基于城建檔案的空間決策分析總體設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭 靜，陸生強(qiáng)，陳小聰，陳 婷

（1.廣州城市信息研究所有限公司，廣東 廣州 510665）

城建檔案記錄與見證了城市的各項(xiàng)規(guī)劃與建設(shè)工作，也為其制定決策提供了重要的參考依據(jù)。隨著社會信息化和計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用的發(fā)展普及，城建檔案的管理模式已逐步由純?nèi)斯す芾磉^渡至計(jì)算機(jī)條目式管理，并向基于城建檔案大數(shù)據(jù)的電子化數(shù)據(jù)化管理發(fā)展[1]。城建檔案包括大量時空特征和屬性信息[2]，地上/地下城市建（構(gòu)）筑物的檔案資料都必須先記錄其空間位置和年代信息，再錄入其他檔案信息[3]。將GIS技術(shù)引入城建檔案管理是城建檔案信息化的必經(jīng)之路[4]。

1 城建檔案信息化現(xiàn)狀

2004年《全國城建檔案信息化建設(shè)規(guī)劃與實(shí)施綱要》把城建檔案信息化建設(shè)納入全國建設(shè)事業(yè)信息化建設(shè)的總框架中，要求全國各地的城建檔案館以數(shù)字化城建檔案館建設(shè)為方向。為落實(shí)該項(xiàng)工作要求，各地陸續(xù)開展基于GIS 技術(shù)的城建檔案信息化工程實(shí)踐[5]。青島市構(gòu)建了基于GIS 的城建檔案管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城建檔案圖文雙向可視化的管理模式[6]。佳木斯市構(gòu)建了基于天地圖的城建檔案管理信息系統(tǒng)，可在天地圖平臺上以專題圖的形式展示和查詢城建檔案數(shù)據(jù)[7]。南寧市基于GIS 和BIM 技術(shù)搭建了城建檔案大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)了城建檔案多維度查詢、聯(lián)合接收[8]。成都市基于GIS 技術(shù)建立了數(shù)字城建檔案統(tǒng)一管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了檔案審查、著錄、檢查、入庫、管理、查詢利用的一體化管理[9]。廣州市開發(fā)了基于移動GIS技術(shù)的城建檔案應(yīng)用，可在移動終端上檢索、分析各類城建檔案數(shù)據(jù)[10]。總體來看，全國分別基于局域網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)、因特網(wǎng)平臺，建成了集檔案目錄中心、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、檔案利用平臺、檔案網(wǎng)站信息發(fā)布為一體的檔案信息化體系。絕大多數(shù)城建檔案館通過自主開發(fā)或引進(jìn)建立了各類城建檔案信息管理系統(tǒng)。雖然城建檔案信息化工作有了一定成績，但對于多年累積的龐大繁雜的數(shù)據(jù)，僅停留在收集、存儲和簡單查詢利用上，缺少有效手段和方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和交叉整理，對數(shù)據(jù)的有效利用與開發(fā)走入了“瓶頸期”。因此，如何充分利用和構(gòu)建已有各類信息數(shù)據(jù)，有效集成已有信息系統(tǒng)，從管理思想、方式和手段上進(jìn)行變革，使城建檔案信息化管理水平與服務(wù)能力獲得一個“質(zhì)”的飛躍，是目前亟待解決的課題。本文通過研究基于城建檔案的空間決策分析的關(guān)鍵技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)分析、聚類分析等空間分析方法，探索“圖檔一體”的空間決策分析應(yīng)用實(shí)踐，挖掘城建檔案蘊(yùn)含的時空關(guān)系和規(guī)律，為城建檔案利用提供一種新思路，為城市決策提供技術(shù)支撐。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 城建檔案數(shù)據(jù)庫框架設(shè)計(jì)

城建檔案中蘊(yùn)含著豐富的信息資源，建立各類信息數(shù)據(jù)庫，是發(fā)揮城建檔案作用的基礎(chǔ)。目前各地建設(shè)管理部門都在開發(fā)建設(shè)系統(tǒng)、行政審批和技術(shù)共享的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)較少；但建設(shè)中各行業(yè)的交叉很多，如企業(yè)信用、專業(yè)人員資質(zhì)等內(nèi)容重合。因此，本文在該類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之上建立多元數(shù)據(jù)庫，供各類數(shù)據(jù)集成與開發(fā)，是城建檔案數(shù)據(jù)庫框架的主要內(nèi)容。首先對電子檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換，形成結(jié)構(gòu)化的檔案基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)包的方式進(jìn)行組織，構(gòu)建檔案基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，同一工程項(xiàng)目的檔案屬性材料打包到一個數(shù)據(jù)包；然后在檔案基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提取、關(guān)聯(lián)整合重要的、關(guān)鍵的、具有應(yīng)用價(jià)值的數(shù)據(jù)，構(gòu)建綜合數(shù)據(jù)庫，并提取其中涉及的空間數(shù)據(jù)，將檔案數(shù)據(jù)落到地圖上，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫；最后基于統(tǒng)一的編碼體系，建立空間數(shù)據(jù)與綜合數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為后續(xù)城建檔案基于空間的決策分析應(yīng)用打下良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。城建檔案的數(shù)據(jù)框架見圖1。

