地下空间规划建设三维辅助决策平台研究

摘要:基于为地下空间规划建设提供科学决策的目的，本文提出了基于三维仿真技术的地下空间规划建设辅助决策平台建设的思路，构建了三维辅助决策平台的整体框架，借助正元三维GIS平台GeniusWorld，实现了对基础地理、城市地质、地下空间设施数据的一体化存储管理和三维可视化集成表达。同时，根据实际业务需求，研究并实现了集地上地下一体化剖面分析、大型建筑物选址分析、地下轨道交通选线规划、地下空间适宜性评价等于一体的地下空间辅助规划平台，提供了规划设计方案的合理性综合分析与模拟评价，提高了地下空间规划建设的科学性、规范性、严密性和高效性。最后对地下空间规划建设辅助决策做出了总体评价，并提出了下一步研究方向。

关键词:地下空间;三维辅助决策;选址分析;方案对比;适宜性评价

随着我国城市化进程的不断推进，城市地下空间开发利用已成为城市发展的重点方向。国际上也提出把“二十一世纪作为人类开发利用地下空间的年代”。中国工程院院士王梦恕先生预言，到本世纪末，将有1/3的世界人口工作、生活在地下空间中［1］。地下空间作为人类赖以生存的资产，是城市得以繁荣和发展的基石。随着信息技术的快速变革，尤其是三维地理信息、虚拟仿真等技术的常态化应用，传统应用支撑平台缺乏可视化表达和定量分析能力的短板越来越突出［2－4］。城市规划建设需要更生动、更直观、更科学、更精准的展现与分析，尤其是对规划设计科学合理性要求较高的城市地下空间规划领域［5－6］。为解决上述问题，需建立地下空间三维辅助决策平台，在直观立体的三维场景中，实现用户通过动态交互方式对多种规划方案进行全方位对比分析和定量评价，以满足城市规划建设对多维形态空间进行分析和科学决策的迫切需求［7－8］。本文在充分把握新时代城市发展模式变革的基础上，聚焦城市健康和城市安全，面向地下空间规划建设的迫切需求，将大数据、物联网、云计算等先进技术与地理信息进行深度融合，通过建成统一的标准体系、地下空间全要素数据中心、地下空间规划建设三维辅助决策平台，重点解决城市规划建设过程中的痛点问题，显著提升城市地下空间开发利用水平，为新型智慧城市建设提供有效的信息服务与决策支撑。

