中小城市總體規劃中的數據增強設計技術響應初探*

鄭曉偉

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中小城市總體規劃中的數據增強設計技術響應初探*

鄭曉偉

數據增強設計是以定量城市分析為驅動的規劃設計方法。以陜北黃土溝壑區某小城市為例，探討城市總體規劃編制過程中的數據增強設計技術應用。根據案例城市特點和各類數據獲取難易情況，在建立數據增強設計框架的基礎上，分別以遙感影像數據、手機信令數據、社會感知（空間句法）數據和交通觀測數據為數據源，對規劃編制各階段的城市子系統進行數據驅動設計，并對傳統技術手段下的規劃方案進行優化和調整。最后對中小城市總體規劃中數據驅動設計技術整合方法提出若干意見，即應優先選擇對環境保護和社會關懷有直接影響的技術方法、不同數據處理和分析之間的技術整合，以及對新的數據來源和新的數據類型進行深入挖掘等。

AbstractData Augmented Design is based on data-driven quantitative analysis of urban planning and design methods. This paper takes a small city in Loess Gully Area as an example, exploring the application of Data Augmented Design for compelling technology of urban master planning. According to the situation of urban characteristics and data gathering, the article takes remote sensing data, phone signaling data, social perception (Space Syntax) observational data and traffic data as data sources based on constructing framework of Data Augmented Design, in order to conduct data-driven subsystem design for various stages of planning and optimize and adjust the planning under traditional techniques. Finally, a number of comments on the urban master planning for medium and small cities in the integration of Data Augmented Design methods are put forward: priority should be given to environmental protection and social care, to technology integration between different data processing and analysis, to new data sources and new data types to conduct in-depth mining and so on.

數據增強設計 | 城市總體規劃 | 中小城市

KeywordsData Augmented Design | Urban master planning | Medium and small cities

0　引言

城市總體規劃作為對城市空間發展和用地布局進行統籌安排的戰略性規劃，其對于指導未來城市社會經濟和空間結構的穩定發展意義重大。然而，由于城市總體規劃的綜合性較強，包含了城市經濟、社會、歷史、文化、生態、空間、基礎設施、政策制度等各個方面，從規劃編制的角度來講，需要在大量數據調查和分析的基礎上綜合多專業的方法及技術才能夠完成。目前我國城市總體規劃的編制在技術方面受到諸多詬病，其中規劃設計人員在方案設計過程中的主觀臆斷以及機械地套用各類技術規范是導致規劃可操作性不強的原因之一。這一問題一方面由于規劃師的專業知識局限和專業間的協作難度所導致，另一方面則是受限于各類基礎數據的獲取和掌握難易程度，只有完善的基礎資料和數據才能提高規劃編制技術的科學性。因此，全面獲取并合理應用不同范圍尺度、不同時空維度的各類城市基礎數據是城市總體規劃在編制技術層面提高可操作性的重要途徑。

伴隨著我國經濟發展進入“新常態”的歷史階段，未來對城市規劃的關注重點也從以往的物質型、增量型轉變為目前和未來的人本型、存量型，這就要求以往基于建筑學思維的物質空間規劃模式必須發生轉變，而基于對現狀產權和利益重新分配的存量規劃則對各類城市基礎數據的準確性和全面性提出更高的要求。與此同時，隨著近年來信息及互聯網技術的不斷發展，以及大數據（開放數據）在城市規劃與城市研究中的不斷應用，定量城市研究和數據驅動設計已經逐漸成為未來城市規劃在理論和實踐領域的主要方向。對于城市總體規劃而言，如何探索在新數據環境下建立形成并應用于從現狀調查到的方案擇優的技術邏輯框架，從而提高城市總體規劃的科學性和合理性，是本文研究的目的所在。

