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【重磅报告分享】《多源数据驱动的智慧规划编制平台建设技术》

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2022-03-28

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由城市数据派主办的《2021第二届全国规划行业大数据应用优秀机构评选 》已圆满结束,本届评选共有45家机构报名,26家机构入围。报名参选机构类型多源,包括传统城市规划设计及交通规划设计机构、建筑设计机构、勘察测绘机构、自然资源相关部门、大数据研究中心以及前沿数据科技公司等。


主办方发布了《【正式版】2021全国规划行业大数据应用机构评选结果》报告报告包括了800+规划大数据项目成果,共计1500+页,关注城市数据派微信号,回复“ 第二届 ”即可获得下载方式。


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本次评选入围大数据项目共计800多项,从中优选出30+大数据项目获得“最佳实践案例奖”。


今日分享最佳实践案例:

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武汉市规划研究院成立于1979年,隶属于武汉市自然资源和规划局,持有城市规划和土地规划双甲资质,是国内极具影响力的规划设计机构之一。全院设有管理部门5个、专业生产所11个,在业内率先通过了ISO9001、ISO14001、OHSAS18001质量/环境/职业健康安全管理体系综合认证。


在大数据技术应用上,我院有四大特色:

1、创新规划量化分析方法论:创研了全过程规划编制量化分析方法,提升了规划量化分析理论的系统性。

2、创新规划量化评估技术:建立一套以多源数据为基础、以城市规律认知为重点的开放式规划量化分析指标体系,提高规划认知理性与客观性。


3、创新规划决策支撑技术:建立一套可评估、可模拟、可推广、可扩展的规划应用算法模型体系,提高规划决策的科学性和前瞻性。


4、创新规划编制工作模式:建立融合量化查询、分析计算、智能模拟、协同工作于一体的线上编制平台,提升规划编制效率与智慧化水平。



以下为该获奖项目成果详细介绍:



1.项目背景

1.1 大数据时代背景的要求


大数据时代的来临,给规划工作带来了海量的数据资源和全新的研究视角,同时也给传统规划领域带来了冲击和挑战,规划师不仅需要了解和应用大数据,更重要的是建立数据思维。


1.2智慧规划新生态建设的要求

空间治理体系的变革对规划行业提出了智慧规划新生态的建设要求,要求规划工作从模糊、经验决策,走向大数据和信息技术平台和手段支持下的科学决策,规划行业向精细化、定量化转型势在必行。


1.3规划编制技术模式创新的要求

目前规划师的主要工作平台还是以CAD和GIS,传统的信息管理平台无法有效地支撑以大数据挖掘、空间模型运算等为主要技术手段的定量分析工作,规划编制工作的技术平台需要突破和创新。


武汉市规划研究院及时审视行业和自身发展所面临的挑战,在国内率先提出了基于“数据驱动”理念、面向规划编制工作的智慧规划编制平台建设构想。



2.工作目标

智慧规划编制平台建设以多源数据融合为基础,为规划师提供多维度、精细化的数据洞察能力,通过空间分析工具和模型为规划师提供量化分析手段,以贯穿工作全流程的应用模式帮助规划师建立数据思维,从而成为规划技术创新载体的智慧规划工作平台。




3.工作内容

本项目工作主要内容为加强现有规划信息管理系统与多源大数据、量化分析指标体系、城乡空间分析模型的衔接整合,同步开展城市指标与分析的算法实现与可视化技术研究,以需求和应用为导向,强化城乡空间分析模型的技术研究,掌握量化分析的核心技术,分批次、动态化搭建面向实践的各类城乡空间分析模型,建立智能应用的智慧规划编制平台,为高效高质的规划编制、城市重大发展决策提供有效支撑。



3.1 融合多源数据,精准感知评估

为更精准地认知现状,洞察城市运行规律,平台集成了共10大类、涵盖400余项数据指标,既包括权威精准的传统数据如人口、用地、建筑等,也引入了手机信令、地铁刷卡、工商企业等新来源大数据,在反映静态物质空间特性的基础上增加了人群活动、交通、经济联系等时空动态信息,支持规划师从更多维度和人本理念感知城市。


