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摘要:基于為地下空間規劃建設提供科學決策的目的，本文提出了基于三維仿真技術的地下空間規劃建設輔助決策平臺建設的思路，構建了三維輔助決策平臺的整體框架，借助正元三維GIS平臺GeniusWorld，實現了對基礎地理、城市地質、地下空間設施數據的一體化存儲管理和三維可視化集成表達。同時，根據實際業務需求，研究并實現了集地上地下一體化剖面分析、大型建筑物選址分析、地下軌道交通選線規劃、地下空間適宜性評價等于一體的地下空間輔助規劃平臺，提供了規劃設計方案的合理性綜合分析與模擬評價，提高了地下空間規劃建設的科學性、規范性、嚴密性和高效性。最后對地下空間規劃建設輔助決策做出了總體評價，并提出了下一步研究方向。

關鍵詞:地下空間;三維輔助決策;選址分析;方案對比;適宜性評價

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市地下空間開發利用已成為城市發展的重點方向。國際上也提出把“二十一世紀作為人類開發利用地下空間的年代”。中國工程院院士王夢恕先生預言，到本世紀末，將有1/3的世界人口工作、生活在地下空間中［1］。地下空間作為人類賴以生存的資產，是城市得以繁榮和發展的基石。隨著信息技術的快速變革，尤其是三維地理信息、虛擬仿真等技術的常態化應用，傳統應用支撐平臺缺乏可視化表達和定量分析能力的短板越來越突出［2－4］。城市規劃建設需要更生動、更直觀、更科學、更精準的展現與分析，尤其是對規劃設計科學合理性要求較高的城市地下空間規劃領域［5－6］。為解決上述問題，需建立地下空間三維輔助決策平臺，在直觀立體的三維場景中，實現用戶通過動態交互方式對多種規劃方案進行全方位對比分析和定量評價，以滿足城市規劃建設對多維形態空間進行分析和科學決策的迫切需求［7－8］。本文在充分把握新時代城市發展模式變革的基礎上，聚焦城市健康和城市安全，面向地下空間規劃建設的迫切需求，將大數據、物聯網、云計算等先進技術與地理信息進行深度融合，通過建成統一的標準體系、地下空間全要素數據中心、地下空間規劃建設三維輔助決策平臺，重點解決城市規劃建設過程中的痛點問題，顯著提升城市地下空間開發利用水平，為新型智慧城市建設提供有效的信息服務與決策支撐。

