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08城乡规划方法与技术(钮心毅) 发布时间: 2015-07-23 点击: 2353

利用手机数据分析人类活动特征
该项研究分析了手机数据的优势和局限,利用手机的话单数据从日常出行范围、碳排放量、通勤范围、交通流量四个方面分析了人类活动特征。作者认为传统的人类移动特征研究依赖调查和直接观测,数据采集成本高、更新缓慢、范围小,而手机数据具有廉价、快速更新、大范围的特征,具有变革人类活动特征研究的潜力。作者利用手机数据中的话单数据开展研究。话单数据记录了手机用户在发生通话、收发短信行为时的时间和所连接的基站位置。话单数据具有三个优势:一是记录了所有通信行为,有数以百万的记录数;二是数据是为网络运营而存储的,再利用的边际成本较低;三是只要发生通信行为就会产生记录,可以进行时实分析。话单数据也有两个局限:一是在时间上不连续,只有当发生通信行为时才有记录;二是利用基站定位,空间精度较低。
在进行研究分析前,作者对数据做了预处理,以保证不会泄漏个人隐私:第一,用整数编号替换电话号码;第二,仅保留需要的信息,用邮政编码单元表示居住地;第三,以统计数据展示结果,不关注个人。因基站覆盖范围一般不小于2.6平方公里,限制了空间精度,也起到了保护了个人隐私的作用。
首先利用2011年4月1日到6月30日的话单数据分析洛杉矶、旧金山、纽约三个大都市中心区的日常出行范围。以手机号注册的邮政编码单元作为用户居住地,计算每个用户每天的最远出行距离。分别用出行距离的中位数和最大值表示平均出行距离和最远出行距离。研究发现洛杉矶居民的平均出行距离大于旧金山,后者又大于曼哈顿。最远出行距离则相反,曼哈顿大于洛杉矶。此外,作者还发现洛杉矶和纽约的居民冬天出行距离小于夏天。
随后,将话单数据和人口普查中的交通方式数据、不同交通方式的碳排放量数据相结合分析洛杉矶、旧金山、纽约三个大都市人类移动对碳排放量的影响。发现纽约地区的碳排放量随着与曼哈顿距离的增加而上升。洛杉矶除了北部的安特洛普谷,其碳排放量分布更加均匀。旧金山的碳排放特征介于两者之间。这与对这三个城市的通勤特征认知相符:纽约的居民主要通勤方向是曼哈顿,洛杉矶的居民至少存在两个通勤方向,而旧金山的居民虽然也存在两个通勤方向,但就业更加集聚。三个城市中,曼哈顿的碳排放量水平最低,这得益于曼哈顿拥有较完善的公共交通设施和较高的职住平衡水平。
接下来,作者利用莫里斯敦35个信号塔在2011年3月1日到4月29日记录的47.2万个手机用户的话单数据分析该城市的就业通勤范围。发现来自北部的就业者多于南部,这两个地区拥有相似的人口密度,因此引起差异的原因可能与地形、人口特征、公共交通设施有关。虽然东部的人口多于西部,但东西部来的就业者相差不多,这是由于莫里斯墩是区域商业中心,曼哈顿吸引邻近的新泽西居民反向通勤。这一结论能为市政和区域大容量公共交通投资提供依据。作者还将2011年4月12日周六当天11年到15点来参加游行活动的人流数据与工作日通勤数据进行了比较,发现北部和西部涌入的人流明显增加。若地方政府通过调查来获取类似数据,将要付出昂贵调查费用。
最后,作者利用2009年12月到2010年1月进出莫里斯敦的通话数据分析交通流量。通过对进出莫里斯敦的15条线路的实地测试确定了基站与线路的对应关系,并合并了部分邻近的线路,最终得到了12条线路的交通流量。结果与新泽西交通部门调查结果的相关系数达到了0.77。
来源:BECKER R, CÁCERES R, HANSON K, et al. Human mobility characterization from cellular network data[J]. Communications of the Acm, 2013, 56(1):74-82.