为满足动态评估监测的要求,平台对数据进行深度的挖掘,结合空间规划指标体系实现数据的指标化和可视化,为规划师直接提供各类评估结论,提升认知的精准性。


3.2 集成工具算法,科学分析预演

智慧规划的核心是基于数据的分析工具和算法模型应用,平台为规划师提供了大量的分析工具和规划模型。分析工具综合了以数据挖掘为主的BI工具和空间分析为主的GIS工具,以便捷易用的方式提升规划师的数据分析应用能力。规划模型源自一线规划师的算法逻辑,结合专业化的模型算法,为规划师提供智能化的分析研判和规划方案预演。平台提供了标准的数据接口和计算服务,构建了开放性的模型架构,目前已上线包括公服设施承载力、街道品质评估、商业活力评估等10余项模型,以详实的数据和可评价的指标对规划方案进行模拟预演,辅助科学决策。


3.3 共享资源知识,协同智慧规划

为充分利用丰富的公共数据资源优势和大数据量的计算能力,平台在云环境下实现数据成果的制作与分享,打造在线协同规划新模式。规划师在数据筛选、分析方法、上图效果、模型运算的运用既是自身知识的积累,也是后续工作的基础,平台对所有数据成果(数据、图、表)进行存储和分享,项目组成员可以通过彼此的分享实现知识的传递,以在线协同模式共同实现智慧规划。



4.总体框架设计

4.1 业务逻辑分析


平台融合多源数据,凝聚规划智慧,建立协同平台,打造可评估、可模拟、可协作的全新规划模式。打破传统以功能划分模块的思维模式,提出按规划业务流程设计平台功能板块,将量化分析所需的数据、工具和模型对应嵌入规划工作流程的典型环节,使规划师在每个阶段都能找到适合的新方法和技术手段。


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图4.1 规划业务逻辑图


4.2 平台框架设计

基于对规划量化分析工作的认识和规划实践的需求理解,我们认为,智慧规划编制平台的总体框架应以数据库、指标库和模型库这三个核心库为支撑,功能模块进行场景化设计,即对应贯穿规划编制全流程的现状分析、评估模拟和成果制作这三个典型阶段。现状分析场景依托数据库和指标库实现客观科学的数据解读实现精准的现状感知,评估模拟场景依托模型库对规划方案进行评估、模拟与方案比选,成果制作则基于云空间打造在线协同工作模式。

 

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图4.2 平台框架图


4.3 平台技术路线

4.3.1分布式集群模式存储海量数据

为了保障数据查询和访问的效率,平台数据架构基于数据库集群搭建,节点集群的数量可根据具体场景量身定制,可灵活增加节点数量,达到数据架构的灵活伸缩。

节点集群也提升了地理数据的高效空间计算和分析能力,可大大提高海量数据计算和分析效率。


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图4.3 数据集群结构


 

4.3.2动态渲染技术实现快速制图和发布

平台采用了“动态渲染”技术实现规划分析成果图的快速制作和发布。该技术的优势在于实现矢量数据的动态高效查询,并可快速实现丰富的可视化效果,为规划编制人员提供轻量级成果图制作解决方案。


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图4.4 动态渲染实现原理


 

4.3.3可扩展性架构实现规划模型快速扩展

平台提供消息队列服务的配置方式,通过配置模型服务实现用户自定义模型或第三方模型接入,所有扩展模型按都可以直接读取平台汇集的多源数据,模型计算分析结果可以保存到平台。


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图4.5 消息队列与模块交互流程


4.3.4基于机器学习的城市研究

将机器学习技术引入国土空间规划,利用AI技术对城市数据进行训练,将传统的定性认识城市的方法转变为基于大数据、可量化的数据驱动的城市研究方法。


4.3.5基于“微服务+容器化”实现平台快速复用

为实现平台在行业内的推广应用,借助“微服务+容器化”技术提升平台交付效率,可在30分钟内完成对不同规模服务器集群的自动化为了提高部署和更新效率。


4.3.6 基于并行计算的高效模拟评估

并行计算应用于量化分析平台中的所有数据分析和模拟模型,计算效率相比传统GIS有约5-10倍的提升。重点表现在大数据量图形裁切统计、大数据量可视化的效率上,同时支撑现状调研报告的快速生成。


基于以上关键技术,建立一套能高效运行、灵活复制的可扩展平台技术架构,具体的技术框架图如下所示:


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图4.6 平台技术框架图



5.平台建设

5.1数据工作台


“数据工作台”板块汇聚多源数据,构建规划数据指标体系,实现数据的关联融合,并提供包括信息查询、指标计算和数据提取的全面数据服务,满足规划人员对于数据的最常用需求。


5.1.1 数据指标体系

对应各类型规划中的可计算、可量化的指标和目标定义,平台将数据提炼形成应用于国土空间规划分析评估与监测预警的数据指标体系,构建了规划量化分析的数据库和指标库,实现从数据到信息的提升,全方位支撑规划师认知和洞察城市发展特征与规律。


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图5.1 数据指标体系



(1)人口社会:权威部门提供的传统常住人口数据,展示历年人口概况、分析各类人口结构情况;采集手机信令数据,分析人口空间行为特征。


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图5.2 人口社会数据


(2)国土空间:数据成果按国土空间规划管控内容组织,除常规的现状、规划和审批数据外,还纳入了相关统计数值和用地效益等规划评估数据;采集搜房网、安居客等房产中介的交易信息,反映各街道/行政区的平均房价。


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图5.3 国土空间数据


(3)产业发展:武汉市统计年鉴数据,展示历年GDP变化情况;采集启信宝的投融资和企业信息数据,反映企业的空间分布、投融资情况、创新能力。

 

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图5.4 产业发展数据


(4)公共服务:包括权威公服设施调查数据和已批或认定的专项规划编制数据为主,在此基础上纳入专项规划中常用的现状分析和规划评估指标,对接国标或目标值展示。


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图5.5 公共服务数据


(5)商业活力:权威部门提供的3000方以上商业设施数据,包括占地面积、建筑面积、投资额、营业额等十多类调查数据;高德POI数据反映商业设施的分布;银联刷卡数据反映刷卡消费的人群和金额特征。


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图5.6 商业活力数据


(6)空间形态:建筑评价采用传统建筑调查数据和强度分区规划,分析现状建设强度、建筑密度和建设规模,结合动静分区规划和审批数据分类评估现状建设强度是否突破管控要求。获取百度街景数据,通过图像识别技术反映街道的空间特征指标。


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图5.7 空间形态数据



(7)综合交通:权威部门提供的传统交通设施、道路网、公共交通及机场吞吐量数据,在此基础上结合相关规范指标,分析道路网密度、公交设施覆盖率等指标;根据12306、高德地图、机场航班分析武汉的对外交通联系;根据地铁刷卡数据反映轨道通勤特征;根据摩拜单车数据分析慢行交通的停放点位和骑行轨迹;根据“武汉停车”官网数据分析公共停车场的使用情况。


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图5.8 综合交通数据



(8)市政设施:市政部门提供的传统供水、污水、雨水、环卫、电力和消防数据,待进一步扩充完善。


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图5.9 市政设施数据



(9)区域联系:通过腾讯位置数据和启信宝数据分析武汉与其他城市的人流联系和投融资联系。


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图5.10 区域联系数据



(10)基础地理:权威部门提供的基础地理数据,包括各类区划范围线、地形、影像、地图等数据,及基于地形图数据分析的高程、坡度、坡向数据。


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图5.11 基础地理数据



5.1.2 数据指标关联融合

平台全面集成传统数据&大数据、空间数据&非空间数据、基础数据&指标(对标)数据,汇聚为多源、多维、小颗粒度、高关联性的数据库,按照时间、空间和专项三重维度构建高关联性的数据“立方体”。


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图5.12 数据立方体


无论是人口、用地、设施等传统数据,还是手机信令、地铁刷卡、共享单车等新来源大数据,均进行标准化、空间化的统一处理,分解到行政区、街镇、社区和网格单元,为规划师提供“随用随取”的高效数据服务,同时建立时空双线索,将各种指标进行有效地关联,便于进行多年度的指标监测和多要素的空间关联分析。


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图5.13 空间维度:多范围指标对比


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 图5.14 空间维度:指标可根据任意项目范围线进行拆解


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 图5.15 时间维度:指标多年度对比



通过数据+指标的组合呈现,实现从数据到信息的转变。指标来自规划编制和评估预警工作中的指标体系,是基于原始数据和关联数据进行计算之后的结果,包括总数、分类统计、人均值等,另外有些指标源自规划的专业定义,如容积率、建筑密度等。这些指标的定义通过模板配置后,平台可实现动态计算。为使数据和指标的使用更具有实用性,平台提供基于各类范围线的实时计算,让数据指标的计算能实际应用于具体的规划项目中,具有较高的实用性。


