大數(shù)據(jù)可視化在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

操心慧，操金金，許麗娟，弓佳明，趙 茜

（1.廣州華商學(xué)院，廣州 511300；2.第二航務(wù)工程局有限公司設(shè)計研究院，武漢 430000）

0 引言

近年來，隨著城市化速度不斷加快，各個城市在進行城市規(guī)劃的過程中所遇到的問題不斷增多，沖突也不斷激化。大數(shù)據(jù)的4V（Volume,Velocity,Variety,Value）特性使規(guī)劃人員無法通過傳統(tǒng)的城市規(guī)劃方法來很好地解決現(xiàn)代城市涌現(xiàn)的一系列問題。而對于不同城市，由于其社會結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟增長方式等差異，規(guī)劃人員又難以找到能夠適用所有城市的解決方案。同時，以大數(shù)據(jù)為典型的新一代信息與通訊技術(shù)不斷融入社會的各個方面，大數(shù)據(jù)在城市規(guī)劃行業(yè)的實踐和研究得到越來越多的應(yīng)用。大數(shù)據(jù)可視化是大數(shù)據(jù)生命周期的最后一步，其將數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)出來，幫助人們觀察數(shù)據(jù)，快速理解數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)其中的特點與隱藏的意義。2016年“可視化推動大數(shù)據(jù)平民化”被中國計算機學(xué)會大數(shù)據(jù)專家委員會評選為最有潛力的大數(shù)據(jù)發(fā)展方向。在大數(shù)據(jù)可視化廣泛應(yīng)用的同時，可視化的缺點也暴露出來。首先，可視化對于信息展現(xiàn)效果、數(shù)據(jù)融合效率、工具和對話機制影響、知識闡述能力的研究依然不夠。其次，國內(nèi)外對于大數(shù)據(jù)可視化停留在分析與理解的層面，沒有完整的可視化治理體系，缺乏對城市規(guī)劃工作的理論指導(dǎo)和配套支撐。

傳統(tǒng)城市規(guī)劃存在著數(shù)據(jù)不足、過于依賴規(guī)劃師個人經(jīng)驗、規(guī)劃效果實現(xiàn)的藍圖對未來缺乏預(yù)測等諸多問題，所以傳統(tǒng)的城市規(guī)劃方法并沒有真實的依據(jù)集來支撐隨后的分析和判斷。而城市規(guī)劃與大數(shù)據(jù)可視化結(jié)合是城市規(guī)劃發(fā)展中里程碑式的轉(zhuǎn)變。其主要表現(xiàn)在三個方面：首先，在創(chuàng)建設(shè)計方案和評價比較方案時運用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將大幅度提高工作效率以及項目的總體水平，同時也使收益最大化，為項目的可行性分析提供科學(xué)依據(jù)；其次，對于城市整體而言，一個微小的誤差也許會使城市發(fā)展止步不前，甚至后退；最后，在規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域運用可視化技術(shù)，提高資源利用率，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。由此可見，將大數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用到城市規(guī)劃這一資源密集型的行業(yè)，將會很大程度提高城市的信息化和數(shù)字化的程度，使城市發(fā)展實現(xiàn)一個全新的快速模式。

本文共分為以下五節(jié)：第一節(jié)通過對大數(shù)據(jù)可視化的相關(guān)概述來引申出應(yīng)用于城市規(guī)劃中大數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)及框架；第二節(jié)和第三節(jié)是交通大數(shù)據(jù)可視化和環(huán)境音大數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用于城市規(guī)劃的實例；第四節(jié)，提出了更好的應(yīng)用城市大數(shù)據(jù)可視化要注意的問題；第五節(jié)，綜合前文以及城市發(fā)展的角度說明大數(shù)據(jù)可視化對于城市規(guī)劃的必要性和重要性。

