基于決策樹(shù)的城市早期地下工程更新改造模式規(guī)劃評(píng)價(jià)方法

欒勇鵬, 陸春方, 喬永康, 3, *, 彭芳樂(lè), 3

(1. 青島市人防建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 山東 青島 266071; 2. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系, 上海 200092; 3. 同濟(jì)大學(xué)地下空間研究中心, 上海 200092)

0 引言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)下,城市更新已上升為我國(guó)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容,更加強(qiáng)調(diào)國(guó)土資源集約配置的效率和價(jià)值,旨在嚴(yán)控增量、盤(pán)活存量的前提下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。城市地下空間是國(guó)土空間資源的重要組成部分,是城市更新中實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)資源保障,可以有效提升城市發(fā)展空間承載力,推進(jìn)立體城市[1-2]、韌性城市、宜居城市和低碳城市建設(shè)。其中,老舊地下工程作為我國(guó)城市地下空間的重要組成部分,尤其對(duì)于大中城市的存量更新地區(qū),地上、地下空間的可開(kāi)發(fā)資源極為緊缺,此類(lèi)已建成卻未被充分利用的空間資源具備成為新的城市發(fā)展空間增長(zhǎng)點(diǎn)的潛力,其改造再利用將成為盤(pán)活土地資源、實(shí)現(xiàn)集約化發(fā)展的必由之路[3]。我國(guó)大范圍的地下工程建設(shè)可追溯至20世紀(jì)七八十年代,當(dāng)時(shí)各地為防備大規(guī)模戰(zhàn)略空襲,修建了大量地下防空、掩蔽、貯藏工程。據(jù)統(tǒng)計(jì),上海市中心城區(qū)現(xiàn)存的老舊防空洞總面積達(dá)70萬(wàn)m2[4]。這些地下工程由于缺乏合理規(guī)劃,工程質(zhì)量參差不齊、規(guī)模不一、分布零散[5],如今大部分已難以發(fā)揮先前的防空防災(zāi)職能,造成城市建成資產(chǎn)的閑置浪費(fèi)。以重慶市為例,未被開(kāi)發(fā)利用的防空洞比例高達(dá)70%[6]。同時(shí),地下空間開(kāi)發(fā)的不可逆性帶來(lái)的地下老舊資源閑置問(wèn)題,在一定程度上會(huì)影響城市風(fēng)貌和周邊地質(zhì)環(huán)境安全[7-8]。在此背景下,城市發(fā)展應(yīng)當(dāng)賦能早期地下工程,挖掘早期地下工程價(jià)值,探尋符合新時(shí)代社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)備發(fā)展要求的老舊工程更新改造方式。

在城市用地資源緊缺的背景下,早期地下工程作為時(shí)代變遷下的閑置資源,越來(lái)越受到學(xué)者們的重視。相關(guān)研究表明,早期地下工程的更新改造模式范圍廣泛,涉及交通、市政、文娛等多個(gè)方面[9]。目前早期地下工程的更新改造已在國(guó)內(nèi)外諸多城市付諸實(shí)踐,被廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)(如美國(guó)堪薩斯的SubTropolis項(xiàng)目、濟(jì)南千佛山酒窖)、觀(guān)光游覽(如英國(guó)紐卡斯?fàn)柕腣ictoria Tunnel、重慶建川博物館群)、公寓酒店(如美國(guó)阿肯色州貝克漢姆溪洞穴旅館、上海深坑酒店)、餐飲娛樂(lè)(如俄羅斯莫斯科套娃餐廳、重慶洞庭火鍋)、夏季納涼(如青島、濟(jì)南、重慶等城市的納涼點(diǎn))、圖書(shū)館(如英國(guó)雷丁大學(xué)圖書(shū)館、南京先鋒書(shū)店)、社區(qū)共享空間(如英國(guó)倫敦Vans之家、北京地瓜社區(qū))、停車(chē)庫(kù)(如青島龍山停車(chē)場(chǎng))、綜合管廊(如上海市肇嘉浜路地下綜合管廊)等城市基礎(chǔ)設(shè)施,并取得了良好的效果[5]。但這些實(shí)踐案例多為小范圍區(qū)域的探索性、分散性嘗試,并無(wú)相對(duì)完整的方法體系,難以有效指導(dǎo)不同條件下早期地下工程更新改造的規(guī)劃和決策。

