智慧城市规划需求及特征

1.大数据的分类和特征

1）大数据的基本认识

大数据（big data）指的是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。大数据包括了环境卫星数据、基因数据、GPS和地图数据、数字图像数据、社交媒体数据以及人类行为的定量数据等。其来源非常广泛，网络和各种传感器成为主要的数据源。截至2019年6月，我国网民规模达到8.54亿人，互联网普及率为61.2%，手机网民规模达8.47亿，网民中使用手机上网的人群占比提升至99.1%。这表明网络已经成为城市经济社会发展的重要平台，并且全面影响居民行为、企业运营、科技研发和政府管理，从而产生大量反映城市空间组织和居民行为特征的网络数据（社交网络、主题网站、搜索引擎等）。同时，智能移动终端设备（GPS、智能手机、平板电脑）的普及和无线网络覆盖范围的扩大，为相关的研究（例如LBS）提供了精确的居民位置信息。

2）城市大数据的分类

传统城市规划的数据类型，主要分为空间数据和社会经济数据两类。空间数据包括地形图、遥感解译、规划调研移动终端等，而社会经济数据则主要来自各类统计年鉴。这些数据存在样本数量小、主观性强、成本高、周期长等缺陷。大数据拓展了城市规划数据获取的渠道，智慧城市感知数据、公众参与平台与社交网络等新媒体数据为城市规划提供了大量高价值的数据，概况起来可以分为以下七类：

（1）业务运营数据，例如公交IC刷卡数据、水电煤气数据、业务审批数据、出租车GPS轨迹数据、移动通讯数据、金融数据、物流数据、超市购物数据、就医数据等。

（2）普查数据，例如人口普查、经济普查等。

（3）监控数据，例如视频监控、交通监控、环境监控等。

（4）公众参与平台与社交网络数据，例如微博、论坛等，包括收集空间主观评价，自然语言语义分析评价空间质量，移动终端OD 和行为采集，长期采集时空变化多媒体信息（照片），签到数据识别空间热点和用地性质。

（5）主动感知数据，例如关于温度、湿度、PM2.5等环境的感知数据、手机定位数据等。

（6）遥感数据，例如航空遥感和航天遥感数据等。

（7）GIS数据，例如关于道路、建筑、行政区划的地形数据等。

3）城市大数据的特征

（1）以空间为基础

以上七类数据几乎所有数据都与空间位置有一定的关系，或者是关于某地的信息，例如某街区的人口、经济、环境等；或者是发生在某地的信息，例如发生在某地的犯罪、通讯、交通等；或者是对于某地空间环境品质的评价，例如微博签到、论坛发表言论，所有这些数据基本都可以通过GIS系统在空间上进行关联和可视化。

（2）以人为本

在物质空间规划之上，大数据为实现“以人为本”的城市规划提供了可能。但同时对于未来城市规划也带来了挑战。从城市的角度而言，以“个体的人”为本，则面临着城市整体利益与个体利益的平衡问题，移动互联网对未来社会的影响会进一步加深，个体化趋势明显，那么，大数据挖掘的是“千万个个体行为的宏观规律”。从产业的角度而言，以“个体的人”为本，意味着每个人都是各种生活所需品的消费终端，是各种个性化产品定制集成的源头，是企业利润的源泉。从这个意义上讲，企业所需要的大数据是发现“千万个‘人’个体个性化生活和消费特征”的数据采集统计分析，来指导生产系统更加敏捷的响应。这两大挑战，对地理空间会形成前所未有的冲击，意味着我们的生活、生产、商业、物流、交通等都会发生重大变革，如何规划设计大数据时代的城市，这是以往的计算机辅助设计CAD、地理信息系统GIS、决策支持系统DSS，甚至是规划支持系统SPSS所不具备的。大数据不仅增强了智慧城市研究分析和解决问题的能力，也为智慧规划提供了新的思维和理念，为智慧化提升城乡规划自身能力和智慧化解决城乡规划问题提供了科学依据。

2.智慧城市规划的特征与需求

“智慧城市规划”的核心是运用智慧城市理念和大数据系统解决城乡规划中遇到的实际问题，通过信息资源与城乡规划的有效整合，促进城乡规划的智能化、信息化，实现城市的可持续增长，以及城市建设与管理的智慧化，具有系统性、智能性、共享性及动态性等特征（图12-1）。

