陳星 溫金梅 鄭志林 王昕亞
摘 要:為解決城市規(guī)劃建設(shè)中突出的地質(zhì)問題,重慶市開展了渝中半島地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)工作,提出了地上地下一體化三維模型建設(shè)總體思路,總結(jié)了模型在城市地上地下一體化數(shù)據(jù)管理軌道交通規(guī)劃選線、地下空間開發(fā)利用規(guī)劃等方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),提出了三維模型在服務(wù)城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警、城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)建設(shè)等方面的建議。
關(guān)鍵詞:渝中半島;三維模型;地上地下一體化;輔助決策
Construction and application of 3D modeling with ground and underground integration in Yuzhong District Peninsula, Chongqing
CHEN Xing1, WEN Jinmei1, ZHENG Zhilin1, WANG Xinya2
(1.Geological Exploration Team 208 of Hydrogeological & Engineering of Chongqing Bureau of Geological and Mineral Exploration (Chongqing exploration and Design Institute of Geological Hazard Prevention and Control Engineering ) , Chongqing 400700, China;
2.Yuzhong District Planning and Natural Resources Bureau, Chongqing 400013, China)
Abstract: In order to solve the prominent geological problems in urban planning and construction, Chongqing has carried out geological survey and evaluation of the Yuzhong Peninsula. A general plan has been made to create an integrated 3D model of above-ground and underground. This paper summarizes the model application experience in urban rail transit line selection, underground space development and utilization planning and so on. Suggestions are also put forward on the application of the 3D model in urban safety monitoring and early warning, and urban operation management service platform construction.
Keywords: Yuzhong Peninsula; 3D modeling; integration of ground and underground; supporting decision-making
隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展,城市系統(tǒng)安全、城市安全運(yùn)營(yíng)、未來(lái)地下空間合理規(guī)劃布局等一系列問題也逐漸凸顯。現(xiàn)代城市因人口膨脹導(dǎo)致高層建筑密集,上部荷載加大;因交通擁堵,對(duì)地下空間的開發(fā)密度和需求加大;不同時(shí)期、因不同目的開挖的人防洞室等地下空間分布范圍廣,無(wú)序開挖、斷面不一、大量未襯砌、洞體滲水等問題突出;城市建設(shè)過(guò)程中,偶有地面塌陷問題發(fā)生。2018年76個(gè)城市發(fā)生地下空間事故162起(中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)地下空間分會(huì)等,2019)。開展城市地質(zhì)調(diào)查,查明城市三維地質(zhì)條件和地下空間開發(fā)利用情況,建立全面透徹的城市地上地下一體化三維空間立體模型,為城市規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)營(yíng)服務(wù),已成為現(xiàn)代城市發(fā)展和建設(shè)的必然(李烈榮等,2012)。21世紀(jì)以來(lái),上海、北京、廣州、嘉興、許昌、遼陽(yáng)、桐城等城市開展了多項(xiàng)城市地質(zhì)調(diào)查工作(張阿根,2019;劉宗明等,2022;江齊英等,2021;林鐘揚(yáng)等,2022;涂良權(quán)等,2020;尤建功等,2020;李運(yùn)懷等,2021)。近年來(lái)成都市地質(zhì)空間資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作(鄧超等,2020;陳凱等,2021),主要圍繞重大城市地質(zhì)問題和城市可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略開展相關(guān)研究,實(shí)現(xiàn)了基于多要素海量數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模、地質(zhì)過(guò)程模擬及空間分析評(píng)價(jià),構(gòu)建了城市地質(zhì)三維可視化信息服務(wù)平臺(tái)(高亞峰等,2005)。
