周圓心，何 靜，徐 旸

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195）

基于遙感影像的城市地下空間資源量估算方法

周圓心，何 靜，徐 旸

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195）

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間資源被廣泛的用于城市交通、商業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)、防空等各個(gè)領(lǐng)域，為了合理利用和開(kāi)發(fā)城市地下空間資源，在城市總體規(guī)劃階段，需要對(duì)城市地下空間已利用資源量情況進(jìn)行一定程度的了解。本文以城市區(qū)域性地下空間資源量估算為例，通過(guò)高分辨率遙感影像提取建筑物高度，并根據(jù)高度數(shù)據(jù)推算建筑物對(duì)其地表以下影響深度，作為已利用（一般不再利用）資源量，按照不同深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行疊加分析，估算地下空間資源量，為總體規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。在區(qū)域性總體規(guī)劃數(shù)據(jù)精度要求下，該方式是一種節(jié)省人力、物力，縮短工作周期的行之有效的方法。

總體規(guī)劃；地下空間；影響深度；資源量；疊加分析

0 前言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，土地資源越顯珍貴，大型城市面臨著人與環(huán)境協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題。城市地下空間的開(kāi)發(fā)建設(shè)，是城市立體化發(fā)展、集約化發(fā)展的一種必然途徑。目前在很大程度上，人類(lèi)對(duì)于地下空間資源的開(kāi)發(fā)和利用一直處于盲目和碎片式開(kāi)發(fā)階段，造成地下空間資源浪費(fèi)、不合理布局以及資源開(kāi)發(fā)時(shí)序混亂等問(wèn)題（吳立新等，2007）。為了合理利用城市地下空間資源，近些年對(duì)地下空間利用在規(guī)劃層面的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一越來(lái)越受到管理部門(mén)的重視（邵繼中等，2013）。

在城市中開(kāi)展地下空間資源規(guī)劃和建設(shè)，需要對(duì)已利用的地下空間資源進(jìn)行了解，做到合理布局與開(kāi)發(fā)。目前，關(guān)于已利用地下空間資源量研究方面，大多數(shù)學(xué)者均以資源質(zhì)量評(píng)價(jià)為研究目標(biāo)（吳立新等，2004；張平等，2012；郭超等，2014；王海剛等，2011；趙旭東等2014；吳文博，2012；田毅等，2012；賈世平等，2008）；也有部分學(xué)者開(kāi)展具體的評(píng)價(jià)手段、技術(shù)方法研究（楊振艦，2012；顧衛(wèi)鋒等，2014；王佳婷，2015）；還有部分學(xué)者開(kāi)展評(píng)價(jià)體系的研究（姜云等，2005）。但對(duì)于已利用資源量的調(diào)查研究很少，現(xiàn)在主要還是利用人工走訪調(diào)研的形式，實(shí)地統(tǒng)計(jì)已利用資源量，存在人力成本高、時(shí)間周期長(zhǎng)、調(diào)查數(shù)據(jù)存在誤差等問(wèn)題。

本文以地下建筑物影響深度為切入點(diǎn)，計(jì)算不同深度已利用（一般不再利用）地下空間資源量，綜合疊加分析出可利用地下空間資源量，是一種有效的滿(mǎn)足于城市總體規(guī)劃數(shù)據(jù)精度要求下的地下空間資源量估算方法。

1 數(shù)據(jù)獲取

1.1 建筑物高度

本次研究工作以遙感學(xué)為基礎(chǔ)，采用基于高分辨率遙感影像的建筑物三維信息提取方法，提取建筑物高度數(shù)據(jù)，以矢量方式進(jìn)行管理。

（1）建立二維矢量圖層

二維矢量圖層的建立，是用來(lái)輔助記錄建筑物的高度數(shù)據(jù)。采用二維矢量圖層數(shù)據(jù)，比一般的表格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)在空間展布上更為直觀，便于數(shù)據(jù)的管理以及后期的分析工作。在二維矢量圖層建立時(shí)，采用地塊的概念，即建筑物高度差在一定范圍的建筑統(tǒng)一劃分到一個(gè)地塊中，以地塊為最小單元計(jì)算影像深度。與以建筑物邊界為最小單元相比，最小計(jì)算單元數(shù)量少、道路等地物影像因素較小，適用于城市區(qū)域性地下空間已利用資源量估算，滿(mǎn)足區(qū)域性總體規(guī)劃的精度要求。

（2）提取高度數(shù)據(jù)

根據(jù)前人研究成果，利用高分辨率遙感影像進(jìn)行建筑物三維信息提取的技術(shù)方法已經(jīng)比較成熟，采用垂直于建筑物走向的陰影寬度計(jì)算建筑物高度的方法可行性強(qiáng)、精度較高。高度（H）計(jì)算公式如下：式中，M為建筑物陰影寬度，α為衛(wèi)星高度角，β為太陽(yáng)高度角，γ為太陽(yáng)方位角與建筑方位角的差，δ為建筑方位角與衛(wèi)星方位角的差（張桂芳，2004）。

H=M×sinαsinβ÷(sinα×cosβ×sinγ+cosα×sinβ×sinδ)

利用上述公式計(jì)算出建筑物高度，將高度數(shù)據(jù)錄入到二維矢量圖層中，完成建筑物高度的獲取。

1.2 影響深度

建筑物的影響深度指建筑物使地基土原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，在該深度內(nèi)進(jìn)行地下空間建設(shè)時(shí)可能會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生影響，一般不進(jìn)行地下空間建設(shè)的深度。建筑物的影響深度需要進(jìn)行反復(fù)計(jì)算與總結(jié)統(tǒng)計(jì)，不同地區(qū)、不同統(tǒng)計(jì)方法所得結(jié)果也不同。本文數(shù)據(jù)以北京市地下空間資源調(diào)查評(píng)價(jià)及關(guān)鍵技術(shù)研究成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，作為評(píng)價(jià)建筑物影響深度的依據(jù)。建筑物對(duì)地下空間影響深度分級(jí)見(jiàn)表1。

