翟 健, 金曉春
(1.中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 學(xué)術(shù)信息中心,北京 100044)
基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的空間分析,即基于矢量的地圖疊加、簡(jiǎn)單緩沖區(qū)和類似的基本操作,基于柵格的濾波、地圖代數(shù)操作等。這些技術(shù)涉及按照簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)則處理一個(gè)或多個(gè)圖層,生成一個(gè)新的圖層。空間分析中涉及的統(tǒng)計(jì)概念往往包括描述性統(tǒng)計(jì),如單元數(shù)量、均差、方差、最大值、最小值、累積值、頻率、一系列其他度量和距離計(jì)算及專門用于空間數(shù)據(jù)和時(shí)空數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計(jì)技術(shù)(描述性技術(shù)、探測(cè)性技術(shù)、解釋性技術(shù)和預(yù)測(cè)性技術(shù))[1,2]。
應(yīng)用現(xiàn)狀涉及數(shù)學(xué)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析2個(gè)層面。
數(shù)學(xué)計(jì)算通常是按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)則,針對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行地形分析、水網(wǎng)及流域分析、密度分析、緩沖區(qū)分析、插值計(jì)算、圖層疊置及其他一些度量和計(jì)算操作,從而改變?cè)瓐D層屬性或直接生成新的圖層;針對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),按照預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則,計(jì)算出最優(yōu)方案,解決選址選線、服務(wù)區(qū)劃分等問(wèn)題。具體對(duì)應(yīng)到城市規(guī)劃項(xiàng)目中,解決的是“基本地形地勢(shì)分析”、“人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的空間分布模擬”、“公共設(shè)施服務(wù)半徑”等方面的問(wèn)題。
統(tǒng)計(jì)分析包括描述性統(tǒng)計(jì)或針對(duì)空間數(shù)據(jù)和時(shí)空數(shù)據(jù)的探測(cè)性、解釋性及預(yù)測(cè)性統(tǒng)計(jì)分析。描述性統(tǒng)計(jì)包括計(jì)數(shù)、極值、累積、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等,針對(duì)柵格數(shù)據(jù),上述描述性統(tǒng)計(jì)也可在設(shè)定的鄰域范圍內(nèi)或多層數(shù)據(jù)之間進(jìn)行。更豐富的統(tǒng)計(jì)分析涉及熱點(diǎn)分析、聚類分析、空間自相關(guān)分析、回歸分析等內(nèi)容。具體對(duì)應(yīng)到城市規(guī)劃項(xiàng)目中,解決的是較深入的“地形地勢(shì)分析”(地表曲率、起伏度等指標(biāo))、區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的“空間自相關(guān)分析”、“熱點(diǎn)區(qū)域分析”等方面的問(wèn)題。
基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的空間分析在實(shí)踐應(yīng)用中遇到的最大難題就是可獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。在圖形方面,矢量數(shù)據(jù)少,有空間信息的柵格數(shù)據(jù)少,即使有矢量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)本身在拓?fù)潢P(guān)系等方面也需較大的前期處理工作;在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方面,存在各部門各層級(jí)間數(shù)據(jù)共享不暢、數(shù)據(jù)難以獲取以及各地區(qū)各層級(jí)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一降低了數(shù)據(jù)可比性等問(wèn)題;并且統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性較差,很多統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難以落實(shí)到空間單元上,而很多重要的空間單元又缺乏相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)信息。
