城市地下空间资源评价三维建模方法研究与实践:以上海市为例

城市地下空间开发利用是智慧城市发展的重要组成部分。构建城市地下空间三维地质模型和属性模型,能够立体直观地展示地下构筑物、河道、水系等,进一步与三维模型融合后,可以更好地展示地下空间资源质量。本文以上海市中心城区地下空间资源评价为示范,设计了三维地质结构和属性模型一体化建模方法,构建了上海市中心城区地下空间三维地质模型,实现了三维地质模型与地下构筑物模型的自动融合。最后根据上海市城市地下空间资源开发利用适宜性评价模型,实现了城市地下空间资源评价的三维建模。本文成果已经应用于上海市中心城区地下空间总体规划、局部规划以及工程建设项目中。     

中国城市地质调查总体构想与关键理论技术

近年来,我国在城市群、大城市和中小城镇等不同层面组织开展了大量的城市地质调查,在城市地质资源、地质环境、发展空间的调查评价,以及地质信息服务城市管理制度建设等方面取得了丰富成果,在调查技术方法、成果产品服务、工作协调机制等方面积累了一些经验,但和新型城镇化的需求相比,还存在着工作理念较落后、地质信息更新慢,成果体系没标准、工作机制不完善等诸多不足。国家新型城镇化发展战略提出了全新的城市发展理念,在优化城市结构布局、拓展城市发展空间、推进绿色城市建设、提高城市安全保障水平等方面,对城市地质调查提出了迫切需求。新时期应该以全新的思路开展城市地质调查,要树立大资源、大环境、大数据理念,服务城市规划、建设、运行、管理等多个层面,开展空间、资源、环境、灾害等多要素综合调查,打造地下三维可视化的城市地质模型(透明城市),完善空天地一体化的地质资源环境监测网络,建立开放共享、动态更新的城市地质信息服务与决策支持系统,构建城市地质调查成果服务产品体系、技术标准体系和保障制度体系。为实现这个目标,需要建立城市资源环境承载能力、城市多圈层交互带、地下空间资源协同规划等理论,开展城市地质探测与监测、国土空间开发地质适宜性评价、地下空间开发利用地质安全评价、三维城市地质建模与公共服务等技术攻关。     

简析我国城市地下空间开发利用的问题与挑战

虽然中国城市地下空间的建设规模和速度已经位居世界首位,但中国城市地下空间的开发利用仍存在着一系列亟须解决的问题和挑战。文章通过调研不同城市的地下空间开发利用现状并借鉴其他国家的经验,从管理、技术、运维和人才4个层次解析了中国城市地下空间开发利用所面临的问题和挑战。具体地说,在管理方面,缺少管理依据,缺失综合管理机构,管理机制和管理制度仍不健全,亟须建立中国特色的地下空间管理体系;在技术方面,复杂地质、复杂环境下的扰动施工控制技术仍需进一步提高,缺少新型的装备和技术,深层地下空间的开发利用尚处于起步阶段,亟须建立基于开发与保护的全深度、全资源开发利用技术体系;在运维方面,缺少地下基础设施维护与更新的成套技术体系,缺乏对运维信息的管理和应用,灾害下的地下空间逃生救援体制不完善,亟须建立数字化、智慧化的安全运维体系;在人才方面,尚未建立完善的地下空间学科体系,缺乏跨学科、复合型人才,亟须建立健全的地下空间人才培育体系。     

我国城市地下空间开发适宜性评价研究现状与发展趋势

城市地下空间是缓解用地饱和矛盾、改善城市生态的重要空间资源,也是开创城市高质量发展新局面的良策,科学高效地进行城市地下空间开发适宜性评价工作至关重要。本文从评价指标体系、评价指标赋权、评价模型、三维建模与可视化、评价系统等5个方面,系统梳理了城市地下空间开发适宜性评价研究现状与不足;对如何合理构建评价指标体系、提升三维地质建模精度、搭建地下空间综合系统三个关键问题进行探讨并给出相应对策;阐明了城市地下空间开发适宜性评价的发展趋势：全要素、全资源的统筹协调,需求导向的针对性评价模式,创新性、连续化的评价模型。该研究成果可促进城市地下空间开发适宜性评价工作的深化,为城市地下空间的合理评价与有序开发提供一定指导。     

