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山地城市适应性规划智能模拟技术

2023-09-13 10:57 来源:中国城市规划网

导读

中国城市规划学会科技奖是规划领域首个专享的社会科技奖,专门奖励规划领域的科学技术成果和规划科技人才,是学会的最高科技奖励。2022年度中国城市规划学会科技进步奖授奖项目共31项,其中一等奖4项,二等奖9项,三等奖18项。“中国城市规划”微信公众号将陆续介绍授奖项目。

南京大学等单位的徐建刚团队凭借山地城市规划复杂系统研究范式及其技术方法体系创新、基于3S与大数据时空感知的山地城市空间适应性智能模拟关键技术集成、以及山地城市规划编制与管理实践案例的数字化和智慧化应用拓展等技术研发成果获得2022年度中国城市规划学会科技进步奖二等奖。

项目名称:基于3S与大数据时空感知的山地城市适应性规划智能模拟技术

主要完成人:徐建刚,石飞,胡宏,祁毅,刘杨,张翔,尹海伟,徐晗,居阳,贺斐斐,陈仰金,陈静姣,吴军,唐寄翁,王逸文

主要完成单位:南京大学,中国生态城市研究院有限公司,南京六合市政公用集团有限公司,上海营邑城市规划设计股份有限公司

一、技术研发背景

2012年党的十八大以来,党中央把生态文明建设作为统筹推进“五位一体”总体布局的重要内容,强调人与自然和谐共生、形成节约资源和保护环境的空间格局。随着3S集成空间大数据分析技术的快速发展,城市生态文明建设也亟需以空间多源异构信息融合和系统模拟分析为核心的智能规划方法与技术创新。我国东南地区的山地城市与平原城市在自然环境、城市形态、历史文化和生态风险等方面存在显著差异,特别是近年来随着全球气候变化加剧,山地城市面临着洪涝、台风和地质等多重自然灾害威胁,给山地城市规划带来了空间增长、交通组织、功能优化和城市安全等一系列错综交织的复杂性问题。

《基于3S与大数据时空感知的山地城市适应性规划智能模拟技术》项目由南京大学数字城市与智慧规划团队领衔,中国生态城市研究院有限公司、南京六合市政公用集团有限公司、上海营邑城市规划设计股份有限公司合作完成。南京大学数字城市与智慧规划团队近二十年来相继完成了闽赣、苏浙和豫川等省域的多个山地国家历史文化名城的近百项各类空间规划研究与方案编制。本项目基于复杂性科学理论,构建了一种类似地球圈层结构的城市复杂系统概念模型,形成了本土化的山地城市适应性规划分析范式;通过在众多类型规划编制中数字技术的开拓性探索,集成构建了拥有多种自主知识产权的山地城市整体空间适应性拓展模拟、历史街区空间社会活动适应性优化模拟、山地城市洪涝灾害时空风险生态调控模拟等山地城市适应性规划智能模拟技术,开辟了山地城市智慧型规划的新途径。

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图1:项目团队在山地城市适应性规划领域深耕廿载历程

二、主要科学技术内容和科技创新点

(1)理论创新:

创建了生态文明价值导向的山地城市规划研究范式

以复杂性科学前沿理论——复杂适应系统(CAS)思想为基础,借鉴中国传统哲学“阴阳五行”的整体观,发展并构建了一种类似地球圈层结构的城市复杂系统概念模型,将项目团队近二十年来城市规划设计实践中建立的一系列空间定量分析方法深化和拓展为“适应性”空间分析模型方法,形成了一种“规划尊崇、融合自然,设计顺应、师法自然”的中国本土化山地城市适应性规划研究范式。

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图2:适应视角下的智慧城市规划技术体系与分析范式

(2)技术创新:

开拓了山地城市多主体对环境智能感知的空间适应性模拟技术体系

以闽赣等山地城市规划为实证对象,基于多源空间信息融合与挖掘,发展了山地城市整体空间和洪涝风险生态调控模拟技术,历史街区空间优化模拟和保护规划编管信息一体化技术,系统构建了智能规划支持工具包。具体包括:

①规划空间数据获取与建库集成技术体系:主要为基于3S与大数据时空综合感知分析技术、面向国土空间五级三类体系的空间数据融合技术,规划空间数据仓库的数据集成与管理技术等;

