趙渺希 梁景宇 郭振松 ZHAO Miaoxi LIANG Jingyu GUO Zhensong

0 引言

隨著特大城市人口增長帶來的環(huán)境、資源、人口等矛盾日益突出，我國城市規(guī)劃編制面臨著各種技術(shù)瓶頸，而新時期豐富的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為推動城市規(guī)劃應(yīng)用技術(shù)的升級提供了機(jī)會。城市用地現(xiàn)狀性質(zhì)圖作為城市規(guī)劃編制的基礎(chǔ)信息資料，反映了規(guī)劃區(qū)中城市功能的整體布局以及建設(shè)用地的性質(zhì)。一般而言，繪制城市用地現(xiàn)狀性質(zhì)圖的踏勘需消耗大量的人力資源和時間成本，且用地性質(zhì)的判別不可避免地受到現(xiàn)場調(diào)研人員的感性判斷，從而降低了基礎(chǔ)資料的客觀性；基于新技術(shù)的支持，在特大城市發(fā)展戰(zhàn)略的初期調(diào)研、總規(guī)和控規(guī)等法定規(guī)劃調(diào)研的現(xiàn)狀核實方面，如能借助于各類開放數(shù)據(jù)快速識別一定規(guī)劃范圍內(nèi)的建設(shè)用地類型，將大大提高規(guī)劃編制工作的效率和客觀性。鑒此，嘗試提出一種基于多維數(shù)據(jù)地址解析的建設(shè)用地類型快速識別方法，實現(xiàn)對特大城市現(xiàn)狀建設(shè)用地的功能強(qiáng)度測定和用地性質(zhì)的綜合評定。

1 相關(guān)研究概述

在經(jīng)歷了改革開放以來的快速城鎮(zhèn)化的階段后，我國以土地增長規(guī)模擴(kuò)張為主導(dǎo)的城市規(guī)劃模式將轉(zhuǎn)變?yōu)橥恋匾?guī)模限制下的內(nèi)生性增長模式[1]，對于城市存量土地的規(guī)劃編制需求也日益增加。

近年來，社會活動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型快速增長，例如微博數(shù)據(jù)、手機(jī)數(shù)據(jù)、公交卡數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、搜索數(shù)據(jù)等為城市規(guī)劃提供了更多的支持。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對如何將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到城市規(guī)劃中做了一些嘗試：研究不同的數(shù)據(jù)對于城市研究、規(guī)劃方面使用的潛力與障礙[2-3]；利用報紙數(shù)據(jù)的文本分析，對土地利用和社會變化的關(guān)系進(jìn)行了探究[4]；使用移動定位數(shù)據(jù)分析游客進(jìn)行旅游消費空間的季節(jié)性分布，并研究了游客的典型路線[5-6]；基于手機(jī)信令數(shù)據(jù)研究城市環(huán)境與通勤特征，進(jìn)而測度城市就業(yè)中心體系[7-10]；利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)與社交媒體數(shù)據(jù)研究城市時空人群分布與居民活動[11-13]；通過多種數(shù)據(jù)的整合與分析研究城市的空間布局，并對布局的調(diào)整提出指導(dǎo)[14-15]。

而在城市功能識別方面，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一系列的探索：例如，利用GPS數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析城市和鄉(xiāng)村區(qū)域的土地使用情況[16]；通過手機(jī)通話記錄、手機(jī)定位信息識別土地利用類型和利用現(xiàn)狀，判斷城市功能區(qū)及其混合程度[17-19]；基于手機(jī)信令數(shù)據(jù)對城市規(guī)劃工作、城鎮(zhèn)體系現(xiàn)狀進(jìn)行評估[20-21]；基于社交媒體數(shù)據(jù)判斷城市土地利用類型[22-23]；基于城市交通刷卡數(shù)據(jù)識別地鐵站周邊地區(qū)的土地利用情況[24-25]。

需要指出的是，學(xué)界對于各類數(shù)據(jù)的用地識別已有過一定的探索，但既有的研究主要判斷特定的活動功能在城市空間中的分布，而并不直接指向建設(shè)用地的類型，不利于全面判斷建設(shè)用地的利用現(xiàn)狀。再者，既有的研究中利用的數(shù)據(jù)集中在手機(jī)定位數(shù)據(jù)、電話呼叫記錄、交通卡刷卡記錄等獲取門檻較高的數(shù)據(jù)源，收集此類數(shù)據(jù)的困難成為相關(guān)研究進(jìn)一步展開的阻礙。在數(shù)據(jù)日益多元和豐富的今天，依靠互聯(lián)網(wǎng)開放的多維數(shù)據(jù)進(jìn)行地址解析生成城市規(guī)劃中常用的用地類型圖已經(jīng)成為可能，但以此為目標(biāo)的用地識別方法有待進(jìn)一步深化。鑒此，本文以廣州市天河區(qū)為例，根據(jù)城市建設(shè)用地分類標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)識別各單元地塊中的建設(shè)用地類型，以期提高特大城市的規(guī)劃編制工作效率。