1　中小城市總體規劃中的數據增強設計技術應用框架

數據增強設計（Data Augmented Design，DAD）是以定量城市分析為驅動的規劃設計方法，通過精確的數據分析、建模、預測等手段，為規劃設計的全過程提供調研、分析、方案設計、評價、追蹤等支持工具，以數據實證提高設計的科學性，并激發規劃設計人員的創造力[1]。城市總體規劃的綜合性、復雜性決定了其對各類基礎數據作為分析依據的重要前提，在數據增強設計的技術框架內，與城市總體規劃相關的各類數據能夠增強設計人員對城市空間及其內涵的深刻認知，進而對城市子系統間的聯系進行精確把握，便于在依據常規技術規范進行規劃設計的基礎上，通過數據發掘城市空間表象背后復雜的社會、人文以及生態要素間的關系，從而反饋和貫穿于整個規劃設計過程。

由于大城市空間結構的復雜性和多變性，不同地區、不同發展背景的城市面臨的發展問題和機遇也各不相同，并且城市總體規劃涉及到的系統要素比較多、基礎數據類型和數據量大，難以用一套固定的技術體系來構建與之相適應的數據增強設計技術路線。因此，本研究的關注重點在以中小城市總體規劃為研究對象并以陜北黃土溝壑區某小城市為例，將技術問題聚焦在空間尺度較小、問題相對集中的城市地域單元，通過實證初步嘗試探索性地構建針對于中小城市總體規劃編制的數據增強設計技術應用體系。

案例城市地處陜北黃土高原地區的丘陵溝壑地帶，全縣轄3鎮3鄉2社區，總人口約為9.5萬人，縣城位于縣域中部沿河東岸的河谷階地上，呈明顯的河谷帶狀城市形態。截至2015年，縣城常住人口約為3.5萬人，總建設用地面積約4.2 km2。與此同時，全縣范圍內林草覆蓋率和森林覆蓋率都非常高，豐富的山水景觀資源和敏感性生態區域不僅構成了特有的城市自然生態基底，也在很大程度上影響著城市空間的發展。通過對目前城市總體規劃編制過程中的新目標導向和新技術應用趨勢的綜合解讀，以及對案例城市現狀問題的分析和梳理，研究確定在城市總體規劃中可以通過數據增強設計來提升技術方法的環節， 可以總結為生態安全、城市空間結構（公共中心）、城市設計、城市密度4個方面。基于數據資料的獲取難易程度，研究所對應的增強設計數據分別為遙感影像數據、手機信令數據、社會感知（空間句法）數據和交通觀測數據（圖1）。

圖1　中小城市總體規劃數據增強設計框架

2　案例研究——以陜北黃土溝壑區某小城市為例

2.1利用衛星遙感數據對城市生態安全格局的構建和用地規模的核定

對于陜北黃土高原來講，脆弱的生態環境和有限的城市建設用地是在城市總體規劃中展開用地布局的最大制約，而對于更大尺度縣域范圍內生態安全格局的構建則可以在確保生態安全的基礎上，進一步通過對生態安全格局約束下建設用地規模的核定來對總體規劃中確定的人口規模和用地規模進行調整，實現城市空間發展和生態保護之間的平衡。

研究的技術路線為：首先通過國家地理空間數據云平臺免費獲取2015年5月的Landsat 7 ETM遙感影像（一般而言，陜北地區5月的Landsat衛星遙感影像圖平均云量低于5.0%，成像質量較好）；其次，運用ERDAS 9.2軟件對獲取到的遙感影像進行坐標校正與解譯處理，提取縣域范圍內的土地利用現狀；再次，借助景觀生態學的分析框架，對不同的土地利用類型賦予不同的生態阻力值作為阻力面（圖2），同時確定重要物種遷徙的“源（即各類生物物種的棲息地）”，采用最小累計阻力模型（MCR）計算出縣域范圍內重要的物種遷徙生態廊道[2]，并將其作為嚴格保護的禁止建設區（圖3）；最后，將基于生態安全格局下的各類土地利用關系通過中心城區土地利用轉移矩陣（表1）預測未來縣域和中心城區層面建設用地規模，在此基礎上與土地利用總體規劃確定的用地規模進行銜接（表2）。