我国城市地下空间规划现状、问题与对策

地下空间规划是城市地下空间开发利用有序开展的重要保障。随着我国轨道交通建设的全面展开以及相关政策的陆续出台,我国城市地下空间开发利用必将迎来更大的发展。城市地下空间规划也在近年越来越得到重视。从目前各城市的地下空间规划实践来看,我国城市地下空间规划的技术体系已基本成型,但其中仍然存在着各种各样的问题。在摸清我国城市地下空间规划编制现状和实施效果的基础上,掌握我国城市地下空间规划所面临的问题,并结合未来地下空间发展趋势提出我国城市地下空间规划解决问题的对策,有助于城市地下空间规划理论和方法进一步完善,更好地保障我国城市地下空间事业的可持续发展。     

论新时代我国城市地下空间高质量开发和可持续利用

开发利用城市地下空间,开辟城镇化发展新资源,是解决城市病、改善城市生态环境、优化城市空间结构、提高城市韧性的重要途径。本文深入分析了新时代中国城市地下空间开发利用的现状,认为存在冒进式开发与总体供给不足、碎片化利用与协同规划缺位、被动式应对与科技支撑薄弱、无序化管理与法律法规匮乏等若干紧迫问题,明确了“立法为本、规划引领、调查先行、管理智能、科研支撑”的开发利用原则,提出了全面开展城市地下空间调查评价、尽快建立地下空间协同规划体系、加速构建地下空间智慧管理体系、超前布局地下空间科技发展战略、尽早健全城市地下空间法律法规等五个方面的具体对策建议,充分利用中国体制上的优势,集成国际城市地下空间开发利用先进的理念和技术,从而推动我国新时代城市地下空间产业快速发展、科技水平不断提高和地下空间体系日趋完善,在全球树立城市地下空间资源可持续开发利用的典范。     

城市地质数字化转型的机遇与挑战——中国工程院院士朱合华教授接受本刊专访

2023年8月8日上午,中国工程院院士、中国数字地下空间与工程研究领域领军人物、同济大学特聘教授朱合华接受《上海国土资源》期刊的专访。朱院士围绕城市地质数字化转型面临的机遇和挑战发表了深刻见解。城市高质量发展需求正从外延式转向内涵式发展。在城市建设由地上向地下空间发展、注重品质和内涵的背景下,地质工作则应由“广”向“深”、由“有”向“优”发展。服务韧性城市和绿色低碳发展为城市地质数字化和智慧化转型带来了机遇。城市地质数字化转型的重要定位应为地下空间、资源开发和城市规划建设提供数字化、标准化的地质信息和模型支撑和构建开放共享的地质数字化平台。“采集数据难”“提取信息难”“形成知识难”是城市地质数字化转型面临的瓶颈。从地质信息的获取和使用过程入手,形成采集—传输—处理—表达—分析—服务的地质工程数字赋能范式是突破瓶颈的路径,新型的地质感知技术与装备、地质信息的智能提取、岩土与地下工程专业交叉融合是城市地质数字化转型的突破方向。在这样背景下,上海地面沉降防治需要通过建设多视角、高密度的地面沉降监测体系,构建城市数字孪生模型和开展动态的仿真分析来实现数字化转型,进而继续发挥示范和引领作用。     