圖1 城建檔案的數(shù)據(jù)框架

統(tǒng)一的編碼體系是指城建檔案空間實(shí)體與城建檔案數(shù)據(jù)包的編碼是統(tǒng)一且唯一的，城建檔案空間實(shí)體通過統(tǒng)一編碼可關(guān)聯(lián)對應(yīng)城建檔案數(shù)據(jù)包主表。城建檔案數(shù)據(jù)包主表記錄了城建檔案數(shù)據(jù)包內(nèi)各種屬性表的對應(yīng)關(guān)系，因此城建檔案空間業(yè)務(wù)實(shí)體通過統(tǒng)一編碼，可關(guān)聯(lián)城建檔案數(shù)據(jù)包的各種屬性表，從而實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)整合。

2.2 多級編碼體系的城建檔案關(guān)聯(lián)融合數(shù)據(jù)模型

城建檔案只有建立數(shù)據(jù)間的有效關(guān)聯(lián)，才能滿足數(shù)據(jù)分析和利用的要求[11]。本文按照工程項(xiàng)目、單位工程、建筑物3 個層級制定編碼體系來關(guān)聯(lián)工程檔案數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)檔案數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。縱向上，一個項(xiàng)目包含一個或多個單位工程，二者通過工程項(xiàng)目編碼關(guān)聯(lián)；一個單位工程包含一個或多個建筑物單體，二者通過單位工程編碼關(guān)聯(lián)。橫向上，通過項(xiàng)目編碼來關(guān)聯(lián)項(xiàng)目用地紅線空間數(shù)據(jù)、項(xiàng)目級業(yè)務(wù)檔案和工程檔案數(shù)據(jù)；通過單位工程編碼來關(guān)聯(lián)工程級業(yè)務(wù)檔案數(shù)據(jù)和工程檔案數(shù)據(jù)；通過建筑物編碼來關(guān)聯(lián)建筑物基底面、三維模型和BIM模型等空間數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)城建檔案空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和電子檔案數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)融合，構(gòu)建多級編碼體系（圖2）的城建檔案關(guān)聯(lián)融合數(shù)據(jù)模型。

圖2 城建檔案多級編碼體系

工程項(xiàng)目空間實(shí)體對應(yīng)的是用地紅線數(shù)據(jù)，1 個工程項(xiàng)目空間實(shí)體對應(yīng)1 個用地紅線數(shù)據(jù)；工程項(xiàng)目城建檔案對應(yīng)的是工程檔案和業(yè)務(wù)檔案，1 個工程項(xiàng)目城建檔案對應(yīng)1 套工程項(xiàng)目的工程檔案和1 套業(yè)務(wù)檔案；工程項(xiàng)目空間實(shí)體與城建檔案是1∶1 的關(guān)系，即1 個工程項(xiàng)目空間實(shí)體對應(yīng)1 套城建檔案數(shù)據(jù)，工程項(xiàng)目空間實(shí)體與城建檔案通過統(tǒng)一的工程項(xiàng)目編碼，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目空間與屬性的關(guān)聯(lián)。單位工程空間實(shí)體對應(yīng)的是建筑物數(shù)據(jù)，二者是1∶N的關(guān)系，即1個單位工程空間實(shí)體對應(yīng)N個建筑物數(shù)據(jù)；單位工程城建檔案對應(yīng)的是工程檔案和業(yè)務(wù)檔案，1 個單位工程城建檔案對應(yīng)1 套單位工程的工程檔案和1 套業(yè)務(wù)檔案；單位工程空間實(shí)體與城建檔案是1∶1 的關(guān)系，即1 個單位工程空間實(shí)體對應(yīng)1 套城建檔案數(shù)據(jù)，單位工程空間實(shí)體與城建檔案通過統(tǒng)一的單位工程編碼，實(shí)現(xiàn)單位工程空間與屬性的關(guān)聯(lián)。工程項(xiàng)目與單位工程是1∶N的關(guān)系，即1個工程項(xiàng)目包含N個單位工程。單位工程編碼是在工程項(xiàng)目編碼的基礎(chǔ)上加3 位單位工程順序碼，通過統(tǒng)一的編碼體系實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目與單位工程的關(guān)聯(lián)。

