一种基于空间集聚特征的城市耗散空间判别方法及系统

本发明涉及空间品质测度，具体为一种基于空间集聚特征的城市耗散空间判别方法及系统。

背景技术：

1、城市空间系统是一个动态的、不断演化的复杂开放巨系统，由多种相互关联的物质要素构成，并在一定地域范围内呈现出多维要素整体统一、高度集聚的特征。当多个子系统之间的差异化发展形成明显势差，则会引起系统内部的动态演化发展，这也正是维持城市系统不断发展的内在动力机制。在我国城镇化发展过程中，过往的扩张模式使得城市空间系统逐渐多元化、复杂化的同时，也导致城市系统之间、系统要素之间的关系呈现分离机械化与孤立片段化的倾向。当前城市建设进入存量更新阶段，其目标就是将过往粗放扩张的无序空间转化为相对平衡、稳定的耗散空间。也因此，对城市中普遍存在的无序空间以及关键影响要素进行判别，针对性地引导关键影响要素进行空间改造，进而推动城市空间系统的演化与发展，成为当前城市发展过程中的重点关注内容。

2、耗散空间是指城市开放系统在与外界环境相互作用时，通过组织物质资源要素使得城市空间由无序混沌状态转变为动态、稳定的有序空间，主要表现为空间结构渐趋精良，空间系统品质、活力、有序度及吸引力的持续增强。与之相对应的处于混沌状态的空间即为无序空间。基于城市空间地理研究的相关成果可知，耗散空间的形成在地理空间维度具有集聚效应，城市空间系统的集聚核心通过与周围环境的能量物质交换实现自我增长，这种聚集所形成的向心力和离心力共同作用，能够对城市的扩张发展产生推动作用，从而逐渐形成相对稳定、高品质、有秩序的城市耗散空间。客观、准确地测度城市空间秩序、识别城市中的耗散空间，能够提高项目管理者和设计者分析判断待改造空间的效率与精确性，减轻场地调研的人力与精力负担，对推动城市精细化更新、高品质发展具有重要意义。

3、目前，对城市空间系统秩序、耗散空间的常见测度方法主要表现为：选取导致城市空间系统演化的指标体系，通过熵值分析计算各指标熵权权重，结合熵值变化探讨促进空间系统演化的关键指标(《基于耗散结构理论的上海城乡绿地系统空间演化特征》，金云峰，2019)。此类方法主要关注的是在不同时间序列下，导致空间失序的影响因素，但是无法从空间维度识别城市空间中具体哪一块区域处于失序状态。

4、而对于空间品质低下甚至处于失序状态的空间识别方法，主要通过对研究区域进行场地调查分析与场地数据收集，结合专业人员对于失序空间的理解建立评价指标体系，经主观审计评分后人工划分形成重点改造范围，并结合调研实况提出更新设计策略(《城市公共空间失序的要素识别、测度、外部性与干预》，陈婧佳，2021；《城市街巷系统开放空间低效性评价研究》，陈隆，2019；《存量规划视角下城市低效用地更新规划研究——以潍坊高新区为例》，曾庆梅，2020)。相关方法在调研过程中需要耗费大量的人力与精力，从而获取失序空间评判数据，并且经由主观判断识别得到的待改造的失序空间可能并不全面，无法精准提取出“改哪里”，也即待改造的失序空间可能存在遗漏；此外，以主观打分形式的评价方法只能初步判断出“改什么”要素，而无法明确要素具体“改多少”较为合适。

5、在现有专利方面，现有关于空间识别的技术有“一种城市群生态空间受损识别方法”(授权公告号：cn110298411b)，然而此类技术主要关注城市群的生态空间，对其空间单元的划分尺度较大(20km*20km)，识别得到的空间单元分辨率较低，而城市中的耗散空间尺度通常较小，因此此类技术的解析结果精度较低，不足以支撑对城市耗散空间的精细化识别。

6、因此，在实际建设过程中，现有的技术与相关研究具有一定限制，缺少一种高效的城市耗散空间识别方法，辅助判定城市耗散空间的集聚区域，以科学制定空间提质更新计划，对待改造的城市空间进行精细化组织，实现对城市耗散空间及失序空间的高效、精准研判与提质增效。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于空间集聚特征的城市耗散空间判别方法及系统，提升了城市耗散空间识别的精准性和高效性，为城市更新设计与决策管控提供针对性指导与发力点。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于空间集聚特征的城市耗散空间判别方法，包括：