(供稿:丁亮)

美国的城市形态与空气质量相关性
这篇发表在国际期刊《Landscape and Urban Planning》(景观与城市规划)上的论文对美国的城市形态与空气质量的相关性做了定量分析,探索了城市形态与空气质量之间的是否存在相关性。这一研究以县域为空间单元,对全美范围内城市形态与空气质量进行了分析。研究选取基础数据时间是2006年。研究中使用了多种数据,包括2000年的人口普查数据、美国社区调查数据、来自经济分析局的经济数据、来自环境保护署的空气质量数据,国家气象数据中心的气象数据。根据美国清洁空气法确定的空气污染标准,选择了与公众健康密切相关的臭氧和PM2.5作为空气质量的判别标准。以AQI值大于100作为超标,将AQI值大于100的天数作为一个县的空气质量衡量标准。超标的天数越多,说明空气质量越差。
采用来自于美国地质调查局的30m分辨率土地使用数据,将连续分布的城市用地统一分类为城市斑块,用城市斑块表示连续的城市建设用地。这样每一县域内会有多个独立的城市斑块。在此项研究中提出了一种算法,用于测算每一个县域内城市用地的破碎程度,并以此建立了相关性分析模型。在这个模型中使用了多个指标测算城市用地的破碎程度。第一是城市斑块的数量,数量越多,表示城市用地越破碎。第二是城市斑块的平均面积值,平均面积值越小,表示城市用地越破碎。第三是城市斑块面积的标准差,标准差值越小,表示城市用地越破碎。第四个是用标准差椭圆的偏心率。在多个面积较小城市斑块中,采用空间统计的标准差椭圆来测度这些面积较小用地的空间分布离散度。计算得到标准差椭圆的偏心率越小,说明城市用地分布越离散,也就是越破碎。在描述城市用地的指标之外,还采用了一个城市森林混合度指标用于计算城市周边与森林的混合程度。具体方法是每一块城市斑块做1km的缓冲区,计算缓冲区中的森林面积,用森林面积之和除以该县的城市斑块总面积,得到城市森林混合度指标。
为了控制人口、经济因素等带来影响,在该项研究中还计算了人口指标、居民收入中位数值、从事制造业就业人数等因素与空气质量之间的相关性。计算这些指标与空气质量相关性的目的是将城市形态因素从中独立出来,便于独立分析空气质量与城市形态之间的相关性。
这项研究对全美范围内各县均进行了计算。首先从相关性分析结果来看,县域人口数量增加会降低空气质量,制造业就业人口与空气质量负相关。如果用收入中位数作为各县财富指标,收入中位数与pm2.5超标的天数呈现是负相关。这可以这样解释,较高的收入者会使用较低污染的车辆,执行更严格排放要求。在考虑了收入、人口等因素对空气质量的相关性之后,再能单独分析城市形态与空气质量的相关性。
分析结果显示城市形态的破碎程度与空气质量之间存在相关性。其中,城市斑块的数量与AQI值大于100的天数之间存在正相关,而且考虑了两种臭氧、PM2.5两种污染物,均在统计学上较为显著。城市周边增加森林面积会减少空气质量较差的天数,增加森林面积也会导致臭氧超标天数的增加。
由于以上结果是统计了全美的所有县得到的,包括农村县在内。为避免农村县对分析结果的影响,单独将处于大都市区内的各县分离出来做进一步分析。对所有位于大都市区内的县的分析结果表明,总体上城市形态与空气质量之间的相关性规律未发生显著变化。其中,城市斑块的标准差椭圆偏心率指标与空气质量的相关性更加显著。因此,该项研究认为总体上城市形态的破碎程度与空气质量相关,破碎程度越高,空气质量越差。城市开发的类型和模式与污染排放程度有较强的相关性。关注城市形态对提高空气质量有一定的意义。
来源:MCCARTY J, KAZA N. Urban form and air quality in the United States[J]. Landscape and Urban Planning, 2015, 139: 168-179.

