城市規(guī)劃管理中時(shí)空數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用研究

徐向波　永華

引言：和傳統(tǒng)的的GIS 數(shù)據(jù)模型相比，人們對(duì)于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究起步較晚，發(fā)展還不成熟，但是大量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型已經(jīng)不斷被提出。本文以寧波市為例，分析了時(shí)空數(shù)據(jù)模型在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用，以期為其他城市的規(guī)劃管理提供借鑒意義。

城市規(guī)劃規(guī)劃具有戰(zhàn)略性、整合性以及綜合性的特點(diǎn)，對(duì)于城市的發(fā)展起著關(guān)鍵作用，而基于城市的特定，用于城市規(guī)劃的信息也具有空間性、時(shí)變性和多維性。隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷普及，GIS開(kāi)始被廣泛運(yùn)用到城市規(guī)劃空間信息管理中，但是傳統(tǒng)的GIS技術(shù)只能呈現(xiàn)出靜態(tài)的城市狀態(tài)。城市的空間信息只能展示當(dāng)前的城市狀態(tài)，和過(guò)去狀態(tài)截然分開(kāi)，但是我們知道城市是一個(gè)沿著時(shí)間不斷前進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。因而必須把時(shí)間可空間兩種共同元素引入到城市規(guī)劃管理，使系統(tǒng)不僅能夠跟蹤現(xiàn)在預(yù)測(cè)未來(lái)，還能夠?qū)^(guò)去的狀態(tài)進(jìn)行回顧分析。

一、城市發(fā)展的時(shí)空特點(diǎn)及對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)模型的要求。

城市已經(jīng)成為非農(nóng)業(yè)人口從事非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要聚集點(diǎn)，而城市發(fā)展中隨著時(shí)空動(dòng)力因素的逐漸推動(dòng)，城市也愈來(lái)愈成為地理要素存在的重要承載體。城市的演化是各組成要素隨著時(shí)間軸不斷同化異化的過(guò)程，而其中任一因素的變化都可能對(duì)城市的發(fā)展起到重大影響，即我們通常所說(shuō)的“蝴蝶效應(yīng)”。而在這種動(dòng)態(tài)的時(shí)空變化中，一般來(lái)說(shuō)存在兩種類型的時(shí)空數(shù)據(jù)，城市發(fā)展中以其本身要素客觀形成的數(shù)據(jù)和人們?cè)趯?duì)城市規(guī)劃管理的時(shí)變數(shù)據(jù)。時(shí)間和時(shí)空類似，是作為一條帶有端點(diǎn)、可以測(cè)量、可逆向的、能夠?qū)ξ磥?lái)作延伸的軸線而存在，因而與空間和屬性一起共同作為城市要素存在的重要基礎(chǔ)，并和時(shí)間把城市切分為一個(gè)個(gè)段落，同時(shí)也能展現(xiàn)出城市現(xiàn)在、過(guò)去以及未來(lái)所處的狀態(tài)。城市在規(guī)劃信息管理中具有極強(qiáng)的時(shí)態(tài)性，比如規(guī)劃用地的類型。、經(jīng)濟(jì)技術(shù)的等級(jí)和質(zhì)量上等都突出表現(xiàn)了這一特征。需要注意是專題規(guī)劃如果不同那么對(duì)于時(shí)態(tài)要素的側(cè)重點(diǎn)也會(huì)不同，比如有的會(huì)隨著時(shí)間呈現(xiàn)出連續(xù)變化的狀態(tài)，而有的會(huì)呈現(xiàn)出離散變化狀態(tài)。

基于以上城市所具備的時(shí)空特點(diǎn)，城市規(guī)劃工作者為順應(yīng)城市時(shí)空特點(diǎn)的要求，在建立時(shí)空數(shù)據(jù)模型時(shí)需要考慮幾個(gè)問(wèn)題，1，城市發(fā)展中表現(xiàn)最為活躍以及能夠與尺度匹配的種子點(diǎn)應(yīng)作為整個(gè)記錄事件及狀態(tài)的基礎(chǔ)，舉例來(lái)說(shuō)，居民區(qū)規(guī)劃中，小區(qū)道路時(shí)活躍的要素，但是在對(duì)城市進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃和總體規(guī)劃時(shí)，只能作為潛在的動(dòng)因，不應(yīng)當(dāng)作為重點(diǎn)考慮。2，時(shí)間參考體系包括有效時(shí)間及事物時(shí)間，前者在數(shù)據(jù)庫(kù)中屬于生存時(shí)間往往晚育有效時(shí)間，而時(shí)間粒度作為最小的時(shí)段單位，各個(gè)城市要素中存在的頻率、周期以及壽命都各有不同，存在長(zhǎng)時(shí)間尺度及中、短暗中過(guò)程。因而如何選擇時(shí)間間隔來(lái)更為完善的表達(dá)城市中所有要素過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)的狀態(tài)，需要從從全局出發(fā)，具體考慮。3，城市空間要素一般會(huì)超越時(shí)間的連接，而時(shí)間要素要回超越空間的連接，就像是當(dāng)下城市中的護(hù)城河和過(guò)去低下水位存在的拓?fù)潢P(guān)系。因而城市中各種要素?cái)y帶不同時(shí)間短額拓?fù)潢P(guān)系，包括這些要素是如何變化的變化的原因以及時(shí)空語(yǔ)義的完整性也都應(yīng)作為重點(diǎn)考慮。4，時(shí)間、屬性以及空間數(shù)據(jù)組織方式也都應(yīng)作為因素加以考慮，也即是時(shí)空數(shù)據(jù)模型的類型需要根據(jù)城市各要素的具體情況加以選擇運(yùn)用。

