基于GIS技術的地下空間資源評估

顧逸佳GU Yi-jia

（常州市規(guī)劃設計院，常州213000）

0 引言

為使城市地下空間得到科學合理的開發(fā)利用，必須對城市地下空間資源進行綜合的分析評估，一方面充分挖掘地下空間資源的利用潛力，實現(xiàn)地上地下協(xié)調(diào)發(fā)展，另一方面避免盲目開發(fā)對地下空間資源帶來的破壞，實現(xiàn)地下空間的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究方法

利用地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺建立數(shù)據(jù)庫，將影響城市地下空間資源開發(fā)利用的有關自然條件和經(jīng)濟社會條件各因素進行數(shù)字化整理，并建立相關評估模型，采用地域對比評判法及多因素綜合評判法對城市地下空間資源進行評估。

2 城市地下空間資源調(diào)查與評估

2.1 調(diào)查要素結構與評估指標體系

地下空間資源的可逆性較差，由于其工程的復雜性與特殊性，很難通過改造恢復其原始狀態(tài)，在開發(fā)利用之前對其進行充分調(diào)查與評估十分必要[1]。同時，由于地下空間資源的開發(fā)利用與地層構造、現(xiàn)狀建設情況及社會經(jīng)濟發(fā)展等方面因素密切相關，因此城市地下空間資源調(diào)查和評估是一項復合型的工作。對影響地下空間開發(fā)利用相關要素進行分類梳理，并根據(jù)各因素的作用機制進行研究，對其影響權重進行分析，建立綜合評估指標體系，從而為下一步的評估模型計算提供參考。

2.2 評估模型建立

由于基礎數(shù)據(jù)的來源較廣，涉及到城市規(guī)劃學、工程地質(zhì)學、社會經(jīng)濟學、生態(tài)與環(huán)境科學等眾多科學領域，需將不同格式、不同類別的各種數(shù)據(jù)輸入一個統(tǒng)一的平臺，以進行評估模型的運算。本次評估以地理信息系統(tǒng)（GIS）為平臺，通過生成基本單元、基本單元編碼以及評估因子賦值三個步驟將各類基礎數(shù)據(jù)進行數(shù)理化分析，建立地下空間資源開發(fā)利用評估的數(shù)據(jù)庫[2]。

2.2.1 建立基本單元 基本單元是評估操作運算的基本空間單元。GIS中有兩種單元模式可采用，即矢量單元和柵格單元。以矢量單元模式建立基本單元為例，可通過CAD對城市地塊進行整理和重新繪制，同時利用GIS自動采集工具直接提取邊界及其對應的屬性數(shù)據(jù)，便可得到評估的基本單元。由于其基本單元表現(xiàn)為實際地塊紅線邊界，與城市的土地功能分區(qū)及土地管理的基本地塊相協(xié)調(diào)，利用矢量單元模式建立基本單元對城市規(guī)劃管理部門具有較好的實用價值。

2.2.2 基本單元編碼 為方便基本單元的定位與查詢，需按照一定方法對基本單元進行分區(qū)編碼。一般以城市總體規(guī)劃確定的城市組團為第一層次；再以城市快速路與主干道為界限劃分街區(qū)，為第二層次；各個街區(qū)內(nèi)的基本地塊即為第三層次。

2.2.3 評估因子賦值 綜合來講，影響城市地下空間資源開發(fā)利用的因素可以分為兩大類，分別為工程難度等級及潛在開發(fā)價值。以評估單元為空間載體，對各個評估因子進行具體賦值。數(shù)值的確定以能較為真實的反應各評估因子對地下空間資源開發(fā)利用的影響程度及其相互間的差異為基本原則。例如：

工程難度等級的賦值：可將凡對地下空間開發(fā)利用可行性沒有造成不良影響的賦值為1；有一定影響并需在具體施工過程中考慮、處理的賦值為0.5；有嚴重不良影響并禁止其開發(fā)的賦值為0。

潛在開發(fā)價值的賦值：可將鼓勵地下空間開發(fā)利用的賦值為2.5；禁止其開發(fā)的賦值為0；區(qū)間以0.5為一等級，按照對地下空間開發(fā)利用的有利程度大小分別賦值。