基于上述背景,本文將重點(diǎn)研究如何通過(guò)系列影響因素明確城市早期地下工程更新改造的適宜模式。地下工程的規(guī)劃決策方法中對(duì)早期地下工程更新改造有較大借鑒價(jià)值的是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分類(lèi)決策方法,主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、樸素貝葉斯、決策樹(shù)、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等[10],目前主要應(yīng)用于地下工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、圍巖分類(lèi)、地下工程聚類(lèi)(如軌道交通)等方面[11-14],并且預(yù)測(cè)或分類(lèi)結(jié)果具有一定可靠性。但從可操作性來(lái)看,早期地下工程相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取不可能做到詳盡精確,基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法不能準(zhǔn)確地描述實(shí)際情況;另外,在相同的內(nèi)在、外在條件下,地下工程同樣可能改造為多種模式,通過(guò)隸屬函數(shù)確定適合更新改造的模式具有一定困難且存在片面的問(wèn)題。而以決策樹(shù)為代表的分類(lèi)方法雖然從結(jié)果上同樣表現(xiàn)出唯一指向性的特點(diǎn),但是通過(guò)合適的算法仍能基于樣本了解各更新改造模式的概率或隸屬程度,對(duì)地下工程更新改造模式的決策有重要參考意義。同時(shí),每個(gè)早期地下工程小類(lèi)模式影響因素具有多個(gè)屬性,決策規(guī)則必然十分復(fù)雜,而決策樹(shù)方法可以通過(guò)增加樹(shù)的深度提高模型的精準(zhǔn)度。因此,本文依托決策樹(shù)的分類(lèi)特性和優(yōu)點(diǎn)建立早期地下工程更新改造模式的決策方法。

綜上,為順應(yīng)新時(shí)代地下工程利用趨勢(shì),滿(mǎn)足美麗城市建設(shè)需要,本文聚焦于城市早期地下工程的更新改造模式,旨在提供一種行之有效、詳備清晰的早期地下工程分類(lèi)方法,建立早期地下工程的更新改造模式的規(guī)劃評(píng)價(jià)和決策路徑,為城市更新背景下早期地下工程的高效利用和改造優(yōu)化提供行之有效的策略。

1 城市早期地下工程更新改造模式及其影響因素分析

1.1 城市早期地下工程更新改造模式分類(lèi)

不同城市的早期地下工程的人文歷史、建設(shè)政策及背景、地域特色、工程條件等因素不盡相同,更新改造方式也存在差別。從更新改造類(lèi)別來(lái)看,早期地下工程可改造范圍廣泛,模式類(lèi)別多。從規(guī)劃編制的角度出發(fā),城市早期地下工程更新改造模式可分為大類(lèi)模式和小類(lèi)模式:大類(lèi)模式反映城市早期地下工程所在區(qū)域發(fā)展的整體需求,劃分目的是立足城市地下空間特性和分類(lèi),明確早期地下工程改造功能的所屬范疇,例如地下交通、地下市政、地下公共服務(wù)設(shè)施等;小類(lèi)模式不僅要充分考慮早期地下工程所在片區(qū)的特定需求,還需要結(jié)合具體的工程結(jié)構(gòu)特性,明確早期地下工程改造的具體功能,如地下公共服務(wù)設(shè)施大類(lèi)下的地下商業(yè)、地下文娛、地下社區(qū)服務(wù)等小類(lèi)功能模式。城市早期地下工程更新改造模式分類(lèi)如表1所示。

表1 城市早期地下工程更新改造模式分類(lèi)

1.2 城市早期地下工程更新改造模式的影響因素

面向城市功能開(kāi)發(fā)建設(shè)的大類(lèi)模式是由早期地下工程所在區(qū)域的整體需求決定的,可以通過(guò)分析所在區(qū)域分類(lèi)設(shè)施的需求和供給來(lái)明確。每大類(lèi)包含多個(gè)小類(lèi)更新改造模式,嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō),每個(gè)小類(lèi)模式都是1個(gè)單獨(dú)的研究方向。本文中小類(lèi)模式共21種,整合各類(lèi)模式的影響因素工作量龐大,且決策要素繁雜,有效信息少。因此,本文綜合考慮影響因素的普適性、用于模式?jīng)Q策的可行性、早期工程更新改造的針對(duì)性,選取如下影響因素。

1)地面建設(shè)用地類(lèi)型。城市發(fā)展過(guò)程中,地下空間的開(kāi)發(fā)建設(shè)需要充分考慮地上用地規(guī)劃。地面建設(shè)用地功能定位很大程度上反映了當(dāng)?shù)氐娜肆饕?guī)模、對(duì)象人群、產(chǎn)業(yè)布局、業(yè)態(tài)分布等,早期地下工程不可能獨(dú)立于所在地區(qū)的用地規(guī)劃進(jìn)行更新改造,不同城市建設(shè)用地類(lèi)型會(huì)影響不同小類(lèi)更新改造模式的決策。

2)空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。城市早期地下工程空間結(jié)構(gòu)形態(tài)包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)凈空條件和工程分布形態(tài),通常情況下等效的凈空條件能反映整體工程分布形態(tài),凈寬、凈高會(huì)影響內(nèi)部人員疏散、人車(chē)通行、物品倉(cāng)儲(chǔ)、展覽的可行性。在適當(dāng)擴(kuò)建改建時(shí),原有工程的內(nèi)部?jī)艨粘叽绱笮∈怯绊懜脑斐杀镜闹匾蛩亍３鞘性缙诘叵鹿こ炭臻g結(jié)構(gòu)形態(tài)可劃分為通道式和單體式。工程凈空尺寸可以通過(guò)高度h和寬度w描述。綜合考慮規(guī)范的限值要求、早期地下工程結(jié)構(gòu)的差異性、平面形態(tài)特征、各改造模式案例實(shí)際情況,將早期地下工程空間結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行劃分和描述,如表2所示。