圖2　不同土地利用的阻力值

圖3　基于生態安全格局的空間管制規劃

表1 中心城區土地利用轉移矩陣 （單位：%）

表2　縣域及中心城區建設用地規模核定

從表2規劃期末建設用地規模來看，縣域層面的城市規模基本符合土地利用總體規劃和生態安全保護的雙重要求，而城市總體規劃所確定的6.5 km2中心城區建設用地規模（根據人口規模預測和人均建設用地指標的乘積來綜合確定）則相應偏高，需要進行相應的調整。因此，通過遙感數據的增強設計對原規劃中確定的城市規模進行了修正，使調整后的規模能夠滿足生態保護與基本農田保護的需求。雖然規劃期末的總建設用地面積變小，但在規劃中仍然可以通過制定更加緊湊、集約的土地發展和使用策略來確保城市空間發展的土地供給。

2.2手機定位數據驅動設計對城市空間結構的調整

城市空間結構是在中心城區層面城市總體規劃的重點之一，傳統基于“服務全覆蓋”的結構規劃考慮了各級公共中心在空間上的服務半徑和配置要求，而忽視了人的行為活動及其分布的空間規律。手機定位（信令）數據記錄了城市居民的日常行為、空間分布和對城市空間的使用方式（其中工作、居住、游憩等活動最為重要），研究城市中所有用戶活動行為的時空規律[3]，就能在傳統基于“服務全覆蓋”規劃設計方法基礎上結合人的時空行為規律對城市空間結構進行優化和調整，從而改變以往“N心N帶”構圖式的城市空間結構規劃設計思路。

圖4　中心城區平均就業與游憩的密度分布與空間聚類

本研究以案例城市中心城區范圍內44個移動/聯通通信基站手機定位（2G、3G）數據（2015年4月22日—4月30日）為數據來源，依據基站所鏈接的手機用戶數量，首先采用核密度法（Kernel）生成手機用戶密度圖，計算出工作日和休息日不同時段多日平均用戶就業密度分布以及多日平均用戶游憩密度分布，其次對多日平均用戶就業密度和游憩密度進行空間聚類分析（借助ArcGIS 10.2平臺下局部空間自相關的局部G統計量功能完成），從而識別出中心城區的商業就業中心和休閑游憩中心（圖4）。研究發現，中心城區的商業就業活動密度呈現由中心沿帶狀向兩翼遞減的趨勢，并在現狀城區中心周邊城區形成一個相對高密度的次區域中心；同時，中心城區游憩活動最密集的區域更多集中于城區兩翼的山地（山體公園），而非中心城區的集中建成區，并且與商業就業活動高密度區在空間上并不重合。依據此結論通過比較對基于物質空間傳統的規劃設計結構方案提出的空間結構進行優化調整，即強化現狀城市公共中心的商業規模和等級、將規劃的城市副中心移動到商業就業活動高密度區、調整城市綠化中心體系等。

2.3行為感知數據驅動設計對城市設計框架組織的優化

城市設計是一種關注城市規劃布局、城市面貌、城鎮功能，并且尤其關注城市公共空間的一門學科。Lynch K對人的“城市感知”意象要素進行了較深入的研究后指出，一個可讀的城市，它的街區、標志或是道路，應該容易認明，進而組成一個完整的形態，即著名的“城市設計5要素（區域、節點、路徑、邊緣、地標）”理論方法，傳統的城市設計分析就是基于“5要素”展開。但這種傳統分析方法的局限就在于過多地關注了要素在物質層面的合理性和組織關系，而忽略了要素背后所蘊含的社會與人文屬性，導致大多數的城市設計成果也存在可操作性不強的特點。