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图5.16 数据+指标的信息组织


5.1.3 信息综合查询与提取

为便于规划人员快速有效地查询信息和提取数据,平台提供属性查询、综合查询和高级查询三种应用模式。


(1)属性查询:常规的空间属性信息查询。


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图5.17 属性查询


(2)综合查询:结合规划工作需要,以当前空间坐标为基准,一键式查询空间坐标所对应的所有空间数据,信息载体根据每项数据的空间单元自动匹配。为了便于规划人员读取信息,查询结果按照现状、规划和管理三类进行组织,现状信息包括人口、用地、建筑、设施等,规划包括总体规划、专项规划、详细规划等各类规划成果,管理信息包括土地储备、供应以及一书两证等。


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图5.18 综合查询



(3)高级查询:针对具有较强数据应用能力的用户,提供可定制化的数据查询功能。功能设计在GIS数据查询的基础上强化了操作的便捷性,自动读取数据的所有字段,集成常用数据库查询工具,通过简捷的操作即可实现各类条件式信息查询,查询结果形式多样,既有Excel格式的表格,也可以输出CAD图形和GIS空间数据,为规划人员提供了强大的数据提取工具。高级查询功能充分体现智慧规划平台与传统信息平台在信息利用方式的区别,即从“看”到“用”。


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图5.18 高级查询


5.1.4 数据可视化分析

为了更好地实现数据增值,平台提供了常用的数据可视化工具,方便分析成果快速成图成表,实现关键指标和城市发展趋势的直观呈现。常用的可视化分析工具包括漏斗云、指标卡、树图、雷达图等各种形式,方便规划人员对数据的可视化分析。


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图5.19 热力图工具


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图5.20 图表可视化工具



5.2规划调研

平台为规划调研工作提供数据分析报告和调研工具,改变传统模式下低效、重复地调研方式。


5.2.1 一键生成数据报告

规划编制现状调研分析是城市规划必要的前期工作,必须弄清城市发展的自然、社会、历史、文化的背景及经济发展的状况和项目区域的上位规划约束内容及相关规划编制情况,为规划定性及定量分析的提供基础性资料,前期的分析研究对于城市规划方案的孕育起着关键性作用。


规划量化分析平台在现状调研版块提供一键导出各类现状分析报告的功能。规划师可一键式获得项目范围内用地、建筑、人口、经济产业、公服设施等方面的各项基本数据指标及其相应的可视化图表的现状评估报告,或集成项目范围内所涉及的总体规划、三区三线等相关上位规划的约束性要求,并以PPT形式直接输出,图表对照、图数一致,整个过程仅需2~3分钟即可高效、准确地完成,而传统模式下规划师则需要2~3天的时间。


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图5.21 规划调研报告



5,2,2 AI图像识别调研工具

运用AI图像识别技术对现场调研照片进行批量识别,把传统的对机动车、行人等的人工计数方式改为智能识别和自动计数,大幅提高现状调研工作的效率,同时将街道品质的主观印象转化为绿化率、天空率等可计算的量化指标,从而快速、准确地完成现状调研。


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图5.22 街景照片智能识别



5.3评估模拟

量化评估模拟是智慧规划编制的重要环节,也是整个平台建设的核心。基于数据库与指标体系,平台结合实际规划业务需求,运用更为快速高效的并行计算技术,分别从对应现状评估、方案优化、实施评估三大规划编制流程的横向维度和对应规划编制体系的宏观、中观、微观的纵向维度,构建了适用于多层次多类别规划的算法模型推演体系。规划师能够有效借助平台提供的空间统计、空间运算、机器学习等技术,运用等时圈分析、居住区配套设施评估、中小学承载力评估等算法模型工具,辅助开展方案智能评估与动态模拟。


