基于CiteSpace的城市地下空间可持续开发分析*

谢 军，姜早龙，张 杰，周 远

(1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710032； 2.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082；3.湖南湖大建设监理有限公司，湖南 长沙 410082)

0 引言

近年来，我国经济由高速增长迈入高质量发展的新时期，城市建设与发展方式也由粗放型增长向集约型增长转变，对城市人居环境质量提出了更高要求，导致城市建设用地粗放低效、整体利用率不高、空间结构分布不合理等问题日益突出[1]。因此，在我国新型城镇化不断深化的时代背景下，探寻一条满足城市空间发展需求的可持续化道路刻不容缓[2]。

地下空间作为城市发展的重要组成部分和宝贵资源之一，其开发利用有助于解决城市化进程中出现的交通堵塞、土地资源紧张、环境污染等问题，是确保城市健康绿色发展的必由之路[3]；地下空间的有效开发不仅是解决城市发展空间紧缺的一种必要途径，也是提高城市土地利用率和促进城市可持续发展的一项重要举措[4]。因此，曾有学者预言“21世纪是地下空间开发利用的世纪”[5]。进入21世纪以后，国内城市地下空间开发利用迅猛发展，尤其是在特大城市的发展规模和速度已居世界同类型城市的前列。据《2020中国城市地下空间发展蓝皮书》估计：“在‘十三五’期间，我国地下空间直接开发投资约达8万亿元人民币，已然成为名副其实的世界级地下空间大国”[6]。科学合理地利用城市地下空间，能够有效缓解人地紧张矛盾，加快城市空间资源的利用效率，提高城市综合承载力，并促进土地的集约化发展。

为全面深入了解城市地下空间开发的研究现状，探析演化趋势，有必要系统性梳理现有研究成果。由中国知网(CNKI)和Web of Science(WOS)等权威数据库检索结果分析可知，目前关于城市地下空间开发的学术成果主要聚焦于建筑科学与工程、宏观经济管理与可持续发展、地质学、法学、铁路运输等不同学科，相关学者结合自身专业背景展开研究，使其成为热点话题。因此，本文在收集和掌握国内外地下空间开发领域研究文献的基础上，利用可视化工具从文献计量学的角度探索研究热点和演化趋势，总结研究发展路径，以期为城市地下空间开发领域的深入研究提供有价值的借鉴。

1 研究方案

1.1 研究数据采集

本文研究对象是国内外城市地下空间开发领域的相关文献，分别选取CNKI和WOS数据库作为文献采集源，以保证研究样本的权威性和有效性。CNKI作为国内最权威的文献索引工具之一，是国内文献计量分析的最佳数据源[7]；WOS作为国际上具有相当权威的文献索引数据库之一，近年来也被较多学者用作文献计量研究的数据源[8]。因此，本文选取二者作为文献样本采集源是合理有效的。

为尽可能全面覆盖和了解城市地下空间可持续开发领域最新的研究进展，采用主题检索方式，时间范围设置为2000—2020年；并通过阅读文献摘要进行人工筛选，剔除征稿通知、会议通知、期刊声明及其他无关文献；最终在CNKI数据库、WOS数据库分别确定出326篇国内相关文献和205篇国际相关文献，数据识别与采集如表1所示。

表1 数据采集

1.2 研究方法选定

本文主要采用定性与定量分析相结合的研究方法。定性分析是通过梳理重要文献的研究内容，分析其对学科领域研究发展的重要作用及影响；定量分析是借助文献计量软件统计分析该领域热点词汇及频次，并开展科学知识图谱绘制及分析，深入挖掘文献数据，提取文献隐含的信息格局。

1.3 研究工具介绍

作为一款集文献计量学、信息科学、统计学等不同学科于一体的数据分析软件，CiteSpace广泛应用于科学文献数据挖掘和可视化分析[9]。研究者通常可借助CiteSpace绘制出知识图谱，直观地呈现出研究领域的文献共被引网络、共词分析网络等拓扑结构，并通过聚类分析展现出该领域的发展状况，从而全面了解和预测该领域的研究热点、演化趋势、发展历程等知识结构[10]。因此，综合运用CiteSpace 5.7.R4(64-bit)和数据库文献分析平台对地下空间开发领域文献的科学知识图谱进行可视化处理，以探讨2000—2020年该领域的研究热点、知识基础及未来演化趋势。