①工程難度等級。

地下工程實施的可行性與安全性對巖土工程條件有著高度的依賴性。開發(fā)區(qū)域是否穩(wěn)定，是否存在地震斷裂帶等影響地下工程開發(fā)的不利條件；地質(zhì)構造巖性是否良好，地下空間一旦開工建設，是否會遭遇不可預測的坍塌、砂石液化等影響，這些都是需要在評估過程中重點考量的因素[4]。

1）地質(zhì)穩(wěn)定性因子。

可進行單獨的地質(zhì)災害評估專項調(diào)研，也可參考城市抗震防災規(guī)劃中的相關章節(jié)內(nèi)容予以確定如表1所示。

表1 區(qū)域穩(wěn)定性對開發(fā)可行性的影響評分表

2）地質(zhì)構造巖性因子。

可進行專門的工程地質(zhì)勘探，也可根據(jù)相關工程勘探數(shù)據(jù)對巖石、地層、水文與地貌等信息進行綜合判斷如表2所示。

表2 地質(zhì)構造巖性對開發(fā)可行性的影響評分表

3）地下水影響因子。

江南地區(qū)地下水位較高，給施工帶來諸多不便，也給地下室防潮等帶來較高要求如表3所示。

表3 地下水文條件對開發(fā)可行性的影響評分表

②潛在開發(fā)價值。

地下空間作為一個解決“城市綜合癥”的有效手段，在開發(fā)過程中存在一個不可忽略的問題就是造價問題。由于地下空間開發(fā)較地面更加復雜，其成本往往也較為昂貴，而且隨著開發(fā)深度的增加，開發(fā)成本也逐漸上升。因此地下空間的開發(fā)應該建立在先期經(jīng)濟評估的基礎上，由于潛在開發(fā)價值大的區(qū)域對地下空間開發(fā)的推力作用也大，結合開發(fā)價值大的區(qū)域進行開發(fā)，可以提高地下空間開發(fā)的有效性、合理性和經(jīng)濟性。評估模型選取了對地下空間利用潛在開發(fā)價值影響較大的用地功能、交通可達性、土地價格、軌道交通及歷史文保五個因子，對城市地下空間開發(fā)的潛在價值進行評定。

1）用地功能因子。城市各類用地由于功能的不同對地下空間的需求程度也不盡相同如表4所示。例如，位于城市中心區(qū)的金融辦公用地一般都會配置相當量的地下停車庫以解決自身的停車問題；而商業(yè)用地除了配置地下停車庫外，出于效益的考慮，還會將一些商業(yè)活動引入地下，建設一定量的地下商場。相比之下，市政、工業(yè)用地除非為了一些較為特殊的用途，比如出于人防或者地下倉儲的考慮，一般不會進行地下空間的開發(fā)使用。

表4 各類用地對地下空間需求程度的高低評分表

2）交通可達性因子。交通可達性即從城市各點、各區(qū)域到特定點、特定區(qū)域的方便程度。一般可以認為沿城市主要干道兩側的各點、各區(qū)域出行最為便捷，次干道次之、支路再次之?？焖俾酚捎谝话惴沼谶^境交通，同時控制沿線出入口數(shù)量，故其兩側地塊的出行并不便利，歸于支路一類。交通可達性高的地塊，對于地下空間開發(fā)利用的支撐作用也較強如表5所示。

表5 交通可達性不同的各個地塊對地下空間需求程度的高低評分表

3）土地價格因子。土地價格對于地下空間開發(fā)利用具有直接的影響，地面土地價格的上漲往往對于地下空間的開發(fā)利用起到明顯的推力作用。在城市土地價格較高的區(qū)域，開發(fā)商出于充分利用土地的考慮，進行地下空間開發(fā)的意愿也往往較為強烈如表6所示。

表6 不同城市地價區(qū)對于地下空間開發(fā)推力作用的強弱評分表

4）軌道交通因子。從國內(nèi)外相關成功的案例來看，軌道交通站點周邊地塊適宜結合站點建設進行大規(guī)模的聯(lián)合開發(fā)。軌道交通站點周邊地塊通過地下通道增加相互的聯(lián)系以及地上與地下的商業(yè)互動，結合站點的建設可形成涵蓋購物、餐飲、時尚、娛樂、休閑、商務等多重功能的超大地下商城，并成為獨特的“地鐵商業(yè)模板”如表7所示。