以往城市地質(zhì)調(diào)查工作中,城市地下地質(zhì)體的三維建模及可視化技術(shù)理論及地表信息化模型(CIM)研究已取得較為豐碩的成果,而城市地上與地下一體化建模及可視化的研究還相對(duì)較少,特別是大范圍地上地下復(fù)雜目標(biāo)的三維一體化建模、地上地下集成模型的多分辨率表達(dá)等,仍然是當(dāng)前研究熱點(diǎn)(戴華林,2013;韓征等,2022)。本文從建設(shè)思路、模型建設(shè)及成果等方面論述了重慶渝中半島地上地下一體化三維模型建設(shè)工作,并結(jié)合渝中區(qū)相關(guān)需求,研究了在城市建設(shè)運(yùn)行過(guò)程中的服務(wù)應(yīng)用方向,能夠?yàn)槌鞘腥S地質(zhì)模型建設(shè)提供良好的示范參考作用。
1? 模型總體設(shè)計(jì)
基于渝中半島實(shí)際需求,渝中半島地上地下一體化三維模型建設(shè),主要通過(guò)多尺度、多要素、多專業(yè)的基礎(chǔ)地理和地質(zhì)數(shù)據(jù)及城市地下空間設(shè)施數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,分層次構(gòu)建地上地下三維模型,構(gòu)建地上地下一體化的三維矢量立體模型與綜合數(shù)據(jù)庫(kù),并通過(guò)信息化平臺(tái)進(jìn)行一體化融合、展示和應(yīng)用(周文等,2021)。利用不同軟件,構(gòu)建三維地質(zhì)模型、三維地下空間模型、地下空間開發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型、地表城市信息化模型等,并進(jìn)行地上地下三維模型融合,為城市地上地下一體化數(shù)據(jù)管理、建筑物選址分析、軌道交通規(guī)劃選線等城市規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供輔助決策支撐(圖1)。
2? 模型建設(shè)
1)地上地下三維模型
渝中半島地上地下一體化三維模型,主要包含了三維地質(zhì)模型、三維地下空間模型、三維地基基礎(chǔ)模型、地表三維信息化模型等。不同的三維模型,所需要利用的數(shù)據(jù)類型和建模軟件各不相同。
三維地質(zhì)模型構(gòu)建,利用鉆孔數(shù)據(jù)、剖面圖數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖及DEM等數(shù)據(jù)(表1),采用剖分算法,利用深探地學(xué)三維建模軟件,建立結(jié)構(gòu)模型、網(wǎng)格模型、屬性模型,將模型存儲(chǔ)到分布式數(shù)據(jù)庫(kù)并可支持Web可視化。在進(jìn)行屬性插值時(shí),不斷地調(diào)整變差函數(shù)參數(shù),最終使插值的屬性模型不斷逼近真實(shí)地質(zhì)形態(tài)。高精度網(wǎng)格下各屬性,使用數(shù)據(jù)庫(kù)同時(shí)進(jìn)行管理,針對(duì)區(qū)塊網(wǎng)格進(jìn)行屬性插值,使用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行網(wǎng)格的存貯和管理。
作為重慶市的老城區(qū),渝中區(qū)地下人防設(shè)施與地下交通設(shè)施眾多。地下交通設(shè)施包括軌道一號(hào)線、二號(hào)線、三號(hào)線、解放碑環(huán)道及地下隧道等,地下人防設(shè)施也具有歷史悠久、分布廣、規(guī)模大的典型特征。根據(jù)收集的地上地下建筑物、地下人防硐室、地下交通、樁基礎(chǔ)等資料,對(duì)坐標(biāo)系標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一,檢查合格后生成二維面,結(jié)合地上模型進(jìn)行高度核實(shí)后,選擇3DMAX軟件進(jìn)行三維建模,形成三維地下空間模型。
地表三維模型根據(jù)重慶市地表構(gòu)建筑物信息、地形信息、三維傾斜攝影等綜合數(shù)據(jù),構(gòu)建地表城市實(shí)景三維模型。
2)地下空間開發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型
利用地質(zhì)調(diào)查和地下空間及建模構(gòu)筑物數(shù)據(jù),基于專家問卷調(diào)查法和層次分析法進(jìn)行篩選,建立了渝中半島地下空間開發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,結(jié)合模糊評(píng)價(jià)和變權(quán)思想建立了安全風(fēng)險(xiǎn)模糊變權(quán)綜合評(píng)價(jià)分析模型,另外根據(jù)渝中半島地下0~150 m的開發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果,構(gòu)建了地下空間開發(fā)適宜性模型和待建工程開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型構(gòu)成的渝中半島地下空間開發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型(奚悅等,2022)。并結(jié)合應(yīng)用需求開發(fā)了地下空間開發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了渝中半島區(qū)域整體評(píng)價(jià)以及規(guī)劃待建軌道工程風(fēng)險(xiǎn)分析的功能(劉保林等,2021)。