结合GIS和多准则决策技术的区域尺度风能和太阳能农场适宜性评价
随着可再生能源使用越来越广泛,对可再生能源项目的选址也日益重要。这两类使用可再生能源的农场也会对视觉环境等带来负面影响,项目本身也有特定的选址要求。英国南安普顿大学研究团队在区域尺度上,对风能农场、太阳能农场的选址进行了研究,提出了相应的适宜性评价方法。
这项研究以中南英格兰区域为研究范围。该区域地处南部沿海,面积为17094km2,人口约591万人。在中南英格兰区域,除了几个主要城市之外,都是农业用地和两处国家公园,需要在上述范围内评估建设风能农场、太阳能农场的适宜性。适宜性分析以ArcMap为平台,使用了多准则决策(MCDM)技术,分成风能农场、太阳能农场两大类,分别进行评价。
适宜性评价中首先确定了约束条件,就是将不能建设风能或太阳能农场的地区排除出选址范围。根据当地的相关规定,制定了6项约束条件。分别是:农业用地类型,将当地用地分类的3、4、5级用地作为不可建设范围;历史保护条件,将历史遗产周边1000m范围内作为不可建设范围;景观条件,将国家公园周边1000m范围作为不可建设范围;居住区条件,将居住区周边500m范围作为不可建设范围,野生动植物条件,将野生动植物保护区周边1000m范围作为不可建设范围。坡向条件,将东南坡向至西南坡向才是太阳能农场的适宜建设范围,其余坡向均作为不可建设范围;坡度条件,坡度大于10%的范围作为不可建设范围。运用上述六个约束条件,剔除出不能建设范围。在剩余的区域内继续进行适宜性评估。其中的坡向条件仅针对太阳能农场选址。
随后对剔除了不可建设范围后的区域进行适宜性分析,选取了7个评价准则。技术类准则包括风速、太阳辐射。视觉类准则包括与重要历史地区的距离、与居住区的距离。生态类准则是野生动植物保护区的距离。经济类准则包括与交通运输网络的距离、与电力网络连接的距离。其中,与交通运输网络的距离考虑了主要公路和铁路线,电力网络连接距离是考虑接入现有电网所耗费的成本。使用层次分析法计算了上述7个评价准则的权重,采用加权叠合,分别得到了风能、太阳能农场的适宜性分析结果。
该项研究特点是在常规的适宜性评价步骤中,突出了敏感性分析。在该项研究的敏感性分析针对权重的敏感性。在敏感性分析中构造了四项敏感性分析条件,两项针对风能农场、两项针对太阳能农场。前两项分别是将所有风能相关因子赋予一致的权重、将太阳能相关因子赋予一致的权重。后两项是忽略两个经济类准则,将其权重赋值为0,评估中只考虑技术、生态、视觉三类准则。检验结果反映了权重设置对结果有较为明显的影响。在排除了两个经济准则后,风能、太阳能的适宜性评分值都下降了。这个结果的原因主要是经济类准则下评分较高的空间单元与技术类准则下评分值较高的空间单元重合较多。采用合适的敏感性检验对适宜性评价有重要作用。
该项研究提出的适宜性评价方法可以用在风能、太阳能这两种可再生能源开发中,帮助决策者确定适宜的选址,引导开发者;也能帮助开发者避开环境影响较大的地区,易于获得开发许可。
来源:WATSON J, HUDSON M. Regional scale wind farm and solar farm suitability assessment using GIS-assisted multi-criteria evaluation[J]. Landscape and Urban Planning, 2015, 138: 20-31.