2.3 城建檔案“收、管、用”全周期業(yè)務(wù)閉環(huán)

城建檔案貫穿建設(shè)項(xiàng)目從選址到竣工驗(yàn)收的全過程（圖3），涉及的專業(yè)部門多、時間跨度長。本文圍繞城建檔案收集、管理和應(yīng)用業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)了集檔案進(jìn)館登記、關(guān)聯(lián)融合管理、綜合分析應(yīng)用于一體的城建檔案全周期業(yè)務(wù)應(yīng)用。檔案收集環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)人員通過抽取—轉(zhuǎn)換—加載（ETL）技術(shù)集成整合電子文件數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)；檔案管理環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)人員結(jié)合GIS和多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合技術(shù)，通過建筑編碼體系實(shí)現(xiàn)檔案的空間化、規(guī)范化、關(guān)聯(lián)化管理；檔案應(yīng)用環(huán)節(jié)通過數(shù)據(jù)分析挖掘和可視化技術(shù)，為檔案使用人員提供基于城建檔案的綜合查詢分析，并在檔案應(yīng)用過程中，建立問題反饋機(jī)制，促使檔案使用人員將檔案數(shù)據(jù)存在的規(guī)范性、完整性問題反饋給檔案收集的業(yè)務(wù)人員，從而推進(jìn)業(yè)務(wù)人員在檔案收集過程中對源頭數(shù)據(jù)收集和提取過程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成“以用促建、以建促用”的良性發(fā)展模式。

圖3 城建檔案“收、管、用”全周期業(yè)務(wù)流程

統(tǒng)一建筑編碼管理系統(tǒng)和電子檔案入庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)融合的技術(shù)支撐。統(tǒng)一建筑物編碼管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對空間實(shí)體的統(tǒng)一賦碼，在同步檔案登記數(shù)據(jù)后，提供用戶導(dǎo)入工程圖紙（工程規(guī)劃許可證或詳規(guī)圖）進(jìn)行地理配準(zhǔn)，勾繪項(xiàng)目紅線與建筑物基底圖斑；圖斑繪制完成后系統(tǒng)基于空間范圍的包含關(guān)系自動生成編碼。電子檔案入庫工具實(shí)現(xiàn)電子檔案數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)化入庫存儲，并掛接到空間實(shí)體，生成與空間實(shí)體對應(yīng)的編碼，從而實(shí)現(xiàn)空間實(shí)體與城建檔案數(shù)據(jù)包的關(guān)聯(lián)，支撐建筑物查詢定位、電子檔案調(diào)閱等。

2.4 “圖檔”一體可視化空間決策分析

國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)的基于GIS 技術(shù)的城建檔案系統(tǒng)，大多僅實(shí)現(xiàn)了城建檔案的查詢、管理功能，對檔案內(nèi)容的分析較少，檔案資源開發(fā)利用有待提高[12]。本文利用時空數(shù)據(jù)挖掘方法和手段，建立分類、聚合、回歸、預(yù)測、關(guān)聯(lián)等數(shù)據(jù)挖掘模型，以分析城建檔案數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的時空模式、特征和規(guī)律；采用多視圖整合的方式，直觀表現(xiàn)抽象關(guān)系和規(guī)律，支撐海量城建檔案數(shù)據(jù)分專題、多維度、圖屬聯(lián)動的空間決策分析應(yīng)用，以提升城建檔案數(shù)據(jù)利用的深度與廣度。

空間決策分析模型總體上分為統(tǒng)計(jì)分析模型和空間分析模型，前者可按指定分類字段和統(tǒng)計(jì)字段對城建檔案內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；后者可對城建檔案的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合分析、聚類分析、網(wǎng)絡(luò)分析、格網(wǎng)分析、空間密度分析等空間分析。核密度分析模型和交通空間可達(dá)性分析模型是城建檔案空間決策分析中應(yīng)用較廣泛的空間分析模型。

