智慧规划方法及其应用分析

智慧规划方法及其应用分析徐建刚教授南京大学建筑与城市规划学院数字城市与规划技术研究中心2013中国城市规划信息化年会一、大数据时代背景二、城市规划方法进展三、智慧规划方法体系框架四、智慧规划基本方法—适应性分析五、适应性规划建模—长汀案例六、结语报告提纲一、大数据时代背景•大数据”定义•科学研究、互联网应用、电子商务、移动运营商、城市监控管理等诸多应用领域产生了多种多样的数量巨大的数据。大数据（BigData）以10TB（1TB=1024GB）规模以上的数据量同过去的海量数据有所区别。因此，出现对传统的数据存储、数据处理及数据挖掘提出了新的挑战。•大数据时代的出现•1998年图灵奖获得者杰姆·格雷提出著名的“新摩尔定律”：每18个月全球新增信息量是计算机有史以来全部信息量的总和。现已成为现实，表明人类已经进入到大数据时代。大数据基本特征（4个V）1、Volume，数据体量巨大。从TB级别，跃升到PB级别。2、Variety，数据类型繁多。如前文提到的网络日志、视频、图片、地理位置信息，等等。3、Value，价值密度低。以视频为例，连续不间断监控过程中，可能有用的数据仅仅有一两秒。4、Velocity，处理速度快。1秒定律。最后这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同。物联网、云计算、移动互联网、车联网、手机、平板电脑、PC以及遍布地球各个角落的各种各样的传感器，无一不是数据来源或者承载的方式。一、大数据时代背景•大数据”系统技术：云平台、云存储、云计算。一、大数据时代背景•大数据分析方法•大数据”方法论：分析大量信息数据的科学技术，以检测模型，收集意见并预测复杂问题的解决方法。大数据为科学发展提供了一条新的途径。•大数据基本分析方法：可视化分析+数据挖掘算法•大数据分析应用目标：预测未来–预测性分析：从大数据中挖掘出特点，通过科学的建立模型，之后便可以通过模型带入新的数据，从而预测未来（与城市规划目标一致）。一、大数据时代背景•大数据方法实现的技术基础•统计分析：差异分析、相关分析、方差分析、卡方分析、距离分析、回归分析（逐步回归、回归预测与残差分析、岭回归、logistic回归分析）因子分析、聚类分析、主成分分析、聚类法、判别分析、对应分析、bootstrap技术等。数据挖掘：分类、估计、预测、相关性分组或关联规则、聚类、描述和可视化、复杂数据类型挖掘（Text,Web,图形图像，视频，音频等）模型预测：预测模型、机器学习、建模仿真。结果呈现：云计算、标签云、关系图等。一、大数据时代背景二、城市规划方法进展•城市规划的基本工作模式–上世纪初英国规划大师盖迪斯提出“规划必须基于现状的调查研究，分析聚落的模式与地区经济背景。”他将自然地域作为规划的基本框架，发明一套规划工作方法：调查—分析—规划目前这也被视为城市规划的标准程序。•智慧规划之前的三个发展阶段（1990前，1990-2000，2000年以来）手工制图手工量算统计和分析简单、粗略的统计表格基于工程的计算机辅助制图基于数字的统计分析二维统计电子图表基于地理空间的规划和制图GIS空间分析规划信息属性数据库手工式城市规划统计式城市规划数字城市规划制图手段统计分析方法规划数据结果二、城市规划方法进展•数字城市规划分析方法的形成二、城市规划方法进展数字城市规划设计方法体系表达层2D表达3D表达分析层空间分析属性分析存储层数据组织数据处理分层设色、专题图表……3维地形、3维规划实体、虚拟和城市规划……规划查询与统计、用地平衡表、属性专题分析……缓冲区分析、叠置分析、最短路径分析……矢量化、配准……空间数据组织、属性数据组织、数据关联表现方法基础二、城市规划方法进展途径模式技术特征三、智慧规划方法体系•智慧规划的基本框架•动态监测•大数据采集现状调查•建模分析•深度挖掘动因分析•可视方案•模拟仿真规划设计云数据•基础地理信息•社会经济信息•卫星影像库•监控感知信息•移动位置信息智慧型分析模型•统计特征分析•时空演变分析•空间关联分析•时空棱柱分析•情景模拟分析智慧规划应用•智慧规划编制•智慧编制管理•智慧规划报建•智慧公众参与•智慧规划决策•智慧规划分析方法的内涵•以往的城市发展数据只是用来描述事实，进而理解产生这些数据背后的原因，现在我们需要通过对累积的数据进行分析，以实现更为准确地预测城市各种功能区将来的发展趋势，进而采取相关的行动。