②基于CAS-CA建模的山地城市整体空间适应性优化智能模拟技术:基于CAS理论,模拟公众、开发商、政府、规划师四类适应性主体在山地城市空间元胞上的博弈机制,构建了一套在宏观上保障城市与自然和谐共生、在微观上各类主体行为相互适应的山地城市整体空间适应性拓展智能模拟技术,实现了城市用地刚性边界科学控制及内部功能的智能优化;

③社会主体活动智能感知下的历史街区空间社会适应性优化模拟技术:针对历史街区文化保护与复兴的可持续空间更新问题,发展了人工与网络大数据交叉融合的社会多主体渐进适应性智能模拟分析技术;

④流域雨洪生态调控下的山地城市防洪排涝空间风险适应性规划管控模拟技术:基于SCS-CA产汇流模型集成创新,通过构建流域洪涝灾害系统致灾因子综合评估模型及其三维水文过程时空全覆盖仿真模拟,科学评估不同海绵城市规划情景下的雨洪削减量及其对经济、社会与生态损失的减低程度,从而实现流域与区域城乡海绵体适应性规划管控下防洪减灾效应的最大化;

⑤历史文化名城名街保护规划编制与管理信息一体化技术:发展了一套以空间实体为基本单元的历史文化名城名街多元现状数据与规划分层数据精准定位并融合为一体的空间数据仓库集成建库技术,实现了对历史城区、历史地段、文保单位、传统建筑和环境要素等多层次多类型空间实体及其周围环境现状和规划信息的智能化叠合查询、统计和空间可视化分析。

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图3:遥感遥测、大数据感知挖掘与GIS空间信息融合技术示意

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图4:山地城市多主体对环境智能感知的空间适应性模拟技术示意

(3)应用创新:

我国东南和中西部山地城市规划编制与管理的数字化和智慧化实践拓展

在闽西长汀和赣南瑞金的规划实践中,基于ArcGIS等平台,建立了城市总体规划、名城名街保护规划和海绵城市专项规划等空间数据仓库及其管理系统,为地方城乡国土空间规划实施监督体系提供了多规信息融合技术支持。自主研发的基于CA的流域-城市水文产汇流模型及其雨洪模拟分析工具包,为我国大多数管网资料匮乏的山地城市防洪排涝、海绵城市、生态安全等专项规划设计提供了新途径。在南京、宁波、兰州、洛阳、巴中等城市的片区控详与专项规划空间布局优化研究中,上述方法的推广应用有效破解了我国东南和中西部山地城市建设中生态风险评估科学性不足的问题。

三、项目成果

本项目系列技术拥有6项发明专利、12项软件著作权,公开发表SCI/SSCI/CSCD/CSSCI等论文近百篇,公开出版了一套以《智慧城市规划方法:适应性视角下的空间分析模型》为代表的“方法三部曲”研究专著和《数字城市规划教程》为代表的“教程四部曲”教材,形成了一整套系统地、全面地反映本项目在理论支撑、方法原理、技术体系与规划应用等全过程的知识创新成果。

1.发明专利和软件著作权授权方面

项目组获得了授权发明专利“一种基于电子地图的通勤数据批量采集方法”、“一种基于可达空间的地理空间模式识别方法”等6项,以及“动态交通出行数据采集软件”、“长汀历史街区保护规划管理信息系统”等授权软件12项。项目组在研发3S与大数据挖掘集成应用新技术的同时,将在长期城市规划实践中发展的可达性分析方法体系延伸到对空间模式识别中,与深度神经网络模型融合,实现了人工智能技术融入规划智能识别技术的新突破。这些发明专利和软件著作权是本项目重要的数据获取、城市时空感知、规划模拟分析以及规管信息化的技术方法支撑,为山地城市空间适应性规划模拟技术实现提供了坚实的科学基础。

