地质调查工作支撑现代城市规划建设——来自英国地调局冰山项目的实践

孙 月，杨宗喜，杜晓敏，夏 烨，吕承训

（1.中国地质调查局发展研究中心，北京100037；
2.中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心，北京100083）

我们的城市如同“冰山”，很大一部分位于地表以下，因此在制定城市规划时，不能仅将注意力集中在城市的可见部分，忽略复杂而宝贵的地下部分。城市地下空间是城市重要的资源，因其兼备资源、环境的双重属性[1]，具有价值宝贵、环境敏感、开发不可逆等特点，其规划与开发关系到城市土地的集约和有效利用，需要坚持保护优先、合理开发、科学有序、统筹兼顾的原则。合理规划和利用城市地下空间有助于优化城市空间、提高城市韧性、促进城市现代化建设。地质环境作为地下空间开发利用的载体，是制约地下空间开发利用的最基本因素[2]，将地质调查工作相关成果融入城市规划建设，是推动地上地下一体化建设、保障城市安全性、可持续性和韧性的重要环节。

当前城市地下信息缺乏，地上地下信息整合有待完善，亟须建立健全地上地下一体化信息平台，将地下空间切实纳入“一张图”规划建设中。英国地质调查局和英国未来城市机构、英国地形测量局共同开展了一项以“冰山”命名的项目，旨在解决城市地下信息缺乏，以及地下空间管理不协调等问题，并作为前期探索性研究，为英国整合地上地下数据，建设一体化信息平台提供了基础性系统数据架构。借鉴“冰山”项目，有助于我们更好地认识到城市地下信息的重要性，通过调查、收集和共享有关地下资产和地质条件的数据，整合地上地下数据，更好地管理城市地下空间。

英国开展“冰山”项目的目的是解决缺乏城市地下特征信息、已有数据不完整、管理地下空间的方法孤立且不协调等问题。该项目展示了有关地下（包括地下资产）的可互操作数据在其中的价值，包括有助于加强城市地下资产管理，为城市立体建设提供数据支持等。

1.1 了解地下信息是城市建设的关键

调查地下情况，掌握精确、综合和可靠的地下数据，事关基础设施、隧道、道路等建设工程的安全性。此外，地下信息也是修复地下环境、消除隐患的关键。更好地掌握综合地下数据有助于进行空间制图，减少开发风险，并更好地进行开发规划决策，减少对地下设备的破坏风险，维持基础设施等服务。

英国在开展“冰山”项目前，进行了相关市场调研，计算了由于地下数据缺乏造成的经济损失。由于地下数据缺失导致了全伦敦38%最严重的交通混乱情况，造成损失7.52亿欧元。同时，水务行业的地下供水网络每年因地下水渗入而造成100万英镑的损失。据估算，英国的供水、下水道、气体和电力服务网合计超过150×104km，而数据线网络则超过400×104km。2011年，英国40%资产损坏和人员受伤的事故是因不恰当的挖掘造成的[3]。

1.2 加强地下资产管理是提高土地利用效率的关键

公共基础设施服务的数字化可以让其更具可用性，可以加强资产管理并提高20%~30%的利润率。2010年，多伦多大学研究分析并提出了一个将有形效益和无形效益均纳入考虑的成本模型，研究表明，改善地下公共设施位置数据，每投入1美元，其产生的投资回报范围为2.05~6.59美元。由伯明翰大学牵头的“绘制地下世界和评估地下世界”项目为多传感器设备和决策支持软件的商业开发奠定了基础。更精确可用的地下数据，可以支持更有效的土地利用，促进基础设施共享，改善地下公共设施位置精度，提高投资回报率。

由于资产管理具有跨学科的性质，应当整合地上地下数据，还需通过共享进行数据的管理监督，提高数据透明度、加强管理与问责。在数据的选择上既要考虑物理基础设施，即地下公共设施，也需要考虑自然地面条件，即地质情况。“冰山”项目探索了能用于政府部门、规划师和建筑公司等主体的数据应用流程。

2.1 以构建数据“全景图”为目标

“冰山”项目旨在绘制出一张“全景图”——展示哪里有什么、谁持有相关数据、谁可以获得这些数据，以及地上地下综合数据平台如何推动工作效率的提高，并对获取地下数据的需求进行市场分析，构建综合信息平台。

城市地上地下综合信息平台数据主要包括由政府、公共事业单位和相关行业机构等数据拥有者提供的关于地表和地下的相关信息。具体数据包括：水利基础设施；
污水处理基础设施；
电力基础设施；
燃气基础设施；
电信基础设施；
交通基础设施；
土壤、地表和其他地下特征，如物理特性和结构、与动态过程有关的观察结果，如流体流经地下的信息；
地表性质，如街道、人行道、建筑物和开放空间地表特征；
地面高程；
地下水水位；
埋入式结构物，如地基、地下室、地窖、拱顶、通道；
实时监测传感器等（图1）。此外还需要统筹现场传感数据与新的站点数据。此外，数据获取、数据标准、地下建筑信息模型、数字工作流、数据安全与知识产权、可互操作的格式、地面三维模型、数据共享等工作在数据集成建设中非常重要。

图1 整合的城市数据运行系统[4]

2.2 建立地表与地下制图统一的数据框架

“冰山”项目为地表和地下集成数据提供了统一数据框架，并提出了数据生命周期各关键问题与未来的工作建议（图2）。在政府支持的一致性数据交换框架中，数据所有者进行数据的查找，并获得相关数据，通过访问框架向利益相关者共享这些数据，利益相关者可使用数据并将数据用于决策，最后向数据所有者提供反馈意见，形成数据框架回路，使数据所有者进行更有针对性的数据活动，服务城市规划、公共基础设施建设、资产和风险评估。