2 數(shù)據(jù)收集與用地識別技術(shù)

本文基于既有研究，針對城市規(guī)劃編制的用地類型識別需求，對開源性的多維數(shù)據(jù)進(jìn)行地址解析，實現(xiàn)建設(shè)用地類型的快速識別，具體方法包括以下4個步驟：（1）收集整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（2）對各單元用地的不同功能強(qiáng)度進(jìn)行測定；（3）對各單元用地的性質(zhì)進(jìn)行綜合判定；（4）對用地性質(zhì)的識別率和準(zhǔn)確率進(jìn)行評定。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

研究以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)來源，包括百度開放平臺數(shù)據(jù)、新浪微博開放平臺數(shù)據(jù)等，輔以企業(yè)名錄等數(shù)據(jù)以豐富數(shù)據(jù)來源，并針對不同類型的用地分別選取不同的數(shù)據(jù)來源。利用現(xiàn)有開放平臺的地址解析工具對所挖掘的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行地址解析，通過GIS系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一空間落位和坐標(biāo)校正，并以識別范圍邊界、建設(shè)用地范圍和現(xiàn)狀道路網(wǎng)作為建設(shè)用地類型識別的工作底圖，以便下一步進(jìn)行分類用地的功能強(qiáng)度測定和用地性質(zhì)綜合評價。

2.2 用地功能強(qiáng)度測定

功能強(qiáng)度的強(qiáng)弱反映了特定用地功能性質(zhì)所承載的活動和功能主體在特定單元地塊中出現(xiàn)的頻率高低。在建設(shè)用地的功能強(qiáng)度測定方面，首先從各類建設(shè)用地的性質(zhì)特征入手，分別選取不同的數(shù)據(jù)源作為評價測定的要素（表1），以道路中心線劃分的街坊單元作為空間落位單元，并對單元內(nèi)不同數(shù)據(jù)源的原始化數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計。

在此基礎(chǔ)上，對按單元匯總之后的絕對數(shù)據(jù)值采取熵值賦權(quán)法進(jìn)行歸一化處理和權(quán)重計算，解決不同數(shù)據(jù)源造成的量綱不一致的問題。熵值賦權(quán)法是由各個樣本的實際數(shù)據(jù)求得最優(yōu)權(quán)重，因而給出的指標(biāo)權(quán)重具有客觀性和可信度[26]。然后按照不同數(shù)據(jù)源之間的權(quán)重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值疊加，最后通過計算單元匯總的標(biāo)準(zhǔn)值與空間單元面積的比值得到各類用地的功能強(qiáng)度分布情況。

各類建設(shè)用地的功能強(qiáng)度測定模型為：

式中的G_i為第i個單元的用地功能強(qiáng)度，α_k為第k類數(shù)據(jù)要素的權(quán)重，β_ik為第k類數(shù)據(jù)要素在空間單元i中的設(shè)施數(shù)量，P_ik為第i個單元內(nèi)第k類數(shù)據(jù)要素的標(biāo)準(zhǔn)值，S_i為第i個單元的建設(shè)用地面積（其中i=1，2，…，m；k=1，2， …， n）。

表1 各類建設(shè)用地功能強(qiáng)度測定的主要數(shù)據(jù)源

2.3 城市各類建設(shè)用地性質(zhì)的綜合判定

在完成城市各類建設(shè)用地的功能強(qiáng)度測定的基礎(chǔ)上，采用均方差的計算方法對各單元的用地性質(zhì)作顯著性判定。均方差法是一種適用于要求嚴(yán)格的綜合評價權(quán)重確定方法，具有思路清晰、計算簡便、客觀性強(qiáng)等特點[27]。在現(xiàn)有的城市建設(shè)用地性質(zhì)分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)用地兼容性特征和依從關(guān)系重新細(xì)分了新的用地性質(zhì)分類，主要包括：居住用地（R）、居住混合用地（R+）、公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地（A）、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地（B）、公共服務(wù)和商業(yè)混合用地（A/B）、綠地與廣場用地（G）、工業(yè)倉儲混合用地（M/W）、公用設(shè)施與道路交通設(shè)施混合用地（S/U）、其他混合用地（O）和未能判別用地性質(zhì)的用地（N）。