2.高水平论文发表方面

项目成员在城市规划、地理学报、自然资源学报等高质量期刊发表了直接支撑本项目理论方法、模拟技术和规划应用的科研论文40余篇,总被引3000余次,10余篇论文入选中国知网“高被引论文”;并在Sustainable Cities and Society,Cities,Land Use Policy, Transportation Research Part D等SCI/SSCI期刊上发表高水平论文十余篇,总被引超过1000次。其中,《基于复杂适应系统理论的城市规划》结合复杂适应系统的7个基本点,给出了城市复杂适应系统的基本特征,探讨城市系统适应性主体的交互性、复杂性以及适应和过程机制,并建立了山地城镇适应性规划框架,应用于长汀县城市总体规划实践中,得出城市规划适应自然是城市可持续发展的有效选择;《基于CA的低影响开发对城市内涝削减效果模拟》针对长汀城区透水铺装、下凹式绿地、雨水罐等海绵体规划,以城市DTM和土地利用数据为基础,引入国际著名的SCS产流模型,集成构建基于元胞自动机(CA)的城市产汇流模型进行内涝模拟。具体实现基于ArcGIS平台,采用Python语言编写核心模块,通过CA迭代循环计算,模拟各元胞在循环周期内的产流量,并通过元胞的水深变化分配实现内涝空间形成。本文为山地城市防洪排涝空间适应性规划管控模拟技术提供了智能模拟的关键方法原型。《Travel mode choices in small cities of China: a case study of Changting》针对长汀历史街区社会主体(居民)出行选择的建成环境影响因素复杂问题,运用问卷调查数据构建多分类逻辑回归模型,解释影响居民出行行为选择的复杂机制,为历史街区宜居宜业宜行的适应性优化提供方法支撑。《Public participation in NIMBY risk mitigation A discourse zoning approach》将话语分区方法应用于长汀店头历史街区的更新,以评估不同公众群体在选址、建设、运营邻避设施过程中的话语权。当地利益相关者认为这种方法可以最大限度地提高公共团体的参与度,并平衡其在决策过程中的权重。

3.专著与教材出版方面

项目主要完成人共计出版了7本专著与教材。其中,第一完成人徐建刚领衔的团队多人合著2016年出版的《智慧城市规划方法——适应性视角下的空间分析模型》奠定了本项目山地城市复杂适应性系统的理论基础,书中还引入了人工智能领域的知识本体方法,构建了城市规划学科的领域本体、任务本体到应用本体的多层次空间数据、信息到知识共享的智慧化技术体系,并基于规划本体逻辑,系统地阐述了团队在多年的城市规划理论与实践研究中构建的21个空间定量分析模型方法,为本项目的智能模拟技术实现打下了方法基础;2019年团队出版的《数字城市规划教程》建构了空间基础理论、模型化分析方法、信息化规划技术和智慧型设计案例等四大教研板块,将具有“南大学派”特色的理性规划思维贯穿于整个教材的每个板块,同时实验贯穿了课程全过程,配套了从数据清洗、生产、建库,到空间分析计算、辅助设计、决策支持等多方面的十余个具体实验,所有实验均以真实数据为基础,让学生在知行合一的教学体验中,提升解决规划实践问题的能力。该教材提出的数字城市规划技术体系为本项目技术开拓提供了新途径;第二完成人石飞的《城市交通学研究方法》基于多学科融合视角,探讨了不同类型要素在城市交通治理上的协调作用,为新时期国土空间规划的交通适应性发展提供借鉴思路。该书2021年获“钱学森城市学金奖”提名。石飞指导与合著的《地图时空大数据爬取与规划分析教程》从规划实践需求出发,以数据爬取任务和大量规划应用案例为驱动,深入浅出地介绍爬取地图时空大数据的知识、技能与过程,详细地演示爬取过程,为本项目大数据挖掘工作提供了技术指导;第三完成人胡宏独著的《城市与区域系统分析实验教程(R语言应用)》以城市与区域研究中的数理统计方法为核心,以数据获取、数据处理、描述统计、建模分析、结果解释为主线,将原理讲授、R语言编码、常见问题解答、应用场景举例结合,实用性和可操作性强。为本项目的模拟技术研发提供了技术实现指南。

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图5:本项目形成的“方法三部曲”和“教程四部曲”

4.成果推广与获奖

相关技术方法在东南五省和中西部三省20余个山地城市得以落地应用,在推动地方经济生产、科学研究及人才培养等方面产生了较好的示范效应,为解决我国新时期山地城市国土空间规划重大问题提供了重要的决策支持工具。团队获得了包括地理信息科技进步奖、华夏建设科学技术奖、教育部优秀工程勘察设计一等奖在内的奖项近10项。

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图6:项目团队获奖

四、与国内外同类技术比较

本项目具有鲜明的中国特色。首先,在理论上,不仅引入国际上系统科学前沿领域的复杂适应性理论,而且,借鉴中国传统哲学的“阴阳五行”学说,并将二者巧妙地融合到城市复杂适应性系统理论框架中,构建的物质5大子系统与非物质5大子系统通过借鉴地球圈层结构,有机地将两大系统融合为一个整体,并清晰地阐明了子系统之间适应性相互作用的基本规律。该理论独特的城市复杂系统组织结构,为本项目的技术方法体系创新奠定了学理基础。

