减量提质背景下的城市空间监测关键技术研究及应用

王 淼 杨伯钢 杨旭东 崔亚君 吴 霜

(1.北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2.城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

《北京城市总体规划(2016—2035年)》明确指出要以资源环境承载能力为硬约束,切实减重减负,明确人口、建设用地、建筑规模管控目标,实施人口规模、建设规模双控,倒逼发展方式转变、产业结构转型升级、城市功能优化调整,是全国第一个减量发展规划[1]。减量提质是城市发展到一定阶段后的必然要求,是从首都发展的阶段特征把握减量发展的基本要求,是以减量发展为北京实现更高质量发展腾挪出空间。减量发展不是不要发展,而通过解决当前的突出矛盾和问题,减少低效高耗的建设来让城市得到更好的、高质量的发展[2]。

在城市建设、管理过程中,由于城市体量大、关注度高,房价猛涨、交通拥堵、水资源短缺、环境污染等城市病问题越来越突出[3],支撑城市治理和规划建设的数据类型不够丰富、针对性不强,无法满足特大城市高质量发展需求;在城市减量提质发展的过程中,城市空间数据挖掘、知识服务不足,急需对高质量发展的分析模型算法不断创新,解决城市减量提质、资源优化配置等问题;城市更新不断加快,传统数据服务、生产周期和产品类型无法满足高质量发展的需求,需建立与之相适应的数据服务模式、更新周期和产品模式。迫切需要开展全面的城市空间监测,及时获取城市治理所需要的各类空间数据,并进行深入的统计分析,来支撑城市病治理,服务城市减量提质发展[4]。本文以北京市为例,进行了相关研究。

1 方案设计

本文以城市减量提质发展和城市病治理为目标,面向城市空间信息管理和生态环境保护需要,以城市空间监测技术方法研发为内容,以服务政府决策为重点,以提高生态管理水平为目的,创建城市空间监测理论和技术体系,形成覆盖城市空间内容指标、信息采集、处理、存储、分析、应用的一整套标准规范、技术工艺、模型方法、系列软件等,提供城市空间动态监测和成果挖掘、展示解决方案[5],为人地房、山水林田湖草生命共同体的构筑提供有力保障。

1.1 总体设计与城市空间管理、城市治理、城市规划需求紧密结合

面向城市减量提质需要,服务自然资源管理、城市病治理、城市规划建设和精细化管理,从标准规范、关键技术、装备算法、分析模型、工艺流程、应用服务等方面开展研究,构建一整套城市空间信息监测方法和技术体系。

1.2 构建了“4个技术体系+1个空间服务平台+1套服务应用模式”监测框架[6]

城市空间信息监测内容与指标体系,数据快速获取、自动化处理、智能化分析、泛在化服务的监测技术体系,统计分析体系,标准体系,系列时空数据库及平台,应用服务模式,支撑城市空间信息监测工作顺利开展和城市治理应用,如图1所示。

图1 城市空间监测技术框架图

1.3 创建并实现了“年-半年-季-月-周-日”的城市空间信息动态监测模式

按需监测,定期评估,动态调整,成功开展了城市环境、核心区街景、建设用地、生态功能、重点要素和专项要素的监测，如图2所示。

图2 城市空间信息动态监测模式

1.4 注重监测成果应用服务

成果在北京得到了重点应用,在京津冀城市群得到了典型应用,在全国典型地级城市、开发区得到了推广应用。为住建、发改、规划、国土、交通、园林绿化、水务、城管、统计、农业等100余个企事业单位提供服务。

2 系统实现

2.1 内容指标构建

结合场模型、实体模型与网络模型等理论与方法,将地表形态和地表覆盖分类信息作为连续变量的场模型进行分类,以表达地表的连续起伏和地表覆盖物的物理组成,实现了监测内容的全覆盖、无缝隙;将水系、公路、城市道路和铁路等组织成有向图拓扑网络,建立了水系与水工构筑物、道路与道路构筑物的关系模型,反映了现实世界中常见的多对多关系,实现了监测成果的网络化、系统化;采用面向实体对象的思想以及回归树分类模型(Classification Regression Tree,CRT)对城市空间监测内容进行分类,融合形成一套编码体系;面向城市规划管理和“城市病”治理,重点突出了房屋、用地、交通、水务、生态环境等城市内容与指标,实现了城市管理的精细化、精准化。

2.2 监测技术创新[7]

提出了基于高分辨率影像的区域自适应耕地提取技术,开发面向最优属性特征空间的模糊分类算法,实现基于耕地样本集和模糊分类算法相结合的耕地对象自动识别,提高了高分辨率卫星影像的分割对象的均质性;研制了基于安卓移动端的多频多星外业调绘设备以及内外业一体化系统平台,集成了地理信息系统(Geographic Information System，GIS)、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)、遥感(Remote Sensing,RS)、数据安全等多项技术,具有调绘、拍照、图形展现与导航等功能,且无比例尺的限制,准确、稳定、快速地支撑外业调绘作业;研发了基于部件聚合技术和规则库技术的自动检查软件,实现质检对象、质检规则、质检结果之间的配置关系的自主定制和扩展。

2.3 深入统计分析[8]