3? 模型一體化融合
根據(jù)構(gòu)建的三維地形、地質(zhì)體模型、三維地下空間模型、實(shí)景模型等,確定了以多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,形成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù),并開展集成應(yīng)用的技術(shù)流程。在“集景三維數(shù)字城市平臺(tái)”的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效的三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、集成、管理和共享方案,用于高效地存儲(chǔ)、索引、訪問、管理和調(diào)度大規(guī)模的三維空間數(shù)據(jù)。
針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同類別的數(shù)據(jù),基于系統(tǒng)面向服務(wù)的技術(shù)架構(gòu),采用基于.net平臺(tái)的rest web技術(shù),分別進(jìn)行不同類型的數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布。在面向相關(guān)行業(yè)推廣應(yīng)用時(shí)采用開放式的應(yīng)用服務(wù)開發(fā)體系,能夠有效解決系統(tǒng)平臺(tái)針對(duì)用戶的需求變化進(jìn)行平臺(tái)升級(jí)更新的問題;能夠通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)建立和平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理接口的開放,來(lái)解決平臺(tái)數(shù)據(jù)的更新問題;通過(guò)提供行業(yè)應(yīng)用插件拓展接口,提供插件式的行業(yè)應(yīng)用拓展,解決系統(tǒng)平臺(tái)的開放性問題。
通過(guò)構(gòu)建的重慶渝中區(qū)地下空間評(píng)價(jià)平臺(tái)接入數(shù)據(jù)服務(wù),再通過(guò)構(gòu)建在系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)集成中間件,完成對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)中的某些特殊結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的解析,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)軟件對(duì)地質(zhì)地理三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的集成與可視化。平臺(tái)直觀、真實(shí)地展示了渝中區(qū)地上地下的空間數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字城市空間數(shù)據(jù)資源的綜合集成、分布式管理、集中共享與服務(wù),體現(xiàn)了“數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、應(yīng)用豐富多樣”的三維數(shù)字城市價(jià)值(圖2)。
4? 地上地下一體化三維模型應(yīng)用及輔助決策支撐
渝中半島地上地下一體化三維模型成果,實(shí)現(xiàn)了地上地下一體化的地質(zhì)數(shù)據(jù)、地下空間及設(shè)施數(shù)據(jù)、城市地表建(構(gòu))筑物等數(shù)據(jù)的集成與管理,以三維立體方式將地下構(gòu)筑物的空間關(guān)系及與地質(zhì)層、巖性、地表建筑物的關(guān)系展示出來(lái),同時(shí)提供三維空間分析、地下空間開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)等功能,可為政府規(guī)劃、管理部分相關(guān)決策工作提供基礎(chǔ)支撐(李云等,2021)。
1)地上地下一體化數(shù)據(jù)管理與查詢
通過(guò)構(gòu)建的地上地下一體化三維模型成果和地下空間評(píng)價(jià)平臺(tái),將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,形成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)現(xiàn)了地理、地質(zhì)、地下空間、地表建構(gòu)筑物等多元、多尺度的地上地下全空間大數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)平臺(tái)空間進(jìn)行管理,并可通過(guò)三維可視化功能進(jìn)行查詢和展示,為城市地質(zhì)等大數(shù)據(jù)一體化管理、分析提供服務(wù)。
2)地上地下一體化空間精細(xì)化管理
