超大城市空間治理關鍵技術研究及應用

王 淼 楊梅子 楊旭東 蔡 彩 吳 霜 丁燕杰

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038;3. 北京建筑大學, 北京 100044)

0 引言

城市是一個集多種要素和問題的聚合系統(tǒng),人口的大量集聚、城鎮(zhèn)化加速推進,城市安全風險愈發(fā)錯綜復雜,且城市災害具有多發(fā)性、多樣性、復雜性、疊加性、衍生性和傳導性,對城市的治理必須從源頭治理、系統(tǒng)治理[1]。我國城市以占國土面積0.85%的空間,集聚了64%的常住人口,創(chuàng)造了75%的經(jīng)濟總量、95%的技術創(chuàng)新能力[2]。隨著我國城市化進程迅猛發(fā)展,城市環(huán)境污染、交通擁堵、房價過高、水資源短缺、管理粗放和應急遲緩等大城市病日益嚴峻,阻礙了城市可持續(xù)發(fā)展[3]。2016年以來,以北京為代表的超大城市總體規(guī)劃、控制規(guī)劃得到批復,對城市病及城市空間治理提出更高的要求。

隨著推進國家治理體系與治理能力現(xiàn)代化的深刻變革,學界積極對城市空間治理開展了相關研究。在概念上,城市空間治理的理念已逐步向正義轉變,城市的空間不公正帶來社會不公正[4];在治理模式上,城市空間治理模式也隨之不斷演變[5],多元利益群體之間相互博弈,從沖突、斗爭逐漸走向互動、協(xié)調(diào)、合作;治理對象方面,我國的內(nèi)城老舊住宅區(qū)、保障性安置住區(qū)[6]、城中村以及特殊經(jīng)濟空間如新城區(qū)[7]等都是空間治理的對象。

我國是超大城市(常住人口1 000萬以上)最多的國家,超大城市作為我國城鎮(zhèn)體系中的“頭部”城市,其空間治理關乎國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化建設是推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要內(nèi)容[8]。2014—2021年,面向超大城市空間治理需求,北京市測繪設計研究院等單位綜合運用空間大數(shù)據(jù)技術,開展超大城市空間治理基礎理論方法、評估內(nèi)容指標、分析評價模型、數(shù)據(jù)處理與挖掘、系統(tǒng)平臺等的研發(fā)和集成創(chuàng)新,成果在首都“一總規(guī)”“兩控規(guī)”的編制、實施、評估和超大城市空間治理中得到全面應用,在上海、重慶、武漢等多個超大城市得到推廣,推動了超大城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化水平。

1 研究思路

1.1 研究目標

超大城市空間治理的本質(zhì)是對超大城市社會空間秩序、城市生活環(huán)境質(zhì)量的控制[9]。課題組針對城市規(guī)劃實施評估、大城市病治理等超大城市空間治理需求,項目綜合運用空間大數(shù)據(jù)技術,開展城市空間治理理論方法、評估指標體系、模型庫、大數(shù)據(jù)空間治理平臺和系列治理技術等研究,形成城市空間大數(shù)據(jù)治理的一整套標準規(guī)范、技術架構、模型方法、軟件平臺,為城市“人—地—房—設施”空間格局規(guī)劃治理、城市公共服務設施區(qū)域協(xié)調(diào)治理、城市建設空間環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測治理[10]、城市空間環(huán)境的預測治理、城市生態(tài)的空間管控、城市街道環(huán)境評估治理及資源配置協(xié)調(diào)機制、治理模式與效果評價等提供完整、先進的解決方案，總體研究思路見圖1。

圖1 總體研究思路

1.2 總體研究思路

按照“問題治理—模型方法—數(shù)據(jù)融合—技術研發(fā)”的總體思路,面向超大城市空間治理需求,綜合運用空間大數(shù)據(jù)技術,構建了城市空間治理理論方法、評估指標體系、模型庫、大數(shù)據(jù)空間治理平臺和系列創(chuàng)新技術,并在超大城市空間治理多個應用場景開展了系列定量分析評估和典型應用,形成了城市空間治理理論、指標、模型、動態(tài)多元評估分析方法及“規(guī)劃、診斷、治理”的成功案例[11]。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 研究城市空間治理理論方法