（1）系统性是指“智慧规划”具备快速及时收集和处理城乡海量、动态信息数据能力，能够更加系统和整体地对城市问题进行分析、预测、规划和评估，并采取系统性的响应。这就需要建立基于传统和新媒体的数据收集系统，通过对空间、人群等的数据分析，预测各类城市需求，并最终形成优化方案或评估方案。

（2）智能性是“智慧规划”的重要属性，指通过运用新一代信息技术等对城乡信息数据的收集和分析，并根据需要建立模拟和预警响应系统，对城市发展问题实现智能化分析、预测、评估和行动。城市规划中的定量模型很多，用于解释各种因素对城市发展的作用，但因资料收集工作量太大，往往不能精确发挥作用，而大数据提供了一种从个体出发，以大样本来验证假设的途径，既可以证实，也可以证伪。

图12-1　智慧规划示意图

（资料来源：丁国胜.智慧城市与“智慧规划”——智慧城市视野下城乡规划展开研究的概念框架与关键领域探讨［J］.城市发展研究，2013（8））

（3）共享性是实现“智慧规划”的前提，智慧规划所需的信息数据支撑系统是建立在对来自不同行业、部门、属性以及统计口径的数据整合共享基础上的，如果缺乏公共信息平台，智慧城市和“智慧规划”都将无从谈起。这就要求打破行业和部门壁垒，对城市规划数据进行公开和共享。例如纽约市集合各部门数据，由规划部门汇总，形成了完善系统的规划数据库，用于研究和商业使用。底特律市依托非营利组织，开发了便于公众查询的网站，其特色服务地块规划报告生成功能值得其他城市学习。

（4）动态性是指相对于传统模式，“智慧规划”由于能够掌握及时、动态的信息数据，并借用先进的处理技术，能够对城乡发展各种问题作出动态诊断和及时响应。例如，不同时间段的城市规划成果数据以统一空间框架为基准，整合在一起，将会导致数据量的无限扩张。以省为基本单位，将基础地形图、城市总体规划（按不同编制年份）、区域规划等数据形成一张图，有利于从更宏观的角度分析用地空间布局、各种类型用地增长变化情况，同时对于区域基础设施的布局分析也更为有利。

3.大数据支撑的智慧城市规划分析方法

1）大数据的空间化及其分析方法

（1）大数据的空间化

城市大数据的空间化就是把城市大数据信息以空间的方式组织起来，并通过二维、三维地图展现出来，从而方便查看和空间分析。包括：①公交刷卡数据的空间化，有学者将北京的公交IC刷卡数据进行了空间化（图12-2），用于通勤分析、职住分析、人的行为分析、重大事件影响分析、规划项目实施评估分析等。另外，通过对智能电网、智能水网、智能燃气网数据的空间化可以估算出人口和产业存量。②交通量数据的空间化，例如城际间的航班和铁路班次信息的空间化可以描述城市间的关联程度以及城镇群形态和发育程度。图12-3是百度地图根据各条道路上的交通量，用不同颜色绘制道路，从而反映出某时段整个城市的交通量分布情况；③人口数据的空间化。④经济普查数据的空间化，包括产业、就业、经济密度等空间分布、产业空间聚类等。⑤移动终端位置信息的空间化，百度和谷歌根据LBS服务主动收集了大量用户的位置信息，可以获得人类活动的时空轨迹。⑥社交数据的空间化，社交数据的空间化可以反映社交的空间分布以及两地之间的联系强度。例如在以通勤比例测算南昌四个组团与中心城区的联系度中，利用中国联通2015年4月连续10个工作日的信令数据识别出32.8万用户的日间驻留地和夜间驻留地，排除通勤距离0米、未发短信的用户，得到24万用户的就业地和居住地（就业者通勤OD），进而可判断四个组团与中心城区的联系强度（图12-4、图12-5）。⑦犯罪数据的空间化，有学者对上海市浦东新区某时间段的两起刑事案件根据其发生位置进行了空间化，直观反映出犯罪的空间分布，用于分析犯罪活动的产生与城市空间环境的关系。

