任遠(yuǎn)航 郭 賢 曲騰騰 蔣 捷

(1. 北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院, 北京 100044;2. 北京大學(xué) 工學(xué)院, 北京 100871)

0 引言

隨著近年城市化進(jìn)程的加快,各種城市設(shè)施大量擴(kuò)建,城市公共安全事件頻發(fā),城市管理壓力激增,如何實(shí)現(xiàn)精細(xì)化城市管理成為亟待解決的問(wèn)題。城市部件與城市事件是城市管理的重要對(duì)象。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng) 第二部分：管理部件和事件》(GB/T 30428.2—2013)[1-3]明確了城市部件和事件的定義、分類(lèi)、代碼。其中,城市部件是指城市公共區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)市政工程設(shè)施與市政公用設(shè)施。城市事件(urban event,UE)是指人為或自然因素導(dǎo)致城市市容環(huán)境和環(huán)境秩序受到影響或破壞,需要城市管理專(zhuān)業(yè)部門(mén)處理并使之恢復(fù)正常的現(xiàn)象和行為。在城市運(yùn)行過(guò)程中,城市部件和事件之間彼此關(guān)聯(lián),相互影響與制約。城市管理部件(urban managed component,UMC)是城市事件的作用對(duì)象,且能夠支持對(duì)城市事件的響應(yīng)行動(dòng)。城市事件的時(shí)空分布特征是指導(dǎo)城市管理部件合理配置的關(guān)鍵因素。因此,清晰地描述城市部件、事件及其關(guān)聯(lián)關(guān)系,并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)部件和事件的精準(zhǔn)管理和關(guān)聯(lián)、事件的快速響應(yīng),是智慧城市建模的重要內(nèi)容。

不少研究者從不同角度提出了城市事件與城市部件模型。例如，王艷妮等[4]基于本體的方法對(duì)滑坡災(zāi)害事件進(jìn)行語(yǔ)義表達(dá),從物質(zhì)性、空間性、時(shí)間性、影響性等角度描述滑坡事件的本體屬性;陳澤強(qiáng)等[5]基于元對(duì)象機(jī)制(meta object facility,MOF)框架提出了洪澇災(zāi)害事件信息表達(dá)和共享的動(dòng)態(tài)信息模型;王文俊等[6]提出了影響城市事件的應(yīng)急資源和案例客體的概念。然而,上述諸多針對(duì)特定類(lèi)型的模型未結(jié)合已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出完整全面的城市事件與部件形式化描述,不足以充分表達(dá)事件的多樣性及其與部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

城市部件和事件的信息組織是實(shí)現(xiàn)高效索引與時(shí)空特征分析的基礎(chǔ)。部分城市采用萬(wàn)米單元網(wǎng)格管理法,將城市劃分為不同網(wǎng)格,對(duì)城市部件和事件的監(jiān)測(cè)與管理,取得了良好實(shí)效;戴培培等[7]利用Ripley’s K 函數(shù)和Global Moran’s I分析熱點(diǎn)事件的空間布局;但基于行政區(qū)劃的不規(guī)則網(wǎng)格的編碼體系不唯一,不利于城市群區(qū)域信息統(tǒng)一組織和快速查詢(xún)。且現(xiàn)有的分析多集中在事件空間聚類(lèi)特征挖掘,對(duì)事件與部件的聯(lián)系關(guān)注不足。

本文針對(duì)上述需求及問(wèn)題,提出了城市部件與事件關(guān)聯(lián)模型,能夠全面描述部件和事件要素的屬性及其關(guān)系,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了可支持跨城市的部件與事件快速索引、定量關(guān)聯(lián)計(jì)算的編碼,并利用真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)所提出的模型與編碼進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究成果可為城市部件的精細(xì)化管理及城市事件的快速精準(zhǔn)響應(yīng)提供支持。

1 城市部件和事件關(guān)聯(lián)模型設(shè)計(jì)