干扰环境下城市地下空间组合探测与全要素数据集

地下空间利用已成为解决城市发展空间问题的主要途径,地下空间精准探测是地下空间资源开发利用的基础,但城市强干扰环境下地下空间探测的原理、方法组合、采集的要素及数据应用等目前尚为难题。本数据集依托中国地质调查局陕西省重要城镇地质灾害风险评估（2013-2016）、关中-天水经济区综合地质调查（2016-2018）、西安多要素城市地质调查（2018-2021）、延安革命老区综合地质调查（2018-2021）4个项目,面向岩土体质量评价和城市地下空间资源评价与开发利用的需要,在常规物探、钻探和实验测试基础上,引入了随钻监测技术,开展了13个参数的测井,形成了地下空间组合探测方法,获取了岩土体质量和城市地下空间评价所需的全要素数据。本数据集分别来自陕西省秦巴山地山阳县城区、关中盆地西安市城区和黄土高原延安市城区,数据包含工程地质钻探、实验测试、多参数测井、随钻监测和地面物探5种数据类型,其中工程地质钻孔144个,实验测试样品672个,物探测井13类参数111个孔,随钻监测36个孔,地面物探4类方法5条剖面,共计968组数据,3 664个文件,格式包含jpg,xls,doc,mpj,dwg。该数据集可用于岩土体质量评价、城市三维地质全要素建模、地下空间资源评价、岩土体质量与物性参数耦合关系研究,以及城市地质科学研究。     

城市地下空间三维地质模型可视化技术研究

目前,城市地下空间信息化发展面临着海量数据组织、管理和可视化显示等亟需解决的关键问题。本文顺应国家新型智慧城市建设趋势,提出并实现了城市地下空间三维地质模型可视化技术,构建地质三维模型分级数据,按照不规则四叉树结构形成LOD数据;基于构建的三维空间网格码规范编码,运用降维、非布尔运算的方法,实现最大精度化的地下空间模型数据无限逼近的融合;并采用多渲染引擎的混合渲染架构,支持DirectX、WebGL（OpenGL ES）、OSG（OpenGL）和游戏引擎（Unreal Engine）等多引擎渲染,实现TB级地下时空数据的真实感可视化与高效调度,为城市地下空间开发利用提供数据支持和辅助决策分析支撑。     