图2 数据框架及数据应用过程[5]

“冰山”项目提供了数据共享方式的框架与结构，以管理来自不同来源的大量数据，满足各方用户需求。在数据交换过程中产生数据流，产生阶段划分为：数据供应、保证/定级、数据存储/框架、共享/发现/访问、功能分析、发布/行动等，并提出了各阶段的利益相关者，不仅包括英国地质调查局、英国地形测量局等各个行业管理部门，还包括公共事业单位、地方政府和准政府机构、开发人员等。这些利益相关者将影响数据从供给到使用的全流程（图3）。

图3 数据流概念模型与利益相关者[6]

根据数据生命周期各阶段不同的利益相关者需求，“冰山”项目提出采用关键架构原则来指导决策过程（图4）。在数据流各不同阶段，需考虑不同的关键问题，如数据供应阶段需考虑数据标准问题；
保证与定级阶段需考虑数据标准、数据格式、数据责任、保证、数据所有权问题；
数据存储框架建设中需考虑数据所有权、托管与联合、知识产权、数据安全问题；
共享、发现与访问阶段需考虑个人信息、数据可访问性与可用性、数据标准、数据安全问题；
功能分析阶段需考虑用户需求、提示内容、反馈报告；
发布阶段需考虑数据安全和知识产权问题。此外，商业模式、数据捕获技术、数据标准、本体等关键因素影响整个数据流。商业模式需要选择承担开发和创建地下数据框架相关成本的主体和方式，即解决谁将承担成本，谁将获得资产收益的问题。数据捕获技术需要持续创新以提供更易使用、更易共享的精确数据。数据标准要求多个利益相关者采取统一的方式创建、收集、维护数据，最大限度地降低创建和校验成本，并避免意外丢失有价值的信息。本体，也称作术语，需要不同利益相关者间基于共享定义或词典达成共识，以获得单一的、协调的地下视图，使数据具有互操作性，并从共享数据中获得价值。

图4 数据生命周期[6]

2.3 根据利益相关者需求集成整合数据

“冰山”项目展示了综合信息平台的应用者和应用过程。综合信息平台可提供整合的基础设施地图，将水、能源、交通运输、电信、绿色基础设施等信息绘制到地图上，来规划新的发展，如伦敦的曼彻斯特。利用综合数据进行棕地可行性分析，包括选址点征集、绿色基础设施、优选区域等，可展示经济可行且具有战略意义的棕地修复和重建区域，有助于精确的棕地登记。

地表和地下集成数据可在城市内涝治理中发挥巨大的作用（图5）。“冰山”项目模拟的综合信息平台可集成环境、气象、地质调查、地下建筑信息模型等数据，对水流量、防涝工程及其结构、超负荷的下水道、渗入式可持续排水系统等进行立体展示，并形成解决方案，提出治理内涝“可能的区域”和“缓解的区域”。

图5 减少城市内涝的发生[4]

“冰山”项目为后续战略规划等提供了基础信息，如基础设施集成地图（Integrated Infrastructure Mapping）、数字建造英国（Digital Built Britain）、改造地下世界（Engineering the Underworld）、Think Deep UK（TDUK）等项目，有助于提高相关部门的工作效率。例如，“冰山”项目的研究成果为TDUK的开展提供了工作基础与方向。冰山项目作为探索性项目，可看作将地下空间发展与社会经济相联系的第一阶段工作，促进人们更深刻地认识到地下信息的完善对经济和社会的影响，认识到地下信息与地表信息整合所带来的价值，如可以推动建筑行业的效率，减少交通拥堵，改善人民健康和安全。TDUK在“冰山”项目的基础上，作为第二阶段的项目，进一步考虑与城市地下发展相关的宏观环境和更广泛的社会经济问题，建立可以合理使用地下资产的政策框架，提供三维空间规划策略并确定维护地下空间的流程，以协调的多学科方法，改进未来地下基础设施建设的规划。

3.1 注重数据标准与相关法律制度建设，保障数据的精准共享

数据标准是保证数据质量、数据安全的核心。更精确的公共设施数据将使共享更为便利。对现有数据标准的修改以及新数据标准的应用可为更一致和更精确的地下数据采集提供基础。为保障地下数据的精确和标准化采集及供应，需要规范信息数据的范围、内容、权限、时效和更新频率等，明确地下数据采集方法，提高信息收集和记录的精度，扩大数据覆盖面，并制定相关法律政策保障数据集成共享的合规性和安全性。

3.2 注重新技术的应用

动态监测评估、数据集成和应用、科技创新是地上地下一体化信息平台建设的重点，运用遥感等现代化调查监测手段，以及AR等模拟技术，构建动态城市数据系统，进行平台联合管理试点示范，服务城市规划建设，提供精准服务。当前英国支持地下基础设施位置识别工具开发的研究创新投资已经取得成功，市场上正在引入新的系统来促成对地下基础设施更精确的绘图。

3.3 开发地上地下整合数据框架

就英国来说，对国家具有重要意义的地下公用设施数据共享已有先例，例如：穹顶（VAULT）项目和大曼彻斯特开放数据基础设施地图（GMODIN），都是在公共事业单位间成功创建综合公共基础设施地图的合作范例。同时，土地勘测部门采用统一数据格式，实现了地质技术数据的大规模共享。当前我国也需要整合城市数据，建设地上地下一体化信息平台，推动城市地质大数据共享，充分发挥地质数据在国土空间规划中的重要作用。深入开展城市地质调查工作，推进地下空间资源信息与地下水、地下公共基础设施、交通设施、建筑工程地质信息、土地利用、地形、地面条件、土壤岩石特性、地质矿产、地质灾害与地质环境等信息资源整合和共享，为城市未来发展提供信息支撑。