图12-2　基于IC刷卡的北京市中心区通勤图

图12-3　上海某时段的实时交通量

图12-4　南昌都市区就业者的居住分布比例图

图12-5　南昌都市区居住者就业地分布比例

（2）空间化的方法

①开发空间数据采集APP。这一方法主要用于现场调研的空间数据整理，传统城市规划调研多把各种图文信息绘制在纸质地形图上，同时附以相机拍摄的照片，从现场返回后，人工重新数字化整理，并与地形图等空间信息对应，人力和时间成本耗费大。于是，基于智能手机和平板电脑等移动终端开发规划现场调研APP，可以现场通过GPS定位，调取所在位置的相关图纸，并记录所在位置的照片、录音录像和文字标记，甚至绘制和编辑矢量信息，基本实现了传统调研所有纸面工作的电子化。调研结束后，通过网络将信息上传至共同的服务器，汇总成地理信息系统的基础数据集，为后续的各种数据工作打下良好的基础（图12-6）。

②基于大数据中自带或关联的地理坐标信息。部分大数据直接带有或可以关联上地理坐标信息。例如微博签到数据、出租车GPS轨迹数据、LBS（基于地理位置的服务）数据等直接带有地理坐标信息。地理信息系统（GIS）平台可以将这些地理坐标转换成地图上的点，并把其他信息附加到点上。例如ArcGIS提供了“创建XY 事件图层”工具，根据数据表中每行记录的X 和Y 坐标字段创建新的点图，并附上所有其他字段信息。

图12-6　基于web的现场调研数据展示系统

（资料来源：王鹏.大数据支持的城市规划方法初探［M］.2014城市规划年会）

人口普查、经济普查、公交刷卡等带有标识其空间位置的代码，可以根据空间位置代码关联上普查小区、站点等地理要素，进而获得地理位置信息。以公交刷卡数据为例，如果刷卡记录中有起讫站点的编号（公交车刷卡可能只有上车站点编号），同时手边还有关于站点位置的GIS数据，那么就可以根据共同的站点编号将刷卡记录链接到站点位置GIS数据上，从而实现刷卡数据的空间化。

③基于大数据中的地址、地名信息。城市业务部门产生的大数据一般都会带有地址信息，例如水电煤气数据、物流数据等都会带有用户的地址。基于地址数据库和GIS提供的地址匹配功能，可以自动实现其空间化。地理匹配的过程是先对含有地址属性的每个记录和带有地址属性的GIS空间参照要素进行比较，如果找到匹配，GIS空间参照要素上的地理坐标就被分配给相应的记录，从而可以在GIS 中作为地图显示并用作进一步的分析。ArcGIS 的Geocoding提供了上述功能。

2）大数据的系统化

城市规划的过程贯穿着相关数据的整个周期，然而原有的组织方式并没有有效地实现其价值，使其成为一些零散的数据碎片。因此，运用GIS技术构建一套城市规划数据平台和软件工具体系，为城市规划和空间治理服务，将多元异构的数据整合到一个共同的平台，协同工作，发挥其在城市规划中的作用。

（1）获取数据

智慧城市规划的数据获取在传统的踏勘、访谈、笔录等资料获取的基础上，增加了更多的数字化、格式转换、坐标校准、网络抓取甚至软件开发的工作。所有的数据都附着或保留空间属性，以便在共同的空间平台上进行分析操作。

（2）数据分析

基于GIS系统的空间大数据可视化和相关分析，对数据库端的技术提出更高要求，往往只能由专业公司完成。因此在所有数据都webGIS可视化的前提下，将传统的空间分析模型加入WebGIS，进而连接真正的“大数据库”，使大数据分析更加智慧易用。

（3）数据加工

传统的城市规划方案的形成是对既有数据的加工，即对现状的道路、用地、建筑等要素进行属性的修改或者增减，但这一过程往往只有图形没有数据，使得规划缺少科学性。在此基础上，开发基于Autocad和Sketchup的二次开发软件，比如城市的三维模型与地块的容积率等指标的关联等。在这个阶段，有些机构开始尝试在ArcGIS平台下进行了方案绘图软件的研发，通过与ESRI的规则建模工具CityEngine连接，开发各种基于GIS的空间分析工具。