1 大數(shù)據(jù)可視化在城市規(guī)劃中的驅(qū)動機理

1.1 大數(shù)據(jù)可視化的基本概念

數(shù)據(jù)是一種物理符號或這些物理符號的組合，描述了客觀事物的性質(zhì)，狀態(tài)和相互關(guān)系。大數(shù)據(jù)被定義為可大量快速生成和（或）多種類型數(shù)據(jù)的信息資產(chǎn)，需要新的解決方案，使決策增強、深入的見解和流程優(yōu)化成為可能。隨著大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈的愈加完善，未來發(fā)展的重點是大數(shù)據(jù)挖掘的分析和應(yīng)用。大數(shù)據(jù)可視化由Jim Thomas教授在21世紀(jì)初提出，是大數(shù)據(jù)挖掘分析和應(yīng)用中必不可少的技術(shù)，被定義為以圖形或圖像的形式在屏幕上顯示數(shù)據(jù)，更直觀地表達大數(shù)據(jù)的特征。對于數(shù)據(jù)，可視化在呈現(xiàn)數(shù)據(jù)以及其相關(guān)的處理結(jié)果的基礎(chǔ)上，更是幫助用戶進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)理解的有效途徑。對于數(shù)據(jù)可視化而言，我們透過現(xiàn)象看本質(zhì)的話，它關(guān)聯(lián)著多個方面，從數(shù)據(jù)收集與處理、信息到可視的轉(zhuǎn)化、知識到?jīng)Q策的變換等，并且在各個反面均有相對應(yīng)的目標(biāo)和框架。

1.2 城市規(guī)劃涉及的大數(shù)據(jù)類型

城市規(guī)劃是一個需要考慮的內(nèi)容和需要理清的關(guān)系錯綜復(fù)雜的一個過程，越來越多的相關(guān)技術(shù)與方法正在被運用到城市規(guī)劃工作中。這里介紹了三種應(yīng)用大數(shù)據(jù)可視化的城市規(guī)劃所涉及的大數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在城市規(guī)劃運用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的領(lǐng)域眾多，交通規(guī)劃就是最普遍的領(lǐng)域之一：借助可視化分析技術(shù)，城市規(guī)劃者可以清晰明了地觀察城市交通的運行軌跡，知道市民的外出方式與狀態(tài)以及城市經(jīng)濟活動模式。借助可視化分析技術(shù)，對交通流量以及流速進行實時追蹤，能夠快速了解道路情況以及應(yīng)對一些突發(fā)事件，營造一座交通順暢安全的城市環(huán)境。從2004年以來，浮動車數(shù)據(jù)、公交車GPS數(shù)據(jù)、公交IC卡數(shù)據(jù)、ETC數(shù)據(jù)、手機信令數(shù)據(jù)、停車數(shù)據(jù)等紛紛在交通規(guī)劃領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

近年來，城市環(huán)境噪音的污染對人們生活的干擾越來越嚴(yán)重，這讓噪聲污染問題成為政府和百姓最關(guān)心的話題之一。在我國，香港是針對城市部分地區(qū)繪制噪音地圖起步較早的城市，2002年繪制了2D交通噪音地圖覆蓋了1100 km城區(qū)；2010年通過對車輛源強和最新道路交通狀況等對地圖進行了更新，還繪制了3D交通噪聲地圖。而在內(nèi)地地區(qū)，具有代表性的首張噪音地圖是2002年上海市環(huán)科院為了提高徐匯區(qū)的環(huán)境治理而提出的。2008年，深圳洛賽聲學(xué)技術(shù)有限公司繪制了中國第一張城市區(qū)域噪聲地圖，覆蓋了濱河路以南、深圳河以北的深圳福田南片約12 km區(qū)域。在那之后，北京市勞動保護科學(xué)研究所在2009年基于已有的交通噪聲數(shù)據(jù)，針對12.7 km的城市區(qū)域完成了北京市的首張具有里程碑意義的城區(qū)交通噪聲地圖。

應(yīng)用于城市形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面的主要數(shù)據(jù)有百度熱力圖、互聯(lián)網(wǎng)開放數(shù)據(jù)、手機信令等，其依據(jù)監(jiān)測人群的散布以及實時的改變來達到體現(xiàn)功能以及空間散布的效果。吳志強和葉鐘楠在百度熱力圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對上海中心地區(qū)的人口分布程度、分布位置等數(shù)據(jù)進行了持續(xù)一周的觀察，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行分析，得到想要的結(jié)果。李娟等基于人的集聚指標(biāo)，借助百度熱力圖的數(shù)據(jù)，在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)多中心城市分類。鈕心毅等結(jié)合手機信令數(shù)據(jù)，借助局部空間自相關(guān)的知識實現(xiàn)聚類分析，對上海中心地區(qū)的公共中心體系進行了識別與分類。鄭曉偉以西安主城區(qū)為例，提出基于開放數(shù)據(jù)的城市中心體系識別與優(yōu)化方法。

