界四區(qū)”管控,即城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界、擴(kuò)展邊界、禁建邊界,以及允許建設(shè)區(qū)、有條件建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和禁止建設(shè)區(qū)[10];環(huán)境保護(hù)規(guī)劃依據(jù)生態(tài)和環(huán)境保護(hù)的需求,開(kāi)展生態(tài)功能區(qū)劃和環(huán)境功能區(qū)劃工作,前者選取優(yōu)化準(zhǔn)入?yún)^(qū)、重點(diǎn)準(zhǔn)入?yún)^(qū)、限制開(kāi)發(fā)區(qū)、禁止準(zhǔn)入?yún)^(qū)4類生態(tài)環(huán)境功能區(qū),后者則將空間分為自然生態(tài)保留區(qū)、生態(tài)功能調(diào)節(jié)區(qū)、食品安全保障區(qū)、聚居發(fā)展引導(dǎo)區(qū)、資源開(kāi)發(fā)維護(hù)區(qū)5種環(huán)境功能類型區(qū);城市運(yùn)行管理出于城市精細(xì)化管理需要,以1萬(wàn)m2為基本單位,將城區(qū)劃分成若干個(gè)網(wǎng)格狀單元,再根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)城市管理部件分布等情況,將數(shù)個(gè)、甚至數(shù)十個(gè)萬(wàn)米單元網(wǎng)格合并成一個(gè)工作網(wǎng)格,實(shí)現(xiàn)城市空間的網(wǎng)格化、數(shù)字化。

為了提升城市空間協(xié)同治理的能力[11],青島市CIM基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)中首次提出了“城市空間立體單元”的概念。城市空間立體單元是以城市地表向上向下各延展N千米所形成的空間體,利用多層級(jí)的三維空間立體單元將整個(gè)城市空間體劃分為多個(gè)小立方體,以小立方體為載體承載區(qū)域內(nèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治、文化、地下設(shè)施、氣象等多種要素信息并進(jìn)行融合,為城市空間協(xié)同治理提供最小細(xì)胞單元。

2 城市空間立體單元探索與實(shí)踐

城市空間立體單元作為青島市CIM基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)的重要內(nèi)容,具有舉足輕重的作用。首先,城市空間立體單元全面服務(wù)于城市建設(shè)實(shí)時(shí)全生命周期管理,涉及從城市現(xiàn)狀到未來(lái)總體規(guī)劃-詳細(xì)規(guī)劃-方案設(shè)計(jì)-工程施工-竣工驗(yàn)收,實(shí)時(shí)體現(xiàn)城市全生命周期動(dòng)態(tài);其次,城市空間立體單元涵蓋地表地下城市空間,全面服務(wù)于城市“規(guī)、建、管、運(yùn)、檢、服”全生命周期一體化[12],為未來(lái)城市空間治理提供新型載體和基本管理單元;最后,城市空間立體單元通過(guò)引擎及編碼等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,探索海、陸、空等地上地下全空間域、全要素的城市建(構(gòu))筑物,與人口、經(jīng)濟(jì)、法人等多要素信息的融合解決方案(如圖1所示,小Q指城市空間立體單元)。

圖1 以城市空間立體單元為核心的規(guī)建管運(yùn)服檢全生命周期一體化雛形

2.1 城市空間立體單元關(guān)鍵技術(shù)

城市空間立體單元通過(guò)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)、數(shù)據(jù)中心、引擎建設(shè)、運(yùn)維系統(tǒng)和場(chǎng)景協(xié)同集成系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了CIM基礎(chǔ)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)融合與共享(如圖2所示)。

圖2 城市空間立體單元技術(shù)架構(gòu)

(1)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)由空間碼編碼規(guī)范、一碼歸集和一碼共享規(guī)范3部分構(gòu)成,主要基于北斗網(wǎng)格碼進(jìn)行擴(kuò)展,為多源數(shù)據(jù)上碼提供規(guī)范。

(2)城市空間立體單元數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)了立體單元庫(kù)、立體單元編碼庫(kù)和立體單元圖譜庫(kù)建設(shè)。立體單元庫(kù)主要存儲(chǔ)多層級(jí)的立體單元數(shù)據(jù);立體單元編碼庫(kù)主要存儲(chǔ)多層次立體單元對(duì)應(yīng)的編碼信息;立體單元圖譜庫(kù)主要存儲(chǔ)基于立體單元構(gòu)建的各類知識(shí)圖譜。

(3)城市空間立體單元引擎建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)了服務(wù)引擎、一碼歸集引擎和一碼共享引擎。構(gòu)建城市空間立體單元服務(wù)引擎,形成從碼的生成、變更、注銷、監(jiān)管等全生命周期的管理體系,實(shí)現(xiàn)以城市空間立體單元空間碼為抓手打通城市空間立體單元內(nèi)部各項(xiàng)業(yè)務(wù)系統(tǒng),歸集全鏈條數(shù)據(jù)。通過(guò)一碼歸集服務(wù)引擎,將“規(guī)、建、管、運(yùn)、服、檢”等核心業(yè)務(wù)的成果通過(guò)城市空間立體單元空間碼鏈接起來(lái),形成數(shù)據(jù)歸集庫(kù),以業(yè)務(wù)成果統(tǒng)一歸集或服務(wù)調(diào)用形式,實(shí)現(xiàn)“一碼關(guān)聯(lián)”,明確歸集數(shù)據(jù)配置,同時(shí)提供歸集服務(wù)的管理和統(tǒng)計(jì)查詢的功能。一碼共享引擎,通過(guò)共享目錄管理、共享數(shù)據(jù)配置、共享服務(wù)管理實(shí)現(xiàn)“城市空間立體單元管空間”共享內(nèi)容的規(guī)范化、可視化、高效化管理(如圖3所示)。