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图5.23 规划分析模型



本项目从指标计算、标准测评、数字化转译、方法创新和跨学科融合五个方面开展算法模型的建设应用,将信息技术与规划业务相结合,实现人机协同的智慧规划。


5.3.1 指标计算

依托平台的数据支撑,自动分析计算项目相关的基础数据和规划指标。

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图5.24 指标自动计算


5.3.2 标准测评

依据规划相关标准规范进行计算评估,得出符合性评价结论。


居住区配套设施评估模型:依据国家住建部颁发的《城市居住区规划设计标准》,实现居住区十分钟、十五分钟生活圈的用地指标和配套设施的量化评估。平台提供数据和计算方法,结果与《标准》确定的目标值进行比对,得出明确的评估结论。


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图5.25 居住区配套设施评估模型



5.3.3 数字化转译

数字化转译将规划实践中的方法和经验进行总结提炼,转译为标准化、可复用的算法模型,实现从少数人的经验知识转化为标准化的机器评估。


平台按照软件工程的要求确定数据、交互和输出方式,提炼为模型供规划师使用,并在同类型的规划实践中进行验证和完善。数字化转译模型将经验判断转化为机器评估,而且在与数据方法结合的过程中进一步提升了精准性,具有较高的实用价值。


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图5.26 规划经验的数字化转译



中小学承载力评估模型:中小学专项评估模型,用于评估中小学布局及相应配比是否合理,并对规划小学建设时序提供参考。(源自中小学专项规划的业务逻辑和工作经验提炼)

 

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图5.27 中小学承载力计算逻辑



如果由于新增的建设项目导致学位缺口,平台将根据就近原则推荐规划学校的实施。

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图5.28 中小学承载力评估模型



5.3.4 方法创新

方法创新是运用IT新技术,将传统规划中依靠主观经验判断的内容转换为基于数据和算法模型的创新模式,引导从定性到定量的方法创新。

街道品质评价模型:基于海量街景图片数据,结合人工智能街道特征自动识别、空间分析和空间句法等分析技术,提出一套用于评价街道空间品质的综合指标体系,以智能评价模型替代传统的主观评价方法。


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图5.29 街道空间品质的综合指标体系



5.3.5 跨学科融合

跨学科融合是指引入包括流体力学等在内的各种专业算法模型和交通仿真等成熟的商业模型,平台通过统一的服务接口和数据接口,实现专业模型的无缝接入和资源整合,为规划师提供跨学科的专业技术支撑,同时减少基础数据处理和复杂的操作。


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图5.30 专业模型接入模式



风环境模型:该模型基于武汉气象站的历史观测数据以及地形及建筑三维模型为数据基础,基于CFD(计算流体力学)理论,依托SWIFT模型,采用自组织特征神经网络(SOMs)方法进行风机制分类,以精确到米级分辨率的模拟网格单位对武汉市城市风环境开展分析模拟,并从舒适度、局地气候、风力扩散三个指数对规划方案的微观风环境进行在线实时模拟分析,为国土空间规划现状调研阶段提供研究区域风速和风向评估结果,同时可提供微观街区尺度规划方案的风环境相关引导与优化建议。


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图5.31 风环境模型



街景识别模型:本模型主要为国土空间规划现状调研阶段提供基于机器学习技术的街道空间要素自动识别功能,辅助提升规划现状调研的效率和精准度。模型可实现百度街景图片的自动抓取,除了可以自动检测并统计街景图片中目标物体的数量,还可以自动统计与规划相关的绿视率、街道开敞度、机动化程度、建筑色彩等指标,实现人工智能技术与国土空间规划现状调研的高度融合。

 

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图5.32 街景识别模型



基于遥感影像的城市空间识别模型:该模型使用自助改进的双阶段法(Two-Step, TS)检测算法。该模型首先将遥感影像送入全卷积网络进行识别,再通过反卷积网络进行上采样,并采用跳越结构与CRF层实现精确的地物分割,最后,将图像语义分割后的不同时期图像数据送入双通道网络进行比对,输出结果。

模型对遥感影像进行图像语义分割,区分出研究区域里的建设用地、生态用地、水域和农田四大类用地。


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图5.33 基于遥感影像的城市空间识别模型



5.4成果制作

未来的规划业务,将逐渐呈现多专业融合、多资源支撑、多技术协同的特点,新技术方法、手段的应用不只是IT人员的专属,智慧规划新技术模式需要规划人员的深度参与。“成果制作”模块基于云环境的数据中心,实现公共数据、个人数据和分享数据的汇聚使用,面向规划人员提供在线规划平台,方便规划人员自主开展专题图制作。同时,数据和专题图可以在项目组内进行分享,实现量化分析工作的协同。