2 文献基本特征分析

2.1 发文趋势分析

为系统性分析城市地下空间的研究现状，结合CNKI核心期刊与WOS核心数据库进行2000—2020年发文趋势的对比分析，如图1所示。纵观国内领域，2001—2007年，国内较多研究如何合理开发利用城市地下空间；2008—2014年，地下空间权利归属、地下综合体、轨道交通规划等研究成为热门主题，2015年，部分学者针对地下空间进行了适应性评价，聚焦于地下空间的社会性问题；次年，住房和城乡建设部发布《城市地下空间开发利用十三五规划》[11]，地下空间的研究开始转向城市更新与精细化管理；近年来，信息技术的发展也为地下空间开发提供了新的方法。

图1 研究文献发表趋势

从国际发文趋势来看，2000—2004年，国际学者较多研究地铁系统与公用隧道的技术实践；2006—2014年，有关地下空间的可持续开发理念兴起，Price[12]以英国为例讨论了城市地下空间的三维特征与可持续利用方案；2015年，国际地下空间领域的发文量开始增长，学者们从法律、环境保护、协同发展等角度论证了地下空间利用的必要性；2018年，国际学者开始从经济效益、社会环境等角度对城市地下空间进行整体评价。近年来，BIM(building information modeling，建筑信息模型) 、AI(artificial intelligence，人工智能)等技术也被运用于地下空间的开发利用。

2.2 发文期刊分析

从发文期刊和被引频次上来看，《地下空间与工程学报》作为国内地下空间研究的核心期刊，发文124篇，被引2 872次，位居第1位；其次，《Tunnelling and Underground Space Technology》作为国际地下空间领域的顶尖期刊，发文量位居第2；此外，《规划师》《现代城市研究》《城乡建设》等期刊发文数虽不多，但依旧以高被引频次位居前列，如表2所示。

表2 城市地下空间开发研究发文量居前十的期刊

2.3 发文作者与机构分布

利用CiteSpace软件导入特定格式的文献信息，并选择以author,institution为节点，对国内外城市地下空间开发领域相关的发文作者与研究机构进行分析，得出目前这一领域核心研究团队的成果产出情况，如图2,3所示。综合分析后可知，在国内核心期刊中，发文机构位居前列的有：同济大学(43篇)、解放军理工大学(16篇)、南京大学(15篇)。发文团队位居前列的有：同济大学的彭芳乐团队(12篇)、解放军理工大学的陈志龙团队(11篇)、西南交通大学的袁红团队(10篇)。在国际WOS核心数据库中，发文量较多的机构有：同济大学(27篇)、瓦伦西亚理工大学(10篇)、南京大学(9篇)。发文量较多的团队有：陈志龙团队(12篇)、彭芳乐团队(12篇)、Canto J团队(9篇)。

图2 国内地下空间开发研究合作网络

图3 国际地下空间开发研究合作网络

3 国内文献知识图谱可视化分析

3.1 知识基础识别

知识基础是指利用CiteSpace的文献共被引功能，分析出所要研究领域在期刊文献中的引用轨迹[13]。具体来看，主要通过借助中心度、出现频率及被引频次等指标，筛选、查找出国内城市地下空间开发领域内具有较高参考价值的经典文献，进而为后文厘清发展脉络奠定基础[14]。在CiteSpace软件中以“cited reference”为节点，对国内城市地下空间开发文献进行相关操作后，得到其基础知识图谱[15]，如图4所示，并筛选出7篇国内地下空间开发领域的权威性文献，如表3所示。

表3 国内地下空间研究领域经典文献

图4 国内地下空间开发领域知识基础图谱

通过分析图4及表3中所列的7篇权威文献可知，国内城市地下空间开发领域以下学者作出了突出贡献。具体为：童林旭[16]在《地下空间概论》中阐述了开发利用城市地下空间具有提高土地利用效率、缓解城市发展矛盾、改善城市生态环境和实现城市集约化发展等战略意义；次年童林旭[17]又在《中国城市地下空间的发展道路》一文中提出，我国目前仍旧存在经济、文化发展不平衡的问题，地下空间开发利用应当遵循“适度”原则，制订出具有前瞻性、可操作性的城市发展规划。陈志龙等[18]从城市地下空间功能、结构与形态间的相互关系出发，总结出城市地下空间的基本布局原则后，详细探讨了城市地下空间形态与布局。束昱等[19]结合我国城市地下空间开发经验，提出未来城市地下空间规划中应当注重总体平面布局与竖向分层布置相结合，以实现地下空间内各专业设施的有效整合。钱七虎等[20]指出：未来城市的规划开发应当走地下化发展道路，通过多重利用地下空间来增加人均绿地面积，并结合地下轨道交通与地下市政基础设施，实现地下“花园城市”的建设目标。石晓冬[21]在分析出北京市地下空间的主要特点后，提出了地下交通、综合管廊等集约化发展方式。彭芳乐等[22]结合我国地下空间发展的现状，提出从城市立法、管理模式、规划理论和开发技术等方面补充和完善城市地下空间的规划措施，以保障我国地下空间事业健康发展。