表2 城市早期地下工程空間結(jié)構(gòu)形態(tài)劃分方式及描述

3)面積。早期地下工程的面積是更新改造的基礎(chǔ)條件。對(duì)于目前面積較小的早期地下工程,即使其斷面尺寸和結(jié)構(gòu)形態(tài)等條件滿(mǎn)足要求,也需要通過(guò)大規(guī)模的改擴(kuò)建工程才能達(dá)到改造后使用面積標(biāo)準(zhǔn),因此此類(lèi)工程不具備良好的改造效益?；趯?duì)國(guó)內(nèi)早期地下工程的分布特性和更新改造的實(shí)際情況,不少零散分布的早期地下工程面積通常不大,以青島市早期地下工程為例,其工程平均面積約1 000 m2。因此可按表3劃分?jǐn)U大面積范圍。

表3 城市早期地下工程面積劃分方式及描述

4)埋深。地下工程在作為人防工程時(shí)有一定應(yīng)災(zāi)應(yīng)急能力,但緊急情況下人員疏散、火災(zāi)時(shí)的救援和通風(fēng)都比地面條件苛刻。埋深不大時(shí),人員、車(chē)輛、貨物能更加便捷地通過(guò)出入口抵達(dá)地面,故需完善的通風(fēng)設(shè)施、需改造的出入口建設(shè)成本低;埋深較大時(shí),若沒(méi)有特殊的連通設(shè)施,人們對(duì)于抵達(dá)地下步行通道、地下文史展覽、地下餐飲娛樂(lè)、旅游休閑地點(diǎn)的意愿會(huì)受到顯著影響。因此,埋深與地下空間的開(kāi)發(fā)利用同樣聯(lián)系密切,城市地下空間地下工程豎向?qū)哟蝿澐秩绫?所示。

表4 城市地下空間豎向?qū)哟蝿澐諿15]

5) 區(qū)位。早期地下工程的地理位置是確定的,更新改造必然受到所在地區(qū)業(yè)態(tài)、功能設(shè)施、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響,因此區(qū)位是早期地下工程小類(lèi)更新改造模式的重要因素之一[5]。區(qū)位主要描述早期地下工程周邊是否存在重要的商業(yè)區(qū)域、住宅區(qū)域、文化旅游設(shè)施、交通設(shè)施(包含軌道交通站點(diǎn))、公共活動(dòng)場(chǎng)所、學(xué)校等。這些區(qū)域或設(shè)施會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的人流量、連通可能性,對(duì)小類(lèi)更新改造模式的選取具有一定誘導(dǎo)作用。周邊區(qū)位的半徑劃分需要綜合考慮早期地下工程的鄰近效應(yīng)以及人車(chē)活動(dòng)范圍。本研究區(qū)位條件影響范圍按表5劃分。

表5 城市早期地下工程區(qū)位條件劃分范圍

在影響范圍劃分的基礎(chǔ)上,本研究將早期地下工程更新改造的區(qū)位影響因素劃分為表6所列的7種情形。另外,由于周邊區(qū)位影響因素較為繁雜,為了篩選不同模式的適宜區(qū)位條件,對(duì)周邊區(qū)位條件進(jìn)行專(zhuān)家調(diào)查問(wèn)卷,旨在讓各專(zhuān)家選擇影響小類(lèi)更新改造模式最為重要的區(qū)位情形,有效問(wèn)卷為10份。為了控制決策樹(shù)方法中的樣本均衡,篩選每個(gè)模式下2～4個(gè)適宜區(qū)位情形。

表6 城市早期地下工程區(qū)位條件分析情形

綜合上述5種影響因素分析,歸納各類(lèi)早期地下工程更新改造模式所對(duì)應(yīng)的影響因素,如表7所示。

表7 早期地下工程更新改造模式影響因素匯總歸納

2 基于決策樹(shù)的小類(lèi)功能更新改造模式?jīng)Q策評(píng)價(jià)方法

2.1 決策樹(shù)分類(lèi)基本理論

決策樹(shù)是一種樹(shù)狀結(jié)構(gòu),每棵決策樹(shù)由3類(lèi)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,即根節(jié)點(diǎn)(決策節(jié)點(diǎn))、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(機(jī)會(huì)節(jié)點(diǎn))和葉節(jié)點(diǎn)(終節(jié)點(diǎn)),如圖1所示。根節(jié)點(diǎn)是判定的起始節(jié)點(diǎn),對(duì)棵決策樹(shù)的決策效果起到重要的作用,相比于其他特征的判定條件有更高的重要性,葉節(jié)點(diǎn)就是在多級(jí)判定條件下的類(lèi)別決策結(jié)果。