1.3 城市規(guī)劃中的大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

可視化技術(shù)是將復(fù)雜數(shù)據(jù)以圖形及圖像的方式呈現(xiàn)，讓人們可以直接看到數(shù)據(jù)隱含的規(guī)律，掌握其發(fā)展趨勢，更為科學(xué)地做出決策。信息可視化、科學(xué)可視化和可視分析是可視化技術(shù)研究的三個主要方向。信息可視化解決的是數(shù)據(jù)的潛在相關(guān)性，提取并以合理的展現(xiàn)方式呈現(xiàn)給用戶?？茖W(xué)可視化主要分析具有空間特性和高維度性的數(shù)據(jù)，提取有用的信息，研究數(shù)據(jù)深層次的規(guī)律。而實現(xiàn)科學(xué)可視化和信息可視化的基礎(chǔ)是可視分析技術(shù)，其通過分析推理技術(shù)、轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)表征等數(shù)據(jù)處理技術(shù)從海量數(shù)據(jù)中提取有用信息，得到對復(fù)雜問題的進一步了解。

當(dāng)可視化技術(shù)應(yīng)用到城市規(guī)劃中時會與更多技術(shù)相結(jié)合。GIS（地理信息系統(tǒng)）是與可視化技術(shù)結(jié)合相當(dāng)廣泛的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)依靠計算機技術(shù)綜合管理空間地理信息數(shù)據(jù)，讓用戶更為清晰地了解數(shù)據(jù)的位置信息和相關(guān)屬性，其應(yīng)用的城市大數(shù)據(jù)包括交通大數(shù)據(jù)和環(huán)境音大數(shù)據(jù)等。隨著數(shù)據(jù)的發(fā)展，城市大數(shù)據(jù)的維度也不斷增加，例如日常開銷、社交網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字地圖等維度，其可以借助疊加式可視化技術(shù)結(jié)合相關(guān)的維度進行顯示與分析，在年輕用戶群體中十分受歡迎。

1.4 基于大數(shù)據(jù)可視化的城市規(guī)劃的基本模型以及框架

可視化分析是交叉研究領(lǐng)域的典范之一，包含的內(nèi)容有腦認知、人機交互、數(shù)據(jù)分析、信息可視化等。其模型如圖1所示，首先通過數(shù)據(jù)變換將可用數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫；然后將數(shù)據(jù)通過相應(yīng)算法和可視化變換方法映射到定義好的可視化結(jié)構(gòu)上，根據(jù)需要對結(jié)果進行變化設(shè)計，最終呈現(xiàn)在用戶界面上。若有設(shè)計或數(shù)據(jù)的不合理之處用戶都可以對系統(tǒng)進行反饋，如此反復(fù)修改展示就可實現(xiàn)可視分析的目的。數(shù)據(jù)可視化的準(zhǔn)則是“信，達，雅”，即準(zhǔn)確真實，通順練達和表示優(yōu)美，所以選定合理的可視化展示方法是可視分析模型的核心。

圖1 可視化分析模型

用戶在可視化的過程中也有著關(guān)鍵的作用，因為可視化的最終結(jié)果就是為廣大用戶所呈現(xiàn)。而能夠協(xié)調(diào)系統(tǒng)與用戶的重要手段就是使用交互模型，其模型如圖2所示。

圖2 可視化交互模型

在大數(shù)據(jù)可視化過程中，同一個城市地理空間或人文風(fēng)俗在不一樣的觀察角度下所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征是不一樣的，所以依據(jù)不同的需求，即使是對同一地點或事物的觀察和分析也不能脫離交互式的可視化分析操作。人機交互中，用戶根據(jù)可視化給出的結(jié)果結(jié)合自身的需求進行操作，將本身目的反饋給系統(tǒng)，從而得出最終結(jié)果。交互模型為可視化分析提供了明確目標(biāo)，有效提高了分析過程的效率和準(zhǔn)確率。

城市移動數(shù)據(jù)與人們出行息息相關(guān)，具有海量、高維度的特征。通過對移動數(shù)據(jù)進行研究，除了能發(fā)現(xiàn)市民的行為特征，還能及時看到城市發(fā)展中的弊端，提早修正，使城市的發(fā)展更為快速且平穩(wěn)。

圖3是Andrienko等總結(jié)的移動數(shù)據(jù)可視化的三種方法的邏輯關(guān)系和流程。直接描述法不需要復(fù)雜的總結(jié)，只需將處理后的數(shù)據(jù)直接展示，其能在數(shù)據(jù)簡單時給用戶最簡明直觀的展示。而總結(jié)分析可在數(shù)據(jù)復(fù)雜程度不能用直接分析法時，通過計算對數(shù)據(jù)進一步解釋，再呈現(xiàn)給用戶，降低了理解成本。特征提取又是在總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進一步抽象，發(fā)現(xiàn)并分析其隱含特征。因此，在可視化過程中需要我們結(jié)合多種方法才能更充分地理解數(shù)據(jù)。

