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空间信息技术辅助城乡规划发展前景展望

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2015-08-08

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11月24日,由清华同衡规划院信息中心主办的"空间信息技术在规划中的应用"系列讲座第一讲在院百人会议室举行。清华大学建筑学院教授党安荣应邀来院,为大家作了以"空间信息技术辅助城乡规划研究"为题的学术讲座,图文并茂地讲述了城乡规划新技术方法及相关案例,并展望了空间信息技术在未来城乡规划中的发展前景。今天与大家分享讲座的精彩内容。 向未来,空间信息技术在城乡规划领域可能是什么样的应用模式?我们应该做哪些技术准备?或者说可能会面临什么样的发展需求?我想通过两个方面来说明,一方面就是空间信息技术集成应用,另一方面就是智慧城乡规划发展。空间信息技术集成应用

 

  • 技术集成理念

从规划师的视角来看,众多空间信息技术可以按照城乡规划的几个阶段来进行梳理,可以概括为规划信息获取、规划信息处理及规划信息表达三大类技术。

 


第一大类是信息获取相关技术。这类技术帮助我们解决什么问题呢?就是规划之前大量的数据收集。如果你采用常规规划方法的话,也许你对于数据并不是特别关注,而是对图纸更加关注。但是,如果你是用技术手段来做支撑开展规划分析的话,你要关注的就不仅是图纸,还有大量的数据或者数据文件;无论是遥感技术、卫星导航技术等都可以应用。

 

第二大类是信息处理相关技术。我们可以用地理信息系统、数据库相关的技术,也可以用GNSS技术手段,对众多规划数据进行集成式处理,并与城乡规划规范及分析模型相结合进行定量分析与预测,为规划方案的形成提供科学支撑。

 

第三大类是信息表达相关技术。主要是规划成果表达的技术方法,可以用虚拟现实技术、数字地图、三维模型等方式,形象直观地表达规划成果,有助于相关人员认识规划方案。

 

  • 智慧城市概念

空间信息技术集成应用的最新成果就是智慧城市。目前全国已经有200多个城市正在进行智慧城市的规划与建设。如果你认为智慧城市是在炒概念的话,那你肯定是会被时代所淘汰。那么,智慧城市与数字城市比较有哪些方面发展和变化呢?概括起来有三个方面。

 

第一个变化就是透彻的感知。我们对城市的认识实际是不够的,比如我们一开门发现外面雾霾很严重,到底严重到什么程度?我们看到一些APP显示的那些数据可信度到底多大?其实我们说不上来。因为我们没有那么多的大气质量传感器在空间分布,没办法完全了解大气质量状况到底是什么。再比如大家周末去郊区游览,到那个地方一看发现那儿的水跟自己想象不一样,水的污染到底什么情况,是不是能够亲密接触,我们也不知道,因为我们没有在那些地方布设水质传感器。如此等等,说明我们对这个城市了解不够。

 

构建智慧城市要完成的一项任务就是对这个城市进行透彻的感知,人们关心大气我们就布设大气传感器,人们关心水体我们就布设水体传感器,人们关心土壤我们就布设土壤传感器等等。这样,就可以随时了解到跟我们的生活和工作密切相关的环境质量数据,这就是智慧城市建设要做的第一件事情叫做透彻感知,把人们真正关心的数据随时如实获取。

 

第二个变化就是全面的互联。通过有线网络和无线网络的构建,让那些透彻感知的数据能够源源不断的传输到城市云数据中心。这样一来,不仅能够感知那些数据、获取那些数据,而且随时随地让更多人了解这些数据,为我们的工作和生活服务。

 

当然,仅仅了解到这些数据好象还没有完全发挥作用,我们仅仅知道这个地方的水质是二类、PM2.5是200等一些零乱的数据,并不能完全满足我们从总体上认识这个城市。尤其对我们城乡规划来讲,恐怕不能停留在某一个点上,我们必须要全面的认识城市。

 

第三个变化就是深入的智能化。就是对那些数据开展相关的分析,从中挖掘出我们所需要的东西来,也叫做数据挖掘与知识发现,也就是众多应用系统的构建。对城乡规划来讲,希望分析与规划相关的定量科学依据,对于管理来讲分析出管理相关的决策支持依据等。

 

综上所述,从数字城市阶段到智慧城市阶段,概括起来就是要做三件重要的事情,即更透彻的感知,更全面的互联互通,更深入的智能化。这三件事需要相关技术来支撑,第一个就是传感网,由不同传感器构建的新型网络;第二个就是物联网,是把各种各样的关注对象,关注的物体或设备连接在一起,通过传感网、有线网络及无线网络实现。第三个就是智能化分析,离不开云计算技术手段及多种应用系统的研发。

 

  • 智慧城市总体框架

随着大量智慧城市的规划与建设工作的开展,今后我们将生活在智慧城市中,我们的城乡规划工作也将基于智慧城市开展。那么,智慧城市的总体框架是咋样的呢?根据国内外相关案例的分析,结合我国城市信息化发展特点,概括起来可以将智慧城市的总体框架表述为:一个中心,三个平台,五大系统,还有七项保障(如下图所示)。