分析領(lǐng)域的擴(kuò)展包括分析指標(biāo)的多樣化和統(tǒng)計(jì)分析的深度2個(gè)層面。
從分析指標(biāo)的多樣化來(lái)看,目前的空間分析存在以下特點(diǎn):①關(guān)注點(diǎn)較單一,表現(xiàn)為數(shù)據(jù)領(lǐng)域和數(shù)據(jù)構(gòu)成的單一。目前基于GIS的空間分析所用到的數(shù)據(jù)大多集中在人口、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)等方面,且從數(shù)據(jù)構(gòu)成上以單一指標(biāo)或比例指標(biāo)為主。②關(guān)聯(lián)性分析不足,尚未充分發(fā)揮GIS對(duì)各種空間數(shù)據(jù)的比照、疊置、關(guān)聯(lián)分析的突出優(yōu)勢(shì)。
隨著宏觀發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變,城市規(guī)劃本身的關(guān)注點(diǎn)也在擴(kuò)展、深化或轉(zhuǎn)移。這些都使得GIS空間分析的數(shù)據(jù)對(duì)象,除人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)方面的基本信息外,還應(yīng)具有更廣闊的視野。同時(shí),要加強(qiáng)綜合性指標(biāo)的應(yīng)用,善于進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)分析,充分發(fā)揮GIS的優(yōu)勢(shì)。
在開(kāi)封市城市總體規(guī)劃中,通過(guò)人口年齡構(gòu)成、近期遷移情況、教育結(jié)構(gòu)、職業(yè)結(jié)構(gòu)等多方面的空間信息(見(jiàn)圖1),來(lái)綜合考量城市市區(qū)范圍內(nèi)的教育、養(yǎng)老及各類公共設(shè)施的空間區(qū)位以及類型、數(shù)量、規(guī)模的配置(見(jiàn)圖2),做到以人為本,有的放矢。
圖1 開(kāi)封市區(qū)人口分布特征空間分析示意圖
圖2 開(kāi)封市區(qū)公共設(shè)施布局示意圖
在舟山市金塘島總體規(guī)劃中,根據(jù)產(chǎn)業(yè)和物流園區(qū)的建設(shè)時(shí)序(見(jiàn)圖3 a),來(lái)考慮不同空間位置上的村莊整治類型和措施,劃分改造提升區(qū)、整合集中區(qū)、適時(shí)遷移區(qū)及嚴(yán)格控制區(qū)等不同區(qū)域(見(jiàn)圖3b),盡可能避免或減少由產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不確定性給村鎮(zhèn)發(fā)展帶來(lái)的制約和風(fēng)險(xiǎn),處理好控制與發(fā)展的關(guān)系。
圖3 遠(yuǎn)景產(chǎn)業(yè)格局指引及農(nóng)村居民點(diǎn)分類指導(dǎo)圖
從統(tǒng)計(jì)分析的深度來(lái)看,不足體現(xiàn)在以下2個(gè)方面:①目前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的空間表達(dá)方式往往是點(diǎn)值圖、單一面值圖或點(diǎn)值圖基礎(chǔ)上的密度圖。實(shí)際上,如果很好地研究這些數(shù)據(jù)的空間分布規(guī)律,找到更加精確的“統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”與“空間單元”的對(duì)應(yīng)關(guān)系,就能將這些點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的空間插值或其他適宜的趨勢(shì)面分析,從而發(fā)現(xiàn)城鄉(xiāng)之間、建設(shè)用地與非建設(shè)用地之間、建設(shè)用地中的不同用地類型之間等更加豐富的空間層次中的數(shù)據(jù)價(jià)值,得到更加真實(shí)的空間分布規(guī)律。②對(duì)GIS進(jìn)行空間分析的數(shù)據(jù)結(jié)果,通常能進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述性統(tǒng)計(jì)分析,而進(jìn)一步的解釋性統(tǒng)計(jì)或具有探測(cè)性和預(yù)測(cè)性的統(tǒng)計(jì)挖掘還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,甚至在指標(biāo)選取是否恰當(dāng)、分析范圍的尺度是否合適、具體空間單元的劃分是否合適以及一些檢驗(yàn)方法的運(yùn)用上都需要深入研究。