需要特別說明的是，由于居住用地與其他用地的混合、商業(yè)用地和公服用地的混合程度較高，在此提出了居住混合用地（R+）與公共服務(wù)和商業(yè)混合用地（A/B）；此外，由于公用設(shè)施用地、道路交通設(shè)施用地、工業(yè)用地和物流倉儲用地的數(shù)量較少、樣本數(shù)據(jù)也較為缺乏，本研究概括為工業(yè)倉儲混合用地（M/W）、公用設(shè)施與道路交通設(shè)施混合用地（S/U）；對于其他各種復(fù)雜的混合用地在本研究中不作進(jìn)一步細(xì)分，在此統(tǒng)一歸為其他混合用地（O）。

建設(shè)用地性質(zhì)顯著性判定和綜合評定的具體步驟如下：

首先，合并用地，計算單元用地功能強(qiáng)度平均值。在8類用地功能強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，分別將公用設(shè)施用地和道路交通設(shè)施用地、工業(yè)用地和物流倉儲用地進(jìn)行歸并，得到6類用地的功能強(qiáng)度G_ik 。

然后計算6類用地的平均值Q_i，計算單元用地功能強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差δ_i下一步，判斷單元用地功能強(qiáng)度的顯著性：

式中：(i=1,2,…,m；k=1,2,…,6).

根據(jù)趙渺希、郭振松（2015）[28]的發(fā)明專利中的閾值進(jìn)行判斷，具有良好的用地功能顯著性效果，若G_ik>0且R_ik≥0，則判定單元內(nèi)該類用地功能顯著；反之，則不顯著。

最后，在得到各單元用地性質(zhì)顯著性的基礎(chǔ)上，可根據(jù)用地主導(dǎo)功能、用地依從關(guān)系、用地兼容性以及航拍影像圖等方式對用地進(jìn)行判定（表2）。

在此基礎(chǔ)之上，將各單元的用地分類信息導(dǎo)入GIS系統(tǒng)中的空間單元進(jìn)行分類顯示，借助衛(wèi)星航拍影像圖和電子地圖對難以識別的混合用地單元進(jìn)行輔助判定，得到城市各類建設(shè)用地性質(zhì)劃分圖。

表2 用地類型判定標(biāo)準(zhǔn)

2.4 城市各類建設(shè)用地性質(zhì)的校核

在建設(shè)用地性質(zhì)快速識別完成之后，對生成的用地類型劃分圖分別進(jìn)行用地識別率和用地識別準(zhǔn)確率的判斷（圖1）。當(dāng)它同時滿足這兩個要求時，即可判定基于地址解析數(shù)據(jù)的建設(shè)用地類型快速識別完成：（1）若建設(shè)用地性質(zhì)的識別率越高，則說明能被明確判別類型的用地越多，識別效果越好；反之，則識別效果越差；（2）基于現(xiàn)場踏勘的現(xiàn)狀圖進(jìn)行準(zhǔn)確率的分析，該值越高，說明該方法對建設(shè)用地性質(zhì)的識別越準(zhǔn)確；反之，則識別越不準(zhǔn)確，若該值過低，需通過數(shù)據(jù)糾錯或校核的方式重新進(jìn)行計算分析。

3 實證案例展示

天河區(qū)是廣州市的中心城區(qū)，轄區(qū)面積136.57 km2，建設(shè)用地面積91.43 km2，2015年區(qū)內(nèi)常住人口154.57萬。天河區(qū)轄內(nèi)建設(shè)用地的類型豐富，也包含大量的混合用地類型，是用地類型快速識別的理想研究對象。因此本研究選取廣州市天河區(qū)為實證分析對象，基礎(chǔ)底圖來自廣州市天河區(qū)規(guī)劃分局信息中心提供的GIS平臺。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理

根據(jù)城市建設(shè)用地性質(zhì)的類型，將獲取的數(shù)據(jù)分為相應(yīng)的8類進(jìn)行整理，在GIS系統(tǒng)中進(jìn)行空間落位，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)糾偏。以現(xiàn)狀城市道路中心線對現(xiàn)狀建設(shè)用地進(jìn)行劃分，將由城市道路圍合形成的街坊單元作為數(shù)據(jù)落位的空間單元。需要特別說明的是，由于部分空間單元缺乏相關(guān)的地址解析數(shù)據(jù)，此時將部分缺失地址解析數(shù)據(jù)且道路網(wǎng)較為密集的街坊單元進(jìn)行合并，提高建設(shè)用地性質(zhì)的識別率。由于部分地址表達(dá)不清或錯誤而導(dǎo)致無法正確進(jìn)行地址解析，失敗率約為0.6%，基本不影響建設(shè)用地性質(zhì)的識別。