表7 軌道交通對各個地塊的影響評分表

5）歷史文保因子。出于保護文物的目的，對于已有探明的地下文物埋藏區(qū)，禁止其保護范圍內(nèi)地下空間的開發(fā)；對于歷史風貌保護區(qū)，為了減少地下空間開發(fā)對其造成的不良影響，限制其開發(fā)；歷史文保區(qū)以外地塊可不受本因子的限制圖如表8所示。

表8 歷史文保對各個地塊限制的強弱評分表

③豎向開發(fā)層次。

豎向開發(fā)層次的劃分具有一定的可動性，根據(jù)以往的經(jīng)驗及我國現(xiàn)在的社會發(fā)展階段，一般將地下空間的豎向開發(fā)分為淺層（0~-10m）、次淺層（－10~-20m）與次深層（-20~-50m）以及深層（－50m以下）四個層次。

其中，淺層地下空間的開發(fā)受到地質(zhì)水文及現(xiàn)狀建設等條件的制約作用最為強烈；次淺層地下空間的開發(fā)主要受到地面高層建筑物基礎的影響。但綜合經(jīng)濟效益、工程難度等級以及建設成本來看，淺層與次淺層區(qū)域仍為近期地下空間開發(fā)利用的重點區(qū)域，次深層及深層的地下空間的開發(fā)基本不受現(xiàn)狀建設條件的制約，是未來地下空間開發(fā)利用的主體。因此，近期我國城市地下空間的開發(fā)主要較集中在淺層、次淺層；從總體來看，城市地下空間資源的有效性一般都呈現(xiàn)自上而下降低，而地下空間資源的容量則呈現(xiàn)自下而上減少的趨勢。

1）淺層（0~-10m）。根據(jù)現(xiàn)狀資料看，我國城市地下空間的開發(fā)利用目前主要利用的是淺層空間（0~-10m），而且基本為各種市政基礎設施管線，建筑物、構筑物基礎以及已建地下室。由此，可根據(jù)現(xiàn)狀建筑物、構筑物基礎底面及已建地下室對各個地塊淺層地下空間開發(fā)利用的限制如表9所示。

表9 對淺層地下空間開發(fā)利用的限制表評分表

2）次淺層（－10~-20m）。一般建筑的基礎埋置深度不小于H*1/15（H為建筑物高度），若樁基則大約為H*1/18?？紤]到地下工程與建筑基礎需要8~10m的安全距離，計算可得高度在30m上的高層建筑基礎對次淺層地下空間的開發(fā)均存在一定程度的影響。由此，可根據(jù)高層建筑物基礎對次淺層地下空間開發(fā)的限制如表10所示。

表10 對次淺層地下空間開發(fā)的限制評分表

3）次深層（-20~-50m）及深層（－50m以下）。次深層與深層地質(zhì)水文條件較為穩(wěn)定且基本不受地面建設條件的影響，但由于開發(fā)成本與工程技術的原因，資源開發(fā)的有效性與經(jīng)濟性不如淺層與次淺層，主要運用于一些特殊用途[5]。

2.3 評估模型計算

按照評估因子對評估結果作用機制的不同，可將其分為影響性因子及決定性因子兩類。其中，影響性因子只對開發(fā)適宜度的大小起作用，如交通可達性因子、地價因子等；而決定性因子則是用于判斷是否能夠進行開發(fā)的限制性因子，如地質(zhì)穩(wěn)定性因子、歷史文保因子等。由于作用機制的不同，評估模型的賦值標準及數(shù)學算法也有所區(qū)別。凡依據(jù)影響性因子進行評分判斷的結果采取求和的方式進行計算，凡依據(jù)決定性因子進行評分判斷的結果采取求積的方式進行計算。①工程難度等級評定。工程難度等級評定是在綜合考慮地質(zhì)穩(wěn)定性、地質(zhì)構造巖性以及地下水三類影響因素的基礎上綜合評估取得的，反映地下空間資源開發(fā)的工程適宜性，以上三類因子均為決定性因子，故采取求積的方式進行計算。評估模型的數(shù)學表達式如下：I1=a1*a2*a3。其中，I1為潛在工程難度等級評估得分值，a1、a2、a3為各影響因子評估分值。②潛在開發(fā)價值評定。潛在開發(fā)價值評定是在綜合考慮用地功能、交通可達性、土地價格、軌道交通以及歷史文保五類影響因素的基礎上綜合評估取得的，反映地下空間資源的需求強度大小和開發(fā)的效益的高低。以上五類因子除歷史文保因子外均為影響性因子，故采取將用地功能、交通可達性、土地價格及軌道交通因子加權求和再與歷史文保因子求積的方式進行計算。評估模型的數(shù)學表達式如下：。其中，I2為潛在開發(fā)價值評估得分值，bi為各影響因子評估分值，wi為各自權重。③豎向開發(fā)層次評定。I3為豎向各層開發(fā)層次的評估得分值。④綜合質(zhì)量等級評定。綜合質(zhì)量等級評定由工程難度等級評定、潛在開發(fā)價值評定以及豎向開發(fā)層次評定三個因素共同組成，反映地下空間資源綜合質(zhì)量等級。

