城市規(guī)劃管理中時空數(shù)據(jù)模型的應用研究

徐向波　永華

引言：和傳統(tǒng)的的GIS 數(shù)據(jù)模型相比，人們對于時空數(shù)據(jù)模型的研究起步較晚，發(fā)展還不成熟，但是大量的時空數(shù)據(jù)模型已經(jīng)不斷被提出。本文以寧波市為例，分析了時空數(shù)據(jù)模型在城市規(guī)劃管理中的應用，以期為其他城市的規(guī)劃管理提供借鑒意義。

城市規(guī)劃規(guī)劃具有戰(zhàn)略性、整合性以及綜合性的特點，對于城市的發(fā)展起著關(guān)鍵作用，而基于城市的特定，用于城市規(guī)劃的信息也具有空間性、時變性和多維性。隨著互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的不斷普及，GIS開始被廣泛運用到城市規(guī)劃空間信息管理中，但是傳統(tǒng)的GIS技術(shù)只能呈現(xiàn)出靜態(tài)的城市狀態(tài)。城市的空間信息只能展示當前的城市狀態(tài)，和過去狀態(tài)截然分開，但是我們知道城市是一個沿著時間不斷前進的動態(tài)過程。因而必須把時間可空間兩種共同元素引入到城市規(guī)劃管理，使系統(tǒng)不僅能夠跟蹤現(xiàn)在預測未來，還能夠?qū)^去的狀態(tài)進行回顧分析。

一、城市發(fā)展的時空特點及對時空數(shù)據(jù)模型的要求。

城市已經(jīng)成為非農(nóng)業(yè)人口從事非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要聚集點，而城市發(fā)展中隨著時空動力因素的逐漸推動，城市也愈來愈成為地理要素存在的重要承載體。城市的演化是各組成要素隨著時間軸不斷同化異化的過程，而其中任一因素的變化都可能對城市的發(fā)展起到重大影響，即我們通常所說的“蝴蝶效應”。而在這種動態(tài)的時空變化中，一般來說存在兩種類型的時空數(shù)據(jù)，城市發(fā)展中以其本身要素客觀形成的數(shù)據(jù)和人們在對城市規(guī)劃管理的時變數(shù)據(jù)。時間和時空類似，是作為一條帶有端點、可以測量、可逆向的、能夠?qū)ξ磥碜餮由斓妮S線而存在，因而與空間和屬性一起共同作為城市要素存在的重要基礎(chǔ)，并和時間把城市切分為一個個段落，同時也能展現(xiàn)出城市現(xiàn)在、過去以及未來所處的狀態(tài)。城市在規(guī)劃信息管理中具有極強的時態(tài)性，比如規(guī)劃用地的類型。、經(jīng)濟技術(shù)的等級和質(zhì)量上等都突出表現(xiàn)了這一特征。需要注意是專題規(guī)劃如果不同那么對于時態(tài)要素的側(cè)重點也會不同，比如有的會隨著時間呈現(xiàn)出連續(xù)變化的狀態(tài)，而有的會呈現(xiàn)出離散變化狀態(tài)。

基于以上城市所具備的時空特點，城市規(guī)劃工作者為順應城市時空特點的要求，在建立時空數(shù)據(jù)模型時需要考慮幾個問題，1，城市發(fā)展中表現(xiàn)最為活躍以及能夠與尺度匹配的種子點應作為整個記錄事件及狀態(tài)的基礎(chǔ)，舉例來說，居民區(qū)規(guī)劃中，小區(qū)道路時活躍的要素，但是在對城市進行分區(qū)規(guī)劃和總體規(guī)劃時，只能作為潛在的動因，不應當作為重點考慮。2，時間參考體系包括有效時間及事物時間，前者在數(shù)據(jù)庫中屬于生存時間往往晚育有效時間，而時間粒度作為最小的時段單位，各個城市要素中存在的頻率、周期以及壽命都各有不同，存在長時間尺度及中、短暗中過程。因而如何選擇時間間隔來更為完善的表達城市中所有要素過去、現(xiàn)在、未來的狀態(tài)，需要從從全局出發(fā)，具體考慮。3，城市空間要素一般會超越時間的連接，而時間要素要回超越空間的連接，就像是當下城市中的護城河和過去低下水位存在的拓撲關(guān)系。因而城市中各種要素攜帶不同時間短額拓撲關(guān)系，包括這些要素是如何變化的變化的原因以及時空語義的完整性也都應作為重點考慮。4，時間、屬性以及空間數(shù)據(jù)組織方式也都應作為因素加以考慮，也即是時空數(shù)據(jù)模型的類型需要根據(jù)城市各要素的具體情況加以選擇運用。

