減量提質背景下的城市空間監測關鍵技術研究及應用

王 淼 楊伯鋼 楊旭東 崔亞君 吳 霜

(1.北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2.城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

《北京城市總體規劃(2016—2035年)》明確指出要以資源環境承載能力為硬約束,切實減重減負,明確人口、建設用地、建筑規模管控目標,實施人口規模、建設規模雙控,倒逼發展方式轉變、產業結構轉型升級、城市功能優化調整,是全國第一個減量發展規劃[1]。減量提質是城市發展到一定階段后的必然要求,是從首都發展的階段特征把握減量發展的基本要求,是以減量發展為北京實現更高質量發展騰挪出空間。減量發展不是不要發展,而通過解決當前的突出矛盾和問題,減少低效高耗的建設來讓城市得到更好的、高質量的發展[2]。

在城市建設、管理過程中,由于城市體量大、關注度高,房價猛漲、交通擁堵、水資源短缺、環境污染等城市病問題越來越突出[3],支撐城市治理和規劃建設的數據類型不夠豐富、針對性不強,無法滿足特大城市高質量發展需求;在城市減量提質發展的過程中,城市空間數據挖掘、知識服務不足,急需對高質量發展的分析模型算法不斷創新,解決城市減量提質、資源優化配置等問題;城市更新不斷加快,傳統數據服務、生產周期和產品類型無法滿足高質量發展的需求,需建立與之相適應的數據服務模式、更新周期和產品模式。迫切需要開展全面的城市空間監測,及時獲取城市治理所需要的各類空間數據,并進行深入的統計分析,來支撐城市病治理,服務城市減量提質發展[4]。本文以北京市為例,進行了相關研究。

1 方案設計

本文以城市減量提質發展和城市病治理為目標,面向城市空間信息管理和生態環境保護需要,以城市空間監測技術方法研發為內容,以服務政府決策為重點,以提高生態管理水平為目的,創建城市空間監測理論和技術體系,形成覆蓋城市空間內容指標、信息采集、處理、存儲、分析、應用的一整套標準規范、技術工藝、模型方法、系列軟件等,提供城市空間動態監測和成果挖掘、展示解決方案[5],為人地房、山水林田湖草生命共同體的構筑提供有力保障。

1.1 總體設計與城市空間管理、城市治理、城市規劃需求緊密結合

面向城市減量提質需要,服務自然資源管理、城市病治理、城市規劃建設和精細化管理,從標準規范、關鍵技術、裝備算法、分析模型、工藝流程、應用服務等方面開展研究,構建一整套城市空間信息監測方法和技術體系。

1.2 構建了“4個技術體系+1個空間服務平臺+1套服務應用模式”監測框架[6]

城市空間信息監測內容與指標體系,數據快速獲取、自動化處理、智能化分析、泛在化服務的監測技術體系,統計分析體系,標準體系,系列時空數據庫及平臺,應用服務模式,支撐城市空間信息監測工作順利開展和城市治理應用,如圖1所示。

圖1 城市空間監測技術框架圖

1.3 創建并實現了“年-半年-季-月-周-日”的城市空間信息動態監測模式

按需監測,定期評估,動態調整,成功開展了城市環境、核心區街景、建設用地、生態功能、重點要素和專項要素的監測，如圖2所示。

圖2 城市空間信息動態監測模式

1.4 注重監測成果應用服務

成果在北京得到了重點應用,在京津冀城市群得到了典型應用,在全國典型地級城市、開發區得到了推廣應用。為住建、發改、規劃、國土、交通、園林綠化、水務、城管、統計、農業等100余個企事業單位提供服務。

2 系統實現

2.1 內容指標構建

結合場模型、實體模型與網絡模型等理論與方法,將地表形態和地表覆蓋分類信息作為連續變量的場模型進行分類,以表達地表的連續起伏和地表覆蓋物的物理組成,實現了監測內容的全覆蓋、無縫隙;將水系、公路、城市道路和鐵路等組織成有向圖拓撲網絡,建立了水系與水工構筑物、道路與道路構筑物的關系模型,反映了現實世界中常見的多對多關系,實現了監測成果的網絡化、系統化;采用面向實體對象的思想以及回歸樹分類模型(Classification Regression Tree,CRT)對城市空間監測內容進行分類,融合形成一套編碼體系;面向城市規劃管理和“城市病”治理,重點突出了房屋、用地、交通、水務、生態環境等城市內容與指標,實現了城市管理的精細化、精準化。

2.2 監測技術創新[7]

提出了基于高分辨率影像的區域自適應耕地提取技術,開發面向最優屬性特征空間的模糊分類算法,實現基于耕地樣本集和模糊分類算法相結合的耕地對象自動識別,提高了高分辨率衛星影像的分割對象的均質性;研制了基于安卓移動端的多頻多星外業調繪設備以及內外業一體化系統平臺,集成了地理信息系統(Geographic Information System，GIS)、全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)、遙感(Remote Sensing,RS)、數據安全等多項技術,具有調繪、拍照、圖形展現與導航等功能,且無比例尺的限制,準確、穩定、快速地支撐外業調繪作業;研發了基于部件聚合技術和規則庫技術的自動檢查軟件,實現質檢對象、質檢規則、質檢結果之間的配置關系的自主定制和擴展。

2.3 深入統計分析[8]