隨著城市地下空間開發(fā)需求日益增大,城市地下空間精細(xì)化管理需求也愈發(fā)重要。渝中半島地上地下一體化三維模型,獲取了地表建筑、商務(wù)樓宇、人防硐室、地下車庫(kù)、軌道交通等空間實(shí)體數(shù)據(jù),包含節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、頂?shù)讟?biāo)高、截面形態(tài)等等,實(shí)現(xiàn)了地上地下城市空間多尺度表達(dá)和綜合信息查詢檢索。在城市規(guī)劃、建設(shè)中既可輔助決策者從宏觀、立體的角度查看和規(guī)劃城市總體布局、土地利用等情況,又可從微觀角度查看具體建構(gòu)筑物形態(tài)、分布和相關(guān)信息等。有助于智慧城市地上地下空間立體化、精細(xì)化管理。
3)城市建筑物選址輔助決策
渝中半島地上地下一體化三維模型中包含有城市地層及巖性、巖體參數(shù)和地下空間分布、地下空間開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù),可根據(jù)擬規(guī)劃的建筑物坐標(biāo)和設(shè)定參數(shù),開展擬規(guī)劃建筑物區(qū)域地基基礎(chǔ)分析及建筑物樁基與地下已有人防硐室、軌道交通及地下空間設(shè)施的沖突評(píng)價(jià)。并可根據(jù)擬建建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)在三維場(chǎng)景中模擬建筑物建成效果,進(jìn)行相關(guān)展示和分析,為城市大型建筑物選址提供分析和建議,為城市建設(shè)提供決策支撐。
4)服務(wù)人防工程開發(fā)利用
渝中區(qū)將在“十四五”期間,突出人防工程平戰(zhàn)結(jié)合特點(diǎn),重點(diǎn)推進(jìn)人防工程與地下空間開發(fā)利用相結(jié)合,加強(qiáng)人防工程提檔升級(jí)。構(gòu)建地下空間開發(fā)利用管理協(xié)調(diào)機(jī)制,切實(shí)將地下空間開發(fā)利用納入規(guī)劃之中,分層次、分時(shí)間段推進(jìn)人防工程與其他地下空間融合發(fā)展。
渝中半島地上地下一體化三維模型,獲取了渝中半島全面的地下空間數(shù)據(jù),并可在三維模型中進(jìn)行立體展示和查詢,可有效支撐渝中區(qū)人防工程建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃的編制和完善,讓決策者能更充分、直觀地考慮人防工程建設(shè)現(xiàn)狀和需求,合理開發(fā)人防工程地下空間資源,達(dá)到構(gòu)建布局合理、結(jié)構(gòu)完善、功能配套、防御有力的防護(hù)工程體系的目的。
5)服務(wù)城市軌道交通選線規(guī)劃
渝中區(qū)將建設(shè)多層次的一體化軌道交通網(wǎng)絡(luò),堅(jiān)持軌道交通引領(lǐng)城市發(fā)展格局,打造“軌道上的都市區(qū)”,實(shí)現(xiàn)干線鐵路、城際鐵路、城軌快線(市域鐵路)和城市軌道交通融合發(fā)展。有序推動(dòng)城軌快線與市域鐵路、城際鐵路跨線運(yùn)營(yíng),提升直聯(lián)直通水平,減少換乘。配合落地26號(hào)線在朝天門—解放碑片區(qū)設(shè)站的方案,研究27號(hào)線與26號(hào)線跨線運(yùn)營(yíng)的技術(shù)條件,實(shí)現(xiàn)解放碑與科學(xué)城直連,力爭(zhēng)菜園壩站與重慶站同步建設(shè),為菜園壩濱江新城及重慶站提供軌道支撐。
基于渝中半島地上地下一體化三維模型和地下空間開發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)成果,利用重慶渝中區(qū)地下空間評(píng)價(jià)平臺(tái)規(guī)劃建設(shè)隧道風(fēng)險(xiǎn)分析功能(圖3),可實(shí)現(xiàn)軌道交通規(guī)劃選線區(qū)域隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析、結(jié)果查詢、展示,為渝中區(qū)軌道26號(hào)線等地下軌道交通規(guī)劃選線提供輔助決策支撐。
5? 持續(xù)深入應(yīng)用三維模型建設(shè)成果的思考
1)服務(wù)城市地質(zhì)環(huán)境與工程安全監(jiān)測(cè)預(yù)警
建議將渝中半島地上地下一體化三維模型成果與渝中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害等監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)進(jìn)行融合開發(fā)利用,形成新的三維立體監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò),提高城市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警水平。同時(shí)可與交通部門開展合作,整合城市地面監(jiān)測(cè)布局和軌道交通安全管理需求,建立綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合水工環(huán)地質(zhì)資料,全面提升軌道交通安全預(yù)警能力。
2)服務(wù)渝中區(qū)城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)建設(shè)