圖1 決策樹(shù)決策邏輯示意圖

最為常用的決策樹(shù)算法包括以下3種: 信息增益劃分(ID3算法)、增益率劃分(C4.5算法)和基尼指數(shù)劃分(CART算法)。其中,ID3算法更加適用于樣本含量大的特征;C4.5算法能解決ID3算法在樣本數(shù)量不足時(shí)出現(xiàn)的偏向性問(wèn)題,并且能處理屬性缺失的問(wèn)題,此外還有將連續(xù)數(shù)值離散化、應(yīng)對(duì)過(guò)擬合的優(yōu)點(diǎn);CART算法與C4.5算法基本類(lèi)似,是二叉樹(shù)分類(lèi),對(duì)離散特征或連續(xù)特征的處理效果都較為理想?？紤]到本研究中早期地下工程樣本獲取或樣本構(gòu)造數(shù)量難以精準(zhǔn)控制且不均衡的情況,以及不同特征屬性離散的特點(diǎn),本文將采用Scikit-Learn學(xué)習(xí)庫(kù)中DecisionTreeClassifier模塊提供的CART算法。

基尼指數(shù)(Gini index)是劃分屬性的另一種方式,其核心是CART算法(classification and regression tree)[16]?？捎檬?1)的基尼指數(shù)[17]來(lái)描述純度。

式中:S表示總樣本集合;N表示總樣本數(shù)量;K表示總樣本可分為K個(gè)分類(lèi)標(biāo)簽;rk表示第k類(lèi)樣本在樣本集合中所占的比例;Nk表示類(lèi)別k的樣本數(shù)量;Si(i=1, 2, 3,…,n)表示具有特征a的n個(gè)取值對(duì)應(yīng)的樣本子集,Si?S;n為特征a下屬的屬性分類(lèi)個(gè)數(shù);Ni表示子集Si的樣本數(shù)量;Nik表示子集Si中屬于分類(lèi)標(biāo)簽k的樣本數(shù)量; Gini(S)表示基尼度量值,反映兩兩樣本之間類(lèi)別不一致的概率,其值越小,樣本純度越高; Gini_index(a)表示指對(duì)特征a分支計(jì)算時(shí)的基尼指數(shù)。

2.2 決策樹(shù)分類(lèi)樣本準(zhǔn)備

2.2.1 構(gòu)建原則

2.2.1.1 基本樣本與構(gòu)造樣本相結(jié)合

1.2節(jié)總結(jié)了不同小類(lèi)模式更新改造影響因素,為決策樹(shù)構(gòu)建提供了樣本基礎(chǔ)。為了保證決策的真實(shí)性和可行性,按不同特征需要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)標(biāo)簽(例如埋深特征可以劃分為淺層、次淺層、次深層和深層4個(gè)標(biāo)簽)。

基本樣本是所需相關(guān)數(shù)據(jù)或?qū)?yīng)特征屬性類(lèi)別較容易確定的樣本,構(gòu)造樣本是在表7影響因素研究基礎(chǔ)上總結(jié)的。構(gòu)造樣本將作為小類(lèi)模式?jīng)Q策的數(shù)據(jù),是確定更新改造模式的關(guān)鍵部分,基本樣本用于模型驗(yàn)證。

2.2.1.2 大類(lèi)—小類(lèi)模式強(qiáng)對(duì)應(yīng)原則

強(qiáng)對(duì)應(yīng)原則也可理解為根節(jié)點(diǎn)與葉節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)原則,是在決策樹(shù)進(jìn)行“特征1→特征2→……特征n→分類(lèi)”的路徑構(gòu)建中,人為加入大類(lèi)模式控制樹(shù)的分叉,強(qiáng)對(duì)應(yīng)體現(xiàn)在構(gòu)造樣本過(guò)程中首尾的1∶1對(duì)應(yīng),即在內(nèi)部主要特征(影響因素)變化情況下,大類(lèi)模式和小類(lèi)模式等量強(qiáng)對(duì)應(yīng)。

為了確保早期地下工程更新改造滿(mǎn)足區(qū)域發(fā)展需求,小類(lèi)模式隸屬于對(duì)應(yīng)的大類(lèi)模式。強(qiáng)對(duì)應(yīng)原則保證決策樹(shù)建立大類(lèi)和小類(lèi)的過(guò)渡關(guān)系。例如,在地下公共服務(wù)的大類(lèi)模式下,相關(guān)的早期地下工程更新改造模式的規(guī)劃決策結(jié)果僅限于該大類(lèi)模式下的地下商業(yè)、地下文娛、地下社區(qū)服務(wù)等。

