1 引言
随着城市地下空间开发量的与日俱增，妥善处理好地下空间开发相关的诸如水文、地质、埋藏物等因素变的尤为重要，现有关于地下空间的资源评估、需求预测、总体布局等研究，主要采用二维平面表达的手段，并且是以经济需求为导向的自上而下的规划、以工程地质为驱动的自下而上的评估为主，缺乏对二者的有机结合和联动更新，这种静止、片面、二维的地下空间规划和管理模式已经很难胜任未来的发展需求，亟需构建起“基于地上地下一体化视角的地下空间管理新模式”。
2 城市地下空间管理的特点及要求
城市地下空间管理是根据城市发展对城市地下空间的开发利用进行统一管理、合理部署、统筹布局，实现城市地上、地下空间的协调有序发展，新时期地下空间管理的特点主要概括如下几个方面：
1、地下空间管理是多因素的，须多专业融合才能实现科学管理
地下空间管理是受多因素影响，且专业性很强的系统工程，受到区域地质、地形地貌、岩土性状等影响很大，直接会影响地下空间是否适合开发或宜采用的技术手段等，同时也受到已有地下空间建筑及设施的影响，主要是浅层、次浅层空间内的基础及设施，影响深度达几十米之多，以及经济、人口、科技水平等因素，因此，如何有效整合不同专业对地下空间的认知，获悉全面系统的地下空间信息，实现地下空间管理的科学化，是地下空间管理面临的必须要解决的问题之一。
2、地下空间管理是动态的,单一静止的管理很难满足要求
地下空间管理是动态的，不是一成不变的，经济、人口和科技水平的快速发展会对地下空间的触发新的需求，而新建地下空间工程会对现有地下工程以及未来地下空间项目产生不同程度的影响，甚至会产生新的地质问题，进一步会制约地下空间的开发建设，因此，地下空间的各个因素之间又是广泛联系的，互相影响的，需要构建一个动态的，不断更新的地下空间管理机制，才能解决更加复杂的地下空间管理的问题。
3、地下空间管理是三维的，二维技术很难直观清晰表达
地下空间资源的物质载体为三维岩土体介质，地下空间资源的分布具有三维特征。在地下空间资源规划管理中恰当表达资源的空间信息特性是地下空间规划管理的基础，地下空间资源的空间位置数据以及资源的属性数据必须通过建立载体模型集成为一体，才能实现数据的承载、运算和空间叠加分析。基于“平面模型”和“平面+竖向分层”模型来记录和描述地下空间资源不够直观清晰，很难实现精细化的管理，运用真三维数据模型就显的尤为重要[10]。
4、地下空间规划进入“综合性规划”阶段，提出了更高的要求。
城市地下空间资源的开发利用已逐步从“单项规划”逐步进化成“综合性规划”阶段,城市地下空间的规划编制应以“生态、和谐、可持续”为准则，注重生态环境的保护，和谐处理好地上与地下、近期与远期、区域与总体的关系，使地下空间的发展与经济发展相适应，竖向和横向协调发展，形成纵向分层、横向联通的立体综合开发，对地下空间的管理提出了更高的要求。
3 城市三维地下空间数据体系研究
3.1 数据体系分类
在广泛收集包括工程探勘资料、法律法规、社会经济人口数据、科技文献等数据资料的基础上，进行相应的数据资料的整理分类，为建立较为科学合理的的数据支撑体系奠定基础。按照对地下空间影响方向的不同，分为“正推动”、“负制约”、“非零平衡”三类数据。
3.1.1“正推动”因素
城市地下空间的开发利用是多种因素综合影响作用的结果，涉及政治、经济、科技、区域位置等，只有当城市具备了开发的条件和能力，才会有力推动地下空间的开发建设，是城市发展到一定阶段的产物。
对地下空间开发产生客观需求的推动因素，主要包括以下几类：
1) 城市经济状况：地下空间的发展需求与城市经济水平有较为紧密的联系，只有当人均国内生产总值（GDP）达到一定的水平后，才具备地下空间开发的条件和能力，具统计，GDP超过1000美元才有地下空间开发需求，超过3000美元后才具有一定规模开发的基础。
2) 土地资源状况：城市快速发展，容积率过高，建筑密度过大，致使地面空间过渡开发，土地资源稀缺，地面空间容量接近饱和，绿化率过低和环境恶化，是导致大规模开发城市地下空间的一个重要动因。
3) 人口状况：在人口密度过大的紧凑型城市中，人对空间资源和资源利用的有更为紧迫的需求，自然也增大了对地下空间的需要。
4) 城市空间区位及用地性质：城市中的商业中心、行政中心、交通枢纽等绝对区位，对空间量和空间层次需求的无限增长性，决定了对地下空间资源的强大需求，且不同用地性质对地下空间设施的需求有所不同。