 


一个中心:就是组织完成智慧城市规划与建设一个信息中心,或者一个管理部门。

 

三个平台:第一个平台是信息感知与传输平台,实现更透彻的感知、更全面的互联互通,在数字城市基础网络之上,要构建传感网与物联网。第二个平台就是数据管理与服务平台,在数字城市原有数据库基础之上,为了数据的综合分析和挖掘,需要通过数据的清洗、转换、加载等操作构建城市级的数据仓库。第三个平台就是信息共享和服务平台,是为支撑各种各样的城市应用来提供一个技术共享与服务平台,保障实现更深入的智能化。

 

五大系统:第一类针对党政部门管理类的系统、第二类是针对城市经济运行的商业企业、第三类针对广大城市社区服务的、第四类针对广大民众服务的、第五类针对一些相关部门和相关领导的综合决策支持。通过五大应用系统的研发,满足城市运营过程各行各业智能化的发展需求,实现更深入的智能化,促进城市创新发展。

 

二 智慧城市规划平台

  • 智慧城市规划概念

随着智慧城市的构建,未来的城市规划应该是智慧城市规划。与现行的城市规划不同,未来的智慧城市规划必须面对两个城市:一个是当前城市规划面对的物质空间的城市,另一个就是智慧城市,因为智慧城市是未来智慧城市规划的一个基础。那么智慧城市为我们提供了什么呢?实质上就是提供了两大类的支撑:数据支撑与软件支撑。

 

既然我们城市已经构建了智慧城市,拥有完善的数据库的系统,就可以给我们提供规划相关的数据。同时,城市规划管理平台是智慧城市的重要组成部分,无疑可以给提供相关的软件的支撑。当然,智慧城市规划也不能忽略现实的城市,我们必须面对现实城市,分析城市存在的问题,经济社会人口发展等等。

 

  • 智慧城市规划流程

智慧城市规划的基本流程包括:数据处理、规划分析、规划编制、方案调整、成果输出。

 

第一步是数据处理。从现实城市和智慧城市中我们可以获得一批所规划需要的数据,经过数据的转换等预处理,诸如CAD数据与GIS数据的转换,形成规划的现状数据库,由此作为出发点开展智慧城市规划工作。

 

第二步是规划分析。就是基于规划数据库,根据规划要素及其专业模型,开展相关分析,诸如城市经济发展分析、城市人口预测、城市用地模拟等,为城市规划方案的编制提供基本的数据支撑,辅助确定规划的目标与规划要解决的基本问题。

 

第三步是规划编制。就是规划方案的形成,将GIS的基本分析功能按照规划编制的需求进行重新组织,以符合规划师的基本思维模式,这个过程中规划分析的结果需要引入,以便将规划业务与技术方法有机结合,让技术方法服务规划目标,形成初步方案。

 

第四步是方案调整。将GIS的空间分析方法与城市规划规范相结合,对几个可选的初步规划方案进行评价与对比分析,明确其优缺点及存在的问题,进一步调整与优化规划方案,同时可以开展可能的情景模拟,以便形成相对优化的科学的规划方案。

 

第五步是成果输出。参照现行城市规划成果要求,需要输出规划图则,规划文本、说明书等规划成果。同时,针对智慧城市规划管理的需要,输出与提交是城市规划数据库,作为智慧城市规划管理工作的新型法律依据。

 

 

  • 智慧城市规划实践

基于上述关于智慧城市规划基本理念及流程方法的认识,咱们清华同衡规划院信息中心及相关业务团队精诚合作,开展了智慧城市规划平台的研发与应用实践,以控制性详细规划为突破口,在ArcGISEngine基础上进行二次开发,形成详规辅助平台。

 

该平台是基于详规工作的业务流程研发的,首先完成的规划区域路网结构的调整与确定,这项工作可以在CAD环境中完成,也可以直接在GIS平台中完成,平台实现了CAD与GIS的数据转换,可以满足规划师随时在两个系统之间进行切换,并且只要确定路网街巷的中心线及其等级或宽度就可以了,如果需要也可以进一步确定街道的断面类型。

 

在确定路网中心线及其属性的基础上,接下来就是道路网络、规划地块、以及控制红线的生成。平台将GIS的缓冲区分析、网络分析等功能组织起来,并将规划业务的相关规范作为参数或规则融入其中,形成“一键式”功能,尽力减少手工操作。在形成基本的方案之后,还可以进一步调整道路宽度、分割或者合并地块、确定地块性质及控制指标等。为了便于规划师操作,还开发了“格式刷”功能,在地块属性确定的过程中,对于相同用地类型的地块,“格式刷”的功能是非常有意义的。此外,对于地块的出入口开口方向、道路公交站点设定与曲划、人口的空间分配等功能,也进行了开发,以满足规划需要。

 

 