2.2.1.3 合理拓展樣本的原則

1)確保樣本量。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),決策樹(shù)方法在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中,樣本量通常較小,大部分不足500個(gè),沒(méi)有樣本量的直接計(jì)算依據(jù)。為了確定較為合適的樣本量,本文主要參考Scikit-learn學(xué)習(xí)庫(kù)中的自帶數(shù)據(jù)集,其中wine數(shù)據(jù)集的3分類(lèi)問(wèn)題中,總樣本量為178,特征量為13;IRIS數(shù)據(jù)集的3分類(lèi)問(wèn)題中,總樣本量為150,特征量為4。本文實(shí)際上是21分類(lèi)問(wèn)題,比自帶數(shù)據(jù)集的樣本量高1個(gè)量級(jí),因此在總樣本量上可簡(jiǎn)易處理。選取高1個(gè)量級(jí)的數(shù)值,大致可以確定本研究應(yīng)采用1 000個(gè)以上的樣本進(jìn)行訓(xùn)練。

2)均衡樣本量。雖然包含大類(lèi)模式總共有6類(lèi)特征,但實(shí)際上部分特征分布極為不均勻。例如: 埋深特征包含4個(gè)屬性,但是對(duì)于早期地下工程大部分改造模式,淺層是最為常見(jiàn)的類(lèi)型,很少模式在深層條件下具備改造條件。因此構(gòu)造樣本過(guò)程中遵循按類(lèi)控制數(shù)量的原則,盡量保證不同小類(lèi)模式包含的樣本數(shù)量接近,這需要嚴(yán)格控制特征屬性值的可取范圍,控制樣本量取值的依據(jù)如下:

(2)

式中:Ni表示第i個(gè)類(lèi)別(小類(lèi)模式)的樣本數(shù)量,1≤i≤21;Nf表示特征數(shù)量,取Nf=6;nij表示第i個(gè)類(lèi)別下特征j所包含的屬性個(gè)數(shù)。

要控制Ni盡量均衡,需要合理選取每個(gè)特征的屬性個(gè)數(shù),在確保屬性盡可能全面涵蓋的同時(shí),讓每一類(lèi)乘積結(jié)果盡量接近。

2.2.2 樣本標(biāo)簽化

根據(jù)表7的研究結(jié)果,需要對(duì)不同更新改造模式影響因素(特征值)進(jìn)行劃分,各類(lèi)特征可以劃分多個(gè)屬性。在機(jī)器學(xué)習(xí)中,特征的判斷顯然不適合直接用文字表示,因此對(duì)各類(lèi)特征下的屬性按離散化的整數(shù)(本研究采用1～8的整數(shù))映射,以便機(jī)器更好地識(shí)別屬性與屬性之間的差異。

2.2.3 樣本構(gòu)建

1) 基本樣本?；緲颖炯瘧?yīng)保證樣本的代表性。為此,本文在前期研究中廣泛搜集了世界各地早期地下工程開(kāi)發(fā)利用的典型案例,并歸納為如表1所示的7個(gè)大類(lèi)和21個(gè)小類(lèi)?；緲颖炯瘧?yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有分類(lèi)的全覆蓋,并能提供表7所列的影響因素指標(biāo)。本研究根據(jù)相關(guān)官方網(wǎng)站、文獻(xiàn)資料、新聞報(bào)刊、谷歌地圖等渠道搜集的部分樣本真實(shí)數(shù)據(jù),選取了能直接用表7中的具體屬性標(biāo)識(shí)描述、且覆蓋21個(gè)小類(lèi)的24個(gè)基本樣本,如表8所示。其中周邊區(qū)位指標(biāo)主要根據(jù)已完成改造模式產(chǎn)生的依據(jù)、面向?qū)ο?、周邊鄰近的大型設(shè)施考慮后確定。

表8 城市早期地下工程更新改造基本樣本

2) 更新改造適宜樣本構(gòu)造。根據(jù)樣本構(gòu)建的第三原則,為了保證樣本量均衡,需要確定出每個(gè)小類(lèi)模式最重要的特征集合,通過(guò)調(diào)節(jié)周邊區(qū)位影響因素中適宜區(qū)位情形的個(gè)數(shù),通過(guò)式(2)將每個(gè)類(lèi)別樣本量控制在54～96的相對(duì)均衡范圍。以基本樣本為核心,將表7中潛在的具有更新改造可能性樣本的特征屬性在取值范圍內(nèi)窮舉,以保證樣本訓(xùn)練的可靠性,共構(gòu)造1 605個(gè)樣本。

2.3 更新改造模式?jīng)Q策評(píng)價(jià)

2.3.1 決策樹(shù)分類(lèi)結(jié)果可靠性評(píng)價(jià)