5) 城市交通状况：城市地面交通资源的稀缺性致使城市交通矛盾不可调和，随时随处出现的交通拥堵，仅靠在少有的地面空间资源上路网的修修补补，很难真正解决日趋增加的车流量和人流量，以及解决停车难等问题，是影响地下交通设施的主要动因，同时,地下空间尤其是交通枢纽节点的商业利益也是一大动因。
6) 市政公用设施：城市地下空间是城市市政公用设施的主要容纳空间，为了改善和提高市政公用设施的安全性和可靠性，需要实施相应的更新改造，从而推动地下空间的开发利用。
7) 城市防灾状况：城市一般作为重要的政治和经济重心，经常会受到战争威胁，以及遭受其他自然和人为灾害，地下空间具有独特的安全性，可以在防灾减灾和战略储备中起到较为有效地作用。
1 地下空间需求预测阶梯图
3.1.2“负制约”因素
地下空间资源被人类视为迄今为止尚未被充分开发利用的宝贵的自然资源之一,具备稀缺
性、有限性以及不可逆性等特点，其开发利用受工程地质条件、自然生态系统、建设条件现状、社会经济条件、规划利用条件、宏观背景条件等多种因素影响和制约，只有在梳理分析上述各影响因素的前提的基础上，才能较为全面和客观的对地下空间资源进行评估。
制约地下空间开发的因素，概括以下几类：
1) 地形地貌：不同的地形地貌会影响或制约地下空间开发的方式,并会诱发新的地质灾害,不同的地形坡度会影响不同作业方式的选择，比如是垂直开挖、还是水平靠坡式等；低洼容易积水，不利于地下空间的防水。
2) 工程地质：岩石区地下空间的结构稳定性、开挖难度、空间大小等直接受到基岩的岩性、强度、完整性、结构的重要影响; 地下空间的开挖、支护等又受到土层的变形模量、承载力、地下水、土壤成分等影响；地质构造的活动断裂带、较宽断裂带对地下工程施工和维护不利。
3) 水文地质：地下工程的施工与地下水位、腐蚀性、涌水量等密切相关，直接会影响防水、防腐措施的选择，对地下空间的施工及维护成本影响较大。
4) 地质灾害：地面下沉、地裂缝均可造成地下空间不均匀沉降或水平错位；岩溶、震陷、砂土液化等对地下空间整体稳定性造成威胁；山体崩塌滑坡直接威胁地下空间依附的岩土体安全。
5) 生态敏感区：由山体、水体、绿地、林地等构成的城市生态系统，是城市重要的天然资源需要认真保护起来，同时，该部分资源拥有较为较为宽阔的开敞空间，也是适宜建设地下空间的重要场地，但必须建立在保护好的基础上的合理开发利用，针对不同生态系统的特点和保护要求，科学合理、统筹兼顾的实施地下空间的控制和管理，涉及开发的类型、位置、深度和规模等，使生态系统的保护与地下空间的利用和谐发展。
6) 已有地下空间：包括地面与地下建筑物和构筑物、地下埋藏物及地下文物等。有价值的地下矿藏、地下文物埋藏区[52]按照有关要求，必须避开或在保护挖掘完成后再对地下空间进行开发利用。新建地下空间要妥善处理好与已有地下空间、地面建筑的关系，要有预留足够的距离空间和保护措施。
3.1.3“非零平衡”因素
地下空间作为重要的自然资源，应当妥善处理好地面、地上、地下三维空间的协调发展和综合利用[53]，不能孤立发展，应当对地下的交通设施、人防设施、公共服务设施、市政管网、需保护的文物及其他地下建筑物、构筑物等进行统筹安排，并与地面相关设施合理衔接，并能够符合相关地下空间开发的技术要求等，同时还应该协调好政府、开发商、群众等共享地下空间的不同群体的利益平衡，但由于经济利益影响方面的资料获取难度很大，本文仅从标准规范、技术规定等对地下空间的不同层面的要求角度出发进行数据体系设计分析。
平衡协调多方的因素，归纳整理如下：
1) 宏观层：对地下空间开发从国家、省、市等不同层面进行了规定，明确了相应的职能部门和管理方式，并对地下空间开发提出了一定的要求，包括中华人民共和国城乡规划法、城市地下空间开发利用管理规定、江苏省城乡规划条例等；
2) 专项层：对地下空间开发中需要规避或注意的风景名胜区、文物、水资源等进行了较为详细规定，对上述要素提出了明确的保护要求，包括风景名胜区条例、江苏省文物保护条例、江苏省水资源管理条例、江苏省历史文化名城名镇保护条例、江苏省城镇供水资源管理条例等。
3) 基础层：对涉及地下空间开发的不同对象进行标准化定义、编码分类等，为基于该对象的研究提供基础。包括城市地下空间设施代码和分类、地下水质量标准、工程岩体分级标准、城市建设用地分类与规划建设用地标准等。