以下數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)和方法,在城市規(guī)劃領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用空間:通過(guò)動(dòng)態(tài)窗口建立地理空間與數(shù)據(jù)空間之間聯(lián)系的交互刷新技術(shù);將統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過(guò)圖形方式予以表達(dá)的可視化探索性數(shù)據(jù)分析方法;包括全局角度的趨勢(shì)面分析方法、廣義回歸模型方法以及面向局部特征的地統(tǒng)計(jì)方法的空間連續(xù)數(shù)據(jù)分析方法;空間自相關(guān)分析以及考慮了空間距離要素的聚類分析、因子分析、判別分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法等。它們既是對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、聚集、趨勢(shì)、分類、異常識(shí)別、關(guān)系判斷的有效方法,也是對(duì)后續(xù)深入分析和建模的有效啟發(fā)。
在對(duì)專業(yè)知識(shí)充分理解的基礎(chǔ)上,具體的應(yīng)用方式和分析方法也需積極探索與創(chuàng)新,要充分挖掘和體現(xiàn)GIS空間分析在拓?fù)潢P(guān)系、三維分析、柵格與矢量的轉(zhuǎn)換應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)分析、地統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)空追蹤分析等方面的優(yōu)勢(shì)。
例如,應(yīng)用拓?fù)潢P(guān)系,可方便地對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切、疊置進(jìn)而對(duì)圖形上的屬性信息進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì),也可應(yīng)用拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行中心城市和外圍縣市的發(fā)展關(guān)系研究。在中國(guó)工程院“中國(guó)特色城鎮(zhèn)化道路發(fā)展戰(zhàn)略”項(xiàng)目中的“城鎮(zhèn)化發(fā)展的空間規(guī)劃和合理布局研究”中,利用空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系,方便提取出鄰接市區(qū)的縣(市)和不鄰接市區(qū)的縣(市),發(fā)現(xiàn)這2組不同的空間位置在經(jīng)濟(jì)增速及人均GDP等方面存在明顯差異;進(jìn)而分析了全國(guó)經(jīng)濟(jì)總量前50位的市區(qū)周邊的縣(市)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,從而成為認(rèn)識(shí)“人均GDP超越全國(guó)平均水平的縣市多分布于中心城市周邊,且在省級(jí)政策支持下,中心城市與周邊縣市一體化發(fā)展勢(shì)頭明顯”的輔助支撐之一。
又如,在石家莊空間發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中,項(xiàng)目組提出利用GIS提取城區(qū)用地功能結(jié)構(gòu)的需求。通常認(rèn)識(shí)中的密度分析只能針對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)或線數(shù)據(jù),而用地現(xiàn)狀圖是面狀數(shù)據(jù),于是嘗試將面狀數(shù)據(jù)按一定規(guī)則變換成點(diǎn)狀數(shù)據(jù),并賦予用地類型、開(kāi)發(fā)強(qiáng)度等屬性信息,再利用密度分析進(jìn)行提取功能結(jié)構(gòu)的工作(見(jiàn)圖4)。直觀地展現(xiàn)出現(xiàn)有中心城區(qū)的建設(shè)主要集中在城市二環(huán)路以內(nèi),各類城市功能混雜集中于面積約為100 km2的空間中,相互交織影響,進(jìn)而引發(fā)一系列城市發(fā)展問(wèn)題。
圖4 石家莊空間結(jié)構(gòu)的演變圖
當(dāng)然,這其中面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)狀數(shù)據(jù)的方式、開(kāi)發(fā)強(qiáng)度等屬性數(shù)據(jù)的權(quán)重、密度計(jì)算搜索半徑的設(shè)置、最后表達(dá)的各類功能核心聚集地的密度值的取舍等具體參數(shù)的設(shè)置都值得商討和研究。
模型是現(xiàn)實(shí)世界的表達(dá),模型的使用有助于理解、描述和預(yù)測(cè)世界中實(shí)物的發(fā)生、發(fā)展聯(lián)系,是普遍使用的認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界的方法和工具。模型具有普遍的意義,地圖、數(shù)學(xué)公式、流程圖、一組結(jié)構(gòu)化的概念等都是模型[3]。
基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的空間分析與基于模型的空間分析并不完全割裂,實(shí)質(zhì)上,前者是基礎(chǔ),往往包含于后者之中,有些數(shù)學(xué)計(jì)算正是空間分析模型的前幾個(gè)步驟,亦或有些統(tǒng)計(jì)分析正是空間分析模型的后幾個(gè)步驟??梢哉J(rèn)為,基于模型的空間分析是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的空間分析的深入發(fā)展。