1系统总体设计

1．1目标定位。平台以城市地下空间开发利用政策为导向，面向地下空间规划建设，创新性地研发出一套数据开放共享、空间结构立体、决策精准高效的三维辅助决策平台，科学支撑重大工程选址评价与城市规划优化布局，让城市规划更安全、更直观、更立体、更科学，为后续的城市建设指明方向，规避地下空间设施冲突、活动构造和不良地质体等安全风险。平台主要面向城市规划部门、城市建设部门、城市管理部门提供地下空间规划建设辅助决策应用服务。针对地下空间开发利用实际业务需求与现状，地下空间规划建设三维辅助决策平台的定位归纳为以下几点:1)支撑地下空间数据统一管理与维护;2)支撑地下空间基础地质、水文地质、工程地质与地下构(建)筑物空间关系分析;3)支撑城市大型建筑物选址分析服务;4)支撑城市地下轨道交通选线应用服务;5)从“定性、定级、定量”3个方面支撑地下空间利用适宜性评价与辅助决策应用分析服务。1．2设计思路。平台通过汇聚多尺度、多参数、多专业的基础地理数据、城市地质数据和地下空间设施数据，利用地上地下一体化存储与融合技术将数据有层次地集成到三维场景之中，结合剖面分析、辅助评价等功能形成有机整体。以地上地下全空间数据为基础，将其导入正元三维GIS平台GeniusWorld，以地形模型、地质模型、构(建)筑物模型、地表三维等模型数据为载体，研发地上地下一体化剖面分析、大型建筑物选址分析、地下轨道交通选线规划、地下空间适宜性评价等功能，为城市地下空间规划建设提供辅助决策支撑。1．3总体架构。综合考虑平台的应用对象、业务需求、目标定位，采用面向服务的SOA与微服务混合架构，构建开放可扩展的服务体系。结合私有云部署的形式平衡存储、运算、传输等环节的负载，提高系统稳定性和效率，为城市地下空间规划部门、建设部门等不同使用者提供WEB端服务以及应用支持［9－10］。城市地下空间规划建设三维辅助决策平台总体架构由基础设施层(IaaS)、数据提供层(DaaS)、平台服务层(PaaS)、业务应用层(SaaS)以及用户群组建，5个层次上下连接、互为支撑。如图1所示。1)基础设施层(IaaS)提供系统运行的基础支撑环境，实现计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化和安全虚拟化，保证系统稳定、高效、安全运行。2)数据层(DaaS)数据层是整个系统平台的灵魂所在，采用分布式数据库与大型关系型数据库联合存储的方式构建地下空间全要素数据中心，全面实现数据的存储与管理，满足多源异构、海量地下空间数据存储的特点。3)平台层(PaaS)平台层以正元三维GIS平台GeniusWorld和正元时空大数据与云平台为基础，提供数据库服务、中间件服务、容器服务、对象服务以及文件服务，同时，提供对于服务的管理，如系统配置、服务管理、安全管理和运行保障。4)应用层(SaaS)应用层主要由地上地下一体化剖面分析、大型建筑物选址分析、地下轨道交通选线规划、地下空间利用适宜性评价组成，为地下空间相关部门提供决策支撑服务。5)用户群系统用户群涵盖城市地下空间规划与建设涉及的部门与个体，如承担地下空间规划建设相关业务的企事业单位等。6)标准规范与信息安全体系建设参考各项国家、行业和地方标准与规范要求，在满足相关保密要求标准的前提下，根据地下空间建设需求，制定切实符合平台建设实际的标准服务规范。1．4系统功能实现。主要提供各种三维空间分析及评价功能，以基础地理、城市地质与地下空间设施数据为基础，实现地上地下一体化数据集成与展示，并可基于地上地下一体化模型进行定性、定级、定量分析，将地下构筑物的空间关系与地质地层关系以三维立体方式展示出来，为政府管理部门与规划设计部门的相关决策工作提供参考依据。1．4．1地上地下一体化数据集成管理。通过B/S架构，实现对试验区地表倾斜摄影三维模型、DEM、DOM、基础地理、地下三维地质模型、三维管线模型、地下空间构(建)筑物三维模型等地上地下全空间多源、多时相海量异构数据的一体化融合，在三维场景中完美呈现地上建筑、城市景观、地质环境、地下管线等要素的三维特征表达。并支持对数据进行编辑、导出、更新、备份与还原、查询统计等功能，实现对地上地下数据的有效组织与管理。1．4．2地上地下一体化剖面分析。根据用户输入的折线形成线性缓冲区，结合三维地质模型分析地下空间设施在地层的空间分布状况，绘制剖面关系图，并将指定区域内的地下空间设施数据、地下地质信息数据结合展示，最终生成基础地质分层图、水文地质分层图和工程地质分层图，实现地上地下空间设施与地质环境等空间关系的直观展示，为地下空间的规划、利用等工作提供指导。1．4．3大型建筑物选址分析。根据导入的建筑物矢量面以及设定的参数，进行建设区域软土层评价以及桩基与地下已有设施的冲突评价，主要是评估开挖面的稳定性以及所在区域地质条件对工程建设的影响和待建建筑物物桩基是否会影响到周围区域内的地下构筑物或者地下资源等，将分析结果以三维立体方式展示并标注出来;在三维场景中模拟生成建筑物原型，进行日照条件、通视分析等三维空间模拟分析功能，最终得出大型建筑物选址的专业综合建议，为城市进行旧城改造、新城建设等提供辅助决策。