圖1 基于多維數(shù)據(jù)的特大城市建設(shè)用地類型識別方法的具體實現(xiàn)技術(shù)流程圖

3.2 用地功能強(qiáng)度測定

以選定的測評數(shù)據(jù)源作為各類型功能強(qiáng)度的測定要素（表1），以道路中心線劃分的街坊單元作為空間落位單元，并對單元內(nèi)不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行匯總統(tǒng)計。

在此基礎(chǔ)上，對按單元匯總之后的絕對數(shù)據(jù)值采取熵值賦權(quán)法進(jìn)行歸一化處理和權(quán)重計算，然后按照不同數(shù)據(jù)源之間的權(quán)重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值疊加，最后通過計算單元匯總的標(biāo)準(zhǔn)值與空間單元面積的比值得到各類用地的功能強(qiáng)度分布情況（圖2-圖9）。

根據(jù)用地功能強(qiáng)度顯示得出的結(jié)果，天河區(qū)內(nèi)居住功能、公共服務(wù)功能以及商業(yè)服務(wù)功能分布最為廣泛，總體功能強(qiáng)度最高。就居住功能而言，功能強(qiáng)度較高的用地主要分布在中山大道沿線；公共管理與公共服務(wù)功能主要分布在龍口區(qū)域、石牌—五山高校區(qū)域；商業(yè)服務(wù)功能重要集中在中山大道沿線，體育西—石牌橋商圈尤為明顯；道路交通設(shè)施用地以火車東站區(qū)域強(qiáng)度最高；工業(yè)、倉儲用地分布集中在靠近黃埔區(qū)的東部地區(qū)；綠地與廣場功能較強(qiáng)的用地分布較為廣泛；公用設(shè)施功能強(qiáng)度較高的用地零星分布。功能強(qiáng)度測定結(jié)果基本符合天河區(qū)建設(shè)用地使用現(xiàn)狀。

圖2 居住用地功能強(qiáng)度測定

圖3 公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地功能強(qiáng)度測定

圖4 商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地功能強(qiáng)度測定

圖5 工業(yè)用地功能強(qiáng)度測定

圖6 物流倉儲用地功能強(qiáng)度測定

圖7 道路設(shè)施用地功能強(qiáng)度測定

3.3 各類建設(shè)用地性質(zhì)的綜合評定

在完成天河區(qū)各類建設(shè)用地的功能強(qiáng)度測定的基礎(chǔ)上，采用均方差的計算方法對各單元的用地性質(zhì)作顯著性判定（公式（2）-（4））。在現(xiàn)有的城市建設(shè)用地性質(zhì)分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)用地兼容性特征和依從關(guān)系進(jìn)行用地性質(zhì)劃分，并將各地塊單元的用地分類信息導(dǎo)入GIS系統(tǒng)中的空間單元進(jìn)行分類顯示，借助衛(wèi)星航拍影像圖和電子地圖對個別難以識別的混合用地單元進(jìn)行人工輔助判定，得到城市各類建設(shè)用地性質(zhì)劃分圖（圖10）。

圖8 公用設(shè)施用地功能強(qiáng)度測定

圖9 綠地與廣場用地功能強(qiáng)度測定

圖10 城市各類建設(shè)用地類型劃分圖

圖11 快速識別的用地現(xiàn)狀圖

圖12 規(guī)劃信息中心提供的用地現(xiàn)狀圖

3.4 城市各類建設(shè)用地性質(zhì)的校核

在建設(shè)用地性質(zhì)快速識別完成之后，對生成的用地類型劃分圖分別進(jìn)行用地識別率和用地識別準(zhǔn)確率的判斷。廣州市天河區(qū)建設(shè)用地性質(zhì)識別的空間單元數(shù)量為847個，其中未能判別用地性質(zhì)的空間單元數(shù)量為12個，計算可得其建設(shè)用地性質(zhì)的識別率θ為98.58%，識別程度較高。