特约主编致读者（附：龚剑明“城市地下空间的开发利用”项目由来）

地下空间泛指地表面以下的空间,它是地表土地资源向地下的延伸,是国家的战略资源,具体包括：以空间为载体的地下空间工程;以资源为载体的地下水、岩土体等;以能源为载体的地下矿产、地热能等;以生态系统为载体的地下再生系统;其他可供人类开发利用的地表以下的物质和空间。从城市建设的角度定义,地下空间多指以空间为载体的地下空间工程,即传统意义上的狭义地下空间。 随着城市的发展演变,地下空间在不同时期发挥不同的作用和功能,以适应城市和人对地下空间的需求变化。基于国内外城市地下空间的调研,通过功能、形态和效益等方面的分析,可将城市地下空间的发展历程划分为三个阶段,即地下空间1.0阶段、地下空间2.0阶段、地下空间3.0阶段。 在1.0阶段,地下空间建设是以市政功能需求为导向,以市政管线和单体式独立地下空间为主,解决城市快速发展引起的基础设施服务能力不足的问题。在形态布局上,主要依附于城市道路和建（构）筑物,不同空间之间缺乏连通性,呈点式的平面分布,且以浅层地下空间为主。1.0阶段的地下空间又称之为“功能地下空间”。 在2.0阶段,地下空间以地下交通建设为主体,并带动沿线城市地下空间的综合发展,出现了地下综合体、地下城、地下市政和完善的基础防灾设施。在形态布局上,形成了以地铁为骨架,以地下车站、地下综合体、地下枢纽为节点,以地下街等为延伸的网络化布局。竖向开发深度延伸至20~30 m左右,形成了典型的地下交通层空间。在该阶段,地下空间基本实现了有序化开发利用,并优化了城市结构。2.0阶段的地下空间又称之为“交通地下空间”。 在3.0阶段,地下空间以优化地表环境质量为主体,将不适宜的城市功能地下化,并实现单点空间的集约化、规模化利用。在形态布局上,打破了传统平面布局、竖向布局隔离的模式,向立体化、一体化发展,形成了地下空间的立体网络布局。在该阶段,地下空间的开发利用突出了提供城市韧性、改善城市宜居度的目标。3.0阶段的地下空间又称之为“环境地下空间”。 城市地下空间的建设阶段与城市的GDP成正相关关系。我国城市分布和发展的极度不平衡,造成大部分县级城市的地下空间开发利用尚处于地下空间1.0阶段,部分中等和大城市迈入了地下空间2.0建设阶段,少部分大城市、特大城市正在进行或逐步迈入地下空间3.0的建设阶段。新时期,人们对城市功能、生态化和宜居度的要求越来越高,加之信息化技术、人工智能、新型智能材料等的快速发展,地下空间发展可能出现新的特征、新的趋势和新的形态。 充分考虑人类对城市空间的需求,紧密贴合科技的最新突破进展,并考虑城市发展和演变的规律,可以初步判定新时期的城市地下空间开发利用会出现以下趋势：地下空间由单一空间属性向空间、能源、资源和生态“四位一体”的属性转变,其开发利用也从较单一的地下工程建设变为多种属性综合考虑的开发利用,如地下空间、地下空间余热、地热能和间歇性能源储存为一体的地下空间体系;地下空间开发利用逐渐向生态化发展,由过去的“能用”转变为“好用”;地下空间建设将愈加考虑人类生理、心理层面的影响,向人文化转变,形成“以人为本”的开发原则;地下空间向深度信息化、数字化和智慧化发展;地下空间与地上空间的分割日益淡化,城市空间向立体网络化发展。 基于以上城市地下空间的发展趋势,并充分结合21世纪信息化革命的浪潮,可以归纳总结出城市地下空间下一发展阶段（即城市地下空间4.0）的内涵和要求。城市地下空间4.0是以立体化综合利用、人与自然和谐发展为目标的智慧型地下空间,其内涵包括智能、韧性和绿色三个方面,其中智能是手段,韧性和绿色是目标。“智能”首先是指采用智能规划和智能建造提升地下空间立体化综合开发利用的能力,其次是指采用数字信息技术和人工智能技术提升地下空间的智能运行维护能力;“韧性”是指灾害发生时地下空间具备抵御吸收、响应适应和快速恢复的能力;“绿色”是指通过地下空间开发利用实现工程建设与生态环境的和谐、经济效益和环境效益的和谐、行业发展与社会人文的和谐。4.0阶段的地下空间又称之为“智慧地下空间”。 为进一步界定城市地下空间4.0,可以采用三级指标对其内涵进行剖析。其中,一级指标为智能、韧性和绿色。每个一级指标又包括三个二级指标。其中,智能包括智能规划、智能建造和智能运行;韧性包括抵御吸收、响应适应和快速恢复;绿色包括工程技术、经济管理和社会人文。每个二级指标又可分为多个三级指标,比如：智能规划包括形态、功能和布局,模拟和推演;智能建造包括智能设计、智能施工;智能运行包括感知技术、泛在物联、建模认知、服务决策、集成融合等。 20世纪60年代,我国城市地下空间的开发利用以人防工程建设开启了序幕。80年代后期,市场经济促使地下空间向平战结合的方向发展。进入21世纪,我国工业化、城镇化快速发展,城市地下空间开发利用的数量和质量都得到了快速提升。“十二五”时期,我国城市地下空间年均增速达到20%以上,约60%的现状地下空间为“十二五”时期建设完成。新时期,随着“深地”战略的实施和美好城市的建设,城市地下空间势必会快迈入4.0阶段。 然而,对比发达国家的城市地下空间开发建设,我国在城市地下空间开发利用方面还存在一些问题和不足：在管理方面,缺少管理依据,缺失综合管理机构,管理机制和管理制度仍不健全,亟须建立我国特色的地下空间管理体系;在技术方面,复杂地质、敏感环境下的扰动施工控制技术仍需进一步提高,缺少新型的装备和技术,深层地下空间的开发利用尚处于起步阶段,亟须建立基于开发与保护的全深度、全资源开发利用体系;在运维方面,缺少地下基础设施维护与更新的成套技术体系,缺乏对运维信息的管理和应用,灾害下的地下空间逃生救援体制不完善,亟须建立数字化、智慧化的安全运维体系;在人才方面,尚未建立完善的地下空间学科体系,缺乏跨学科、复合型人才,亟须建立健全的地下空间人才培育体系。 为了更好地促使我国城市地下空间的健康可持续发展,必须认清上述的问题和不足,充分理解地下空间4.0的内涵,并判识亟须解决的重大科学与技术问题,以制定相应对策,逐一攻克解决。经过调研、分析和推测,笔者认为新时期我国城市地下空间开发利用需要重点攻关以下内容：基于国土、规划、社科多学科的地下空间全要素、全资源规划及管理;考虑多尺度、多场、多因素的地下空间全灾害、全深度分析及设计;体现人文的地下空间与信息化融合理论及全寿命、全区域智慧运维。 “合理开发利用城市地下空间,是优化城市空间结构和管理格局,缓解城市土地资源紧张的必要措施,对于推动城市由外延扩张式向内涵提升式转变,改善城市环境,建设宜居城市,提高城市综合承载能力具有重要意义”。新时期,随着人们对美好生活的追求,地下空间建设将从狭义地下工程拓展为空间、能源、资源和生态“四位一体”的工程,逐渐进入4.0阶段,成为建设“山水城市”、生态文明城市的必经之路。 本专辑是中国科学院“城市地下空间的开发利用”咨询评议项目核心成果的集合,共收录17篇文章,涉及我国地下空间开发现状、问题与对策以及专题研究三个方面。本专辑的出版旨在促进城市地下空间的健康、生态、合理开发利用,进而促成新时期我国城市地下空间发展的解决方案。专辑的出版有赖于王成善院士、周成虎院士的大力支持和《地学前缘》编辑部工作人员的辛勤付出,在此表示衷心的谢意。     

