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

（北京市地質調查研究院，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

（北京市地質調查研究院，北京 100195）

隨著城市建設的發(fā)展，地下空間資源被廣泛的用于城市交通、商業(yè)、倉儲、防空等各個領域，為了合理利用和開發(fā)城市地下空間資源，在城市總體規(guī)劃階段，需要對城市地下空間已利用資源量情況進行一定程度的了解。本文以城市區(qū)域性地下空間資源量估算為例，通過高分辨率遙感影像提取建筑物高度，并根據高度數據推算建筑物對其地表以下影響深度，作為已利用（一般不再利用）資源量，按照不同深度進行統(tǒng)計，并將統(tǒng)計結果進行疊加分析，估算地下空間資源量，為總體規(guī)劃提供數據支撐。在區(qū)域性總體規(guī)劃數據精度要求下，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)模的不斷擴大，土地資源越顯珍貴，大型城市面臨著人與環(huán)境協(xié)調與可持續(xù)發(fā)展的重大問題。城市地下空間的開發(fā)建設，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，人類對于地下空間資源的開發(fā)和利用一直處于盲目和碎片式開發(fā)階段，造成地下空間資源浪費、不合理布局以及資源開發(fā)時序混亂等問題（吳立新等，2007）。為了合理利用城市地下空間資源，近些年對地下空間利用在規(guī)劃層面的協(xié)調與統(tǒng)一越來越受到管理部門的重視（邵繼中等，2013）。

在城市中開展地下空間資源規(guī)劃和建設，需要對已利用的地下空間資源進行了解，做到合理布局與開發(fā)。目前，關于已利用地下空間資源量研究方面，大多數學者均以資源質量評價為研究目標（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）；也有部分學者開展具體的評價手段、技術方法研究（楊振艦，2012；顧衛(wèi)鋒等，2014；王佳婷，2015）；還有部分學者開展評價體系的研究（姜云等，2005）。但對于已利用資源量的調查研究很少，現(xiàn)在主要還是利用人工走訪調研的形式，實地統(tǒng)計已利用資源量，存在人力成本高、時間周期長、調查數據存在誤差等問題。

本文以地下建筑物影響深度為切入點，計算不同深度已利用（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，是一種有效的滿足于城市總體規(guī)劃數據精度要求下的地下空間資源量估算方法。

1 數據獲取

1.1 建筑物高度

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

（1）建立二維矢量圖層

二維矢量圖層的建立，是用來輔助記錄建筑物的高度數據。采用二維矢量圖層數據，比一般的表格結構數據在空間展布上更為直觀，便于數據的管理以及后期的分析工作。在二維矢量圖層建立時，采用地塊的概念，即建筑物高度差在一定范圍的建筑統(tǒng)一劃分到一個地塊中，以地塊為最小單元計算影像深度。與以建筑物邊界為最小單元相比，最小計算單元數量少、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，滿足區(qū)域性總體規(guī)劃的精度要求。

（2）提取高度數據

根據前人研究成果，利用高分辨率遙感影像進行建筑物三維信息提取的技術方法已經比較成熟，采用垂直于建筑物走向的陰影寬度計算建筑物高度的方法可行性強、精度較高。高度（H）計算公式如下：式中，M為建筑物陰影寬度，α為衛(wèi)星高度角，β為太陽高度角，γ為太陽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)

利用上述公式計算出建筑物高度，將高度數據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力狀態(tài)發(fā)生變化，在該深度內進行地下空間建設時可能會對地基產生影響，一般不進行地下空間建設的深度。建筑物的影響深度需要進行反復計算與總結統(tǒng)計，不同地區(qū)、不同統(tǒng)計方法所得結果也不同。本文數據以北京市地下空間資源調查評價及關鍵技術研究成果數據為基礎，作為評價建筑物影響深度的依據。建筑物對地下空間影響深度分級見表1。

在建筑物高度數據的基礎上，利用建筑物影響深度分級表，即可計算出建筑物的影響深度，將影響深度數據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圖1。