叠加多种要素,利用缓冲区、邻域、聚类、网络、空间相关性、关联分析等典型地理模型进行综合统计分析,反映城市空间要素之间的空间关系和差异特性。叠加经济社会数据,利用基本公共服务均等化、职住平衡、环境脆弱性、景观格局、城市积水风险、地表径流等专业模型进行专题评价,反映国土资源布局、生态协调程度、区域发展状况和社会事业发展水平。提出一种有效计算城市公共设施覆盖辐射指数的方法,利用服务点要素类和起点-目的地(Origin-Destination,OD)成本矩阵线图层之间的关系来计算服务点的服务供应量和居民需求量之间的比值。在此基础上，找出每个居民点对应的所有服务点,按居民地位置汇总服务供应量和居民需求量的比值数据,继而获得公共设施对所有居民的辐射覆盖指数结果。

2.4 广泛应用服务

在城市空间数据的基础上,叠加房屋建筑、人口普查、经济普查、土地利用现状、林业普查、城市规划等100余类专题数据资料,融合手机信令、IC卡出行链、车租车、共享单车和物联网传感器等社会感知动态监测数,构建了多源异构的城市空间时空大数据库;将城市空间监测的行政区划、地理格网、居住小区、单位院落数据与上亿条的社会感知数据融合,研发了时空大数据的挖掘提取、模拟空间化、可视化技术,对核心区、中央商务区(CBD)、副中心等重点功能区进行了职住平衡、通勤出行OD模型流向分析、轨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规律、功能区的空间向心吸引力,不同轨道线路、不同环路和不同方向的出行高峰和流向。

3 关键技术创新

(1)创建了全覆盖、无缝隙、内容全、指标细、可衔接的“1+1+N”城市空间监测内容与指标体系,首次实现了“人-地-房”城市核心资源的一体化建模,首次将建筑规模指标纳入首都城市总体规划和控制性规划。

研发了面向实体对象的CRT回归树分类模型,提出了一套“4位分类码+1位标识码”的编码体系;突破了高精度复杂地形城市地表连续形态数据建模,最小格网达2 m;对于城市重点土地利用现状类型细化了57个标识类,细化率达89.1%;增加了规划道路、单体建筑、无障碍设施等城市重点要素,细化了3个二级、29个三级类,扩展了57个四级类。既满足了国家监测要求,又重点服务城市病治理和城市精细化管理需求。

(2)构建了全流程、多种类、立体化的城市空间监测数据快速获取、自动化处理、模块化质检、快速可视化的技术体系[9]。

研发了分类决策树(Classification Decision Tree,CDT)遥感影像分类系统,突破了多项基于高分辨率遥感影像的城市典型要素提取关键技术,提高了解译精度和效率50%以上;发明了基于高分辨率影像的区域自适应耕地提取方法,提高了分割对象的均质性,分类精度提高20%;研发一套基于视频图像的土地资源利用变化识别方法,重点对城市绿地、建设用地、疑似违法建筑、城市开发边界等城市地表信息快速检测,比人机交互发现变化效率提高85%以上;创建了一种词向量的地址语义匹配模型,地址匹配精度达0.97;提出一种大区域栅格数字高程模型的地表表面面积计算模型,解决了计算大数据量数字高程模型表面面积计算机内存不足以及计算精度不够的问题。大幅提升了城市空间信息解译、变化发现和成果服务的精度和效率。

(3)构建了“基本汇总-综合统计-专题评价”城市空间监测统计分析技术体系。

率先建立了200余个面向城市空间评价分析的基本、综合和专题统计分析模型指标库;构建了面向城市的城市建设指数、城市宜居指数、城市更新指数、无障碍设施评价指数、治理指数、城市形态结构等6套城市空间评价指标体系;提出了一种基于街景图像分割和提取的街道视觉可步性指数(Visual Walkability Index,VWI),实现了街道视觉可步性测度;发明了一种服务点要素类和OD成本矩阵线关系的城市公共设施覆盖辐射指数,有效计算公共设施对居民的辐射覆盖程度;提出了一种耦合手机信令、实时交通等大数据的城市职居空间匹配指数(Space Matching Index,SMI),有效测度城市职居空间平衡程度;提出了面向资源配置与人口疏解耦合、人口疏解效果分析的综合评价模型及指数,探索“人-地-房”一体化的时空模式测度。

(4)创建了13个应用软件、10类产品和6种服务模式的城市空间监测应用体系。

提出并实现了“年-半年-季-月-周-日”的城市空间动态监测模式,研发了包含13个软件系统的城市空间信息平台,提出了10种监测成果的城市空间产品体系,提出了6种应用层面的城市空间信息服务方式,在国内率先提出并实践了“市-区-街-社区”四级城市体检,建立了按需监测、定期评估、动态调整的城市空间监测体系[10],建成了城市空间监测一张图和软件平台,为城市空间监测数据应用服务提供了目标框架、理论基础和技术支撑，如图3所示。

图3 空间数据共享与协同审批系统

4 结束语

从空间的视角,通过对城市空间监测的内容指标、监测技术与方法、统计分析、监测模式、产品模式等关键技术开展研究与应用,为城市减量提质、空间开发利用、城市各类设施设置提供基础性的量化支撑,为城市治理和规划建设提供翔实、准确、现势的空间数据,为领导领导决策和重点工程提供保障和参考,取得了一定的经济社会效益。随着实景三维、高精度室内定位、5G、知识图谱等新技术不断成熟,下一步将继续深化更大尺度、更精细化、更短周期、更加智能化的城市空间监测研究应用,加强对人的行为活动、社会运行、思想舆情等的观测与应用分析,开展建筑密度、人口密度、商业密度、旅游密度等4个密度的监测与分析应用,进一步加强对首都减量提质发展的支撑[11]。