3.2 研究热点分析

一般来说，文献关键词集中概括了论文主题与思想，故在文献分析时，可依据高频率关键词确定出研究领域的热点[23]。在CiteSpace中可选择以“Keyword”为节点，生成关键词分析图谱。其中每个节点代表一个关键词，节点越大代表关键词出现的频次越高，节点间连线表示共现关系，越粗代表共现强度越高，反之则越低[24]。同时，节点中心度表示其与中心节点相关度的高低。综上所述，最终依据检索文献数据绘制国内地下空间开发领域研究热点的知识图谱，如图5所示。通过优化词义相近的关键词与近义词，并去除城市化、发展战略等针对性不强的词汇后，依据关键词出现频率及中心度大小，得到了10个词汇，如表4所示。

图5 国内地下空间开发领域研究热点知识图谱

表4 国内地下空间领域研究热点高频词

结合图5与表4数据可知：国内城市地下空间开发的研究领域大多集中在“地下空间” “地下空间开发利用” “城市规划”与“可持续发展”这几个高频词附近，其余方向的关注度较低，具体而言，2000—2020年国内地下空间开发领域研究热点主要集中在以下方面。

1)地下空间 童林旭[25]2002年在《我国城市地下空间发展的新阶段》一文中指出：国内地下空间具有广阔的利用前景，应依据当前国情制定有法律效应的发展规划。由图5可知，以地下空间为中心，发散出低碳、城市地质、地下综合体等关键词，由此表明综合利用城市地下空间正成为国内学者们新的研究方向。

2)地下空间开发利用 2000年，徐永建等[26]总结了加拿大蒙特利尔的成功实例，指出城市地下空间的合理开发能够实现土地集约利用，并丰富城市功能；蔡兵备[27]、赵鹏林等[28]及赵奎涛等[29]则从产权、立法与权属的角度讨论了地下空间的法律问题；此外，胡敏华等[30]利用系统工程理论，分析了城市地下管线的敷设方式，并指出规划是共同沟技术有效运用的关键。

3)可持续发展 2000年，赛云秀等[31]指出，当前城市人口发展过快带来的土地匮乏、交通拥挤、环境污染严重等问题需要秉持可持续发展理念，合理开发和利用城市地下空间；2003年，王晓川[32]基于可持续发展的原则，提出加强城市交通政策与管理体系是缓解北京静态交通问题的重要途径；2007年，孔令曦等[33]利用模糊综合理论对地下空间可持续性进行了评价，并以上海市为例，指出当前城市地下空间发展仍处于弱可持续发展阶段；近年来，可持续发展理念有了新的突破，例如，袁红等[34]等通过对重庆天然地形、水文的优势发掘，提出以轨道交通、轨道站点为核心，构建绿色、畅通、可持续发展的城市网络；王成善等[35]总结了国内地下空间开发存在冒进、供给不足等弊端后，提出应尽快建立健全地下空间协同规划体系、智慧管理体系、科技发展战略及地下空间法律法规等。

3.3 演化趋势探析

利用CiteSpace软件的“Burst Detecion”功能，可以发掘关键词中突然出现或使用频次明显增加的研究主题。故以“Keyword”为节点关键词，点击“Timezone”将图谱转化为时间分布时序图，得到2000—2020年国内地下空间开发领域突现词时序图，如图6所示。总体来看，2000—2020年国内地下空间领域研究可分为概念提出、具体实施、内涵丰富3个阶段，具体如下。

图6 国内地下空间领域突现词时序

1)概念提出阶段(2000—2006) 2000年，国内地下空间研究初步发展，地下停车场、可持续发展等关键词被提出，随后，有关地下空间立法与市政基础设施建设成为地下空间领域的研究热点，其中可视化评估、粗糙集等理念也开始被逐渐引入地下空间的可持续开发利用。