空間句法（Space Syntax）分析是一類新的拓撲分析技術，目的在于表征城市空間系統的社會性與功能特征，強調了空間內在的主體特征。在拓撲空間要素的選取過程中，該方法選取社會性功能強烈的街道空間確立句法軸線（Axial Lines），對應于傳統拓撲分析要素中的弧，并選取最少數量的全部最長軸線來表征整個城市空間的拓撲結構，軸線交叉點既包括網絡交叉點（Junctions），也包括街道空間轉換點（Turning Points）。這一方法以句法軸線作為分析的核心要素，通過分析軸線本身的可達性、集成性和滲透性研究拓撲結構的內在邏輯，總結其發展變化規則，借以判斷城市空間系統內在的變化規律[4]。因此，空間句法分析技術可以在一定程度上認為是在傳統城市設計“五要素”基礎上，融入了空間社會屬性的分析方法，從而達到精確理性地表述城市空間形態背后行為規律的目標。基于此，本次研究對案例城市中心區分別通過基于全局整合度分析（Global Integration，圖5）和基于視覺可視度（Visual Graphic Analysis）分析提取中心城區建成環境認知度高的城市設計“5要素”中的路徑、區域和節點3個要素，對規劃確定的城市設計框架體系中相應的要素組成進行比較分析，在此基礎上對城市總體規劃中的城市設計框架進行優化調整。以“路徑”要素為例，研究發現，基于傳統設計思路所確定的部分城市軸線并未體現出較高的全局整合度；而與此相反，部分在設計中被忽視的傳統街巷和城市生活性道路卻體現出較高的空間整合能力。因此，基于空間句法分析對城市設計框架的優化調整不僅強化了“參數化設計”對“美學設計”的概念及方法補充，同時也能夠為城市設計的分析過程引入一種定量化、社會化的視角。

圖5　中心城區路徑全局整合度分析

2.4交通觀測數據對城市道路系統規劃與城市密度分布的整合

2006年頒布實施的《城市規劃編制辦法》中明確要求在城市總體規劃階段應對城市開發強度（即容積率、建筑密度等指標）進行預測，這使得以往重點關注城市宏觀戰略發展的總體規劃必須同時考慮微觀層面的街區和地塊開發。影響城市開發強度分布的因素較多，對于案例城市這種典型的帶形城市而言，交通組織和交通承載力是決定城市運行效率的關鍵，從而同樣也會影響到城市的開發強度。大量實踐案例證明，地塊容積率和地塊周邊的最大交通量往往呈現出非常高的關聯性，即容積率高的地塊周邊城市道路的交通量大。而以往的城市總體規劃編制過程中，城市道路系統規劃和城市密度系統規劃并未結合考慮，這將使得預測出的城市開發強度指標與道路承載力可能發生不匹配，從而帶來局部地段由于密度過高造成交通壓力增大的問題。本研究試圖通過對城市道路系統規劃與城市密度分布的動態匹配與調整探索二者間的技術整合。

圖6　中心城區規劃期末交通量分配

研究的技術路線從兩個層面展開：首先，對中心城區現狀交通情況進行調查，重點調查對象為居民出行特征及意愿調查、道路交通量調查，道路交通量數據來源為交通管理部門提供的各路段道路車流量監控；其次，通過對中心城區各路段現狀交通量數據的整理分析得出城市現狀OD模型，計算出相關的參數值；再次，通過TransCAD軟件平臺下的出行生成、出行分布、出行方式劃分和交通分配“四階段法”對規劃期末城區道路的交通量進行分配（圖6）。通過圖6可以發現，在局部地區出現了交通壓力過大的情況，說明城市中居住區和就業區（主要指工業區）之間的交通聯系過于薄弱，典型的帶形城市特征和過于集中的就業區域造成了嚴重的交通問題；最后，在交通小區（TAZ）層面將各條道路分配到的交通量分別與其圍合形成地塊的開發強度指標進行對比分析，并結合用地功能同時對道路、密度和用地布局進行同步動態調整，從而實現二者系統的協調發展（表3，表4）。