其次,本项目针对我国生态文明建设理念在国土空间规划中落实难的问题,持续追踪、整合和发展了以卫星与无人机物质空间遥感、城市社会活动等海量大数据为基础的城市多尺度时空感知技术体系,构建了以生态环境敏感性分析、生态网络构建为主体的山地城市生态空间格局优化及其综合效应的定量评价技术方法。同时,还深入开展学科交叉探索,实现了多模态信息感知和空间数据采集、非线性定量关系建模、深度学习等技术集成应用于山地城市内部功能布局优化。上述的技术方法创新走在了数字规划领域的前列。

第三,结合团队早期构建的CA空间规划分析技术,引入人工智能领域的深度学习算法,系统构建了山地城市适应性规划智能模拟技术体系,包括基于CAS-CA建模山地城市整体空间适应性智能拓展优化、基于人工与网络大数据交叉融合的社会多主体环境感知历史街区空间适应性优化智能模拟,流域-城市雨洪生态调控下基于SCS-CA的山地城市洪涝空间风险模拟等三大关键技术,开拓了AI技术深度融入规划关键技术层面的新领域。

第四,团队针对国内历史文化名城保护规划成果与现状信息之间普遍存在数据空间难以叠合、管控信息关联不足、多层次查询检索困难等问题,以长汀和瑞金保护规划为实证对象,创建了一套以空间实体为基本单元的历史文化名城名街现状与规划信息融合为一体的地理数据库及其规管一体化的智能信息系统,该系统基于ArcEngine组件技术方法建立的C/S架构,实现了对多类空间实体周围环境现状和规划信息的智能化叠合查询、统计和空间可视化分析。在住建部组织的城市体检考察中,名城保护专家检测后认为该软件在国内同类系统中处于领先地位。

五、推广应用情况和应用前景

自2003年起至今二十载,南京大学数字城市与智慧规划团队主持了60余项闽西龙岩市长汀、上杭、新罗、永定等五个区县多层次多类型城乡区域规划编制与研究项目。在规划过程中团队发现我国东南山地城市普遍面临着洪涝灾害威胁、建设用地匮乏、高密度传统街区人居环境质量差等三大问题,而受山地地形限制,城市规划区普遍存在地形测绘数据不全、精度不高等规划基础问题。针对上述情况,在早期承接的长汀城镇体系与名城保护规划中,团队充分发挥空间信息技术特长,借助遥感与GIS集成技术,研发了基于卫星影像的城市土地利用现状遥感制图、街巷建筑定位修测和区域城乡多尺度三维数据融合可视化模拟等一系列技术方法,规划成果得到了地方政府以及福建省住建厅相关领导的高度认同,从此以后团队开启并承担了长汀、上杭为主的闽西多个规划项目的编制工作。

2012年伊始,在国家生态文明建设需求导引下,团队全方位的开展了南京、宁波、无锡、洛阳、兰州、巴中、长汀、瑞金等城市更为丰富的城市总规、片区控规、历史文化和生态环境等专项规划编制与信息化管理等项目。与此同时,获得了十余项国家自然科学基金面上项目和国家科技专项的资助。通过理论与实践相结合探索,团队逐渐创建了山地城市复杂适应系统理论框架及其智能模拟技术方法体系,并在闽赣苏浙鲁东部五省、豫甘川中西部三省20余个山地城市得以规划落地和实施建设。其中,以区域生态敏感性分析与城市功能用地适应性评价为基础,集成自主研发的流域水系雨洪过程模拟技术方法在长汀与连城城市总体规划、福建省稀土工业园区(龙岩)总规与控规、南京秦淮河治理开发概念规划、南京雨花台风景区植物景观规划、南农大白马科教基地详细规划、宁波慈城卫星城生态评价与人口环境容量规划研究、无锡堰桥街道吴文化融合新型城镇化空间整治规划、洛阳城市色彩专项规划和涧河景观综合整治规划、巴中南龛文化产业园控规、兰州榆中城乡一体化发展规划等众多项目中得到了系统应用与推广。