1系統總體設計

1．1目標定位。平臺以城市地下空間開發利用政策為導向，面向地下空間規劃建設，創新性地研發出一套數據開放共享、空間結構立體、決策精準高效的三維輔助決策平臺，科學支撐重大工程選址評價與城市規劃優化布局，讓城市規劃更安全、更直觀、更立體、更科學，為后續的城市建設指明方向，規避地下空間設施沖突、活動構造和不良地質體等安全風險。平臺主要面向城市規劃部門、城市建設部門、城市管理部門提供地下空間規劃建設輔助決策應用服務。針對地下空間開發利用實際業務需求與現狀，地下空間規劃建設三維輔助決策平臺的定位歸納為以下幾點:1)支撐地下空間數據統一管理與維護;2)支撐地下空間基礎地質、水文地質、工程地質與地下構(建)筑物空間關系分析;3)支撐城市大型建筑物選址分析服務;4)支撐城市地下軌道交通選線應用服務;5)從“定性、定級、定量”3個方面支撐地下空間利用適宜性評價與輔助決策應用分析服務。1．2設計思路。平臺通過匯聚多尺度、多參數、多專業的基礎地理數據、城市地質數據和地下空間設施數據，利用地上地下一體化存儲與融合技術將數據有層次地集成到三維場景之中，結合剖面分析、輔助評價等功能形成有機整體。以地上地下全空間數據為基礎，將其導入正元三維GIS平臺GeniusWorld，以地形模型、地質模型、構(建)筑物模型、地表三維等模型數據為載體，研發地上地下一體化剖面分析、大型建筑物選址分析、地下軌道交通選線規劃、地下空間適宜性評價等功能，為城市地下空間規劃建設提供輔助決策支撐。1．3總體架構。綜合考慮平臺的應用對象、業務需求、目標定位，采用面向服務的SOA與微服務混合架構，構建開放可擴展的服務體系。結合私有云部署的形式平衡存儲、運算、傳輸等環節的負載，提高系統穩定性和效率，為城市地下空間規劃部門、建設部門等不同使用者提供WEB端服務以及應用支持［9－10］。城市地下空間規劃建設三維輔助決策平臺總體架構由基礎設施層(IaaS)、數據提供層(DaaS)、平臺服務層(PaaS)、業務應用層(SaaS)以及用戶群組建，5個層次上下連接、互為支撐。如圖1所示。1)基礎設施層(IaaS)提供系統運行的基礎支撐環境，實現計算虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化和安全虛擬化，保證系統穩定、高效、安全運行。2)數據層(DaaS)數據層是整個系統平臺的靈魂所在，采用分布式數據庫與大型關系型數據庫聯合存儲的方式構建地下空間全要素數據中心，全面實現數據的存儲與管理，滿足多源異構、海量地下空間數據存儲的特點。3)平臺層(PaaS)平臺層以正元三維GIS平臺GeniusWorld和正元時空大數據與云平臺為基礎，提供數據庫服務、中間件服務、容器服務、對象服務以及文件服務，同時，提供對于服務的管理，如系統配置、服務管理、安全管理和運行保障。4)應用層(SaaS)應用層主要由地上地下一體化剖面分析、大型建筑物選址分析、地下軌道交通選線規劃、地下空間利用適宜性評價組成，為地下空間相關部門提供決策支撐服務。5)用戶群系統用戶群涵蓋城市地下空間規劃與建設涉及的部門與個體，如承擔地下空間規劃建設相關業務的企事業單位等。6)標準規范與信息安全體系建設參考各項國家、行業和地方標準與規范要求，在滿足相關保密要求標準的前提下，根據地下空間建設需求，制定切實符合平臺建設實際的標準服務規范。1．4系統功能實現。主要提供各種三維空間分析及評價功能，以基礎地理、城市地質與地下空間設施數據為基礎，實現地上地下一體化數據集成與展示，并可基于地上地下一體化模型進行定性、定級、定量分析，將地下構筑物的空間關系與地質地層關系以三維立體方式展示出來，為政府管理部門與規劃設計部門的相關決策工作提供參考依據。1．4．1地上地下一體化數據集成管理。通過B/S架構，實現對試驗區地表傾斜攝影三維模型、DEM、DOM、基礎地理、地下三維地質模型、三維管線模型、地下空間構(建)筑物三維模型等地上地下全空間多源、多時相海量異構數據的一體化融合，在三維場景中完美呈現地上建筑、城市景觀、地質環境、地下管線等要素的三維特征表達。并支持對數據進行編輯、導出、更新、備份與還原、查詢統計等功能，實現對地上地下數據的有效組織與管理。1．4．2地上地下一體化剖面分析。根據用戶輸入的折線形成線性緩沖區，結合三維地質模型分析地下空間設施在地層的空間分布狀況，繪制剖面關系圖，并將指定區域內的地下空間設施數據、地下地質信息數據結合展示，最終生成基礎地質分層圖、水文地質分層圖和工程地質分層圖，實現地上地下空間設施與地質環境等空間關系的直觀展示，為地下空間的規劃、利用等工作提供指導。1．4．3大型建筑物選址分析。