基于流程模型的空間分析,建立在流程性的通用分析方法和規(guī)劃分析方法之上。流程性的通用分析方法包括一系列的系統(tǒng)分析方法、決策分析方法,如層次分析法、情景分析法、專家咨詢法等。流程性的規(guī)劃分析方法,有些是規(guī)劃及相關(guān)專業(yè)獨(dú)特的分析方法,如水文分析、人口規(guī)模預(yù)測(cè)等;有些是在上述通用分析方法的基礎(chǔ)上,形成的較完善的規(guī)劃應(yīng)用模式,有較固定的輸入輸出數(shù)據(jù)指標(biāo)和分析過(guò)程。具體對(duì)應(yīng)到城市規(guī)劃項(xiàng)目中,解決的是“流域劃分”、“水網(wǎng)分析”、“人口預(yù)測(cè)與分布模擬”、“生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)”、“用地適宜性評(píng)價(jià)”、“城鎮(zhèn)發(fā)展條件評(píng)價(jià)”、“城市職能分析”、“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析”等方面的問(wèn)題。
基于理論模型的空間分析,涉及模型建立的依據(jù)是通用基礎(chǔ)理論(空間相互作用關(guān)系理論)和規(guī)劃相關(guān)專業(yè)理論(區(qū)位理論、空間句法理論等)2個(gè)層面。具體對(duì)應(yīng)到城市規(guī)劃項(xiàng)目中,解決的是“城鎮(zhèn)吸引力分析”、“空間結(jié)構(gòu)特征分析”、“空間形態(tài)特征分析”等方面的問(wèn)題。
基于模型的空間分析,首先是針對(duì)規(guī)劃需求確定分析方法或理論,然后是具體的步驟組織和分析指標(biāo)的選定,再進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)并加以可視化表達(dá)。定量化水平的高低,往往能從一定程度上反映一個(gè)學(xué)科的發(fā)展水平。而這種定量化、模型化的應(yīng)用,正是城市規(guī)劃提高科學(xué)性和工作效率的一種迫切需求和重要途徑。
然而,這對(duì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、分析人員的知識(shí)構(gòu)成等都有較高的要求,要求規(guī)劃人員在基礎(chǔ)GIS軟件上來(lái)實(shí)現(xiàn)這些分析難度較大。國(guó)外的GIS空間分析應(yīng)用發(fā)展思路,為我們提供了很好的經(jīng)驗(yàn)借鑒。在空間建模的基礎(chǔ)上,國(guó)外形成了眾多典型輔助分析系統(tǒng),如INDEX、WHAT IF、CommunityViz、Expert Choice等,都在規(guī)劃領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
當(dāng)然,發(fā)展階段不同,所面臨的任務(wù)和需求也有所不同。實(shí)踐應(yīng)用中,我們結(jié)合近年來(lái)的21項(xiàng)省域城鎮(zhèn)體系規(guī)劃、城市總體規(guī)劃等宏觀尺度的規(guī)劃實(shí)踐,總結(jié)出部分宏觀層面的具有通用性的空間分析模型庫(kù)(見(jiàn)表1)。
表1 空間分析模型一覽表
GIS應(yīng)用人員或規(guī)劃人員可通過(guò)模型的交互界面確定各種參數(shù)設(shè)置,完成對(duì)特定城市或區(qū)域的分析。在上述模型庫(kù)基礎(chǔ)上的軟件開(kāi)發(fā)正處在進(jìn)一步的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過(guò)程中,對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的要求過(guò)高、交互界面還有待完善、軟件以高度集成還是較靈活的形式推出等方面是下一步重點(diǎn)關(guān)注和需要解決的問(wèn)題。
要總結(jié)并建立起豐富的空間分析模型庫(kù),并最終形成應(yīng)用工具,無(wú)疑離不開(kāi)規(guī)劃領(lǐng)域相關(guān)理論方法的健康發(fā)展,這一方面需要已有理論方法的細(xì)化、深化,以達(dá)到完成空間建模的要求,另一方面需要適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展階段規(guī)劃需求的新的規(guī)則的產(chǎn)生、方法的總結(jié)和理論的形成。