国际城市地下空间开发利用现状、趋势与启示

城市地下空间开发是缓解“城市病”、实现城市可持续发展的重要举措。欧美等发达国家和地区已经积累了丰富的城市地下空间开发的经验和教训。通过调研国际上一些主要城市的地下空间开发利用状况,剖析了当前国际城市地下空间开发的现状、问题及发展趋势,以指导我国城市地下空间开发。目前,国际城市地下空间开发形成了以缓解城市交通拥堵、扩大城市生存空间、建立集约型城市、构建舒适宜居城市环境为导向的开发模式,并以建设绿色、智慧的立体化城市为未来的发展趋势。我国应在充分吸收和学习国际上城市地下空间开发的经验和教训基础上,结合自身城市特点,高质量开发城市地下空间。     

国内城市地下空间开发利用现状与发展趋势

我国城镇化水平不断提高的过程中,各类“城市病”是多数城市必须面对的难题,城市地下空间的开发利用成为各个城市解决这一问题的有效途径。在这样的背景下,我国城市地下空间开发利用从21世纪起进入快速发展阶段,十几年来地下空间利用增长迅猛,成就斐然。文章总结了当前我国城市地下空间各功能开发现状,并分等级叙述了我国几类城市地下空间开发利用现状。最后文章提出我国城市地下空间开发利用的趋势是向地质调查先行,网络化与分层化规划,协同化利用,内部环境生态化和人性化,管理数字化和智能化方向发展;不同城市将根据其社会经济需求和地质环境特点差异化重点开发,科学利用城市地下空间资源,发挥其社会、经济效益,让城市更美好。     

城市地下空间适宜性评价研究国内外现状及趋势

城市地下空间的开发利用是城市可持续发展的必然途径.科学合理的城市地下空间适宜性评价可为城市的立体规划提供决策依据.因此,对城市各区域开展地下空间的适宜性评价就显得尤为重要.从城市地质模型的可视化、地下空间适宜性评价指标、权重体系、评价模型、评价模式及评价系统这6个方面,系统梳理了城市地下空间适宜性评价的国内外研究现状;围绕城市地下空间适宜性评价指标的量化、城市地下空间适宜性评价可视化结果的可靠度以及城市地下空间适宜性立体化评价系统的普适性这3个关键问题,探讨了城市地下空间适宜性评价的主要内容和未来发展方向.旨在促进城市地下空间适宜性评价工作的深化,为城市地下空间的开发与利用提供一定的指导.      