根據導入的建筑物矢量面以及設定的參數，進行建設區域軟土層評價以及樁基與地下已有設施的沖突評價，主要是評估開挖面的穩定性以及所在區域地質條件對工程建設的影響和待建建筑物物樁基是否會影響到周圍區域內的地下構筑物或者地下資源等，將分析結果以三維立體方式展示并標注出來;在三維場景中模擬生成建筑物原型，進行日照條件、通視分析等三維空間模擬分析功能，最終得出大型建筑物選址的專業綜合建議，為城市進行舊城改造、新城建設等提供輔助決策。1)基坑開挖模擬根據導入的工程規劃建筑矢量面以及建筑物基本信息(包括地上高度，地下高度等)，設定開挖參數，在三維場景中進行建筑物地基基坑開挖過程模擬，實現地下空間賦存條件透視分析，并自動計算挖土方量［11］。2)軟土層評價通過構建基坑含水量、孔隙比模型，計算基坑含水量和孔隙比數值，從而確定軟土地基的承載力基本值，對基坑軟土層進行風險評價。3)布設樁基用戶輸入參數及繪制范圍，根據國家現行標準規范的要求進行虛擬樁基布設，并進行三維顯示。4)沖突評價根據樁基位置進行沖突檢測，判斷樁基與其他地下空間設施或地下空洞等地質災害有無沖突碰撞，得出地基承載力、建設適宜性分析、地下設施沖突分析等評價結果，并將發生沖突的不合格條件進行列舉。5)光照分析在符合上述評價的基礎上，模擬生成建筑物原型，可對建筑物模型做光照分析，建筑物定位時顯示俯視視角，根據太陽高度角和方位角生成日照陰影圖來反映建筑物的日照影響，從而確定是否符合《城市居住區規劃設計標準》中規定的日照時數的最低值。1．4．4地下軌道交通選線規劃。通過分析軌道交通規劃方案路線與地區地質條件、地下資源、地質災害和地下空間已有設施的碰撞情況，評估當前設計線路的影響范圍、需搬遷房屋數量、建筑面積，為地鐵、過江隧道等線性軌道交通規劃、選址與施工提供有力支撐，提高選址規劃的科學性和經濟性。1)輔助評價根據導入的軌道交通選線方案，將線路在三維場景中進行繪制，通過分析規劃方案路線穿越地區的地質條件(地層、地下溶洞和地下空洞等)和地下空間已有設施(地上構建筑物的樁基、地下構建筑物等)情況，繪制包含地質環境、軌道交通規劃線路(地鐵規劃線路數據、地鐵站數據等)、已有地下空間設施等數據在內的綜合剖面圖、三視圖(前視圖、俯視圖、左視圖)，分析線路對地下資源的影響程度，計算拆遷建筑物的數量和拆遷總面積，判斷方案的適宜性。2)方案對比導入兩個或兩個以上選址方案，依據避讓原則對多個規劃方案路線與地區地質條件、地下資源、地質災害和地下空間已有設施的碰撞情況進行分析，統計出不同規劃方案穿越障礙物數量對比圖、工程及環境建設影響對比表、拆遷對比結果、地質剖面與地下空間聯合二維和三維剖面圖、三視圖，通過分析穿越區不同地質條件(包括含水層、軟土層、黃土層、巖層以及地下溶洞和地下空洞)，為下一步規劃和施工提供最優方案。1．4．5地下空間利用適宜性評價。基于城市已有地下空間設施以及地質基礎數據，參考區域的地質情況、性質、功能定位與發展目標，采用專業的評價模型，進行任意深度或任意深度區間地下空間開發利用適宜性分析評估，輔以三維可視化方式對評價結果進行表達，為城市區域規劃提供建議和依據。1)按任意深度或深度區間評價地下空間開發利用適宜性通過對各類原始采集數據的獲取和收集，用科學的插值分析算法，構建三維屬性模型，將多元化的屬性信息分散賦值到每個單元屬性模型中。基于三維屬性模型，平臺可以評價任意深度或任意深度區間的地下空間開發利用適宜性，并將結果在三維場景中展示。2)區塊比選平臺將不同區塊的評價結果疊加在一起，對評價結果進行比較分析，評價結果包括適宜性資源量評價、適宜性分布評價(分為適宜、較適宜、一般適宜、適宜性較差、適宜性差5個等級)，并將評價結果在三維窗口中以柱狀圖、雷達圖和餅狀圖的形式展示，為相關部門提供規劃參考。1．5系統運行環境設計。本文對平臺軟硬件環境配置的最低要求進行了規定，具體配置環境最低要求詳見下表1。

2結束語

目前，面向地下空間規劃建設的三維輔助決策平臺已建設完成并投入使用，項目成果為四川成都天府新區、河北雄安新區等地下空間開發利用以及重大工程規劃建設提供了數據統一管理平臺和地上地下全空間一體化三維數據管理、顯示平臺，并為地下空間開發利用提供了詳實精準的空間信息服務和科學高效的決策支撐。平臺立足自主創新、安全可控，能夠對地下空間多源海量時空地理信息數據進行統一管理和三維可視化表達，為地下空間規劃建設提供分析評價和智慧決策服務平臺，有助于推動地下空間向著精細化管理和精準化決策的方向發展。未來是地下空間開發利用勢頭迅猛的年代，后續可深度結合BIM、大數據、人工智能等新一代信息技術，構建地上、地下全空間基礎時空框架，進行地上地下空間統籌協同開發，在完善國土空間規劃建設管理體系的同時，為新型智慧城市建設提供全空間一體化的分析、評價和決策服務。

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作者:周文 李倩楠 石小蒙 潘良波 單位:1.正元地理信息集團股份有限公司 2.北京市智慧管網安全評價及運營監管工程技術研究中心