•在智慧规划中，可以通过对以往的规划与现实实施状况进行对比评估，找出其背后深层次原因，进而探究城市空间演变的动因和规律。三、智慧规划方法体系•规划深度分析途径•从数据中发现知识，用以适应未来“自下而上”规划中的大量社会需求问题进行决策，这些复杂的分析必须依赖复杂的分析模型，很难用结构化查询语言（SQL）进行表达，因此这类分析被称为“深度分析”。•大数据系统中使用神经网络、数据挖掘及机器学习的方法建立模型，找出事物之间的关联，可以为利用海量城市时空数据进行规划深度分析提高有效的方法途径和技术手段。三、智慧规划方法体系4.1城市复杂系统的适应性四、智慧规划基本方法—适应性分析•复杂适应系统（CAS）概念–适应性：具有适应性的主体能够与环境以及其它主体进行交互作用。主体在这种过程中，不断地“学习”或“积累经验”，并且根据学到的经验改变自身的结构和行为方式–系统进化：新层次的产生，分化和多样性的出现，新的、聚合而成的、更大的主体的出现等等–CAS是由适应性主体相互作用、共同演化并层层涌现出来的系统。–城市复杂系统亦是由政府、开发商和市民等不同主体及其所处的空间环境相互作用而不断适应性发展4.1城市复杂系统的适应性4.1城市复杂系统的适应性•城市对自然的主动适应性是城市空间拓展的基础4.2城市适应性规划建模分析思路规划空间建模的一般步骤以解决规划空间问题为目标；以规划区的地理数据库为基础；综合运用GIS空间分析方法；实现对规划空间的分类、分级和分区等综合评价。19卫星、航空遥感影象，系列地形图纸城市现状调查与建库公共基础设施等资料，相关规划、政策法规等空间布局规划、专项规划编制现状分析评价、发展预测自然、社会经济等资料TIN/GRID城市三维建模数据格式转换与重组专业GIS软件规划成果数据库规划管理分析与应用规划管理信息系统基础地理数据库空间定量分析模型图幅分层、拼接，分要素矢量化GIS软件平台扫描配准、影象合成、特征处理建模分析成为城市规划方法的核心•山地城市现实问题–我国是多山国家,山地城镇约占全国城镇总数的一半。近年来的洪涝等自然灾害对山地城市安全危害日益严重。–因此，亟需通过科学、合理地规划与设计来提高城市生态安全性。四川舟曲滑坡泥石流福建某山区山洪中国城市“看海”现象4.3山地城市适应性规划关键问题与动因•山地城市空间增长的适应性演进规律发展阶段城市（聚落）发展人类行为人与自然关系原始社会聚落形成被动适应，自然选择人依赖自然农业社会城市形成主动调整，有限改造自然低水平和谐工业社会城市规模快速扩张试图主宰，改造重塑自然拮抗信息社会城市质量显著提升主动适应尊重自然、适度合理改造和谐共生4.3山地城市适应性规划关键问题与动因4.4基于生态安全建模的适应性规划框架山地城市适应性规划框架环境友好型资源节约型生态安全型服务公平型生态敏感性分析灾害风险性分析用地适宜性分析设施可达性分析建设潜力性分析交通低碳化分析土地适应性改造分析城镇体系规划城市总体规划城市控制性详细规划城市修建性详细规划城市绿地系统规划城市公共交通规划目标建模规划应用•研究区概况–长汀县位于福建省西南部，隶属龙岩市，是福建省西大门–城市性质：国家历史文化名城、客家首府，工贸旅游城市–自然地理：八山一水一分田，用地紧张；山洪频发、大雨大灾、小雨小灾五、适应性建模分析——长汀案例•自然环境约束下的山地城市主动适应性古代汀州府“佛挂珠”城市格局当今汀州城区虽然早已突破城墙范围，但与卧龙山，汀江的关系体现了城市适应自然的过程五、适应性建模分析——长汀案例•面临严峻的