1.1 總模型

城市部件與城市事件可視為時(shí)空對(duì)象,在數(shù)字體系中表達(dá)為要素,其總模型如圖1所示。

其中,每個(gè)事件要素屬于且僅屬于一個(gè)事件要素類(lèi)。每個(gè)部件要素屬于且僅屬于一個(gè)部件要素類(lèi)。事件和部件要素的性質(zhì)以屬性來(lái)表達(dá)。一個(gè)要素可以有一個(gè)或者多個(gè)屬性。屬性按類(lèi)型來(lái)分類(lèi),每個(gè)屬性類(lèi)型對(duì)應(yīng)要素在現(xiàn)實(shí)世界中的一項(xiàng)性質(zhì)。屬性實(shí)例的值被稱(chēng)為屬性值,每個(gè)屬性類(lèi)型可有一個(gè)或多個(gè)屬性值。要素之間存在關(guān)系,一個(gè)要素可以涉及多個(gè)關(guān)系,兩個(gè)不同關(guān)系可以聯(lián)系同一個(gè)要素。關(guān)系可有零個(gè)或多個(gè)屬性。

圖1 總體模型圖

1.2 城市事件要素模型

城市事件要素模型如圖2。一個(gè)城市事件UE由一個(gè)唯一編碼標(biāo)識(shí),由屬性描述,可定義為

ES={EID,AT,AS,AE,AP,AO}

(1)

式中,ES為城市事件；EID表示事件的標(biāo)識(shí)代碼;AT表示事件是時(shí)間屬性,由發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等子屬性構(gòu)成;AS表示事件的空間屬性,由位置、影響范圍等子屬性構(gòu)成;AE表示事件在環(huán)境方面表現(xiàn)出的性質(zhì);AP表示施動(dòng)者、受動(dòng)者等事件的相關(guān)人員;AO是其他可擴(kuò)展的屬性。

每個(gè)事件屬于一個(gè)事件要素類(lèi),包括市容環(huán)境類(lèi)、宣傳廣告類(lèi)、施工管理類(lèi)、街面秩序類(lèi)、突發(fā)事件類(lèi)和其他事件六大類(lèi),具體又可細(xì)分為83個(gè)小類(lèi)[3]。

1.3 城市部件要素模型

城市部件要素模型如圖2所示。一個(gè)城市部件UC由一個(gè)唯一編碼標(biāo)識(shí),式(2)表示為CS，由屬性描述,可定義為

圖2 城市部件要素模型

(2)

每個(gè)部件屬于一個(gè)部件要素類(lèi),包括公用設(shè)施、交通設(shè)施、市容環(huán)境設(shè)施、園林綠化設(shè)施和其他部件五大類(lèi),具體又可細(xì)分為121個(gè)小類(lèi)[3]。

1.4 城市事件與部件關(guān)系模型

由于城市部件和事件要素均是具有時(shí)間、空間、語(yǔ)義屬性的空間對(duì)象,這決定了部件和

事件要素在時(shí)間、空間、語(yǔ)義上存在著密不可分的關(guān)聯(lián)。圖3詳細(xì)介紹了部件和事件的關(guān)聯(lián)關(guān)系類(lèi)型。

圖3 城市部件和事件的關(guān)系模型

城市部件和事件要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系包括空間關(guān)系、時(shí)間關(guān)系、語(yǔ)義關(guān)系?？臻g關(guān)系包括拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系、度量關(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系包括鄰接、包含、相等、相離、相交關(guān)系;時(shí)間關(guān)系用于描述部件類(lèi)事件要素發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)和它們之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系,對(duì)絕對(duì)時(shí)間的時(shí)序分析可幫助挖掘部件類(lèi)事件的演變規(guī)律;語(yǔ)義關(guān)系用于描述要素屬性特征之間的關(guān)系、誘發(fā)關(guān)系以及在自主認(rèn)知或群體決策學(xué)習(xí)中形成的關(guān)系。由于城市部件和事件要素可視為時(shí)空對(duì)象,本文參考多粒度時(shí)空實(shí)體對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系分類(lèi),將語(yǔ)義關(guān)系分為屬性、因果和認(rèn)知關(guān)系三種類(lèi)型。屬性關(guān)系包括相關(guān)關(guān)系、映射關(guān)系、函數(shù)關(guān)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2 城市部件與事件編碼設(shè)計(jì)