二、時空數(shù)據(jù)模型建立。

由于時空數(shù)據(jù)模型能夠同時體現(xiàn)城市時間和空間結(jié)構(gòu)的特質(zhì)，對城市管理中的時空分析具有重要作用，也導致國內(nèi)外關(guān)于此項研究的研究有很多，僅僅近20年來就有20多種重要時空數(shù)據(jù)模型被探索和實踐，而且還不包括其拓展和變異，比如快照模型、圖論模型、以及時空立方體模型等。本文主要介紹了兩種建模方法：

（一）時空立方體模型。

這種建模方式是根據(jù)笛卡爾坐標系的理論而確定的，并加入了時間維，其結(jié)構(gòu)為，

。

二維圖形沿著時間像第三維發(fā)展轉(zhuǎn)變時，平面位置也會隨之發(fā)生變動，給出確定的時間位置值，然后就能從三維立方體中得到截面所處的狀態(tài)，同時也能實現(xiàn)對三維空間沿著時間演變的過程進行擴展表達。但是這種建模方式，數(shù)據(jù)量不斷增大的同時，立方體的回溯及預測也會愈來愈復雜，進而導致數(shù)據(jù)量進一步加大，最終可能會導致無法處理。所以在策略性城市規(guī)劃中，由于整體規(guī)劃的宏觀因素很少涉及到變化，時間粒度有相對較大，因而可以結(jié)合實際情況適當采用這種模型，但是應注意實施性城市規(guī)劃中，立方體在多種變化因素的不斷疊加下很可能崩潰。

（二）面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型。

這種數(shù)據(jù)模型采用了面向?qū)ο蟮乃季S形式，基于地理要素時間、空間以及屬性上的一體性，有集成的載體及機制，提供了支持類型與類、聚集、概括、多態(tài)等多種建模結(jié)構(gòu)，并把時間、空間以及屬性都抽象為類，不過需要注意的是時態(tài)類需要依附于空間類和屬性類而存在。

三、時空數(shù)據(jù)模型在城市管理中的應用。

本文分為三個主要步驟對時空數(shù)據(jù)模型在城市管理中的應用進行講解。

1，時間軸上的結(jié)構(gòu)圖。對城市進行規(guī)劃時需要大量的資料分析，為我們首先把城市中的地理要素按照點、線、面對進行劃分，比如事件發(fā)生的類型能夠按照合并、分裂、消亡、擴充、縮減、新生等進行分類，并運用相應的1——6的數(shù)字來對應表示。然后我們按照上述所說的按照面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)方式進行建模，就可以得出時間軸上的結(jié)構(gòu)圖。

2，土地變遷圖。接著我們將其運用到實際的土地管理中，以寧波市1990年的土地為例當時A地是一塊荒地，B地是四類住宅區(qū)，C是工廠，等到1993年隨著寧波市人口的增長，土地需求增大，把A地的荒地分裂為兩部分，其中一部分A2是學校用地，A1沒有變化。到了1994年，為了滿足居民日益增長的環(huán)境需求，經(jīng)B地改造為例二類居住用地B1，工廠用地C也改造成了醫(yī)院D，此時的D就是完全新生的實體。

3，數(shù)據(jù)組織表。把上述圖轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)組織，則用Geometry 代表時空對象的集合表達，TS、Te分別表示事務時間起止， VS和Ve 則代表有效時間起，有效時間止。

結(jié)束語

當前大量的實踐已經(jīng)證明時空數(shù)據(jù)模型能夠幫助城市規(guī)劃從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)，實現(xiàn)對城市規(guī)劃的幾何、時態(tài)、狀態(tài)以及拓撲信息等的綜合管理，滿足城市發(fā)展中對時間和空間信息處理日益增長的需求，我們相信未來時空數(shù)據(jù)模型將會在城市規(guī)劃管理中發(fā)揮著越來越大的作用，當然也必須承認當前的時空數(shù)據(jù)模型還存在較多不完善的地方，需要不斷探索以促進這項技術(shù)未來更好的服務于城市建設。

參考文獻

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（作者單位：1.寧波市智慧城管中心 ；2.東藍控股有限公司）