在進(jìn)行剪枝處理與優(yōu)化前需要明確: 1)本文研究與決策樹(shù)傳統(tǒng)應(yīng)用有所差別,本文的屬性值數(shù)據(jù)是人為映射,其映射值本身大小并不具有描述所屬特征的特點(diǎn),這與決策樹(shù)的普遍應(yīng)用情形有所差異; 2)屬性以離散數(shù)字映射的特點(diǎn)使得模型很容易發(fā)生過(guò)擬合,這是因?yàn)榧词乖诮o定大類(lèi)下,多個(gè)小類(lèi)模式對(duì)應(yīng)的影響因素(特征集)中也有可能存在交叉,使得決策樹(shù)在隨機(jī)分叉時(shí)難以兼顧所有決策結(jié)果。換言之,決策樹(shù)分析最終是要返回可能性最高(分布樣本概率最高)的結(jié)果。從實(shí)際更新改造來(lái)看,大類(lèi)模式及影響因素相同的早期地下工程仍然有可能改造為2種甚至多種模式。因此,在樣本屬性之間必然存在交錯(cuò)的情況下很難在樣本上擬合結(jié)果良好。通過(guò)大量選取隨機(jī)樣本發(fā)現(xiàn),這類(lèi)問(wèn)題在上述背景下,測(cè)試集分?jǐn)?shù)幾乎很難達(dá)到0.9。重點(diǎn)應(yīng)放在樣本概率上,確?；緲颖绢A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度,利用Scikit-Learn中predict_proba預(yù)測(cè)接口進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在本研究中,24個(gè)基本樣本對(duì)應(yīng)21個(gè)實(shí)際小類(lèi)模式,在概率運(yùn)算過(guò)程中,決策樹(shù)是根據(jù)樣本分布情況計(jì)算概率的,算式如下:

(3)

式中:s表示決策樹(shù)的某一路徑s(或某一葉節(jié)點(diǎn)s);Pdecesiontree(s,i)表示以決策樹(shù)預(yù)測(cè)可能性時(shí)路徑s決策后屬于類(lèi)別i的概率;Ni表示落入葉節(jié)點(diǎn)s中且分布在類(lèi)別i中的樣本數(shù)量;Ns表示葉節(jié)點(diǎn)s的總樣本個(gè)數(shù);nclass表示總類(lèi)別數(shù)量,本文中即為小類(lèi)模式數(shù)量,取21。

隨機(jī)森林預(yù)測(cè)概率的計(jì)算與決策樹(shù)不同,會(huì)針對(duì)每一棵樹(shù)進(jìn)行一次決策,對(duì)結(jié)果進(jìn)行投票,所有樹(shù)對(duì)某一類(lèi)投票的總額與樹(shù)總數(shù)的比值即輸入樣本改造為該類(lèi)別的概率。

對(duì)于錄入基本樣本,每一條樣本特征組合的路徑在決策樹(shù)中會(huì)產(chǎn)生所屬21個(gè)類(lèi)別的概率,假設(shè)每種大類(lèi)模式下屬于不同下屬小類(lèi)模式的概率中,第一、第二大概率分別為P1、P2,而24個(gè)基本樣本,每個(gè)樣本實(shí)際小類(lèi)更新改造模式對(duì)應(yīng)的概率可記為Pactual,i,1≤i≤24。決策樹(shù)模型的可靠性評(píng)價(jià)流程如圖2所示。

圖2 決策樹(shù)模型可靠性評(píng)價(jià)流程

單棵決策樹(shù)所屬類(lèi)別概率受到樣本影響,絕對(duì)精確的更新改造模式預(yù)測(cè)是不符合實(shí)際情況的,對(duì)此應(yīng)適當(dāng)考慮P2的潛在可能性,當(dāng)P2較大時(shí),雖然首選模式并非該類(lèi)別,但從改造潛力來(lái)看仍有很高的可能性。決策樹(shù)在一棵樹(shù)情況下進(jìn)行樣本概率預(yù)測(cè)難免會(huì)因?yàn)闃颖窘徊娲嬖谡`差,因此考慮P2的潛在樣本后最終預(yù)測(cè)度需達(dá)到0.8;而隨機(jī)森林由于多個(gè)決策樹(shù)參與決策,對(duì)樣本、特征有隨機(jī)抽樣特性,理論效果比單棵決策樹(shù)好,因此最終預(yù)測(cè)度可設(shè)為0.9。

2.3.2 剪枝處理與優(yōu)化

剪枝就是對(duì)樹(shù)的分叉做優(yōu)化處理,主要目的之一是防止決策模型的過(guò)擬合。本研究中的決策樹(shù)剪枝參數(shù)選擇控制樹(shù)的最大深度,以有效地提高決策效率。同時(shí),利用隨機(jī)森林作為優(yōu)化的一種手段進(jìn)行嘗試。在進(jìn)行優(yōu)化前需要明確訓(xùn)練樣本數(shù)量,本文將按照構(gòu)造樣本的70%選取訓(xùn)練樣本。通過(guò)圖3 所示的測(cè)試集準(zhǔn)確度隨深度變化關(guān)系,可以確定單棵決策樹(shù)與隨機(jī)森林的深度最佳取值分別為7和6。運(yùn)用同樣的方法,可以確定準(zhǔn)確度最大值對(duì)應(yīng)的隨機(jī)森林中基評(píng)估器數(shù)量為26。

(a) 單棵決策樹(shù)

基于上述參數(shù)確定模型并對(duì)構(gòu)造樣本的測(cè)試集進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果顯示決策樹(shù)和隨機(jī)森林測(cè)試集預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度均足以保證后續(xù)決策的可靠性。