評估模型的數(shù)學表達式如下：I=I1*I2*I3

其中，I為地下空間綜合質(zhì)量評估得分值，I1、I2、I3分別為工程難度等級評估得分值、潛在開發(fā)價值評估值以及豎向開發(fā)層次評定得分值。隨著開發(fā)深度的加大，地下空間開發(fā)的經(jīng)濟性會逐漸減弱，地面交通可達性、用地功能等一系列用以評價淺層、次淺層開發(fā)潛在經(jīng)濟價值大小的因子作用力也隨之降低，次深、深層地下空間的開發(fā)越來越呈現(xiàn)出一種均質(zhì)化的態(tài)勢。因此，用于評估淺層（0~-10m）與次淺層（-10~-20m）的因子對于城市地下空間的次深層（－20~-50m）與深層（－50m以下）地下空間綜合質(zhì)量的評估并不適用。遵循以上規(guī)律，對于次深層及深層地下空間綜合質(zhì)量的評估可以借鑒淺層與次淺層的評估成果，通過適當刪減對其影響較弱的因子（如城市地價）進行修正，所得出的成果僅作為參考，具體實施時需根據(jù)情況進行重新評估。由于綜合質(zhì)量等級評定所得出的結果為自然數(shù)形式，為指導今后地下空間的實際開發(fā)利用，需將改數(shù)值與城市地下空間可開發(fā)利用的程度建立某種聯(lián)系。借鑒城市總體規(guī)劃編制中關于城市管制空間的劃分標準，可根據(jù)城市地下空間的可開發(fā)利用程度將各層地下空間劃分為鼓勵建設區(qū)、適宜建設區(qū)及限制建設區(qū)三類。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺“graduated color”運算功能，將“class”值設為3，分別運算可得各開發(fā)層次的三區(qū)劃定范圍圖。以此為基礎，扣除已建地下空間的范圍，反饋回cad進行地塊的統(tǒng)計和計算，可得各層地下空間資源總量以及各層鼓勵建設、適宜建設及限制建設區(qū)各區(qū)的資源量[6]。

2.4 評估結果的分析

總體上來看，由于受到自然、社會經(jīng)濟條件及現(xiàn)狀建設條件的影響，城市地下空間資源的分布一般呈現(xiàn)不均衡的特點。在城市中心、副中心、重要商業(yè)街區(qū)、交通樞紐、城市綠地、廣場以及大型公共設施周邊等區(qū)域進行地下空間開發(fā)能夠發(fā)揮出最大的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，這些區(qū)域也將是我國城市地下空間開發(fā)利用的重點和起源地。由于淺層地下空間資源受地面建設條件的影響最大，城市現(xiàn)狀建設區(qū)域尤其是中心區(qū)地下空間的開發(fā)受到較大的制約，然而這些區(qū)域大都處于地價因子評估中的“一級地價區(qū)”，開發(fā)的經(jīng)濟潛力較高。因此可結合老城區(qū)的有機更新，通過對現(xiàn)狀地下室的改造，將有條件的地下室連通，進行聯(lián)合開發(fā)等一些手段，對城市現(xiàn)狀建設區(qū)域內(nèi)的淺層地下空間進行科學有效的合理開發(fā)。但在具體工程設計及實施過程中，要充分考慮地下工程與地面現(xiàn)狀建設之間的影響，同時充分發(fā)揮地下空間開發(fā)利用對城市地上活動的促進作用，重視地下功能與地面功能的結合、協(xié)調(diào)和互補。