1)基坑开挖模拟根据导入的工程规划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)，设定开挖参数，在三维场景中进行建筑物地基基坑开挖过程模拟，实现地下空间赋存条件透视分析，并自动计算挖土方量［11］。2)软土层评价通过构建基坑含水量、孔隙比模型，计算基坑含水量和孔隙比数值，从而确定软土地基的承载力基本值，对基坑软土层进行风险评价。3)布设桩基用户输入参数及绘制范围，根据国家现行标准规范的要求进行虚拟桩基布设，并进行三维显示。4)冲突评价根据桩基位置进行冲突检测，判断桩基与其他地下空间设施或地下空洞等地质灾害有无冲突碰撞，得出地基承载力、建设适宜性分析、地下设施冲突分析等评价结果，并将发生冲突的不合格条件进行列举。5)光照分析在符合上述评价的基础上，模拟生成建筑物原型，可对建筑物模型做光照分析，建筑物定位时显示俯视视角，根据太阳高度角和方位角生成日照阴影图来反映建筑物的日照影响，从而确定是否符合《城市居住区规划设计标准》中规定的日照时数的最低值。1．4．4地下轨道交通选线规划。通过分析轨道交通规划方案路线与地区地质条件、地下资源、地质灾害和地下空间已有设施的碰撞情况，评估当前设计线路的影响范围、需搬迁房屋数量、建筑面积，为地铁、过江隧道等线性轨道交通规划、选址与施工提供有力支撑，提高选址规划的科学性和经济性。1)辅助评价根据导入的轨道交通选线方案，将线路在三维场景中进行绘制，通过分析规划方案路线穿越地区的地质条件(地层、地下溶洞和地下空洞等)和地下空间已有设施(地上构建筑物的桩基、地下构建筑物等)情况，绘制包含地质环境、轨道交通规划线路(地铁规划线路数据、地铁站数据等)、已有地下空间设施等数据在内的综合剖面图、三视图(前视图、俯视图、左视图)，分析线路对地下资源的影响程度，计算拆迁建筑物的数量和拆迁总面积，判断方案的适宜性。2)方案对比导入两个或两个以上选址方案，依据避让原则对多个规划方案路线与地区地质条件、地下资源、地质灾害和地下空间已有设施的碰撞情况进行分析，统计出不同规划方案穿越障碍物数量对比图、工程及环境建设影响对比表、拆迁对比结果、地质剖面与地下空间联合二维和三维剖面图、三视图，通过分析穿越区不同地质条件(包括含水层、软土层、黄土层、岩层以及地下溶洞和地下空洞)，为下一步规划和施工提供最优方案。1．4．5地下空间利用适宜性评价。基于城市已有地下空间设施以及地质基础数据，参考区域的地质情况、性质、功能定位与发展目标，采用专业的评价模型，进行任意深度或任意深度区间地下空间开发利用适宜性分析评估，辅以三维可视化方式对评价结果进行表达，为城市区域规划提供建议和依据。1)按任意深度或深度区间评价地下空间开发利用适宜性通过对各类原始采集数据的获取和收集，用科学的插值分析算法，构建三维属性模型，将多元化的属性信息分散赋值到每个单元属性模型中。基于三维属性模型，平台可以评价任意深度或任意深度区间的地下空间开发利用适宜性，并将结果在三维场景中展示。2)区块比选平台将不同区块的评价结果叠加在一起，对评价结果进行比较分析，评价结果包括适宜性资源量评价、适宜性分布评价(分为适宜、较适宜、一般适宜、适宜性较差、适宜性差5个等级)，并将评价结果在三维窗口中以柱状图、雷达图和饼状图的形式展示，为相关部门提供规划参考。1．5系统运行环境设计。本文对平台软硬件环境配置的最低要求进行了规定，具体配置环境最低要求详见下表1。

2结束语

目前，面向地下空间规划建设的三维辅助决策平台已建设完成并投入使用，项目成果为四川成都天府新区、河北雄安新区等地下空间开发利用以及重大工程规划建设提供了数据统一管理平台和地上地下全空间一体化三维数据管理、显示平台，并为地下空间开发利用提供了详实精准的空间信息服务和科学高效的决策支撑。平台立足自主创新、安全可控，能够对地下空间多源海量时空地理信息数据进行统一管理和三维可视化表达，为地下空间规划建设提供分析评价和智慧决策服务平台，有助于推动地下空间向着精细化管理和精准化决策的方向发展。未来是地下空间开发利用势头迅猛的年代，后续可深度结合BIM、大数据、人工智能等新一代信息技术，构建地上、地下全空间基础时空框架，进行地上地下空间统筹协同开发，在完善国土空间规划建设管理体系的同时，为新型智慧城市建设提供全空间一体化的分析、评价和决策服务。

参考文献:

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［11］彭林．深厚软土地区深大基坑风险评价和应对措施［J］．山西建筑，2019，45(9):66－68．

作者:周文 李倩楠 石小蒙 潘良波 单位:1.正元地理信息集团股份有限公司 2.北京市智慧管网安全评价及运营监管工程技术研究中心