2.3.3 模型評(píng)估與決策

1) 模型評(píng)估。將表8的基本樣本作為外檢測(cè)樣本導(dǎo)入創(chuàng)建好的決策樹(shù)模型,得到計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 決策樹(shù)與隨機(jī)森林對(duì)基本樣本的預(yù)測(cè)結(jié)果

2) 決策與更新改造模式?jīng)Q策集。單純利用決策樹(shù)進(jìn)行分析雖然從分類(lèi)結(jié)果上只能明確1種模式,需要通過(guò)限定相應(yīng)的第2模式大小或第1、2模式概率差來(lái)提高精度。但考慮到相同的大類(lèi)模式及影響因素對(duì)應(yīng)的早期地下工程仍然有可能改造為2種甚至多種模式,這樣的方法仍然不足以全面描述潛在的改造模式。為解決這一問(wèn)題,借鑒決策樹(shù)或隨機(jī)森林中的分類(lèi)邏輯下影響因素的重要性的概念,在進(jìn)行決策樹(shù)處理后,可以通過(guò)改變不重要的影響因素取值標(biāo)簽,再次利用決策樹(shù)進(jìn)行決策和優(yōu)化,即二次決策。本文通過(guò)專(zhuān)家問(wèn)卷調(diào)查判斷影響因素的重要性,采用AHP標(biāo)度法[18]確定影響因素的權(quán)重。確定權(quán)重后,不同大類(lèi)下最低權(quán)重的因素應(yīng)該作為重要調(diào)整對(duì)象,按照最近的分類(lèi)標(biāo)簽進(jìn)行修改,保持其余因素不變,代入決策樹(shù)再一次進(jìn)行計(jì)算。最后需要根據(jù)第1次決策結(jié)果、第2模式概率要求選擇的結(jié)果、第2次決策結(jié)果確定城市早期地下工程更新改造模式?jīng)Q策集。在本研究中,各指標(biāo)的一致性系數(shù)均小于0.1,符合一致性要求。不同模式下的權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表10所示。

表10 不同大類(lèi)模式下影響更新改造小類(lèi)模式的因素權(quán)重

3 實(shí)證研究及規(guī)劃應(yīng)用——以青島市中山路片區(qū)為例

3.1 研究范圍與早期地下工程分布

中山路片區(qū)作為青島市城市更新重點(diǎn)部署和規(guī)劃區(qū)域,結(jié)合最新一輪中山路歷史文化街區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃,中山路片區(qū)土地利用規(guī)劃如圖4所示。

資料來(lái)源: 中山路歷史文化街區(qū)保護(hù)規(guī)劃。

選取中山路片區(qū)作為小類(lèi)更新改造模式評(píng)估區(qū)域的重要原因之一是該地早期地下工程數(shù)量較多,且該片區(qū)地面交通壓力大、公共服務(wù)設(shè)施有待完善、停車(chē)空間缺口巨大,具有較高的更新改造研究?jī)r(jià)值。內(nèi)部包含的早期地下工程位置及分布如圖5所示。

圖5 中山路片區(qū)早期地下工程大致分布

3.2 影響指標(biāo)確定

結(jié)合中山路片區(qū)更新升級(jí)需求,確定該區(qū)域早期地下工程的更新改造以地下動(dòng)態(tài)交通(UT)、地下文娛(UP2)和地下靜態(tài)交通(UP4)3大類(lèi)模式進(jìn)行探討,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用前文所述的決策樹(shù)方法進(jìn)一步確定各單項(xiàng)工程的小類(lèi)模式。

中山路片區(qū)的用地類(lèi)型參考圖4,埋深、面積和結(jié)構(gòu)形態(tài)結(jié)合筆者現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況確定,周邊區(qū)位借助高德地圖相關(guān)接口獲取中山路片區(qū)一定鄰域內(nèi)的興趣點(diǎn)(POI)類(lèi)型和數(shù)量,利用GIS平臺(tái)對(duì)4個(gè)早期地下項(xiàng)目分別建立rⅠ(50～800 m)及rⅡ(50～2 000 m)緩沖區(qū)范圍,視相應(yīng)情形下緩沖區(qū)內(nèi)的POI進(jìn)行距離分析結(jié)果而定。在分析過(guò)程中,由于不同類(lèi)型POI分布數(shù)量差異很大、所處區(qū)域周邊POI較為密集、其中情形對(duì)應(yīng)的分析半徑不盡相同的特點(diǎn),本文采用式(4)處理。

(4)

式中:k表示描述地下工程與周邊POI設(shè)施緊密程度的系數(shù);D表示分析緩沖區(qū)范圍內(nèi)所有POI點(diǎn)至地下工程的平均距離;Δrange表示分析緩沖區(qū)半徑的上下限范圍差,本文中對(duì)于rⅠ范圍差Δrange=800-50=750 m,適用于情形1、情形2、情形7分析,對(duì)于rⅡ范圍差Δrange=2 000-50=1 950 m,適用于情形3～情形6的分析。在確定工程所屬區(qū)位情形時(shí),取k值最小的情形作為分析指標(biāo)。