城市空间分析GIS应用指南
这是一本关于城市规划中GIS应用实用性著作。GIS在城市规划中能发挥重要的技术支撑作用,这一点已经得到广泛的认同。在已经具备了基本的GIS原理知识的情况下,在城市规划实践中,哪些问题适宜于用GIS解决,具体如何设计应用步骤,许多规划师往往还是无从下手。在规划实践中,过多强调GIS在数据管理方面的优势,把GIS等同于规划管理信息系统,等同于规划信息数据库,将GIS应用局限于规划管理数据,忽视了GIS的空间分析用于支持规划编制和规划研究。这在国内的规划界也是一种常见现象。形成上述情况的原因不少,缺少针对城市规划空间分析的GIS应用指导书籍是其中一个原因。这本由美国北卡罗来纳大学教堂山分校宋彦教授等编写的书籍围绕着如何使用GIS进行城市规划中的空间分析,能为读者更好、更全面地学习GIS,运用于城市规划空间分析提供指南和帮助。
全书分为7篇共20个章节。每一个章节都采用若干练习为主体,以ArcGIS软件为例,阐述如何应用GIS空间分析方法解决某一个城市规划实际问题。每一章节讲解练习的目的、步骤,最后总结该练习的意义,应用的GIS功能。在内容上,本书的第1、2篇是基本内容和基本操作篇。第1篇两个章节采用较为简单的语言讲述了GIS的概况、数据来源。第2篇分别用多个练习讲述投影、数据输入、专题制图三项基本操作。第3-7篇是全书的主体, 分类型讲述城市空间分析中GIS应用。第3篇是人口经济分析、城市土地变化分析、地形分析,是城市规划和设计中最为常见应用对象。第4篇针对土地利用分析,通过土地适宜性分析、土地利用政策分区、土地开发潜力分析三个案例,介绍GIS如何应用在土地使用布局、土地开发的决策支持中。第5篇是GIS与交通分析,分别采用职住平衡练习来对比分析人口、就业的空间分布;采用公交网络分析练习设计一条公交线路满足设施服务需求。第6篇是关注环境议题,4个章节选取了从遥感影像进行城市植被分析、利用地形高程模型模拟水污染扩散、使用地统计工具分析土地利用变化与局部气温变化的关系、使用视域分析评估风力发电站对视觉景观的影响。第7篇是GIS与社会资源分析。3个围绕着城市社会问题、城市应急管理等展开。对应的三个练习分别是以地震为例,建立城市灾害处理数据库,支持城市应急管理;使用空间统计工具在街道层面分析城市社会空间分异程度,研究贫困人口的空间分布;使用model builder编写脚本程序,分析城市犯罪和警力空间分布之间的空间关系。
全书的重点部分第3-7篇,分别就城市基础数据、土地利用、交通、环境、社会资源等几个主题展开。练习所选取问题都是当前城市规划编制、城市规划研究中常见、有一定代表性的议题。第3篇的地形分析、人口特征分析,第4篇的土地适宜性分析、土地开发潜力等在我国当前总体规划编制中是常见议题,适宜于发挥GIS优势。第5篇的职住平衡分析、公交线路布局是专项规划中常见议题。第6、7篇涉及的内容,从常规城市规划扩展到设施选址、城市气候、城市社会空间、城市应急管理。这些内容虽不是当前城市规划编制的必备内容,但也与城市规划密切相关。随着社会经济发展,规划业务与气候、环境、景观、防灾等相关专业交叉也日益紧密,是今后城市规划、城市管理业务的延伸。
本书的一个明显的特色是围绕一个专题任务来组织练习,而不是围绕GIS功能来组织练习。在一个练习中会涉及到不同GIS功能。围绕任务,选取适宜的GIS功能编写有针对性的练习。读者通过练习学习解决特定问题的步骤、方法,也学习到了必须的GIS技术。尽管如此,作者还是对各个章节的内容作了组织。全书总体上由易及难,前面的章节使用叠合、空间连接、属性表计算等简单GIS空间分析功能,后面章节涉及到网络分析、地统计、空间统计等较为复杂的GIS空间分析功能、采用Model Builder编写脚本程序二次开发。全书以ArcGIS为软件平台,随书光盘提供了每一个练习需要的数据。总体上本书不是一本GIS原理教材,也不是一本GIS入门书籍,而是一本GIS空间分析解决城市规划应用的使用手册。
大概是由于数据来源、作者工作背景的缘故,全书练习都是以美国的城市数据为例。各个练习也是采用了美国城市的案例。虽然这样对讲述实用技术、实用方法没有影响,但是考虑到国内的数据条件、数据格式会与美国有差异,未必书中涉及到的所有技术方法都能在国内规划实践中得到实用。这也是本书的一个小小缺憾。
本书全书没有复杂的GIS原理,也没有涉及城市规划定量分析的模型,所针对的规划应用是普通规划师在实践中常见的议题。由于采用了练习讲解的方式,本书适宜于自学,以边练习边学习的方式使用。本书适宜于城市规划专业人员在实际工作中应用GIS空间分析作为参考手册,也能作为规划专业学生在学习GIS原理课程后,进一步提高实际应用能力的自学教材。
来源:宋彦, 彭科. 城市空间分析GIS应用指南[M]. 中国建筑工业出版社,2015-03.