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如何系统、智慧的归纳演绎人居环境的形成发展规律?

2024-02-19 09:50 来源:中国城市规划网

导读

党和国家历来十分重视规划工作,城乡规划学和规划工作不仅是我国现代化建设和可持续发展的重要组成,也事关亿万城乡居民的日常生活。学会组织梳理规划领域重大问题难题,是推进规划工作进一步朝着科学化方向发展的需要,也是学会的基础工作之一。

去年,在2022/2023中国城市规划年会的全体大会上发布了学会组织研制的2023规划领域重大问题难题清单,希望以此为有关决策部门研判规划科技未来发展趋势、前瞻谋划和布局科研方向提供支撑,引导规划编制单位、科研机构、高校和规划科技工作者加强相关问题研究,强化科技协同攻关和成果转化应用,推动提高城市规划、建设、治理水平。“中国城市规划”微信公众号将陆续展开介绍2023规划领域重大问题难题。

问题类型:前沿科学问题

推荐者:周岚,中国城市规划学会副理事长、江苏省住房和城乡建设厅厅长;江苏省规划设计集团有限公司

作者:梅耀林,中国城市规划学会常务理事,江苏省规划设计集团有限公司总经理、研究员级高工;陈军,中国城市规划学会城市规划新技术应用专业委员会委员,江苏省规划设计集团有限公司数据信息中心副主任、教授级高工;徐云翼,江苏省规划设计集团有限公司数据信息中心工程师;蒋金亮,江苏省规划设计集团有限公司数据信息中心高工

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问题描述

1977年,联合国人居委员会成立,人居环境的形成、建设、发展与更新成为学界关注的重点。1993年,针对中国城乡发展主要矛盾,吴良镛发表题为《我国建筑事业的今天与明天——人居环境学展望》的学术报告,首次正式公开提出“人居环境学”。1995年人居环境研究中心成立会议上进一步将人居环境建设问题的研究定为“人居环境科学”,目的是“了解掌握人类聚居发生发展的客观规律,更好地建设符合人类思想的聚居环境”。

四十多年来,城乡规划学、地理学、社会学、生态学等学说与体系架构的提出都在尝试描述人居环境形成与发展的规律性,遥感、地理信息、大数据等前沿技术被应用于对规律的探知和对未来的演绎,人居环境科学的理论和方法体系在不断完善。城市作为一种复杂巨系统,对城市空间的智能分析、归纳、演绎成为当下研究热点,却并未有一种技术体系融合复杂巨系统理论,形成智能分析、归纳、演绎框架。基于此,亟需一种智慧、系统的路径归纳出人居环境形成和发展的规律,同时能够在复杂巨系统中利用新兴的大型智能规律模型演绎未来人居环境规划建设。针对当下数字中国的建设需求,需要研发一种系统工程框架,结合多源时空大数据、深度学习、人工智能等数字化手段,尝试对人居环境形成与发展的规律归纳并演绎,将时间、空间解离,形成具有中国特色的规律性模型并推广。

问题背景

当下,“人居环境科学”思想与理论已被广泛运用在各大巨型工程中,并被拓展至全球化、城市化、现代化、数字化相联系的人居环境集成研究中。从国际上来看,联合国每年均颁发“联合国年度人居环境奖”,在我国,国务院在2021年将农村人居环境整治作为乡村振兴战略的重点任务。人居环境研究强调整体思维,是基于开放复杂巨系统的研究,应当从钱学森先生提出的城市学及系统工程论炼出框架,提取吴良镛先生的思想结晶,进而结合智慧城市建设、城市计算科学专家所提出的最前沿技术手段,进行系统、智慧化的探索。

围绕智慧城市建设,吴志强院士等专家提出中国城乡规划建设高质量发展重点在于“城市计算,数治城市”。物理世界是碎片化的,但数字世界的空间可以沿时间轴展开,既可以向前追溯并归纳,也可以向后演绎并求真。物理世界与数字世界相互映射,这同样与数字中国建设需求具有高度一致性。通过数字孪生技术将物理世界的人居环境映射至数字虚拟空间,进而支撑数字中国建设,客观上需要对人居环境的形成机理、发展规律、建设逻辑及更新方法提出系统研究路径,通过定性定量结合的方法,“以数明律、以流定型”,利用智慧化手段尝试提出可归纳、演绎的规律性模型。