表3　基于交通量預測的人口密度和開發強度（居住地塊）調整

表4　中心城區道路系統的調整

3　結語

對于中小城市而言，城市總體規劃編制層面的DAD技術涉及多個方面，如生態安全格局建構技術、空間管制技術、城市規模確定、城市空間結構優化技術、城市設計要素量化提取技術、城市道路網系統優化調整技術等。雖然單一過程的DAD能夠在一定程度上使規劃編制在技術方法上提升與創新，但由于城市總體規劃本身的復雜性和綜合性特點，不論任何環節、任何層面的技術創新與數據驅動都無法從整體上使城市總體規劃編制在技術理性層面上升到一個新的高度。為了實現這一目標，必須將上述所有數據驅動技術整合到一個框架體系內，相互之間進行綜合動態協調，當采用不同的數據增強設計技術產生的結果發生互相矛盾時，應當秉承“環境優先、以人為本”的根本性規劃設計理念，優先選擇對環境保護和社會關懷有直接影響的技術方法，通過規劃設計人員的主觀判斷確定技術價值取向，從而與目前和未來一段時期城市規劃的整體發展目標相適應。

國家層面“新常態”發展和新型城鎮化對城市發展價值取向的轉變需要新的城市規劃理念、方法與技術來應對，信息時代的社會變革也要求規劃設計更應該重視對各類新數據的挖掘和應用，本文通過實證說明數據增強設計在一定程度上是對這一變革的探索性應對。但需要指出的是，數據增強設計技術面對城市系統的復雜性目前仍處于起步階段，不僅需要在技術方法優化特別是不同技術整合上進行深入的分析，還需要對新的數據來源和新的數據類型進行挖掘，結合具有一定特點的案例進行多層次、多維度的實證分析，使得數據增強設計在理念、方法、技術、實踐等方面同步發展。此外，在重視和合理、有效利用新數據進行增強設計的同時，也不能忽視傳統數據對城市規劃技術方法的支撐作用，應將二者辯證、協同使用，才能在新數據環境下面對復雜、易變的社會復雜巨系統，為城市空間分析和城市規劃提供全面、科學的依據。

References

[1]龍瀛，沈堯.數據增強設計——新數據環境下的規劃設計回應與改變[J].上海城市規劃，2015 （2）：81-87. LONG Ying, SHEN Yao. Data Augmented Design: urban planning and design in the new data environment[J].Shanghai Urban Planning Review, 2015 (2): 81-87.

[2]李曉文，胡遠滿，肖篤寧.景觀生態學與生物多樣性保護[J].生態學報，1999（5）：399-407. LI Xiaowen, HU Yuanman, XIAO Duning. Landscape ecology and biodiversity conservation[J]. Acta Ecologica Sinica, 1999 (5): 399-407.

[3]鈕心毅，丁亮，宋小冬.基于手機數據識別上海中心城的城市空間結構[J].城市規劃學刊，2014 （6）：61-67. NIU Xinyi, DING Liang, SONG Xiaodong. Understanding urban spatial structure of Shanghai Central City based on mobile phone data[J]. Urban Planning Forum, 2014 (6): 61-67.

[4]朱東風.城市空間發展的拓撲分析——以蘇州為例[M].南京：東南大學出版社，2007. ZHU Dongfeng. Topological analysis of urban spatial development——take Suzhou as an example[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2007.

An Exploration of Technical Response of Data Augmented Design in Urban Master Planning for Medium and Small Cities

1673-8985（2016）03-0017-05 中圖分類號TU981 文獻標識碼A

鄭曉偉

西安建筑科技大學建筑學院 城市體驗、模擬與分析實驗中心

主任，講師，博士

國家自然科學基金項目“陜北黃土溝壑區縣城空間適宜性生長方法研究（51408471）”資助。