疊加多種要素,利用緩沖區、鄰域、聚類、網絡、空間相關性、關聯分析等典型地理模型進行綜合統計分析,反映城市空間要素之間的空間關系和差異特性。疊加經濟社會數據,利用基本公共服務均等化、職住平衡、環境脆弱性、景觀格局、城市積水風險、地表徑流等專業模型進行專題評價,反映國土資源布局、生態協調程度、區域發展狀況和社會事業發展水平。提出一種有效計算城市公共設施覆蓋輻射指數的方法,利用服務點要素類和起點-目的地(Origin-Destination,OD)成本矩陣線圖層之間的關系來計算服務點的服務供應量和居民需求量之間的比值。在此基礎上，找出每個居民點對應的所有服務點,按居民地位置匯總服務供應量和居民需求量的比值數據,繼而獲得公共設施對所有居民的輻射覆蓋指數結果。

2.4 廣泛應用服務

在城市空間數據的基礎上,疊加房屋建筑、人口普查、經濟普查、土地利用現狀、林業普查、城市規劃等100余類專題數據資料,融合手機信令、IC卡出行鏈、車租車、共享單車和物聯網傳感器等社會感知動態監測數,構建了多源異構的城市空間時空大數據庫;將城市空間監測的行政區劃、地理格網、居住小區、單位院落數據與上億條的社會感知數據融合,研發了時空大數據的挖掘提取、模擬空間化、可視化技術,對核心區、中央商務區(CBD)、副中心等重點功能區進行了職住平衡、通勤出行OD模型流向分析、軌道交通流向流量分析,研究了城市居住人口及工作人口分布規律、功能區的空間向心吸引力,不同軌道線路、不同環路和不同方向的出行高峰和流向。

3 關鍵技術創新

(1)創建了全覆蓋、無縫隙、內容全、指標細、可銜接的“1+1+N”城市空間監測內容與指標體系,首次實現了“人-地-房”城市核心資源的一體化建模,首次將建筑規模指標納入首都城市總體規劃和控制性規劃。

研發了面向實體對象的CRT回歸樹分類模型,提出了一套“4位分類碼+1位標識碼”的編碼體系;突破了高精度復雜地形城市地表連續形態數據建模,最小格網達2 m;對于城市重點土地利用現狀類型細化了57個標識類,細化率達89.1%;增加了規劃道路、單體建筑、無障礙設施等城市重點要素,細化了3個二級、29個三級類,擴展了57個四級類。既滿足了國家監測要求,又重點服務城市病治理和城市精細化管理需求。

(2)構建了全流程、多種類、立體化的城市空間監測數據快速獲取、自動化處理、模塊化質檢、快速可視化的技術體系[9]。

研發了分類決策樹(Classification Decision Tree,CDT)遙感影像分類系統,突破了多項基于高分辨率遙感影像的城市典型要素提取關鍵技術,提高了解譯精度和效率50%以上;發明了基于高分辨率影像的區域自適應耕地提取方法,提高了分割對象的均質性,分類精度提高20%;研發一套基于視頻圖像的土地資源利用變化識別方法,重點對城市綠地、建設用地、疑似違法建筑、城市開發邊界等城市地表信息快速檢測,比人機交互發現變化效率提高85%以上;創建了一種詞向量的地址語義匹配模型,地址匹配精度達0.97;提出一種大區域柵格數字高程模型的地表表面面積計算模型,解決了計算大數據量數字高程模型表面面積計算機內存不足以及計算精度不夠的問題。大幅提升了城市空間信息解譯、變化發現和成果服務的精度和效率。

(3)構建了“基本匯總-綜合統計-專題評價”城市空間監測統計分析技術體系。

率先建立了200余個面向城市空間評價分析的基本、綜合和專題統計分析模型指標庫;構建了面向城市的城市建設指數、城市宜居指數、城市更新指數、無障礙設施評價指數、治理指數、城市形態結構等6套城市空間評價指標體系;提出了一種基于街景圖像分割和提取的街道視覺可步性指數(Visual Walkability Index,VWI),實現了街道視覺可步性測度;發明了一種服務點要素類和OD成本矩陣線關系的城市公共設施覆蓋輻射指數,有效計算公共設施對居民的輻射覆蓋程度;提出了一種耦合手機信令、實時交通等大數據的城市職居空間匹配指數(Space Matching Index,SMI),有效測度城市職居空間平衡程度;提出了面向資源配置與人口疏解耦合、人口疏解效果分析的綜合評價模型及指數,探索“人-地-房”一體化的時空模式測度。

(4)創建了13個應用軟件、10類產品和6種服務模式的城市空間監測應用體系。

提出并實現了“年-半年-季-月-周-日”的城市空間動態監測模式,研發了包含13個軟件系統的城市空間信息平臺,提出了10種監測成果的城市空間產品體系,提出了6種應用層面的城市空間信息服務方式,在國內率先提出并實踐了“市-區-街-社區”四級城市體檢,建立了按需監測、定期評估、動態調整的城市空間監測體系[10],建成了城市空間監測一張圖和軟件平臺,為城市空間監測數據應用服務提供了目標框架、理論基礎和技術支撐，如圖3所示。

圖3 空間數據共享與協同審批系統

4 結束語

從空間的視角,通過對城市空間監測的內容指標、監測技術與方法、統計分析、監測模式、產品模式等關鍵技術開展研究與應用,為城市減量提質、空間開發利用、城市各類設施設置提供基礎性的量化支撐,為城市治理和規劃建設提供翔實、準確、現勢的空間數據,為領導領導決策和重點工程提供保障和參考,取得了一定的經濟社會效益。隨著實景三維、高精度室內定位、5G、知識圖譜等新技術不斷成熟,下一步將繼續深化更大尺度、更精細化、更短周期、更加智能化的城市空間監測研究應用,加強對人的行為活動、社會運行、思想輿情等的觀測與應用分析,開展建筑密度、人口密度、商業密度、旅游密度等4個密度的監測與分析應用,進一步加強對首都減量提質發展的支撐[11]。