圖3 移動數(shù)據(jù)可視化主要方法框架

2 基于交通大數(shù)據(jù)可視化的城市規(guī)劃運用

近年來在交通大數(shù)據(jù)的領(lǐng)域中，研究人員展示了一類將時間和空間數(shù)據(jù)完美融合到地圖上的技術(shù)，稱為路徑縮放，這種技術(shù)讓時空信息可視化的遮擋問題得到了解決。

2.1 基于路徑縮放的交通可視化系統(tǒng)概述

如圖4所示，下面部分是系統(tǒng)創(chuàng)建的一個就地的時空數(shù)據(jù)無遮擋可視化的流程，其核心問題是道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和層疊展示。在道路網(wǎng)優(yōu)化部分，利用可以優(yōu)化約束的能量函數(shù)把路徑縮放演變成非線性最小二乘優(yōu)化問題，有效地解決了優(yōu)化問題。在層疊展示部分，用戶可以與系統(tǒng)交互，在拓寬的路線上疊加各種信息。這個步驟利于實現(xiàn)焦點+上下文可視化，且完美地將時間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)結(jié)合，以促進時間和空間數(shù)據(jù)的分析。

圖4 系統(tǒng)創(chuàng)建流程以及核心問題

2.2 基于路徑縮放的交通可視化實例論證

通過城市旅游的交互式焦點+上下文地鐵地圖來展示時空可視化的可用性。圖5（a）是日本東京旅游的一個復(fù)雜地鐵線路，圖中有一條人們關(guān)注的最優(yōu)線路的擴寬線路。拓寬線路上還保持其本身線路的信息并包含線路上的相關(guān)景點。這樣人們就可以在拓寬的路線上看到關(guān)鍵信息，并且必要的上下文信息不受任何遮擋。另一種方法是創(chuàng)建一個靜態(tài)的說明性地圖，它可以直觀、清晰地向廣大觀眾傳達重要信息。但通常不允許用戶交互，重要信息直接顯示，且不阻塞其他上下文信息。圖5（b）可以清楚地說明路口周圍交通模擬的結(jié)果。圖5（c）顯示了具有更寬連接道路的同一道路交叉口，以顯示具有雙向交通流信息的密度圖。

圖5 路線縮放方法的實例聚焦+上下文無遮擋可視化

圖5（a）具有突出顯示的關(guān)鍵信息（例如，突出顯示旅游景點和中轉(zhuǎn)站的圖像）的加寬旅游路線；（b）用于清晰顯示交通模擬信息的加寬道路交叉口；（c）加寬道路交叉口覆蓋密度圖，以可視化雙向交通流信息。

2.3 基于交通大數(shù)據(jù)的城市規(guī)劃運用總結(jié)

基于路徑縮放技術(shù)，研究人員可以將時空數(shù)據(jù)作為一個不可分割的整體進行分析和表示。通過在拓寬的道路上直接疊加時間序列可視化，實現(xiàn)了空間和時間的無縫結(jié)合。擴寬路線對于交通問題有很好的改善，可以營造更好的城市出行環(huán)境。

3 基于環(huán)境音大數(shù)據(jù)的城市規(guī)劃運用

以廣州越秀區(qū)選定區(qū)域的噪聲地圖的繪制為例，其通過GIS軟件和噪聲模擬軟件模擬預(yù)測數(shù)據(jù)，同時結(jié)合實地測量數(shù)據(jù)完善地圖，最終以GIS電子地圖的形式展現(xiàn)。

3.1 噪聲地圖的數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計

研究選定的區(qū)域在建筑數(shù)量超過千棟的城市中心區(qū)，由于噪聲擴散傳播的特性，研究范圍長約1400 m，寬約1000 m，總面積約為1.6 km。如圖6所示，數(shù)據(jù)收集時首先將道路分為四級，前兩級通過設(shè)置測量點以及根據(jù)車流量和重車比設(shè)置不同的錄像采樣時間來共同采集數(shù)據(jù)，而后兩級則直接接收實測值來導(dǎo)入模擬軟件反求噪聲值，其車流錄像記錄時間固定為二十分鐘。