2)具体实施阶段(2007—2015) 地下空间可持续开发理念提出后，部分城市率先开始了地下空间的开发利用，此时，学者们开始将目光聚焦于如何实现地下空间的集约化利用及基础设施的低影响开发。与此同时，地下轨道交通、地下商业街、下沉式广场等基础设施陆续兴建。此外，随着新时代平战结合概念的发展，人防设施的综合利用也成为研究热点。

3)内涵丰富阶段(2016—现在) 2017年，第十二届全国人民代表大会提出海绵城市的建设理念，为国内地下空间的可持续发展赋予了新的内涵；虽然部分城市已经实现地下空间开发利用的大跨步，但仍旧存在设计水平不足、地下市场运作机制不完善、城市管理水平欠缺等问题，学者们开始将目光转向协同转型、城市更新、精细化管理等方向，以实现城市的系统化、复合化、智慧化建设。

4 国际文献知识图谱可视化分析

4.1 知识基础识别

结合CiteSpace对于国内文献的识别机制，选取相同的筛选指标得到了国际文献的知识基础图谱，如图7所示。并选取国际地下空间领域的经典文献6篇，如表5所示。

图7 国际地下空间开发领域知识基础图谱

由图7、表5所列文献的内容可知：WOS核心期刊中关于地下空间开发的研究机构主要为：解放军理工大学、同济大学、瓦伦西亚大学、伯明翰大学、南洋理工大学与南京大学。其中在国际上具有深远意义的研究如下：Bobylev N[36]认为地下空间开发应当注重三维规划，并综合评估城市现状，才能合理优化城市地下空间的基础设施，实现地下空间的可持续开发；Broere W[37]认为城市地下空间在开发建设时，应注意商业、住宅、存储与环境保护的创新利用；Belanger P[38]通过对多伦多地下街道的分析，论述了地下管网的发展模式及其作为城市重要基础设施的可持续发展前景；Hunt等[39]基于城市地下空间实现模式，讨论了未来城市的宜居意义，并指出将来地下空间的运用过程中应注意改进管理系统，完善政策应用；Takasaki H等[40]深入分析了日本在地下空间建设过程中执行的法律政策、地下设施开发模式、地下数据处理库，总结了日本在地下空间可持续开发利用中存在的各种问题；Curiel-Esparza J等[41]基于层次分析法与德尔菲法对公用基础设施的布局选择进行分析后，指出城市在地下空间开发时，应当具备长远的目标。

表5 国际地下空间研究领域经典文献

4.2 研究热点分析

参考国内地下空间开发领域研究热点图谱生成过程，可得到国际地下空间开发领域研究热点知识图谱如图8所示。图谱中节点共235个，优化相关节点后，筛选出10个高频热点词，如表6所示。

表6 国际地下空间开发领域研究热点高频词

图8 国际地下空间开发领域研究热点知识图谱

结合国际地下空间领域知识图谱可知，其研究主要突显在“underground space” “design” “city” “impact”等中心节点，不同节点间交叉较多，这表明国际领域关于地下空间的研究较为集中。具体而言，2000—2020年国际上的研究热点主要集中于以下方面。

1)地下空间(underground space) 2000年，Vernez D[42]结合瑞士现有城市轨道的运行压力，提出了利用地下空间兴建高速地下列车，以缓解交通压力；LI等[43]结合中国广州的发展情况，提出广州必须通过地铁建设大规模扩大地下空间开发；Legrand等[44]认为现有地下空间由于受到公路宽度限制，难以满足日益增加的公共设施需求。由于城市人口的快速发展，现有的城市设施已难以满足社会发展的需要，地下空间的可持续开发利用迫在眉睫。

2)设计(design) 2016年，Astore等[45]分析了伊斯坦布尔日益紧张的交通需求，提出了针对Dudullu-Bostanci地铁线的设计解决方案；2018年，SU等[46]总结了OTUS(overburden thickness of underground space，常译为地下空间覆盖层厚度)对室外热环境的影响机制，提出了一种地下覆盖层厚度的优化设计方案，实现地下有限空间的高效利用。

3)可持续性(sustainability) 2004年，Curiel-Esparza J等[47]基于城市发展带来的公用设施压力，认为城市应当建立可持续发展战略；WANG等[48]考察了中国城市发展与投资现状后，结合中国国情与国外经验，提出了一种城市地下空间基础设施的可持续发展与建设方针；2016年，LI等[49]对地下空间利用中产生的能源、环境冲突问题进行分析后，认为要想实现城市的可持续发展，需对城市多种资源进行科学地认识与评价，并将其纳入统筹规划与管理。地下空间的可持续利用因能缓解城市高速发展带来的土地资源短缺、交通拥堵、环境污染等问题，越来越得到国际学者的重视。