5.4.1 专题图制作

平台为规划师提供在线专题图制作功能,单值、分段填充、散点图、气泡图、热力图等常用的空间分析图均可快捷实现,数据和效果均可自定义,使规划师能在平台上自主进行核密度等分析方法和成果图制作。


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图5.34 在线专题图制作


 

5.4.2 协同设计

(1)数据迭代分析。项目组成员利用平台提供的分析工具和模型评估之后的数据成果可保存在云端个人数据库,继续参与后续的模型分析计算,从而实现量化分析过程全程在线,分析过程不断深入、分析结果不断迭代,真正实现有数据科学支撑的智慧规划,而不是传统的数据统计分析。


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图5.35 基于范围线生成的缓冲区数据指标分析



(2)资源及成果共享。平台基于私有云环境建设,为每位用户提供云存储服务,支持规划师组建线上协同工作组,以融合平台公有数据资源和用户私有数据资源的素材库为核心,素材库可存储和分享各类数据图表、分析结果、评估模型,既可实现数据的深入挖掘,也便于分析方法和思路的共享传递。所有成员的资源和分析成果,都通过平台实现实时共享。


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图5.36 成果共享




6.技术创新

6.1 多源数据融合的数据增值应用


本项目全面集成传统数据与大数据、空间数据与非空间数据、基础数据与指标数据、自身数据与对标数据,按照时间、空间和专题等多维度构建高关联性的数据立方体,并将所有数据和指标分解到地块尺度或者标准网格,使每个空间单元都承载了人、地、设施静态信息以及职住、通勤、投融资、区域联系等动态信息,消除了大数据应用的技术门槛,大大提高了数据可应用性。


在数据组织方式上,本项目改变了传统的资源堆砌方式,将数据按照时间和空间线索进行有机关联,既能纵向观察沿时间轴演变的趋势特征,也能横向关联对比其他区域或专项,从而发掘数据更大的价值。


除了多源数据的融合,本项目梳理了规划中常用的可计算、可量化的指标和目标定义,如生均用地、覆盖率、路网密度等,进一步将数据提炼形成应用于规划分析评估与监测预警的指标,构建了规划量化分析的指标库,实现了从数据到信息的提升,全方位支撑规划师认知和洞察城市发展特征与规律。


除了数据资源服务,本项目还重点关注规划师数据应用能力的提升,提供实用、易用的数据分析工具,以直观、友好地交互方式让规划师掌握和应用数据挖掘以及空间分析方法,降低学习成本,提高工作效率。


6.2依托规划实践的算法模型建设

为保证算法模型在国土空间规划工作中的实用性,本项目依托武汉规划院在规划编制各专业的工作积累和科研成果,通过规划业务逻辑与数据科学相结合的思路,分批次、动态化构建算法模型体系,搭建面向实践的各类城乡空间分析工具和模型,实现规划方案的分析预演,辅助科学决策。规划模型来自于规划实践,又在实践中进行检验和完善,切实提高规划编制工作的科学性。在模型建设中,本项目还注重跨学科的融合,充分运用AI等新IT技术和其他领域的专业理论和方法,对于城市复杂问题进行量化研究,提升规划的智慧化水平。


6.3 贯穿业务全流程的数据驱动模式

平台在框架设计上,打破传统以功能划分模块的思维模式,提出按规划业务流程设计平台功能板块,将量化分析所需的数据、工具和模型对应嵌入规划工作流程的典型环节,使规划师在每个阶段都能找到适合的新方法和技术手段。现状调研环节提升数据采集、资料汇总和现状评估的效率,方案设计环节利用模型算法进行模拟推演,成果制作环节进行成果上图和分享协同。平台的这种设计模式有助于规划师逐步建立系统的数据思维和全流程的应用习惯。


6.4 融合先进信息技术的系统架构

为保证平台能够支撑海量大数据的分析、运算和可视化、本项目在系统架构上采用了包括分布式集群、并行计算、动态渲染等信息技术,计算效率相比传统GIS有约5-10倍的提升;机器学习等人工智能技术在图像识别和空间品质评估等模型上进行了实际应用;可扩展性模型配置服务架构实现了空间规划模型动态扩展。


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