规划方案比较分析也是规划过程中的重要内容。以教育基础设施空间布局或选址为例,比如我们首先可以大致选择三个小学的空间位置,然后按照小学基础设施选址的规范要求、居民区分布与适龄儿童数量、道路交通系统等规划区域的基本信息,智慧规划平台自动构建步行交通系统、开展网络分析、划分学区范围、匹配学校与学生规模、评价选址的合理性及列举存在的相关问题,为优化规划方案提供决策依据。特别需要说明的是,在针对小学生上学的步行系统构建过程中,综合考虑了机动车道路的等级、连通性、以及过街天桥、地下通道、斑马线、红绿灯信号等相关因素,尽量保证分析与评价结果的科学性。

 

 

形成规划方案之后,接下来要解决的问题就是规划成果的输出。根据详规的规范要求,必须输出规划地块图则,包括地块图及对应的地块规划属性及范围坐标的标注等。为此,平台研发了“图则模板”功能,在图则输出之前,可以根据需要定义图则模板,然后根据模板自动进行框幅的确定与分割,并在此基础上快速自动输出PDF格式或者JPG格式的规划图则,满足规划建设与管理的需求,及大地提高了规划成果输出效率。

 

这个智慧详规辅助规划平台已经在清华同衡规划院详规所试验应用,并在若干详规项目中发挥了积极作用。尽管平台本身还存在这样那样的问题有待进一步完善与提升,但是它代表了发展的方向。对于城市规划行业而言,如果说八十年代以来三十多年是CAD的时代的话,未来必将是GIS应用或者GeoDesign的时代,各位规划人责无旁贷。

 

 

此外,各位应该知道,面向整个城乡规划管理这个领域,我们可以将规划院所承担的城乡规划编制工作作为前端,将规划局所开展的城乡规划管理工作作为后端。我国现在的客观情况是后端在推着前端走,因为规划院基本上还处于CAD技术方法阶段,而规划局已经步入GIS技术方法阶段。随着智慧城市建设,智慧城乡规划工作势在必行,我们必须尽快实现从CAD工作环境到GIS技术支撑的转换,否则将会出现很大的问题。

 

  • 大数据推动智慧城市规划

近年来,大数据的概念逐步普及,大数据的应用逐步开展,为智慧城市规划带来新的契机。大数据由于其数量、类型、获取、处理、应用等不同于既有的数据,导致现有的技术方法无法满足数据处理需求,要求我们探索新的模型与方法。与此同时,大数据凭借其“数量大、类型多、变化快、真实性、价值高”等“5V”特征,成为城市规划发展的新动力。

 

事实上,我们每个人现在都成为社会感知点,因为我们都在用各种各样的智能终端或者智能卡,都在为我们的社会贡献着自己的数据。包括哪些数据呢?包括我们的空间位置数据、行为模式数据、社会交往数据等等,成为当今社会大数据的有机组成。

 

下面这张图片大家可能都看到过,它是某个时间段全球使用Facebook的人在空间上的分布及其相互联系。大家发现:无论是美洲还是欧洲,都有大量的用户,而且他们之有着密切的联系。事实上,大数据所反应的就是个人与个人之间,人群与人群之间,城市与城市之间,国家与国家之间新的信息化联络。这就要求我们在智慧城乡规划中不仅仅要面向物质空间分析规划要素之间的关系,还必须关注信息空间里规划要素之间的关系。

 

 

除了上述社交网络大数据之外,我们每个人都有智能手机终端,无论是我们发微博,还是跟朋友通讯联系或者打电话,每时每刻都可以将这样一些通讯数据记录下来。根据所记录下来的通讯信息,就可以形成如下图所示的一种新型的城市移动景观。从城市移动景观图中,我们可以看到不同的区域,分布着不同数量的智能终端用户,有相对集中的高峰区域,还有一些相反的低谷区等;而且,这种城市移动景观是随着时间的进程不断发生变化的。

 

显然,上述社交网络的大数据、移动通讯的大数据,必将会成为未来智慧城市规划重要的数据源。为什么呢?我们之前城市规划分析的相关数据往往是静态的数据,形成是静态的城市规划方案。现在拥有了这些代表人类行为模式和时空分布的动态大数据,基于这类动态数据分析就可以形成动态城市规划方案。

 

 

进一步的分析表明:大数据的发展和应用,可能给我们智慧城乡规划带来两个方面的变化。

 

第一个变化就是由静态规划到动态规划转变。因为我们原来记录和分析的是历史片断的静态数据,现在基于动态的大数据,有望将城市规划转换成一种动态分析和规划过程。

 

第二个变化就是由以地为主的规划向以人为本的规划转变。应用大数据,我们可以认识人在城市当中活动的空间以及活动带来交通拥堵的问题,职住平衡的问题等等,进一步反思我们的规划方案,认识其合理性及存在问题。同时,也需要将人的时空行为分布及活动模式,应用到新的城市规划修改或者修编工作中。

 

大数据带来的上述两个方面变化应该是非常重要的,需要各位规划师积极思考与应对。(根据讲座速记整理,并经过作者校正)

(信息来源:清华同衡 科研与信息中心)


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