在建筑物高度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用建筑物影響深度分級(jí)表，即可計(jì)算出建筑物的影響深度，將影響深度數(shù)據(jù)錄入到二維矢量圖層中，完成建筑物影響深度的獲取。示例區(qū)建筑物影響深度分布圖見(jiàn)圖1。

表1 建筑物影響深度分級(jí)表Tab.1 Level table of building inf l uence depth

圖1 示例地區(qū)建筑物影響深度分級(jí)圖Fig.1 Level map of building inf l uence depth in the sample area

2 綜合分析

2.1 已利用地下空間資源量統(tǒng)計(jì)

已利用地下空間資源量即地塊面積與地塊內(nèi)建筑影響深度的乘積，需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。利用地理信息系統(tǒng)軟件可以將已利用資源量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本文示例地區(qū)地塊總面積共10km2，建筑物最大影響深度為45m，地下空間已用資源量共175.50km3（表2）。

表2 已利用地下空間資源量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of underground space resources which have been use

2.2 疊加分析

完成已利用資源量統(tǒng)計(jì)后，需要對(duì)可利用資料量進(jìn)行疊加分析計(jì)算。城市地下空間資源量在不同深度條件下，有不同的用途。在可利用資源量疊加分析時(shí)，需要考慮到這一點(diǎn)。本文以0～10m、10～30m、30～50m共3層為計(jì)算單元，開(kāi)展疊加分析，計(jì)算可利用資源量。

0～10m地下空間可利用資源量疊加計(jì)算方法為0～10m總資源量扣除5m已利用資源量以及深度超過(guò)10m地下空間資源已利用的0～10m部分，計(jì)算公式如下：

式中：K為深度超過(guò)10m地下空間資源已利用的0～10m部分，S15為影響深度15m的地塊面積，S25為影響深度25m的地塊面積，S35為影響深度35m的地塊面積，S45為影響深度45m的地塊面積。

10～30m地下空間可利用資源量疊加計(jì)算方法為10～30m總資源量扣除影響深度超過(guò)10m地下空間資源已利用的10～30m部分。計(jì)算公式如下：

式中：L為深度超過(guò)10m地下空間資源已利用的10～30m部分，S為地塊面積。

30～50m地下空間可利用資源量疊加計(jì)算方法為30～50m總資源量扣除深度超過(guò)30m地下空間資源已利用的30～50m部分。計(jì)算公式如下：

式中：P為深度超過(guò)10m地下空間資源已利用的30～50m部分，S35為影響深度35m的地塊面積，S45為影響深度45m的地塊面積。

通過(guò)上述方法，計(jì)算出0～10m地下空間可利用資源量為37.40km3；10～30m地下空間可利用資源量為121.65km3；30～50m地下空間可利用資源量為132.6km3；50m以深地下空間可利用資源量為165.45km3。

3 結(jié)論

城市地下空間資源量估算方法的基礎(chǔ)是建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行影響深度以及已利用地下空間的計(jì)算，從而疊加分析出可利用地下空間資源量，在資源量計(jì)算時(shí)劃分出不同深度層次，按層次進(jìn)行說(shuō)明。本方法估算出的資源量適用于地下空間總體規(guī)劃階段數(shù)據(jù)精度需求，目的是對(duì)城市地下空間資源量進(jìn)行初步的計(jì)算，為地下空間資源開(kāi)發(fā)利用總體規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

需要說(shuō)明的是，在地下空間資源開(kāi)發(fā)利用詳細(xì)規(guī)劃階段，特別是地下線(xiàn)性工程、地下建（構(gòu)）筑物等選址規(guī)劃工作，對(duì)地下空間資源量的計(jì)算應(yīng)在本方法的基礎(chǔ)上，考慮地上建筑物的樁基類(lèi)型以及樁基影響深度、地下建筑的影響深度（一般不超過(guò)地上建筑物樁基影響深度）等，甚至還需考慮不同地質(zhì)體、不同地質(zhì)環(huán)境下的地上建筑影響深度的不同，進(jìn)行更為深入的調(diào)查研究工作。

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Estimation Method of Urban Undergroup Space Resources Based on Remote
Sensing Images

ZHOU Yuanxin, HE Jing, XU Yang

(Beijing Institute of Geological Survey, Beijing, 100195)

With the development of urban construction, underground space resources are widely used in urban transportation, commerce, warehousing, air defense and other fields. In order to rationally utilize and develop the urban underground space resources, it needs to know about the amount of underground space resources that have been used in the overall planning stage of the city. In this paper, we take the estimation of the regional urban underground space resources as an example. By means of extracting the building height from high resolution remote sensing image, we calculate the influence depth of the building that below the surface according to the height of the building, and count the amount of resources that have been used and generally no longer be used according to the different depth. Taking overlay analysis to the statistical results, we calculate the amount of underground space resources for the overall planning. This is an effective method to save manpower and material resources, shorten the working period, and meet the requirements of the regional overall planning data accuracy.

Shallow geothermal energy; Thermal property; Test; Inf l uence factor

1007-1903（2017）03-0087-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.017

北京市地下空間資源調(diào)查評(píng)價(jià)及關(guān)鍵技術(shù)研究（PXM2016_158203_000007）

周圓心（1985- ），男，碩士，工程師，主要從事地下空間調(diào)查評(píng)價(jià)、三維地質(zhì)建模與評(píng)價(jià)等。E-mail：86805428@qq.com。