地下空间资源协同化评价探索——“复杂地质条件地下空间资源识别与评价”专辑特邀主编寄语

地下空间资源分布广泛, 是重要的国土空间资源。复杂地质条件下地下空间资源开发利用涉及“水、土、岩、气”等方面内容, 是资源开发面临的主要问题。科学合理的探测识别与评价是地下空间资源开发利用的重点研究方向, 对地下空间资源的可持续利用具有重要意义。在《地球学报》编辑部的大力支持下, 本次专辑由复杂地质条件下地下空间资源的探测、识别、评价等相关方面内容构成, 包括城市地下空间资源、地下水资源、地热资源等。该方面的研究成果可为地下空间相关资源的识别与保护研究提供重要的参考价值。     

浅谈地下空间的土地使用权管理与相关规定

随着城市建设的发展,土地资源日益稀缺,对城市地下空间的使用也变得日益频繁。地下空间开发利用是提高城市土地利用效率、缓解城市中心密度、人车立体分流、扩充基础设施容量、减少环境污染、改善城市生态最为有效的途径。     

基于国内典型城市对比的地下空间开发利用现状及问题分析

根据对北京、上海、南京、成都、青岛、武汉、郑州、惠州8个国内典型城市地下空间开发利用现状的调查与研究,认为我国城市地下空间开发利用的速度和规模发展迅速,成效显著,但不同类型城市地下空间开发利用程度还存在较大差异,城市地下空间存在冒进式开发与协调性不足等问题,地下空间开发深度不够、功能不全面、规划体系不完善和管理制度不健全等问题较为突出。结合国外发达国家与城市地下空间发展的方向和趋势,提出了我国城市地下空间发展应不断加强城市地质调查、完善地下空间规划体系、加强城市地下空间运营管理、健全城市地下空间信息共享平台和推动科学技术创新的意见与建议。     

中国北方山丘区城镇地下水资源可持续利用——以吉林省磐石市为例

如何使有限的地下水资源发挥其最大的综合效益,保障城镇社会经济的可持续发展是山丘区中小城镇当前面临的重要问题。以实现磐石市城市地下水资源可持续利用为目的,建立地下水流数值模型,以地下水位降深、埋深为约束条件,优化市政供水开采布局,进行地下水资源开发潜力评价,进而提出了城市地下水资源可持续开发利用对策。     

城市地下空间资源探测方法研究及应用

地下空间资源探测是科学合理开发利用地下空间资源的基本前提,国内各大城市相继开展了地下空间资源调查评价工作,但对地下空间资源探测方法尚未开展系统梳理。在北京城市地下空间资源调查评价工作的基础上,对地下空间资源开发利用2个阶段,即建成区和待建区地下空间资源探测对象和探测方法分别做了阐述,指出建成区的探测对象是已开发利用的地下空间资源,可以采用遥感技术解译建筑物高度,利用建筑物竖向影响深度推算已利用开发地下空间,利用物探手段(电法、磁法、重力、地震)较精确地圈定已开发利用空间;对于待建区,调查对象主要是影响地下空间资源开发利用的地质条件,可以通过相应的地质工作开展调查。最后列举了应用实例,以期为城市地下空间资源探测工作起到借鉴作用。     

城市地下空间资源评价进展与展望

城市地下空间利用是拓展城市发展空间、优化城市空间布局、解决城市问题、提高城市治理能力及实现城市高质量发展的有效途径之一,对地下空间资源进行全面评价是保障地下空间安全利用的前提.文章系统分析了城市地下空间的资源属性及评价现状,梳理了目前主要的城市地下空间资源评价方法及其在不同城市的应用进展.当前,城市地下空间资源评价主要...     

国内外城市地下空间标准现状与发展

近年来,随着我国城市化快速发展,城市地面空间资源难以负荷,国家大力支持开发利用城市地下空间。本文概述我国城市地下空间开发和利用的发展历程和城市地下空间开发利用保护工作的相关政策,梳理我国现行城市地下空间标准以及国际国外现行城市地下空间标准,并分析存在的问题。针对存在的问题,参考当前国际上现有标准,提出城市地下空间标准发展建议,逐步建立和完善我国城市地下空间标准体系,促进我国城市地下空间可持续发展。