文獻(xiàn)[4]總結(jié)了城市規(guī)劃調(diào)查方法、城市經(jīng)濟(jì)分析方法、城市人口規(guī)模預(yù)測(cè)方法、城市用地選擇方法、城市規(guī)劃決策方法等內(nèi)容。當(dāng)然,由于是規(guī)劃教材,這里的規(guī)劃方法是基礎(chǔ)性的,但在忙碌的實(shí)際工作和大量的實(shí)踐項(xiàng)目中,能以流程或規(guī)范的方式予以總結(jié)并具有一定通用性的新規(guī)則和新方法也是乏善可陳。規(guī)劃領(lǐng)域的GIS應(yīng)用人員應(yīng)在其中起到一定的推動(dòng)作用,推動(dòng)已有理論方法的模型化應(yīng)用,推動(dòng)基于空間建模的項(xiàng)目實(shí)踐和科研積累,如與某些空間模型配套的參數(shù)設(shè)置或分析結(jié)果的類型劃分、參考值推薦等,從而推動(dòng)規(guī)劃理論方法的應(yīng)用和發(fā)展。
當(dāng)前中國(guó)城市規(guī)劃市場(chǎng)更多強(qiáng)調(diào)硬件(項(xiàng)目、物理數(shù)據(jù)和決策),而較少?gòu)?qiáng)調(diào)軟件(政策、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息、主體和知識(shí))。為達(dá)到有效的城市規(guī)劃,規(guī)劃支持系統(tǒng)發(fā)展或信息支持應(yīng)在方法論、模型、規(guī)劃支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、地方數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施方面采取專門的戰(zhàn)略[5]。
GIS輔助城市規(guī)劃空間分析涉及到地理信息、城市規(guī)劃、系統(tǒng)分析、統(tǒng)計(jì)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,其技術(shù)、理論、模型、方法等內(nèi)容紛繁復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]對(duì)規(guī)劃支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。但現(xiàn)階段,數(shù)據(jù)積累基礎(chǔ)較差,GIS應(yīng)用的人員構(gòu)成、知識(shí)構(gòu)成及工作組織模式尚不完善,在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下傳統(tǒng)規(guī)劃模式的需求有一定路徑依賴,公眾參與進(jìn)程尚在起步階段等眾多困難的存在,使得GIS在城市規(guī)劃中的應(yīng)用仍然任重道遠(yuǎn)。
最后,再?gòu)?qiáng)調(diào)幾點(diǎn)對(duì)GIS輔助城市規(guī)劃空間分析的認(rèn)識(shí):
1)充分認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要性。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)不僅要對(duì)空間數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、管理與應(yīng)用,還要重視記錄規(guī)劃的過(guò)程,包括某次討論中的思維火花、某個(gè)階段的過(guò)程成果、某種具有創(chuàng)意的圖形表達(dá)方式等,同時(shí),對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理要在知識(shí)管理的大框架下展開(kāi),為下一階段的GIS空間分析提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
2)強(qiáng)調(diào)人的作用,強(qiáng)調(diào)定性分析與定量分析的結(jié)合。推廣GIS在城市規(guī)劃中的應(yīng)用,絕不可走上唯工具論、唯技術(shù)論的歧途。不可否認(rèn),城市問(wèn)題的個(gè)性突出,因地制宜是基本原則,所以筆者認(rèn)為GIS的工具作用必然是“半成品”,是供規(guī)劃人員加入經(jīng)驗(yàn)、定性判斷、進(jìn)行取舍的;供公眾及社會(huì)團(tuán)體加入主體意愿參與其中、交流協(xié)商的;供決策者綜合多方因素進(jìn)行最終決策的。
3)現(xiàn)階段規(guī)劃輔助工具的開(kāi)發(fā)應(yīng)注重分散性、靈活性,追求去繁求簡(jiǎn)的目標(biāo)。計(jì)算機(jī)技術(shù)必須能夠反映、體現(xiàn)規(guī)劃中的不同的價(jià)值觀,而且體現(xiàn)各種價(jià)值觀的技術(shù)必須是公開(kāi)、透明、易于理解的,這樣才有利于工具的推廣應(yīng)用。
4)在上一個(gè)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,重視發(fā)揮規(guī)劃中信息技術(shù)支持在搭建交流平臺(tái)、構(gòu)建過(guò)程規(guī)劃中的作用。西方城市規(guī)劃逐步從“為公眾規(guī)劃”轉(zhuǎn)變到“與公眾一起規(guī)劃”,需要有新的工具支持這種規(guī)劃模式,能在其中起到交流、溝通的功能,為參與規(guī)劃各方(決策者、專業(yè)規(guī)劃師、普通公眾)提供一個(gè)互動(dòng)的交流平臺(tái)。
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