（4）数据生产

在数据生产阶段最为典型的工作是制作控制性详细规划的分图则，在控规总图完成、规划指标确定后，分图则的绘制只是为了方便规划管理部门使用，其中包含的绝大多数工作是基于规划数据进行的规则性和重复性计算与绘制，以及表格的填写。控规出图平台的研发是在GIS基础平台上按预设规则自动完成控规图则各种要素的生成，比如后退红线、禁止开口路段、坐标标注等，并可以自动按一定比例尺分幅出图（图12-7）。该软件的最大意义在于，将图纸上的各种线条变成与数据关联的要素，很好延续了整个规划流程的数据逻辑。

图12-7　智慧城市规划平台控规成果出图系统界面

（5）数据的增值

数据增值是规划全过程收集和产生的数据在规划工作完成后的延伸应用。例如经过了控规出图系统加工的GIS化控规成果，经过简单加工即可成为web和移动端的规划管理系统。规划管理人员可以随时使用平板电脑等设备，调阅任意地点或者自己所在地点的分图则、指标表等规划数据，甚至可以通过三维全景图或者真三维模型场景体验现状或建成空间效果。(www.xing528.com)

大数据使我们获得了实现智慧城市规划的手段，可以利用短期内持续性的改善达到智慧城市这一目标。空间化为城市大数据的研究提供了一条有效途径，是城市大数据可视化的有力方式，是开展大数据空间分析的前提，是实现多源大数据融合的纽带。建立在GIS平台上的大数据的系统化已经开始探索。随着智慧城市的推进和越来越多的开放大数据的供给，大数据将会离普通规划师越来越近，终将成为开展智慧城市规划必不可少的技术支撑。

3）技术革命引领未来城市发展和城市规划

几千年的城市发展史表明，重大的科学进步与技术发展是产生新的城市规划观念和方法的重要因素。在古代，这一演变比较缓慢。例如，中国古代城市从里坊制到街巷制的演变，大约经过300多年。近代，这种演变在加速，过程在缩短。仅以第二次世界大战前后比较，变化就非常明显。这就要求规划师应主动地关注、研究并适应城市各个行业和技术的发展变化，运用新的科学和技术，适时地更新城市规划的观念和方法，能动地创造或发现新的城市结构形式，进而推进城市的全面“进化”和发展。互联网、交通技术、产业技术的发展和革新是未来城市发展和规划的重点关注领域。

关注点一：“互联网+”改变城市功能和空间

随着移动互联网5G 时代的到来，信息共享，在线协同合作，居家购物，移动商务，已经打破了时间与空间局限，改变了传统的生活模式。因此，未来城市的发展已没有任何城市可以作为参照，发达国家的城市规划已经不能适应如今的互联网时代，作为我们的借鉴。非互联网理念下的规划模式，未来会造成城市空间和资源的浪费，阻碍城市发展。那么，如何去顺应互联网时代的发展，研究出全新的网络城市发展模式及其相应的规划方法是当前规划工作者必须面临的。

（1）互联网对商业空间的影响

淘宝、京东、微信商城等移动电子商务平台已经颠覆了人们传统的消费模式，人们可以随时随地，比价购物，快速优惠便捷地买到自己所需要的商品。物品变得可分享，用户将获得超越单一所有权的产品体验，并实现变废为宝。以大量流动人群为保障的体验式消费则是一个新方向。一个购物中心（mall）的建设需要10万人流量来支撑运营，将城市综合体结合城市轨道交通一体化设计，合理组织交通消费流线，引导大量的流动人群盘活商机。这种以大量流动人群为保障的体验消费模式将持续引起人们的关注。如上海市长宁区中山公园龙之梦商场，依托2、3、4号线中山公园站大量的流动人口和便捷的交通，持续更新其业态及布局以保持商业活力。另外，可通过调整业态及其布局满足人们不断变化的消费需求，比如通过提供更多的艺术和文化发展机会来应对更强大的消费能力，如音乐会、艺术节、体育活动等。

除此以外，电商正在压缩城市对传统商业空间的需求，人们不再追求商业建筑的高容积率而更加关注商业空间的组织是否有趣、有品质、有特色，一片设计精致的绿地对城市产生的价值和效益已经远超出一个商铺。这样，在新一轮的城市更新中，在用地置换的利益博弈中，人们对开放空间的需求会大于对商店的需求。