渝中區(qū)將基于智慧城市管理現(xiàn)狀,以城市管理政務(wù)云、大數(shù)據(jù)平臺(tái)為支撐,搭建城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái),構(gòu)建市政設(shè)施、市容環(huán)衛(wèi)、園林綠化、供節(jié)水等行業(yè)應(yīng)用模塊,圍繞解決發(fā)展重點(diǎn)、管理難點(diǎn)、民生痛點(diǎn),打造“小切口、大民生”特色應(yīng)用場(chǎng)景,逐步完善行業(yè)全領(lǐng)域工作流與數(shù)據(jù)流的融通、聚合,推進(jìn)全區(qū)城市運(yùn)行管理工作統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、指揮調(diào)度、監(jiān)督考核和綜合評(píng)價(jià)工作。同時(shí)將打造“集約化、規(guī)范化、可視化”城市管理大數(shù)據(jù)云平臺(tái),深化大數(shù)據(jù)智能化專題應(yīng)用場(chǎng)景,深度挖掘城市運(yùn)行內(nèi)在規(guī)律和特征,植入績(jī)效管理、風(fēng)險(xiǎn)管控等關(guān)聯(lián)分析模型,預(yù)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)變化趨勢(shì),創(chuàng)新數(shù)據(jù)治理,提供城市“智”理良方。
渝中半島地上地下一體化三維模型成果,可以在地下空間、地質(zhì)背景、地質(zhì)環(huán)境等大數(shù)據(jù)建設(shè)和管理、三維立體分析和展示應(yīng)用等方面,有效服務(wù)于渝中區(qū)城市管理大數(shù)據(jù)云平臺(tái)集約化、規(guī)范化、可視化建設(shè),建議發(fā)揮地質(zhì)工作基礎(chǔ)性、公益性作用,將渝中半島地上地下一體化三維模型成果納入渝中區(qū)城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)建設(shè)中,服務(wù)支撐城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)建設(shè),提升城市精細(xì)化管理與服務(wù)水平。
3)建立資料在線匯交和成果更新維護(hù)機(jī)制
渝中半島地上地下一體化三維模型,是渝中區(qū)地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)的重要成果,是服務(wù)重慶市城市規(guī)劃建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資料,及時(shí)維護(hù)更新是保證成果有效應(yīng)用的關(guān)鍵。建議根據(jù)《關(guān)于加強(qiáng)城市地質(zhì)工作的指導(dǎo)意見》等相關(guān)文件精神,建立服務(wù)現(xiàn)代城市化發(fā)展需求的地質(zhì)資料在線匯交平臺(tái)和制度(彭漢發(fā)等,2018),建設(shè)城市地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(李凱等,2022),對(duì)渝中半島地上地下一體化三維模型進(jìn)行及時(shí)維護(hù)更新,更加準(zhǔn)確高效地為政府決策提供輔助作用,為社會(huì)面提供基礎(chǔ)服務(wù)(溫金梅,2018)。
6? 結(jié)論
1)根據(jù)渝中半島特點(diǎn),確立了地上地下一體化三維模型建設(shè)總體設(shè)計(jì)思路。構(gòu)建了渝中半島三維地質(zhì)體模型、地下空間等模型,實(shí)現(xiàn)了地上地下三維模型一體化融合。
2)渝中半島地上地下一體化三維模型,實(shí)現(xiàn)了城市地上地下多源數(shù)據(jù)的集成管理和城市三維立體空間的全方位展示,可為渝中區(qū)城市建設(shè)運(yùn)行過(guò)程中地上地下一體化數(shù)據(jù)和空間精細(xì)化管理與查詢、城市建筑物選址分析、人防工程開發(fā)利用、軌道交通選線規(guī)劃管理等提供服務(wù)和支撐,一定程度上推動(dòng)了渝中區(qū)智慧城市基底建設(shè)。
3)發(fā)揮地質(zhì)工作基礎(chǔ)性、公益性作用,建議加強(qiáng)渝中半島地上地下一體化三維模型成果在城市地質(zhì)環(huán)境與工程安全監(jiān)測(cè)預(yù)警、渝中區(qū)城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用,同時(shí)建立成果更新維護(hù)機(jī)制,以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建設(shè)“集約化、規(guī)范化、可視化”城市管理大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的目標(biāo)。
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收稿日期:2023-01-11;修回日期:2023-03-13
基金項(xiàng)目:重慶市渝中區(qū)技術(shù)預(yù)見與制度創(chuàng)新項(xiàng)目(20210216)資助
第一作者簡(jiǎn)介:陳星(1989- ),男,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要從事基礎(chǔ)地質(zhì)、水工環(huán)地質(zhì)工作。E-mail:122357804@qq.com
引用格式:陳星,溫金梅,鄭志林,王昕亞,2023.重慶渝中半島地上地下一體化三維模型構(gòu)建與應(yīng)用[J].城市地質(zhì),18(3):60-66