針對人口擁擠等超大城市病及城市發(fā)展不平衡不充分等問題,發(fā)展了城市空間均衡性及公平性理論,提出了城市公共空間異化、公共服務設施空間公平性、空間資源社會剝奪等時空大數(shù)據(jù)測度方法[12],開展了城市空間格局、公共資源空間均衡及公平性的量化評估,提高了城市空間治理的針對性和實效性。

在生態(tài)格局分析與評估,提出了面向生態(tài)、生產(chǎn)、生活“三生空間”的綜合生態(tài)格局分析與評估指標體系,打造創(chuàng)新、綠色、智慧城市。在生態(tài)空間動態(tài)監(jiān)管方面,研究多時相遙感和估算區(qū)域植被凈生產(chǎn)力模型(carnegie-ames-stanford approach,CASA)模型的生態(tài)空間動態(tài)監(jiān)管理論,實現(xiàn)對北京市生態(tài)紅線保護區(qū)內(nèi)植被凈第一生產(chǎn)力進行高分辨率的模擬[13-14]。在生態(tài)空間修復方面,基于生態(tài)本底及受損空間生態(tài)演化,研究受損生態(tài)空間修復目標和生態(tài)完整性恢復評估指標,實現(xiàn)生態(tài)涵養(yǎng)功能提升和優(yōu)化配置誘導評估。

研究了基于土地利用、公共交通導向、公共健康促進等多個方面的理論方法,拓展了傳統(tǒng)城鄉(xiāng)規(guī)劃學科中對城市空間的演化理解。

探索基于時空大數(shù)據(jù)的“現(xiàn)狀-規(guī)劃-評估-治理-再評估”機制,制定“市-區(qū)-街鄉(xiāng)鎮(zhèn)-社區(qū)-小區(qū)”多級評估方案,開展時空大數(shù)據(jù)首都城市空間治理模式研究。

2.2 制定城市空間治理評估指標體系

綜合市級、區(qū)級、街鄉(xiāng)鎮(zhèn)、社區(qū)、小區(qū)等尺度在城市空間治理評估中的不同側重,研究建立了五級超大城市空間治理評估指標體系,包括指標選取、指標值測算方法、指標參考確定等，詳見圖2。

圖2 城市空間治理評估指標

2.3 建立多維度多時態(tài)的耦合分析模型庫

研究建立適用于超大城市的評估模型方法庫,包括10大項100多個模型的空間分析模型、業(yè)務分析模型和數(shù)據(jù)分析模型等。空間分析模型指傳統(tǒng)的空間統(tǒng)計分析模型,主要解決空間數(shù)據(jù)的基本分析問題。在業(yè)務分析模型中,以專項業(yè)務為導向分別建立了相應專項模型,如就業(yè)人口分析模型、交通流量統(tǒng)計模型和城市安全綜合評價模型等。創(chuàng)新了城市公共設施覆蓋輻射指數(shù)[10]、基于實時大數(shù)據(jù)的通勤特征、自行車通行環(huán)境監(jiān)測與評價和城市街道環(huán)境評價等專業(yè)分析模型。

2.4 研發(fā)智能化處理、知識挖掘與動態(tài)更新技術

研究物聯(lián)網(wǎng)傳感器動態(tài)監(jiān)測及分析、海量空間數(shù)據(jù)的自動分析、快速建模和深度挖掘、基于空間位置和語義融合多源數(shù)據(jù)集成、基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型的遙感影像分類和變化檢測、基于多源數(shù)據(jù)的地塊圖斑變化檢測、基于自然語言處理的知識挖掘等城市空間治理時空大數(shù)據(jù)關鍵技術[11],匯集整合城市發(fā)展相關的各類大數(shù)據(jù),建立定量化、動態(tài)化的城市空間治理綜合數(shù)據(jù)庫[15]，如圖3所示。

圖3 空間位置和語義融合多源數(shù)據(jù)集成

2.5 建設空間大數(shù)據(jù)治理平臺

基于大數(shù)據(jù)手段和時空技術,研究一套從數(shù)據(jù)獲取、管理、分析,到指標自動化計算,再到數(shù)據(jù)空間化、直觀動態(tài)展現(xiàn)的一系技術方案,開發(fā)一系列城市空間治理軟件,滿足不同層面用戶的需求,最終實現(xiàn)對總體規(guī)劃中各項指標進行實時監(jiān)測,定期反饋和修正，如圖4所示。