5、获取城市基础地理空间数据和各城市基础地理空间数据的地理坐标，其中所述城市基础地理空间数据包括城市矢量数据和卫星遥感影像数据；统一各城市基础地理空间数据的地理坐标和投影坐标系，并结合卫星遥感影像数据进行空间定位校准，形成城市空间信息集成平台；根据预设的城市耗散空间判定指标库，计算得到城市耗散空间的基础特征要素数据，并将城市耗散空间的基础特征要素数据载入城市空间信息集成平台进行空间定位校准；

6、选择适宜的网格尺度划分测度区域，并将城市耗散空间的基础特征要素数据映射至网格单元内，将映射至网格单元内的特征要素数据进行标准化处理得到特征要素集，计算并提取城市耗散空间的基础特征要素的关键作用维度与权重矩阵；

7、将网格单元内的各特征要素数据进行等级赋值，并通过权重矩阵对分级后的各特征要素进行加权计算，得到城市空间秩序测度结果；对城市空间秩序测度结果进行集聚性计算，并对集聚性计算所得到数值的高低进行城市耗散空间的判别，得到城市失序空间和城市耗散空间；

8、在得到城市失序空间和城市耗散空间的基础上，回溯分析对应地理位置各特征要素的数值高低，建立判定规则得到四类耗散空间特征要素数据集；将城市耗散空间数据集和四类耗散空间特征要素数据集分别映射到地理空间并展示。

9、优选的，所述将映射至网格单元内的特征要素数据进行标准化处理得到特征要素集，具体包括：

10、经网格单元映射与标准化处理的特征要素集fi＝(ri1,ri2,…rin),(i＝1,2,…,d,n＝1,2,…,n)，其中共包含n个网格，d个特征要素；

11、其中，对网格单元数据的标准化计算公式如下：

12、

13、其中，rin表示第i个特征要素的第n个网格的原始数值，和表示第i个特征要素下的最大和最小值，rin表示第i个特征要素的第n个网格单元经标准化后的特征要素值；

14、对特征要素集进行适应性检验，判断特征要素集是否符合条件，如符合则合用于下一步的权重测度，如不符合则重新选择特征要素。

15、优选的，所述计算并提取城市耗散空间的基础特征要素的关键作用维度与权重矩阵，具体包括：

16、设f＝(f1,f2,…,fi),(i＝1,2,…,d)的协方差矩阵为σ,σ的特征值是a1≥a2≥…≥ad，μ1,μ2,…μd为其对应的标准化特征向量，则：

17、

18、提取上式中的前m项作为关键的解释特征要素集的公共因子，即：

19、

20、

21、其中是估计的公共因子，是估计的特殊因子方差；

22、根据方差最大选择法，使得每个因子上的载荷尽量拉开距离，则得到m个关键维度的权重矩阵w：

23、

24、对各关键维度下的各特征要素的权重λx进行计算，具体公式为：

25、

26、

27、

28、其中，k为常数，p为第p个单元网格总数(p＝1,2,…,n)，rin为第i个特征要素的第n个网格单元经标准化后的特征要素值(i＝1,2,…,d；n＝1,2,…,n)，x为第e个作用维度下的第x个特征要素指标(e＝1,2,…,m)，该维度下共有y个指标(x＝1,2,…,y)，且满足d＝mx；

29、则每个关键维度下的特征要素权重为

30、计算各要素的权重矩阵：ke＝we×λe。

31、优选的，所述将网格单元内的各特征要素数据进行等级赋值，计算公式如下：

32、

33、rin表示第i个特征要素的第n个单元网格的标准化数值，和分别表示第i个特征要素下所有网格单元的最大值、最小值，分别为第i个特征要素下所有网格单元的第25％、50％、75％、90％分位数，cin表示第i个特征要素经赋值后的等级；

34、得到分级后的各特征要素数据集ci＝{ci1,ci2,…cin,}；

35、通过权重矩阵对分级后的个特征要素进行加权计算，得到城市空间秩序测度结果，其中，城市空间秩序测度公式为：

36、

37、优选的，所述对城市空间秩序测度结果进行集聚性计算，公式如下：

38、

39、其中qp表示第p个网格的城市空间秩序测度值，n为所有单元网格总数，ap为第p个网格的集聚值，其取值区间为[-1,1]；为第p个网格和第q个网格的邻接判断矩阵，具体表现为：