準(zhǔn)確率方面，劃定取樣范圍面積為15.8 km2，通過地址解析數(shù)據(jù)可以得到天河區(qū)內(nèi)建設(shè)用地的性質(zhì)（圖11），另外通過天河區(qū)規(guī)劃分局信息中心提供的相關(guān)規(guī)劃圖紙，可以在GIS系統(tǒng)中重新生成現(xiàn)狀建設(shè)用地性質(zhì)分析圖（圖12），然后通過在GIS系統(tǒng)中比較兩張用地圖的一致性，計算準(zhǔn)確率。在此需要特別說明的是，由于天河區(qū)內(nèi)花城廣場的地面為綠地，地下為商業(yè)，在快速識別的結(jié)果中將其歸為商業(yè)用地，自繪的用地現(xiàn)狀圖將其歸為綠地，在此應(yīng)將花城廣場用地性質(zhì)識別視為有效；另外，由于體育西小區(qū)、體育東小區(qū)均為開放式的商住混合用地，在快速識別的結(jié)果中將其歸為商業(yè)用地，規(guī)劃信息中心提供的用地現(xiàn)狀圖將其歸為居住用地，在此也應(yīng)將其用地性質(zhì)識別視為具有效。分別統(tǒng)計取樣范圍內(nèi)用地性質(zhì)一致的空間單元面積和空間單元總面積分別為13.2 km2和15.8 km2，以準(zhǔn)確識別的面積計算，建設(shè)用地性質(zhì)識別的準(zhǔn)確率為83.35%，說明準(zhǔn)確性較好。

4 討論

在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)日益豐富的背景下，利用不同來源的數(shù)據(jù)快速識別特大城市的建設(shè)用地、提高城市規(guī)劃編制效率已成為可能。本研究提供的是一種基于多維數(shù)據(jù)地址解析的建設(shè)用地類型快速識別方法，與傳統(tǒng)的實地勘察和調(diào)研進(jìn)行繪制現(xiàn)狀用地性質(zhì)分析圖相比，大大縮減了時間成本和人力成本，提供了一種更為便捷、快速的現(xiàn)狀用地性質(zhì)識別方法。本研究以廣州市天河區(qū)為例，完成了區(qū)內(nèi)城市建設(shè)用地類型的識別，校核證明該方法識別效果較好?，F(xiàn)實中，城市建設(shè)用地往往是多種功能的混合，而不是單一性質(zhì)，本方法的特點是在現(xiàn)行城市建設(shè)用地分類的基礎(chǔ)上，提出了識別多種混合用地的工作方式，這一流程更加符合特大城市建成區(qū)的實際功能承載情況。

由于本研究是建立在地址解析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成的，建設(shè)用地性質(zhì)識別的識別率和準(zhǔn)確率與數(shù)據(jù)源密切相關(guān)，對于地址解析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、豐富的城市或區(qū)域而言，能夠?qū)ζ浣ㄔO(shè)用地性質(zhì)實現(xiàn)快速識別，如上述研究中的天河區(qū)，就具有數(shù)據(jù)豐富、準(zhǔn)確的特點，有利于用地類型的準(zhǔn)確識別，反之，對于數(shù)據(jù)缺失的區(qū)域則會有一定技術(shù)的瓶頸。其次，少部分用地功能強(qiáng)度判定的數(shù)據(jù)來源單一，若相關(guān)數(shù)據(jù)有誤或更新不及時將直接影響判別結(jié)果。再者，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為主的用地類型識別效果與空間單元劃分有關(guān)，若空間單元劃分過小，有可能導(dǎo)致單元內(nèi)的功能特征數(shù)據(jù)過少而無法識別用地性質(zhì)；若空間單元劃分過大，功能特征數(shù)據(jù)過多，判別結(jié)果出現(xiàn)混合功能的可能性增加，不利于對用地特征的準(zhǔn)確識別。另外，本研究的工作底圖依靠規(guī)劃管理部門等提供的道路網(wǎng)圖或原有的用地性質(zhì)現(xiàn)狀圖或規(guī)劃圖，適用于對已修編規(guī)劃的區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃實施評估或進(jìn)行重新修編規(guī)劃的前期分析，且在實際的使用時仍需要通過人工現(xiàn)場踏勘予以進(jìn)一步核實。

隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步豐富、數(shù)據(jù)挖掘手段的進(jìn)一步提升，可用于判斷現(xiàn)狀建設(shè)用地類型的數(shù)據(jù)將逐漸增加，并促使用地識別方法日趨完善，總體上將有助于特大城市現(xiàn)狀踏勘的效率提升，并可與規(guī)劃師的現(xiàn)場主觀認(rèn)知相印證，從而降低規(guī)劃基礎(chǔ)資料收集處理的隨意性。在未來，相關(guān)研究的逐步深入，類似的方法或能廣泛運用到指導(dǎo)特大城市的用地功能布局、用地混合模式、城市建設(shè)用地效率動態(tài)管理等方面。