在前述模型中,部件與事件均以唯一編碼標(biāo)識(shí)。標(biāo)識(shí)編碼是對(duì)標(biāo)識(shí)對(duì)象進(jìn)行有效的組織管理、查詢(xún)檢索、關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文基于地球空間網(wǎng)格(GeoSOT)設(shè)計(jì)了一種城市部件和事件編碼方案,并基于該編碼設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)組織與索引方法。

2.1 基于GeoSOT的城市部件和事件編碼方案

當(dāng)前空間要素的標(biāo)識(shí)編碼主要包括基于經(jīng)緯度坐標(biāo)標(biāo)識(shí)、基于空間范圍與行業(yè)分類(lèi)代碼結(jié)合的標(biāo)識(shí)、基于地理實(shí)體編碼標(biāo)識(shí)等方法。其中,經(jīng)緯度坐標(biāo)法難以表達(dá)要素的空間范圍與幾何形狀,且查詢(xún)效率低[8]?！稊?shù)字化城市管理信息系統(tǒng) 第2部分：管理部件和事件》(GB/T 30428.2—2013)[3]定義的標(biāo)識(shí)碼以行政區(qū)劃代碼和分類(lèi)代碼兩部分構(gòu)成,但行政區(qū)劃空間范圍不規(guī)則不適用于空間數(shù)據(jù)組織?！兜乩韺?shí)體空間數(shù)據(jù)模型》(GB/T 37118—2018)[9]規(guī)定了地理實(shí)體編碼規(guī)則,但在實(shí)踐中各城市編碼方法不同,難以支持跨城市的一體化管理。

GeoSOT全稱(chēng)為“2n及整型一維數(shù)組的全球經(jīng)緯度剖分格網(wǎng)”,具有全球多尺度劃分、一維整形編碼等特性,在大場(chǎng)景多源信息組織與快速索引計(jì)算方面已經(jīng)獲得成功應(yīng)用。GeoSOT-3D橢球剖分方案是GeoSOT框架在三維空間上的拓展。本文基于三維GeoSOT-3D設(shè)計(jì)了城市部件與事件唯一標(biāo)識(shí)碼,由位置碼、分類(lèi)碼、時(shí)間碼3部分組成,如圖4所示。

圖4 基于GeoSOT的城市部件和事件編碼結(jié)構(gòu)

其中,位置碼用來(lái)標(biāo)識(shí)部件和事件要素的空間區(qū)位信息,是其位置中心點(diǎn)所在的GeoSOT-3D體元編碼。考慮到部件與事件管理尺度,采用第26級(jí)網(wǎng)格,對(duì)應(yīng)約1 m的網(wǎng)格尺寸,編碼長(zhǎng)24位(十六進(jìn)制)。分類(lèi)碼采用《數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng)第二部分：管理部件和事件》(GB/T 30428.2—2013)的規(guī)定,長(zhǎng)2位。時(shí)間碼以時(shí)間戳作為編碼值,將yyyy/MM/dd HH:mm:ss格式的日期數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)10位的時(shí)間戳二進(jìn)制編碼。以城市部件為例,北京市東城區(qū)察慈社區(qū)坐標(biāo)為(116.43°E,39.94°N)的監(jiān)控電子眼部件轉(zhuǎn)換為編碼：00b21a49b0404904c92c0104 0150 1486310400,位置碼“00b21a49b0404904c92c0104”為監(jiān)控電子眼的GeoSOT第26級(jí)三維網(wǎng)格編碼,分類(lèi)碼“0105”表示該部件為公共設(shè)施類(lèi)監(jiān)控電子眼部件,時(shí)間碼“1486310400”表示監(jiān)控電子眼的生產(chǎn)日期。同樣地,標(biāo)識(shí)編碼為“00b21a49a2582cb6d0080000 0409 1504851300”的城市事件,代表坐標(biāo)為(116.39°E,39.95°N)的街面秩序類(lèi)機(jī)動(dòng)車(chē)亂停放城市事件,上報(bào)時(shí)間為2017-09-08 T14:15:00。

相比現(xiàn)有的基于地理編碼和單元網(wǎng)格的編碼方式,本文提出的編碼方案以GeoSOT-3D剖分網(wǎng)格體作為存儲(chǔ)空間對(duì)象信息的“容器”,從而將不規(guī)則部件與事件的對(duì)象管理轉(zhuǎn)為規(guī)則空間網(wǎng)格的管理,以提高管理效率。