40、

41、优选的，所述对集聚性计算所得到数值的高低进行城市耗散空间的判别，具体包括：

42、选取ap<0的网格单元，将其判定为失序空间alow，数值越接近-1，则表明该失序空间alow与其邻近空间在空间秩序测度结果上低值集聚，失序空间alow品质较差；当ap>0，则判定为耗散空间，数值越接近1，则表明该耗散空间与其邻近空间在空间秩序测度结果上高值集聚，该耗散空间品质较为稳定，可以保持现状水平。

43、优选的，所述建立判定规则得到四类耗散空间特征要素数据集，具体包括：

44、选取满足k→1，ci→1，且ap→-1的数据集，判定为城市提质更新过程中亟待优先改造的问题区域，作为失序空间，重点就低值特征要素的低值集聚区域进行重构与改造；

45、当k→0，ci→1，且ap→-1，或k→1，ci→1，且ap→1，则判定为城市提质更新中次优先更新区域，对低值特征要素进行提质更新；

46、当k→1，ci→5，且ap→-1，或k→0，ci→1，且ap→1，则判定为城市提质更新中需要持续监控的区域，此区域的质量高低与要素数值的高低关系相对较弱，视该区域的实际建设情况对相应低值要素进行优化调整；

47、当k→0，ci→5，且ap→-1，或k→0，ci→5，且ap→1，或k→1，ci→5，且ap→1，则判定为城市提质更新中区域总体质量与特征要素秩序相对稳定的区域，作为耗散空间，对其现状进行保持。

48、第二方面，提供了一种基于空间集聚特征的城市耗散空间判别系统，包括以下模块：

49、空间信息集成模块，用于获取城市基础地理空间数据和各城市基础地理空间数据的地理坐标，其中所述城市基础地理空间数据包括城市矢量数据和卫星遥感影像数据；统一各城市基础地理空间数据的地理坐标和投影坐标系，并结合卫星遥感影像数据进行空间定位校准，形成城市空间信息集成平台；

50、特征要素解析模块，用于根据预设的城市耗散空间判定指标库，计算得到城市耗散空间的基础特征要素数据，并将城市耗散空间的基础特征要素数据载入城市空间信息集成平台进行空间定位校准；选择适宜的网格尺度划分测度区域，并将城市耗散空间的基础特征要素数据映射至网格单元内，将映射至网格单元内的特征要素数据进行标准化处理得到特征要素集，计算并提取城市耗散空间的基础特征要素的关键作用维度与权重矩阵；

51、耗散空间识别模块，用于将网格单元内的各特征要素数据进行等级赋值，并通过权重矩阵对分级后的各特征要素进行加权计算，得到城市空间秩序测度结果；对城市空间秩序测度结果进行集聚性计算，并对集聚性计算所得到数值的高低进行城市耗散空间的判别，得到城市失序空间和城市耗散空间；

52、结果输出与展示模块，用于在得到城市失序空间和城市耗散空间的基础上，回溯分析对应地理位置各特征要素的数值高低，建立判定规则得到四类耗散空间特征要素数据集；将城市耗散空间数据集和四类耗散空间特征要素数据集分别映射到地理空间并展示。

53、第三方面，提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。

54、第四方面，提供了一种计算设备，包括：

55、一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。

56、(三)有益效果

57、(1)本发明一种基于空间集聚特征的城市耗散空间判别方法及系统，构建城市空间信息集成平台与城市耗散空间判定指标库，提取影响城市耗散空间判定的关键特征要素，通过因子分析将繁多复杂的特征要素进行简化计算，得到关键特征要素的权重矩阵，从要素指标层面提高了城市耗散空间判定的准确性，同时降低了特征要素计算的复杂性。

58、(2)本发明一种基于空间集聚特征的城市耗散空间判别方法及系统，在得到城市秩序测度结果后，提取了具有集聚特征的特征要素数据集，将低值集聚的数据集判定为城市失序空间，并综合特征要素对于城市耗散空间判定的重要程度、各特征要素测度结果、城市空间秩序测度结果三个维度，进一步对耗散空间建立判别规则与更新策略，实现了城市耗散空间精准识别，多维度保障测度结果的准确性。

59、(3)本发明一种基于空间集聚特征的城市耗散空间判别方法及系统，在城市耗散空间测度与区域识别的基础上实现对测度结果的地理可视呈现，实现了对城市耗散空间的快速识别，并能够即时、准确高效地明确城市更新改造的关键区域、优先级别与关键要素，提高了相关工作人员的决策效率。