自然生态问题：–生态环境脆弱–土地资源稀缺–高程、坡度、植被、水域、地质灾害、自然保护区、水源保护地、交通•山地城市空间拓展的“适应性”选择–选择一：飞地式发展–选择二：对城市周边地形进行改造五、适应性建模分析——长汀案例•自然环境约束下的山地城市主动适应性长汀城市空间的可能选择长汀城市土地利用现状图五、适应性建模分析——长汀案例5.1山地城市区域生态敏感性分析建模•建模方法–因子选取•高程、坡度、建成区、水域、森林、农田、水土流失和自然保护区–评分及叠加规则•确定单因子内部各组分的适宜性评价值,评价值一般分为5级,用9、5、1表明其作为生态敏感性的高低,对于划分等级较多的个别因子,可采用7、3作为中值•极大值叠加与求和叠加相结合长汀县域生态敏感性评价技术路线图5.1山地城市区域生态敏感性分析建模•县域生态敏感性分析因子评分标准•县域生态敏感性分析评价结果5.1山地城市区域生态敏感性分析建模5.1山地城市区域生态敏感性分析建模•县域城镇体系布局适应自然5.2山地城市建设用地适宜性评价建模•建设用地适宜性建模方法–建设阻力——潜力模型将影响城市建设的因子分为两类：–“建设阻力”：即为生态敏感性分析（生态适宜性分析），主要分析中心城区阻碍城市发展因素，划分敏感区–“建设潜力”：分析交通，城镇集聚的效益，得出发展潜力分区–由建设潜力和建设阻力图通过成对比较法得到建设适宜性评价图建设适宜性评价技术路线图•城市规划区生态敏感性分析因子评分标准5.2山地城市建设用地适宜性评价建模•城市规划区建设潜力分析因子评分标准5.2山地城市建设用地适宜性评价建模•基于GIS栅格数据的单因子等级图生成单因子评价分析图5.2山地城市建设用地适宜性评价建模5.2山地城市建设用地适宜性评价建模•多因子加权评价–评价模型•Wi为权重，Pi为因子的得分•权重可用层次分析法结合特尔菲法确定；iiPWS•城市总体规划空间管制规划编制5.2山地城市建设用地适宜性评价建模•城市总体规划布局适应自然5.2山地城市建设用地适宜性评价建模5.3山地城市绿地公园可达性分析建模•技术路线–步行可达性–成本加权距离方法–分级评价5.3山地城市绿地公园可达性分析建模•模型分析研究区主要公园绿地分布卧龙山公园塔山公园，龙潭公园研究区主要公园绿地成本加权栅格5.3山地城市绿地公园可达性分析建模•模型结果–分级评价•可达性很好（3分钟）•可达性好（3-8分钟）•可达性一般（8-15分钟）•可达性差（15-30分钟）•可达性很差（30分钟）–统计结果研究区公园可达性分级评价图(分钟)可达性分级居住用地面积ha百分比%很好27.48.2好145.543.7一般118.935.7较差41.312.4很差005.3山地城市绿地公园可达性分析建模•绿地公园的空间均衡布局的生态价值体现：①城市生态灾害风险的长效防控（作为避难场所）②生态健康服务的公平（作为休闲游憩场所）–综合公园：•步行15min可达覆盖率达100%–社区公园：•步行8min可达覆盖率达100%–街头绿地：•步行5min可达覆盖率达100%，•3min可达覆盖率超过50%5.4山地城市洪水淹没风险3D分析建模•基于无源洪水分析方法的建模分析–无源淹没：只考虑水位抬升,不考虑地表径流水的汇入–有源淹没：考虑到地表径流水造成的淹没情况•建模思路：①构建规划区数字地形模型（栅格数据）；②综合水位栅格数据生成与DTM叠置：结合历史上洪水重现期进行③洪水淹没区域、淹没深度的快速准确地计算④三维可视化表达：区域内各处遭受洪水时的受灾实际情况和危险程度。基于GIS的洪水淹没3D建模-无源淹没10年一遇洪水淹没风险与淹没图20年一遇洪水淹没风险与淹没图50年一遇洪水淹没风险与淹没图20年一遇洪水淹没三维模拟图基于GIS的洪水淹没3D建模-无源淹没•城市规划布局适应自然——城市分洪区设置基于GIS的洪水淹没3D建模-有源淹没•龙岩稀土工业园控制性详细规划：防洪排涝–技术路线基于GIS的洪水淹没3D建模-有源淹没•龙岩稀土工