圖6 數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計流程

3.2 噪聲地圖的數(shù)據(jù)模擬及導(dǎo)入GIS平臺

在Cadna/A3.7XL噪聲軟件中首先輸入了建筑和道路矢量數(shù)據(jù)以及GIS數(shù)據(jù)精度，坐標(biāo)系等數(shù)據(jù)，然后在車流量數(shù)據(jù)和實測值的導(dǎo)入后經(jīng)過噪聲模擬得到噪聲模擬圖。模擬時，通過測點噪音和聲場分布的計算得到該區(qū)受聲點聲級和噪音地圖。然后將通過Cadna/A軟件模擬出來的噪聲模擬地圖數(shù)據(jù)以及接收點位置和實測的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)都導(dǎo)入GIS平臺軟件，得到的噪音地圖，如圖7所示。圖中不僅噪聲測點和等值線都標(biāo)出了對應(yīng)的LAeq值，還可以直接看到建筑、道路等的位置信息和相關(guān)屬性，使觀察和查詢變得更加便利。

圖7 GIS環(huán)境中的噪聲地圖

3.3 基于環(huán)境音大數(shù)據(jù)的城市規(guī)劃運用總結(jié)

利用GIS已有的數(shù)據(jù)資源與專業(yè)軟件的集成，從技術(shù)層面擺脫了計算大面積噪聲圖時數(shù)據(jù)難以獲取和編輯復(fù)雜的問題，同時降低了噪聲地圖的制作成本，提高了效率和準(zhǔn)確性。噪聲地圖能夠快速判斷主要的道路噪聲污染位置，從而促進決策過程。同時根據(jù)噪聲污染分布，有重點地布設(shè)監(jiān)測點位，相應(yīng)地增加或減少點位數(shù)量，提高點位代表性。

4 未來發(fā)展展望

現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)可視化在城市規(guī)劃中的應(yīng)用越來越多，但面對城市的快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型，大數(shù)據(jù)可視化這一技術(shù)仍需進一步提升和完善。首先由于大數(shù)據(jù)可視化有限的表現(xiàn)維度，用戶面對愈發(fā)海量和多維的數(shù)據(jù)時，高效且準(zhǔn)確地從中提取相關(guān)興趣點是大數(shù)據(jù)可視化得以應(yīng)用的基礎(chǔ)，然后通過合適的渲染方式表達，是大數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用于城市規(guī)劃的首要問題。其次，城市規(guī)劃中的管理和決策繁重而復(fù)雜，而現(xiàn)有的簡單圖形及圖像并不能使其得到充分且有效的支撐，所以其相關(guān)實踐還是迫切需要科學(xué)的理論指導(dǎo)。再次，數(shù)據(jù)是在特定語境下才具有特定具體的含義，其本身不會產(chǎn)生知識。因為大數(shù)據(jù)具有價值密度低的特點，所以它展現(xiàn)的過程也十分艱難，需要借助日益成熟的業(yè)務(wù)語義模型，才可以廣泛化、多形式地輔助大數(shù)據(jù)可視化的使用。最后，城市規(guī)劃的有序執(zhí)行并不僅僅依賴于對數(shù)據(jù)的處理和展示，人機交互才是城市規(guī)劃過程中的紐帶。借助大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，加強規(guī)劃者和計算機之間的交互是規(guī)劃者做出行之有效的決策的重要環(huán)節(jié)之一。而為可視化應(yīng)用實踐提供技術(shù)和平臺保障的是交互式系統(tǒng)的建設(shè)，這一部分也有待更深層次的研究。

5 結(jié)語

伴隨著城市生活的日益豐富與便捷，涉及到城市規(guī)劃的相關(guān)因素也越來越錯綜復(fù)雜，從交通出行到物流、通訊，從噪音管理到生態(tài)平衡，從醫(yī)療社保到商業(yè)活動等。各個方面的城市大數(shù)據(jù)的多細節(jié)、多維度特性不僅給城市帶來了機遇，也增加了挑戰(zhàn)。顯而易見的是，之前城市規(guī)劃慣例的方法，也就是依賴于理論知識和以往經(jīng)驗的方法，已經(jīng)不能解決現(xiàn)有的城市規(guī)劃的大部分問題了。大數(shù)據(jù)的分析以及可視化的出現(xiàn)為現(xiàn)代城市規(guī)劃提供了新的方法。可視化作為有效且靈活的溝通手段和信息表達，不僅僅為大數(shù)據(jù)探索分析提供了有效途徑，還提供了更加簡潔明了又精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)、認知過程理解及問題發(fā)現(xiàn)和解決，是營造更好的城市運行系統(tǒng)不可或缺的部分。