1）核密度分析模型。該模型的算法原理是根據(jù)輸入的點(diǎn)要素計(jì)算整個區(qū)域的數(shù)據(jù)聚集狀況，從而產(chǎn)生一個聯(lián)系的密度表面。理論上，每個點(diǎn)上方均覆蓋著一個平滑曲面，點(diǎn)所在位置處表面值最高，隨著與點(diǎn)距離的增大表面值逐漸減小，當(dāng)距離等于搜索半徑時表面值為零，曲面與下方平面圍成的空間的體積等于該點(diǎn)的屬性字段值。每個輸出柵格像元的密度均為疊加在柵格像元中心的所有核表面的值之和[13]，形成的核密度分析結(jié)果可為城市規(guī)劃、項(xiàng)目選址等方面提供決策參考。

2）交通空間可達(dá)性分析模型。該模型的原理是采用服務(wù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)分析法，計(jì)算以道路網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的建筑物在某個抗阻屬性下的覆蓋范圍。一個基本的網(wǎng)絡(luò)主要包括中心、連接、節(jié)點(diǎn)和阻力，本文以建筑物點(diǎn)要素為中心，以道路網(wǎng)絡(luò)為連接，以道路交點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，以道路移動所需時間為阻力，首先將路網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過道路中心線合并、創(chuàng)建要素?cái)?shù)據(jù)集、計(jì)算道路通行時間等處理，構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集；然后對交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集創(chuàng)建服務(wù)區(qū)，加載建筑物數(shù)據(jù)，設(shè)置抗阻屬性（距離或時間），進(jìn)行服務(wù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)分析，連接具有相同中斷值的多個建筑物的面，形成交通空間可達(dá)性分析結(jié)果，可為交通規(guī)劃、交通資源分配等方面提供決策參考。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 城市功能分區(qū)分析

城市功能分區(qū)將使用功能不同的城市用地合理地組織到一起，為城市生產(chǎn)、生活創(chuàng)造良好條件，是城市規(guī)劃過程中一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性工作。城市功能分區(qū)結(jié)構(gòu)研究可檢驗(yàn)城市用地功能是否合理，從而輔助優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)[14]，對城市空間規(guī)劃具有重要作用。本文基于大連城建檔案中的功能用地?cái)?shù)據(jù)、建筑用途數(shù)據(jù)，構(gòu)建綠地與廣場功能用地、居住功能用地、商業(yè)服務(wù)設(shè)施功能用地、公共管理與設(shè)施用地等專題圖層，建立專題圖層數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系；采用核密度分析模型，輸入大連建筑物數(shù)據(jù)對各類專題圖層進(jìn)行計(jì)算，將搜索半徑設(shè)置為200 m，得到居住用地、商服用地、公服用地等功能分區(qū)的建筑物聚集密度，以分析城市居住中心、商業(yè)中心的空間位置，有助于城市管理者總體把握城市功能用地的整體結(jié)構(gòu)和趨勢，更好地制定城市空間規(guī)劃決策。

3.2 城市公共服務(wù)設(shè)施（交通）可達(dá)性評價(jià)與規(guī)劃

推進(jìn)城市公共服務(wù)均等化，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)均衡的公共服務(wù)體系，是落實(shí)以人民為中心的發(fā)展思想、推動共同富裕的重要舉措。如何科學(xué)、有效、均等地對城市公共服務(wù)設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，如何滿足群眾多元化和個性化的公共服務(wù)需求，如何優(yōu)化城市公共服務(wù)空間配置，是城市公共服務(wù)評價(jià)和規(guī)劃的重點(diǎn)和難點(diǎn)。交通是一個重要的、關(guān)系國計(jì)民生的核心基礎(chǔ)設(shè)施，交通可達(dá)性是評價(jià)區(qū)域交通服務(wù)的重要維度。因此，本文基于大連城建檔案的建筑物數(shù)據(jù)、交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用交通空間可達(dá)性分析模型，將抗阻距離設(shè)置為1 000 m、1 500 m、2 000 m，抗阻時間設(shè)置為5 min、10 min、20 min，生成大連交通空間可達(dá)性分析結(jié)果，以輔助評估大連公共交通服務(wù)能力與實(shí)際需求能力的差別，為大連城市規(guī)劃合理性提供空間決策支持。

4 結(jié)語

本文立足于城建檔案信息化現(xiàn)狀，研究了基于城建檔案的空間決策分析總體設(shè)計(jì)，探索了“圖檔”一體的空間決策分析應(yīng)用實(shí)踐，挖掘了城建檔案中蘊(yùn)含的時空關(guān)系和規(guī)律，為城市決策提供了技術(shù)支撐。今后還需進(jìn)一步結(jié)合知識圖譜、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，提升城建檔案管理工作的“知識化”和“智能化”。