結(jié)合調(diào)研結(jié)果、區(qū)位分析,確定各早期地下工程的更新改造影響指標(biāo)見(jiàn)表11。

表11 中山路片區(qū)部分早期地下工程更新改造影響指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.3 適宜模式?jīng)Q策評(píng)價(jià)

利用2.3節(jié)分類(lèi)樹(shù)的模型,將表11中所示的18種影響因素情況下的工程指標(biāo)導(dǎo)入,利用Predict接口對(duì)各情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。在評(píng)估過(guò)程中,結(jié)合2.3節(jié)理論,對(duì)模式隸屬概率進(jìn)行考慮,即分類(lèi)樹(shù)評(píng)估中要求次級(jí)模式對(duì)應(yīng)概率≥0.4才能作為合理結(jié)果,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 中山路片區(qū)早期地下工程更新改造模式初次決策

根據(jù)表12,地下動(dòng)態(tài)交通、地下靜態(tài)交通的最小權(quán)重影響因素是用地類(lèi)型,地下文娛的用地類(lèi)型的最小權(quán)重影響因素是面積。因此,用地類(lèi)型根據(jù)當(dāng)前用地類(lèi)型最鄰近的主要用地類(lèi)型調(diào)整,面積依照最鄰近規(guī)模調(diào)整。在動(dòng)態(tài)交通、地下靜態(tài)交通大類(lèi)模式影響下,地下通道項(xiàng)目1用地類(lèi)型由S調(diào)整為B,地下通道項(xiàng)目2用地類(lèi)型由S調(diào)整為A。調(diào)整后的數(shù)據(jù)重新作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入決策樹(shù),二次決策評(píng)價(jià)結(jié)果中,節(jié)點(diǎn)項(xiàng)目1和節(jié)點(diǎn)項(xiàng)目2的M1形態(tài)產(chǎn)生了地下體競(jìng)這一大類(lèi)模式,這是由于規(guī)模較大產(chǎn)生的結(jié)果,不符合實(shí)際情況,故舍棄,其余結(jié)果與第1次決策基本一致。在確定上述模式后,最終可確定模式匯總見(jiàn)表13。

表13 中山路片區(qū)早期地下工程更新改造模式二次決策

4 結(jié)論與建議

在存量土地發(fā)展背景下,城市早期地下工程是我國(guó)“實(shí)施城市更新行動(dòng)”中的寶貴空間資源。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了基于決策樹(shù)的城市早期地下工程更新改造模式的規(guī)劃評(píng)價(jià)方法,以期為我國(guó)大中城市科學(xué)合理地挖潛存量地下空間資源提供有益借鑒。基于代表性案例分析,構(gòu)建了包括24個(gè)基本樣本和1 605個(gè)構(gòu)造樣本的決策樹(shù)樣本集,同時(shí)結(jié)合青島市中山路片區(qū)的具體實(shí)踐案例,主要得到如下研究結(jié)果。

1) 城市早期地下工程更新改造模式類(lèi)別應(yīng)重點(diǎn)考慮包括地下動(dòng)態(tài)交通、地下市政公用、地下倉(cāng)儲(chǔ)物流、地下商業(yè)、地下文娛、地下社區(qū)服務(wù)、地下靜態(tài)交通7個(gè)大類(lèi)模式以及21個(gè)小類(lèi)模式。

2) 城市早期地下工程小類(lèi)模式更新改造影響因素包括用地類(lèi)型、結(jié)構(gòu)形態(tài)、面積、埋深和周邊區(qū)位條件。將不同影響因素拆分為不同屬性,既可以體現(xiàn)城市早期地下工程的差異性,又更易于決策過(guò)程中的標(biāo)簽化處理。

3) 針對(duì)城市早期地下工程更新改造的特點(diǎn),決策樹(shù)方法中采用“大類(lèi)-小類(lèi)”強(qiáng)對(duì)應(yīng)原則,并結(jié)合研究成果構(gòu)造決策樣本集。為保證模型可靠,建立適用于早期地下工程更新改造決策樹(shù)的可靠性評(píng)定方法,采用二次決策方法,豐富和拓展決策樹(shù)的單一決策結(jié)果。青島市中山路片區(qū)實(shí)例研究驗(yàn)證了本文所提出的理論方法具有較強(qiáng)的可行性。

本文現(xiàn)階段的研究成果受限于早期地下工程有效樣本量的局限性和更新改造決策過(guò)程的復(fù)雜性,與直接指導(dǎo)實(shí)際規(guī)劃項(xiàng)目決策尚有一定距離,僅可作為城市更新中早期地下工程更新改造規(guī)劃決策的技術(shù)參考。后續(xù)研究中應(yīng)聚焦有效基本樣本的數(shù)量和質(zhì)量,以提高決策樹(shù)方法的決策效果;同時(shí)應(yīng)關(guān)注綜合效益評(píng)估或適宜性評(píng)估方法,深化更新改造方案決策結(jié)果的科學(xué)性和落地性。