（2）互联网对商务办公空间的影响

全新一代的网络化办公模式的产生必将导致商务办公空间的萎缩，人们已经没必要集中在一起协同办公，人们将对如何工作和在哪工作拥有各种选择，受益于工作分享，企业可更大范围获取人才和信息。而取代集中式办公场所的则是灵活分布的合作式办公空间，可能是与主题餐厅、小型会展混搭，复合型的商务办公模式将是一个趋势。

（3）互联网对产业的影响

互联网将引起制造业的衰退，服务功能将增加。制造业的重心将从重工业转向更高价值的企业。对环境影响低但附加价值高的新型创新产业即将出现在城市中心区。比如，三维打印等更多个人化小型制造业可以结合城市核心区设置。传统的工业园区对年轻的人才将不再有吸引力，这些人才寻求的是各专业之间的协同和非正式互动关系。

（4）互联网对居住空间的影响

住宅比例将增加，居住用地比例将占更大比重，多样化的住房类型将满足多元的需求。基于更新的互联网技术，越来越多的人可在家工作，因此住宅单位将具备更多不同的功能。住宅单位类型可以配合更大的家庭规模而扩大，老人得以和核心家庭共同生活。对能源效率和生活方式的追求将朝更密集、更多功能利用的模式发展，住房设置在工作场所附近。社区中心提供核心基础设施和社交核心区的多功能综合利用模式将形成多组团发展。社区将通过减少私人专用空间，增加鼓励合作和适应集体体验的共享空间以及多样化的职住空间选择增加互动性、可达性及各种机遇（图12-8、图12-9）。

图12-8　从传统村落到未来城市社区

图12-9　传统的功能分区到多彩纷呈的多功能综合用地规划

（5）互联网对医疗、教育设施的影响

随着以构建移动平台、抢夺用户入口为核心，各种类型的移动电商O2O（线上到线下）服务迅速发展。在线教育已经不再只是一个简单的教育引导空间，现在更是一个鼓舞激励学生的交互式的学习环境。因此，城市对校园的需求将减少，校园将变得更小，更广泛地分布在整个城市。移动健康科技有着改进亿万人医疗保健的潜力，远程咨询和诊断会减少到医院看病的比例，这样，医院规模也将更小；同时，居住区内将提供更多的社区诊所，方便居民就医（图12-10）。

图12-10　未来城市医院布局方式

另外，农业技术将融入多功能的城市利用；用于农业生产的土地将缩减，而规划将采用垂直绿化和屋顶农业。例如纽约几个平方公里的屋顶绿化所达成的愿景不但城市土地没有缩减，而相应产生的是人们可以同时享受到农耕文明、工业文明、生态文明的成果（图12-11）。

图12-11　纽约的屋顶绿化

关注点二：新交通技术改变城市生活

（1）无人驾驶技术增强交通系统承载能力

无人汽车的广泛使用将提升道路通行能力。美国电气和电子工程师协会（IEEE）预测，到2040年全球上路的汽车总量中，75%将会是无人驾驶汽车。这样，交通事故将减少50%，通勤时耗及能源将减少50%，汽车使用数量将减少50%，车道宽度将由3.5m 下降为1.5～2m。在这种技术条件下，依托快速路系统建立车联网系统，运行时间将下降30%，道路通行能力提升50%。另外，停车在传统意义上已不存在，因为减少了私家车，所有车辆不是在载运乘客活货物，就是完全停放在当地的集结区。

无人驾驶列车将增加轨道系统承载能力。轨道交通高峰满载率高。拿上海轨道交通为例，2号线早高峰期间断面流量平均饱和度高达94%，1号线高达89%。无人驾驶列车的使用，将大大提高容量供给水平，全自动无人驾驶列车的通过能力较传统列车将增加20%，这样，列车饱和度下降的同时乘客舒适性也将大大提高。

无人机将改变现有配送模式减少货运压力。电商发展增加快递配送货运的需求，未来快递配送货运交通流将占到高架道路车流量的5.5%，是现在的近40倍；无人机的快速发展将取代有人机和车辆运输，这样将提高30%的快递配送效率，减少人力运输，减少道路交通压力。另外，货运仓库根据无人机的飞行半径设置，距离每个住宅建筑五分钟的步行范围内有一个冷藏存储社保的接收中心来接收无人机递送的货物。生鲜食品的递送将成为日常生活的一部分。