圖4 城市空間治理平臺內(nèi)容

3 關鍵技術創(chuàng)新

3.1 時空大數(shù)據(jù)超大城市空間治理理論方法

提出了城市公共空間異化、公共服務設施空間公平性、空間資源社會剝奪等時空大數(shù)據(jù)測度理論,研究了基于多時相遙感和CASA模型的生態(tài)空間動態(tài)監(jiān)管方法,聯(lián)合馬爾科夫鏈(Markov)和元胞自動機(cellular automata,CA)模型形成CA-Markov鏈預測模型,開展土地利用變化模擬預測,為超大城市空間治理提供了理論基礎。

3.2 時空大數(shù)據(jù)超大城市空間治理評估指標體系

率先提出了“市-區(qū)-街鄉(xiāng)鎮(zhèn)-社區(qū)-小區(qū)”五級城市空間治理評估指標體系、測度方法和判定標準,形成了公共服務設施協(xié)調(diào)發(fā)展、城市職住平衡空間差異性和超大城市健康品質(zhì)評估指標,為超大城市空間治理評估分析提供了標準。建筑規(guī)模指標首次作為總量和控制指標寫入北京城市總體規(guī)劃和分區(qū)規(guī)劃。

3.3 “人-地-房-設施”耦合分析評估模型方法

構建了城市公共設施空間覆蓋輻射指數(shù),計算一定半徑范圍內(nèi)學校、醫(yī)院、文化設施等城市公共設施的覆蓋輻射指數(shù),體現(xiàn)城市公共設施在一定空間范圍內(nèi)的服務能力;提出基于手機信令數(shù)據(jù)的職住識別與分析方法,建立手機基站信號與管理單元/分析區(qū)域的相互映射關系,識別其白天和夜間出行概率最好的地理位置,近似估計其居住地與工作地[16];構建了居住、就業(yè)、公共服務、道路、職住匹配等綜合人口承載力P-S-R空間評價模型,建成了多維度多時態(tài)“人-地-房-設施”耦合分析評估模型方法庫(10大專題、100多個模型),支撐了超大城市空間治理評估分析。

3.4 時空大數(shù)據(jù)超大城市空間治理技術

研發(fā)了多尺度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的復雜城區(qū)單體建筑提取及變化檢測、城市海量個體出行數(shù)據(jù)挖掘[17]、街景視覺可步性測算[18-19]等技術方法,突破了眾源異構時空數(shù)據(jù)的智能化處理、知識挖掘與動態(tài)更新技術,建成了眾源異構時空數(shù)據(jù)的城市空間治理平臺,支撐了超大城市空間治理的智能評估。

4 結束語

項目構建了城市空間治理理論方法、評估指標體系、模型庫和系列創(chuàng)新技術,支撐相關城市空間治理工作順利開展,具有廣泛的應用前景。重點服務規(guī)劃實施評估、大城市病治理、生態(tài)環(huán)境保護、城市空間布局優(yōu)化、資源利用效率提升和措施安全管理,促進測繪地理信息行業(yè)的融合發(fā)展。提升了城市品質(zhì)、助力空間公平正義、優(yōu)化營商環(huán)境、增強城市韌性,提高首都等超大城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化水平。

城市治理是一項復雜的系統(tǒng)工程。本文所討論的城市空間治理主要集中于城市物質(zhì)空間特別是住區(qū)空間、特殊空間等較大空間范圍上,側重于治理特征、城市政體、城市規(guī)劃及空間結構等方面,但國內(nèi)外城市空間治理的理念都轉向了以人為本和社會公平正義,體現(xiàn)以人為本中心的經(jīng)濟、物質(zhì)環(huán)境、社會關系等空間治理特征及趨勢還沒有深入研究。同時,隨著新一代信息技術和自然資源管理深度融合發(fā)展,后續(xù)還需進一步開展更大尺度、更精細化、更精準化、更加智能化的超大城市空間治理理論與技術方法研究,服務特大城市高質(zhì)量發(fā)展。