表1 建筑物影響深度分級表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

已利用地下空間資源量即地塊面積與地塊內建筑影響深度的乘積，需要進行統(tǒng)計計算。利用地理信息系統(tǒng)軟件可以將已利用資源量進行統(tǒng)計，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)計后，需要對可利用資料量進行疊加分析計算。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，需要考慮到這一點。本文以0～10m、10～30m、30～50m共3層為計算單元，開展疊加分析，計算可利用資源量。

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

式中：K為深度超過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算方法為10～30m總資源量扣除影響深度超過10m地下空間資源已利用的10～30m部分。計算公式如下：

式中：L為深度超過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算方法為30～50m總資源量扣除深度超過30m地下空間資源已利用的30～50m部分。計算公式如下：

式中：P為深度超過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。

通過上述方法，計算出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 結論

城市地下空間資源量估算方法的基礎是建筑物高度數據的獲取，在此基礎上可進行影響深度以及已利用地下空間的計算，從而疊加分析出可利用地下空間資源量，在資源量計算時劃分出不同深度層次，按層次進行說明。本方法估算出的資源量適用于地下空間總體規(guī)劃階段數據精度需求，目的是對城市地下空間資源量進行初步的計算，為地下空間資源開發(fā)利用總體規(guī)劃提供基礎數據支撐。

需要說明的是，在地下空間資源開發(fā)利用詳細規(guī)劃階段，特別是地下線性工程、地下建（構）筑物等選址規(guī)劃工作，對地下空間資源量的計算應在本方法的基礎上，考慮地上建筑物的樁基類型以及樁基影響深度、地下建筑的影響深度（一般不超過地上建筑物樁基影響深度）等，甚至還需考慮不同地質體、不同地質環(huán)境下的地上建筑影響深度的不同，進行更為深入的調查研究工作。

郭超，閻長虹，劉軍熙，等，2014. 基于GIS的東營市淺層地下空間質量評估[J]. 工程地質學報，22(2)：334-340.

顧衛(wèi)鋒，唐杭，2014. 上海城市地下空間調查數據采集方法與精度研究[J]. 上海國土資源，35(2)：74-78+85.

賈世平，李伍平，2008. 城市地下空間資源評估研究綜述[J].地下空間與工程學報，4(3)：397-401.

姜云，吳立新，杜立群，2005. 城市地下空間開發(fā)利用容量評估指標體系的研究[J]. 城市發(fā)展研究，12(5)：47-51+75.邵繼中，王海豐，2013. 中國地下空間規(guī)劃現(xiàn)狀與趨勢[J]. 現(xiàn)代城市研究，(1)：87-93.

田毅，陳建平，王麗梅，2012. 北京市中心城區(qū)地下空間潛在資源量三維評價[J]. 中國土地科學，26(11)：40-44+97.

吳立新，姜云，車德福，等，2007. 城市地下空間資源質量模糊綜合評估與3D可視化[J]. 中國礦業(yè)大學學報，36(1)：97-102.

吳立新，姜云，梁越，等，2004. 城市地下空間開發(fā)利用容量評估的基礎研究[J]. 地理與地理信息科學，20(4)：44-47.

王海剛，賈三滿，楊艷，等，2011. 基于GIS的城市地下空間資源綜合質量評估研究[J]. 上海國土資源，32(1)：59-62+77.

趙旭東，張平，陳志龍，2014. 歷史文化街區(qū)地下空間資源質量模糊綜合評估[J]. 地下空間與工程學報，10(4)：739-744.

張桂芳，2004. 基于高分辨率遙感影像的建筑物三維信息提取、震害識別及震害預估方法研究[D]. 北京：中國地震局地質研究所，71.

張平，陳志龍，2012. 歷史街區(qū)地下空間資源質量評估——以揚州老城區(qū)為例[J]. 城市規(guī)劃，36(11)：29-32.

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查評價及關鍵技術研究（PXM2016_158203_000007）

周圓心（1985- ），男，碩士，工程師，主要從事地下空間調查評價、三維地質建模與評價等。E-mail：86805428@qq.com。