圖3 城市空間立體單元?jiǎng)?chuàng)建

(4)城市空間立體單元運(yùn)維系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)以立體單元為載體的“規(guī)、建、管、運(yùn)、服、檢”全生命周期數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)展示等功能提供后臺(tái)支撐,主要實(shí)現(xiàn)了空間單元?jiǎng)?chuàng)建管理、編碼生成與管理、城市空間立體單元治理模型、城市空間立體單元共享管理(如圖4、圖5所示)。

圖4 城市空間立體單元數(shù)據(jù)治理

圖5 城市空間立體單元模擬業(yè)務(wù)網(wǎng)格(以行政單元和城管萬(wàn)米網(wǎng)格為例)

(5)城市空間立體單元場(chǎng)景協(xié)同集成系統(tǒng),聚焦“規(guī)、建、管、運(yùn)、服、檢”城市全生命周期應(yīng)用場(chǎng)景綜合集成、高效協(xié)同,以城市空間立體單元碼為支撐,以CIM基礎(chǔ)平臺(tái)為載體,實(shí)現(xiàn)“一碼管空間”業(yè)務(wù)鏈構(gòu)建,采用數(shù)據(jù)共享、同步迭代等方法,從宏觀層面上,完成青島市城市空間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);從微觀層面上,實(shí)現(xiàn)日?？臻g管理信息實(shí)時(shí)獲取,為促進(jìn)規(guī)劃、建設(shè)、歷史名城保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)等一批場(chǎng)景關(guān)聯(lián)集成,全方位拓展“立體單元”綜合應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。系統(tǒng)建設(shè)具體包括單元信息、單元圖譜、單元查詢、單元?jiǎng)討B(tài)監(jiān)管等內(nèi)容(如圖6所示)。

圖6 城市空間立體單元?jiǎng)討B(tài)監(jiān)管系統(tǒng)

2.2 城市空間立體單元“三色空間”應(yīng)用實(shí)踐

在生態(tài)、宜居、美麗、和諧的城市發(fā)展建設(shè)新理念下,藍(lán)綠空間是實(shí)現(xiàn)人民群眾高品質(zhì)生活、推進(jìn)城鄉(xiāng)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。為順應(yīng)青島市環(huán)灣發(fā)展空間規(guī)律,青島市第十三次黨代會(huì)確立了新時(shí)代背景下青島市“環(huán)灣引領(lǐng)、組團(tuán)布局、藍(lán)綠交融、網(wǎng)絡(luò)支撐”的城市空間發(fā)展格局[13]。在青島市CIM基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)中,利用城市空間立體單元,模擬青島市“藍(lán)綠黃”三色城市空間,將青島市的“藍(lán)綠交融”城市空間發(fā)展格局一目了然地展示在眼前,并在立體單元上融合了多維數(shù)據(jù),如綠色空間中的公園、綠道和濕地,藍(lán)色空間中的海岸帶、河流、湖泊、港口、海洋監(jiān)測(cè)等信息(如圖7所示)。

圖7 三色空間模擬展示

基于城市空間立體單元的三色空間數(shù)據(jù),可作為一個(gè)整體對(duì)外分發(fā),亦可滿足各區(qū)縣的按行政區(qū)劃索取需要。

3 結(jié) 語(yǔ)

城市是一個(gè)動(dòng)態(tài)的生命體,城市空間協(xié)同治理為一個(gè)城市的生態(tài)、宜居、美麗、和諧發(fā)展提供了新的思路,但由于數(shù)據(jù)的孤立,導(dǎo)致大數(shù)據(jù)存在卻無(wú)法發(fā)揮更大的價(jià)值。

本文提出了城市空間立體單元的概念,基于《地球空間網(wǎng)格編碼規(guī)則》(GB/T 40087—2021)[14]剖分的多層級(jí)立體單元擬合為任意的空間范圍或管制區(qū)域,并將城市的多種城市要素信息、語(yǔ)義知識(shí)圖譜一并載入立體單元,突破了多部門、多業(yè)務(wù)單元城市空間劃分或管制區(qū)域的空間數(shù)據(jù)獲取限制,為多部門間信息共享、空間協(xié)同治理打下良好的基礎(chǔ),為未來(lái)青島市都市圈打造,及膠東半島城市群一體化發(fā)展規(guī)劃做好了數(shù)據(jù)和技術(shù)準(zhǔn)備。

城市空間立體單元作為一種新的空間載體,目前仍存在一系列的難點(diǎn)亟待攻關(guān),如基于立體單元的空間運(yùn)算等,需隨著青島市CIM平臺(tái)的建設(shè)不斷實(shí)踐和完善。