4) 技术层：对不同地下空间对象的设计要求进行详细的规定和要求，指导具体地下空间开发的规划、设计和施工。包括地下铁道设计规范、城市工程管线综合规划规范、建筑设计防火规范、人民防空地下室设计规范、人民防空工程设计防火规范、城市道路交通规划及路线设计规划、岩土工程勘察设计规范、建筑地基基础设计规范、水利水电工程勘察规范、城市各类建筑物配建停车场车位指标等。
3.2数据结构设计
根据不同的数据类别的特点，并结合应用需求，分别进行数据进行细化和组织，分别归纳整理如下：
2 三维矢量评估单元划分原理
表 1“正推动”影响因素细化表达一览表
表 2 负制约影响因素组织表达一览表
表 3 “非零平衡”影响因素细化表达一览表
3.3数据体系应用模型
城市三维地下空间数据体系应用模型设计，主要围绕 “自上而下”与“自下而上”相结合的、动态的、集成的角度，运用真三维数据模型为主要模型对构成或影响地下空间的地上、地表、地下所有要素，包括地质、经济、人口等进行合理、直观表达，在通过集成计算机、数据库、GIS、三维建模等技术而构成，用来支持地下空间的规划实践和管理的应用系统。
主要由以下几个部分构成：
一是由真三维建模技术、数据库存储技术、计算分析技术等构成的基础层，为系统的构建提供技术基础及方法手段。
二是由影响地下空间的地上、地表、地下等综合因素构成的数据层，对各类数据有机整合，并进行梳理分类，为地下空间的规划支持提供定性和定量的数据支撑。
三是由正推动-激励模型、负制约-影响模型、非零平衡-优化模型等构成的分析层，即从影响方向上对各类数据进行大类划分，分别对应“地下空间需求预测”、“地下空间资源评估”、“地下空间布局”，从而有效解决“自上而下”与“自下而上”相割裂的问题，实现二者的有机整合。
四是以XYZ三维的表现方式对地下空间的综合布局的表现层，在上述综合分析的基础上，对现有地下空间、潜在地下空间、拟开发地下空间等进行有效的表达或模拟，为地下空间的合理开发和利用提供规划支持手段和方法。
在完成上述四层架构建立的基础上，还需要建立一套数据的动态更新机制，实现数据更新的动态化、实时化、制度化，为科学决策提供最为现势和准确的数据基础。
图 3 城市三维地下空间数据体系应用模型
4 应用示例
本次研究区位于南京老城的西北部，总面积为17.55平方千米，根据《南京城市轨道交通线网规划修编（2010）》及《南京市轨道交通诸线用地控地规划（2011版）》，主要涉及到7条轨道交通线路，其中地铁一号线和二号线已经建成并投入使用，其他5条待建。在广泛收集整理了该研究区的各方面资料的基础上，按照对地下空间影响方向的不同的数据分类方法，将各类数据根据当前特点划分“正推动”因素、“负制约”因素、“非零平衡”因素对5条待建地铁线路进行应用实例分析。
图 4 轨道线网图
表 4 轨道交通线网规划评估分析结果
综上所述，在综合各类分析结论的前提下，可以对轨道交通线网的空间布局、方案实施等给予了更为科学合理的决策支持，进一步证明了城市三维地下空间规划支持系统的适用性。
4 结论
本文在地下空间快速发展的大背景下，从“自上而下”与“自下而上”相结合的、动态的、集成的角度，从影响制约的方向角度出发，将数据体系分为“正推动”、“负制约”、“非零平衡”三类数据，其中“正推动”主要以经济、社会、人口、土地、区位等驱动和触发地下空间开发需求的影响数据，解决的是需要建设什么，即“what”;“负制约”主要是以工程地质、水文地质、地质灾害等制约和阻碍地下空间开发的影响因素,解决的是建在哪里，即“where”;“非零平衡”主要是以标准规范、技术标准等定性或定量的平衡和协调不同地下空间关系的影响因素，解决的是如何建设，即“how”。最后，通过实例应用进一步证明了该数据体系的可操作性和科学性。
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作者简介：高奋生(1983)，男，硕士，研究方向:城市三维地下空间规划支持系统、测绘工程及GPS等方向。
原标题：城市三维地下空间数据体系研究
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