自2005 年起,团队与南京市城市规划编制研究中心开展合作,2015年以来,在本项目提出的复杂适应理论和规划知识本体方法成果基础上共同构建了 “数据-信息-知识”技术转换整合体系,为城市规划信息智慧化平台建设提供了新思路,相关成果应用于南京市第四代智慧规划信息平台建设的理念、架构、内涵设计和技术实现中,尤其在平台数据体系、模型体系和交互方式上,引领了当时规划管理智慧化发展的方向,很好地支撑了南京市多规合一信息平台的建设,显著提高了控规第三方评估的精度与效率。

六、经济社会效益

基于对长汀县建立洪涝安全生态调控模拟和历史城区保护发展区智能化管控系统等技术研发,团队在近二十年中为当地滚动编制了四轮总体规划和两轮名城名街保护规划,实现了长汀城乡空间格局优化和名城名街保护与文化旅游发展的适应性转型,引领了当地产业布局调整,实现了产业结构优化,助推地方GDP从2011年110亿增长到2022年340亿元。通过梳理并识别长汀县洪涝风险关键点,引导生态安全格局优化与生态景观修复,提升旅游资源质量,拉动旅游发展,推动长汀接待游客数从2015年的180余万人次增至2020年的310余万人次,实现旅游收入从17亿元增长至34亿元。

团队在闽西长汀等区县的长期规划实践推动了当地相关产业的发展,促进当地城市规划行业的精细化分工、培养行业人才200余人,协助培养传统建筑工匠1600余人。团队工作获得福建省相关部门的充分肯定,受邀参加中国·福州世界遗产大会(2021年)和“海峡古厝保护传承、校企在行动”活动,工作案例成功入选并参与福建省历史文化保护利用工作中的18个优秀案例,与国内一流高校和设计企业同台展出。建言献策召开研讨会20余场。乡村振兴工作营参与学生600人次。媒体报道采访访谈10余次。

七、知识产权情况及他人评价

本系列技术拥有6项发明专利、12项软件著作权、公开发表SCI/SSCI论文10余篇,核心期刊论文40余篇,出版专著与教材7部。相关方法技术在闽赣山区多个城市得以落地应用,在推动地方经济生产、科学研究及人才培养等方面产生了较好的示范效应,为解决我国新时期山地城市国土空间规划重大问题提供了重要的决策支持工具。

团队成员徐建刚、祁毅、张翔、胡宏和石飞的研究著作《智慧城市规划方法——适应性视角下的空间分析模型》在2018江苏省教育教学与研究成果奖(研究类)中获得高校自然科学研究类三等奖,并在南京市新华书店“书香南京晚7点”活动中作为推荐书目,入选2016苏版好书推荐图书名单科技类。在2017年的中国城市规划年会世界读书日规划人必读书籍推荐活动中,中国城市规划新技术应用学术委员会副主任委员王芙蓉博士评价道:“智慧规划的时代如期而至。徐建刚教授基于自己几十年的工作积累,在他的新书《智慧城市规划方法——适应性视角下的空间分析模型》中,向大家阐述了智慧城市规划的发展新方向、适应性与城市复杂系统认知、适应性城市规划模型构建等智慧城市空间分析方法相关内容,既有详实的理论依据,又有创新的模型方法和丰富的实践验证,是一本不得不读的智慧规划模型构建领域的好书”。

由团队徐建刚、尹海伟、祁毅、胡宏等老师指导,团队博士生吴军等参与的《AI+智慧水利——洪涝灾害风险分析及预防》和《至慧智水——智慧型洪涝灾害风险管理方案引领者》项目分别获得了由教育部联合11家单位和地方省级人民政府举办的第七届(2021)和第八届(2022)中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛国赛铜奖和江苏省一等奖的成绩。在参赛过程中专家评委点评道:“该项目集成人工智能新技术,构建了基于人工智能的灾害风险预测模型和基于元胞自动机的城市快速洪水淹没模拟模型,能够为城市应急管理建言献策,并科学划定城市洪涝灾害风险区,有效指导城市规划工作。”

项目团队2022年以来,又获得了3项国家自然科学基金面上项目的资助,未来将继续秉承高质量发展的理念,进一步优化山地城市适应性规划智能模拟技术,为强化国土空间规划的指导约束作用,提升城镇、农业和生态空间的韧性治理提供更加全面的理论支撑与技术支持。

供稿:南京大学建筑与城市规划学院数字城市与智慧规划团队

审稿:徐建刚(教授、博导)

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