二、時(shí)空數(shù)據(jù)模型建立。

由于時(shí)空數(shù)據(jù)模型能夠同時(shí)體現(xiàn)城市時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)的特質(zhì)，對(duì)城市管理中的時(shí)空分析具有重要作用，也導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外關(guān)于此項(xiàng)研究的研究有很多，僅僅近20年來(lái)就有20多種重要時(shí)空數(shù)據(jù)模型被探索和實(shí)踐，而且還不包括其拓展和變異，比如快照模型、圖論模型、以及時(shí)空立方體模型等。本文主要介紹了兩種建模方法：

（一）時(shí)空立方體模型。

這種建模方式是根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系的理論而確定的，并加入了時(shí)間維，其結(jié)構(gòu)為，

。

二維圖形沿著時(shí)間像第三維發(fā)展轉(zhuǎn)變時(shí)，平面位置也會(huì)隨之發(fā)生變動(dòng)，給出確定的時(shí)間位置值，然后就能從三維立方體中得到截面所處的狀態(tài)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間沿著時(shí)間演變的過(guò)程進(jìn)行擴(kuò)展表達(dá)。但是這種建模方式，數(shù)據(jù)量不斷增大的同時(shí)，立方體的回溯及預(yù)測(cè)也會(huì)愈來(lái)愈復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量進(jìn)一步加大，最終可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法處理。所以在策略性城市規(guī)劃中，由于整體規(guī)劃的宏觀因素很少涉及到變化，時(shí)間粒度有相對(duì)較大，因而可以結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)采用這種模型，但是應(yīng)注意實(shí)施性城市規(guī)劃中，立方體在多種變化因素的不斷疊加下很可能崩潰。

（二）面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型。

這種數(shù)據(jù)模型采用了面向?qū)ο蟮乃季S形式，基于地理要素時(shí)間、空間以及屬性上的一體性，有集成的載體及機(jī)制，提供了支持類型與類、聚集、概括、多態(tài)等多種建模結(jié)構(gòu)，并把時(shí)間、空間以及屬性都抽象為類，不過(guò)需要注意的是時(shí)態(tài)類需要依附于空間類和屬性類而存在。

三、時(shí)空數(shù)據(jù)模型在城市管理中的應(yīng)用。

本文分為三個(gè)主要步驟對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)模型在城市管理中的應(yīng)用進(jìn)行講解。

1，時(shí)間軸上的結(jié)構(gòu)圖。對(duì)城市進(jìn)行規(guī)劃時(shí)需要大量的資料分析，為我們首先把城市中的地理要素按照點(diǎn)、線、面對(duì)進(jìn)行劃分，比如事件發(fā)生的類型能夠按照合并、分裂、消亡、擴(kuò)充、縮減、新生等進(jìn)行分類，并運(yùn)用相應(yīng)的1——6的數(shù)字來(lái)對(duì)應(yīng)表示。然后我們按照上述所說(shuō)的按照面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)方式進(jìn)行建模，就可以得出時(shí)間軸上的結(jié)構(gòu)圖。

2，土地變遷圖。接著我們將其運(yùn)用到實(shí)際的土地管理中，以寧波市1990年的土地為例當(dāng)時(shí)A地是一塊荒地，B地是四類住宅區(qū)，C是工廠，等到1993年隨著寧波市人口的增長(zhǎng)，土地需求增大，把A地的荒地分裂為兩部分，其中一部分A2是學(xué)校用地，A1沒(méi)有變化。到了1994年，為了滿足居民日益增長(zhǎng)的環(huán)境需求，經(jīng)B地改造為例二類居住用地B1，工廠用地C也改造成了醫(yī)院D，此時(shí)的D就是完全新生的實(shí)體。

3，數(shù)據(jù)組織表。把上述圖轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)組織，則用Geometry 代表時(shí)空對(duì)象的集合表達(dá)，TS、Te分別表示事務(wù)時(shí)間起止， VS和Ve 則代表有效時(shí)間起，有效時(shí)間止。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前大量的實(shí)踐已經(jīng)證明時(shí)空數(shù)據(jù)模型能夠幫助城市規(guī)劃從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市規(guī)劃的幾何、時(shí)態(tài)、狀態(tài)以及拓?fù)湫畔⒌鹊木C合管理，滿足城市發(fā)展中對(duì)時(shí)間和空間信息處理日益增長(zhǎng)的需求，我們相信未來(lái)時(shí)空數(shù)據(jù)模型將會(huì)在城市規(guī)劃管理中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，當(dāng)然也必須承認(rèn)當(dāng)前的時(shí)空數(shù)據(jù)模型還存在較多不完善的地方，需要不斷探索以促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)更好的服務(wù)于城市建設(shè)。

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（作者單位：1.寧波市智慧城管中心 ；2.東藍(lán)控股有限公司）