（2）智能交通和精致设计将重塑街道生活

精确操作的小型车辆通过传感器行驶在严格的通行空间上，可防止碰撞，以提供更多社交空间（图12-12）。交通信号灯和其他固定的交通设施已经消失。可变换式街道根据需求重新配置，以配合交通高峰期的车辆和在其他时间的行人交通需求。道路行车速度由传感器控制，不同的交通模式和步行交通可以混合。

混凝土和柏油路面设计成透水路面，同时嵌入太阳能电池和LED 灯，用作信号和通信系统，实践生态智慧城市的目标（图12-13）。

图12-12　传感器控制小汽车及可变换式街道图

图12-13　嵌入太阳能电池和LED 灯的透水路面

关注点三：绿色低碳发展

（1）低碳规划

未来城市的能源目标是遵循大自然的模式，利用更多的可再生能源，并实现零碳排放。实现这一目标的策略包括减少需求和多元化供应。

减少需求未来城市的能源需求综合工业、交通、商业、住宅及农业各方面。各行业能源需求占50%以上，因此，高效率的制造工艺至关重要。建筑系统在平衡能耗方面将更为高效和智能，交通系统还将通过智能化的管理、电动车和无线充电技术等降低能耗。

多元化供应未来城市每个功能区的能源供应将会接近自给自足，新科技将更加强化市政基础设施的适应力，但规模会更小；每座建筑将减少需求并现场发电——利用地热、太阳能、风能、生物能来自行供电，并截留余热和附带能源，如无线电波、声波振动及起风时建筑物的摇晃。分布式发电将取代为满足高峰需求而建的集中式发电。

新技术应用将使能源生产和存储的分布更为广泛，从而形成更具适应性的系统。高效的电池增加便捷性，未来的无人驾驶车辆将成为移动的太阳能发电设备和电池，通过道路中的导体将电能无线传输到城市电力网络。太空中的太阳能农场更有效地将太阳能转换为电能，无线传输到地球。

废弃物循环利用减少生产及生活废弃物，减少污染源。所有的废弃物将再循环、再利用或堆肥处理，废物填埋的方式将淘汰。通过各种技术流程，废物变能源的方式可将不可循环材料转化为可利用的热能、电能或燃料。

（2）量水规划

水是生态系统的根基，可用水则决定了城市的规模和人口。按照所需水量供水是未来城市规划的基本原则。

供水和污水处理系统按不同用途所需水量来供水。一般性供水可以安全地用于冲厕、灌溉、冷却、工业以及其他类似的用途，在使用端进一步处理后可以作为饮用水。管内污水处理系统可缩减中央处理厂的规模（图12-14）。

图12-14　循环的供、污水处理系统

综合基础设施水系统结合开放空间、能源、废物和运输系统设置。污水处理不仅生产高品质的水，而且可回收营养物质，并产生沼气能源。固体废物可转化为能源，污水可制造土壤，饮用水可用来储存热量，而收集的雨水可用于区域供冷。

（3）重焕生机的开放空间

大型、连贯的绿色开放空间是未来城市追求的目标。其中不仅包括所有住宅区五分钟步行距离内设置社区公园，还包括规划城市和地区公园、城市农场和森林，以及净化空气的宽阔风廊。整个绿色系统与更大的自然体系相联系，营造出生物廊道，减弱洪水威胁，补给地下水。通过森林湿地净化空气和水，使生态系统达到自我修复。

具有净化功能的开放空间系统配合盛行风的风向规划开放空间和城市肌理以引导盛行风吹散污染空气，降低有害微生物滋生，改善城市自然舒适度，打造健康城市新典范（图12-15）。

垂直农业和开放空间为了保持城市的紧凑性和高开发强度，土地变得弥足真贵。屋顶将成为第二块地，作为公园和农地。垂直农场将生产高价值的农作物，直接将粮食生产带入城市（图12-16）。

新技术引领的未来城市将是智能城市、低碳城市的新典范，它将缓解中国大城市的压力，同时对快速城市化、科技进步和生活方式转变带来的冲击带来一套全方位的应对策略并创造新机遇。

图12-15　优化具有净化功能的开放空间的通风模拟分析

图12-16　垂直农业和开放空间