2.2 基于標(biāo)識(shí)編碼的數(shù)據(jù)組織與索引

為實(shí)現(xiàn)城市部件和事件數(shù)據(jù)的一體化組織,基于上述模型與編碼,設(shè)計(jì)了基于全球剖分網(wǎng)格的索引方法。通過(guò)建立索引關(guān)聯(lián)表建立部件和事件的關(guān)系。以剖分體元編碼V_Code為關(guān)聯(lián)主鍵,建立與部件要素標(biāo)識(shí)碼C_Code、事件要素標(biāo)識(shí)碼E_Code、部件要素屬性集C_Attr、事件要素屬性集E_Attr的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一個(gè)剖分體元編碼可映射多個(gè)部件或事件要素,多個(gè)部件或事件屬性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自北京市東城區(qū)2017年7月至2018年1月的城市管理數(shù)據(jù),本文選取其中5類(lèi)事件(機(jī)動(dòng)車(chē)和非機(jī)動(dòng)車(chē)亂停放、黑車(chē)?yán)?、流浪乞討、宣傳廣告)共60 753條、電子監(jiān)控類(lèi)部件共6 636條為主要實(shí)驗(yàn)對(duì)象,對(duì)電子監(jiān)控部件及周?chē)奈孱?lèi)事件進(jìn)行緩沖區(qū)分析、空間拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算。

以查慈社區(qū)附近的一個(gè)監(jiān)控為中心點(diǎn),建立半徑為100 m的緩沖區(qū),計(jì)算得出緩沖區(qū)域的26級(jí)網(wǎng)格編碼數(shù)組,再分別與事件的位置碼逐一對(duì)比,得到監(jiān)控緩沖區(qū)內(nèi)宣傳廣告和機(jī)動(dòng)車(chē)亂停放事件。然后隨機(jī)選取緩沖區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)亂停放事件、宣傳廣告事件和電子監(jiān)控部件,計(jì)算方位關(guān)系和度量關(guān)系。

利用隨機(jī)生成的100～1 000萬(wàn)條模擬數(shù)據(jù),比對(duì)了網(wǎng)格算法與經(jīng)緯度算法的計(jì)算效率。經(jīng)緯度坐標(biāo)適用于單點(diǎn)精準(zhǔn)查詢(xún)和存儲(chǔ),但不利于表達(dá)多邊形空間區(qū)域,一般采用一系列特征點(diǎn)坐標(biāo)串標(biāo)識(shí)多邊形的空間范圍與形狀信息,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大且降低查詢(xún)效率。而基于GeoSOT的標(biāo)識(shí)編碼具有編制規(guī)則簡(jiǎn)單、位數(shù)固定、降維計(jì)算的優(yōu)點(diǎn),數(shù)據(jù)量越大查詢(xún)效果越明顯。結(jié)果如圖5所示,隨著數(shù)據(jù)量的增加GeoSOT標(biāo)識(shí)碼的檢索優(yōu)勢(shì)愈加明顯。

圖5 GeoSOT標(biāo)識(shí)碼與經(jīng)緯度檢索時(shí)間效率對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文定義了城市事件與部件要素的關(guān)聯(lián)模型,設(shè)計(jì)了基于全球剖分網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)編碼和索引機(jī)制。實(shí)驗(yàn)證明,本文方法在顯式描述城市管理部件和事件的關(guān)聯(lián)關(guān)系、實(shí)現(xiàn)大范圍事件與部分關(guān)聯(lián)查詢(xún)與定量分析方面具有明顯優(yōu)勢(shì),并可實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)格的多源多尺度人、地、事、物等時(shí)空信息的集成,為城市精細(xì)化管理提供支持。由于城市部件具有幾何形狀特征,因此在三維空間的表達(dá)上受到一定限制。今后將研究基于GeoSOT-3D編碼對(duì)三維中的城市部件和事件進(jìn)行表達(dá)和關(guān)聯(lián),并結(jié)合更多數(shù)據(jù)開(kāi)展多尺度跨城市、多類(lèi)型信息的集成管理與實(shí)驗(yàn)。