目前,现有的科学技术积累在实际运用中仍面临着诸多难题,难以总结出该类规律。例如:数据采集的手段仍需进一步丰富;结构化、非结构化数据如何兼容缺乏解决办法;规律归纳过程缺少前沿算法及特色框架作为中介承载;规律生成的模型缺少完备的演绎框架,只能在限定环境下进行推演;对归纳和演绎的成果进行鲁棒性及规律性检验也存在困难。因此,亟需利用系统工程框架结合数字化手段,尝试对人居环境形成与发展的规律归纳并演绎。

最新进展

目前,该科学问题的研究主要存在四大难题:运用至归纳分析的数据采集手段、数据结构的归一化处理、分析承载中介构建方法及数字孪生空间映射方法。

当下运用至归纳分析的数据采集手段包括公开信息集成采集、航拍、倾斜摄影以及各类传感器录入等。多源时空大数据采集整体便利,但对于部分数据仍存在获取手段匮乏的困难,如城市的精细化建模,聚焦到单体建筑与城市整体形成的联动效应等方面。目前,较为先进的方法是利用激光雷达做轮廓及结构的扫描形成点云数据,但存在扫描过程效率低、需对扫描结果进行反复修正等问题,对于诸如此类精度要求高又十分必要的数据,往往缺失良好的技术手段与采集方法。

数据结构的归一化处理是从源头解决承载智能分析问题的方法探究。当前,前沿方法是国家卫星测绘应用中心开发的统一框架与协同表达方法,通过面向人-地关系综合体的国土大数据关联聚合模型,构建一套多源数据的集成处理技术体系,并伴生有相应的平台对空间格局进行优化,从而完成承载多源数据并进行智能分析的需求。但总体来说,广泛得到认可的归一化方法和系统仍然处于探索进程中。

数据分析及归纳需要承载中介,目前以复杂网络的拓扑方法为代表,在被学者们结合分析对象优化后,对城乡复杂巨系统的现状及未来进行研判。如利用向量自回归模型,将PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3六种污染物在社会网络上呈现出的形态进行复杂网络分析,对人居环境雾霾污染的动态关联及其成因做出了探索。多年来类似的成果虽然丰硕,但上述优化方案所做出的成绩都是基于复杂巨系统进行层次抽取得出的结果,并不具备普适性,对复杂巨系统中多因子干涉类型的问题无法起到归纳和演绎的功能,鲁棒性和效率都需要进一步验证。

数字空间映射方法的探究现阶段仍处于现有技术方法的总结和推广中,集中在可视化能力建设、智能化管理等方面。如分析数字孪生城市中数据闭环赋能系统的内涵和四方面特征,并对可视化、智能化管理提出了基于立体感知的数字孪生城市构建方式;针对如何利用数字孪生技术对数字、智慧城市建设进行优化总结了现有技术的应用方面。上述研究着重于数字孪生技术与智慧城市建设的实体应用,缺少对映射演绎方法的探究,最终导致人居环境规律在数字孪生空间中演绎的缺失。

重要意义

对人居环境形成与发展的规律性研究能够大大加快数字中国、智慧城乡的建设进度,归纳出的规律性模型能够真正在虚拟世界中解离时间与空间,全方位追溯人居环境形成与发展的经验规律;模型演绎的未来人居环境,能够将数字孪生技术的价值最大化,直观认知多场景下未来人居环境时空的表征与实质,使我国在世界人居环境建设领域成为标杆。由中国归纳出的各项规律在演绎中将形成“中国模式”在世界范围内全面推广。同时,该问题的研究能够催生出一大批相关技术、方法的突破,对我国多个研究领域当前面临的“卡脖子”限制具有积极意义。总的来说,该科学问题涉及多维度、多层次,相关研究成果能成为国家“十四五”建设多个方向上的重要支撑。

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