4.3 演化趋势探析

采用与国内知识图谱的相同设定及操作后，得到2000—2020年国际地下空间开发领域突现词时序图，如图9所示。总体来看，2000—2020年国际地下空间领域研究可分为概念形成、深化设计、内涵丰富3个阶段，具体如下。

图9 国际地下空间领域突现词时序图

1)设计深化阶段(2000—2007) 2001年前后，国际城市人口的增长为城市更新带来了新的挑战，如何对原有设施进行优化设计以满足城市发展要求成为新的议题；2002年，地下管廊、多准则分析等词汇成为研究热点，国际学者们针对现有地下资源开始寻找一条新的利用方法。

2)方法探寻阶段(2008—2014) 地下空间的开发耗时长，成本大，如何统筹规划地下空间的开发方式，成为国际领域新的研究方向。2008年，3DGIS(3D geographic information system，简称3DGIS，三维地理信息系统)、GI(global illumination，简称GI，全局光照)等新技术相继被应用于地下空间开发。与此同时，专家学者们也注意到了地下空间的开发对城市的影响(impact)，以及带来的经济效益(economic benefit)及环境效益(environment benefit)。

3)技术革新阶段(2015—现在) 2015年后，信息技术腾飞为地下空间领域的开发利用重新注入新的动力。神经网络、AI与BIM等新兴技术让地下空间开发变得更为智能；城镇协同发展、综合规划理念也丰富了地下空间的开发内涵。此外，地下空间发展所带来的地面沉降、城市产权归属等社会性问题也为城市带来了新的挑战。

5 结语

本文以CNKI和WOS期刊核心数据库作为数据来源，采集2000—2020年间国内外地下空间开发利用的相关文献作为数据样本，并利用CiteSpace[50]生成可视化知识图谱，以探讨地下空间开发领域文献的基本特征、知识基础、研究热点及演进趋势等，得到具体结论如下。

1)从文献基本特征来看，国内的《地下空间与工程学报》、国外的《Tunnelling and Underground Space Technology》作为地下空间研究的重点期刊，为地下空间发展作出了重要贡献；发文机构中，国内的同济大学、解放军理工大学，国外的瓦伦西亚理工大学位居前列；从团队上发文量看，同济大学的彭芳乐团队、解放军理工大学的陈志龙团队、西南交通大学的袁红团队贡献颇多。

2)从知识基础来看，国内学者童林旭、彭芳乐与陈志龙作为城市地下空间领域的高被引专家，总结出一条符合我国国情的地下空间可持续开发道路；国际学者Bobylev,Broere与Belanger作为地下空间领域研究成果的主要贡献者，认为地下空间开发应做到三维规划，综合利用其商业、住宅与环境保护能力。

3)从研究热点来看，国内研究热点可概括为地下空间、地下空间开发利用与可持续发展三个中心词；国际研究热点则为地下空间、设计与可持续性。地下空间与可持续理念作为国内外共现的关键词，表明地下空间利用最终目的是为了实现城市的可持续发展。相较于另一个中心词，国内外则各有侧重，国内表现为“地下空间开发利用”，这是因为我国经济的发展吸引了大量人口涌入城市，对城市基础设施承受能力提出了严峻挑战。为有效缓解人居压力，实现城市高质量发展，我国学者一直在探寻一条地下空间开发利用的可持续道路；国际上地下空间资源的开发起步较早，诸如英国、美国等国家都具备较为成熟的地下空间设施，其目前关于地下空间的研究更侧重于对现有地下设施进行提质改造、深化设计，以更好实现城市高质量发展的目标。

4)从演化趋势来看，国内地下空间研究可分为概念提出、具体实施与内涵丰富3个阶段；而国际地下空间则分为设计深化、方法探寻与技术革新3个阶段。具体来看，由于我国地下空间利用起步较晚，早期地下建筑多属于人防设施，城市发展中期，为缓解地上交通压力及完善市政基础设施布局，政府对城市地下空间开发力度不断加大。近年来，伴随着地下轨道交通、地下商业综合体、综合管廊及海绵城市等概念的提出，我国城市地下空间未来的可持续发展方向日渐明朗。国际上发达国家由于地下空间开发较早，一些发达国家在20世纪已经具备完整的地下空间基础设施，因此学者们针对地下空间领域的研究也更多地倾向于优化、拓展现有地下空间的发展潜力，以实现城市地下空间的可持续利用。