CN116308956A - 一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法 - Google Patents

一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，包括依托用地用海单元数据、道路实体数据和土地利用现状数据划定城市功能区域；对地名地址实体进行分类、筛选及合并，统计有效功能数量；将地名地址实体、土地利用与院落实体关联，计算功能强度面积；结合手机信令数据，计算昼夜功能热度；构建“有效功能数量‑功能面积强度‑昼夜功能热度”多因子加权的功能贡献指数模型，计算区域主导功能向量，确定区域主导功能；通过“空间‑语义”分析模型，进行区域主导功能与用地用海单元的差异分析。优点是：有效识别城市区域主导功能，并准确地检测出主导功能与规划用途差异性，有效支撑规划编制与城市空间布局优化。

Description

一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法
技术领域
本发明涉及国土空间规划技术领域，尤其涉及一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法。
背景技术
随着社会经济的不断发展以及人们对生产、生活综合需求的不断提升，城市的区域功能由单一功能向多元化功能转变的趋势日益明显，形成了以一种功能为主、多元功能复合的城市区域，在城市空间形态上呈现出多种功能要素混合聚集的分布特征。这些城市功能结构呈现出的新特点，对城市资源的均衡配置、优化城市建设用地的利用方式提出了新的挑战。解决这些问题的关键前提是快速有效地定量识别城市区域复杂多样的功能，掌握城市区域功能分布与构造的真实现状，并准确定位其与规划用途的差异，客观评判城市发展与规划的吻合度、监测城市建设用地使用的合规性，为下一步规划调整、优化配置做好准备。因此，需要针对城市区域功能的识别及与规划用途差异检测提出具体的解决方案，实现城市区域功能定位地更加精确、与规划用途差异检测地更加准确，进而为城市空间布局规划提供更加科学、合理、高效的技术手段。
目前，在国土空间规划技术领域，国内外现有技术方法大致可分为两类：第一类是基于遥感方法提取地物以及识别城市内部空间特征。此类方法主要依据遥感数据中地物反射率进行地物类型的识别，当前研究中多用于区域的自然要素方面的提取，例如林地、草地、湖泊、河流等，但是对于在城市空间结构中的建筑物、居民区等识别的准确率不高，不适用于城市区域功能的精细化研究。国土空间规划部门和土地管理部门在调查土地利用现状过程中，主要采取内业分析与外业调查核实相结合的手段，以遥感影像解译为主，辅以建设用地审批信息，进行土地利用的核查，存在发现周期长、人力物力消耗较高的问题。特别是，使用遥感影像进行土地利用类型识别的结果，仅反映了城市构成要素的空间组成和空间配置，而无法用于判断城市区域的社会经济功能属性，特别是城市区域的功能性。第二类是基于多源数据融合技术进行城市功能结构的识别。近些年来，随着手机信令、社交媒体签到、浮动车轨迹、公共交通刷卡数据等空间位置服务数据提供了大量城市居民出行活动样本，其蕴含了城市居民时序的、动态的时空行为，一定程度上体现了城市区域的经济社会活动的活力，为研究城市区域功能时空分布提供了连续的社会经济功能属性信息。例如手机信令、GPS轨迹、社交媒体与POI相融合等，将人们的活动与城市功能之间进行联系，但是这些融合方法未顾及POI的功能性强度，即服务的人口数量、空间分布的范围等因素；区域功能大都以街道进行划分，未考虑不含POI的区域；同时未对POI有效数量进行筛选，影响其在功能区识别的准确率。
因此，如何自动化准确地检测城市区域主导功能与规划用途差异是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，包括如下步骤，
S10、依托用地用海单元数据、道路实体数据和土地利用现状数据划定城市功能区域；
基于用地用海单元数据，划定一级功能区域；在一级功能区域的基础上，结合道路实体数据，将一级功能区域划分为二级功能区域；在二级功能区域的基础上，结合土地利用现状数据将二级功能区域划分为三级功能区域；将一级至三级功能区域对应的用地用海单元、土地利用现状数据分类映射到城市区域功能类别；
S20、对地名地址实体进行分类、筛选及合并，按照划定的城市功能区域统计每类地名地址实体的有效功能数量；
对地名地址实体进行筛选与去重以去除重复的地名地址实体，对地名地址实体进行拆分与功能性标注以将地名地址实体分类映射为区域功能分类；对地名地址实体进行分类与映射以将地名地址实体分类映射到区域功能类别；并统计各类地名地址实体的有效功能数量；
S30、将地名地址实体、土地利用与院落实体关联，按照划定的城市功能区域计算每类地名地址实体或土地利用的功能强度面积；
对于二级功能区域，基于地名地址实体所属院落实体与功能区域相交面积确定地名地址实体的功能强度面积；对于二级功能区域关联院落实体中含有多类功能类别地名地址实体的区域，基于创建的泰森多边形面积确定地名地址实体的功能强度面积；对于三级功能区域，将土地利用现状数据进行类别映射和图斑融合确定虚拟地名地址实体，并基于土地利用现状数据在功能区域内所占面积确定虚拟地名地址实体的功能强度面积；
S40、结合手机信令数据，计算划定城市功能区域内每类地名地址的昼夜功能热度；
基于手机信令数据，确定每类地名地址实体对人口的吸引力，根据功能区域单元中的各类地名地址实体数量及人口数量确定昼夜功能热度；
S50、构建“有效功能数量-功能面积强度-昼夜功能热度”多因子加权的功能贡献指数模型，计算区域主导功能向量，确定区域主导功能；
基于有效功能数量、功能面积强度和昼夜功能热度，构建多因子加权的功能贡献指数模型，并基于区域主导功能向量进行功能区域类型的判定；
S60、通过“空间-语义”分析模型，进行区域主导功能与用地用海单元的差异分析；
将用地用海单元分类名称映射的功能类别名称与对应的一级功能区域的主导功能类别进行对比，确定区域主导功能与规划用途之间是否存在差异。
优选的，步骤S10具体包括如下内容，
S11、根据用地用海单元数据，提取城市研究区域内的用地用海单元边界线，作为划定的一级功能区域；
S12、根据道路实体数据，提取道路中心线，与一级功能区域进行融合，将一级功能区域进一步划分为二级功能区域；
S13、根据土地利用现状数据，提取土地利用现状边界，与二级功能区域进行融合，将二级功能区域进一步划分为三级功能区域；
S14、将一级至三级功能区域对应的用地用海单元、土地利用现状数据分类，映射到区域功能类别。
优选的，所述区域功能类别包括，生活住宅、生活服务、行政办公、教育科研、医疗卫生、交通设施、文化活动、体育活动、社会福利、旅游景区、宗教场所、商业服务、休闲娱乐、公用设施、工矿场所、物流仓储、绿地与广场、水域、农林用地、其他。
优选的，步骤S20具体包括如下内容，
S21、对地名地址实体进行筛选与去重，地名地址实体过滤类别为行政区域名及其相关的实体，保留为非行政区域的其他区域实体；对涉及楼址、门址的相关地名地址实体进行语义相似度比较和空间邻近关系判断，去除重复的地名地址实体，优先保留楼址类别；
S22、对地名地址实体进行拆分与功能性标注，对地名地址实体中类别为建筑物和单位的实体，结合其语义信息和土地利用现状数据进行拆分，分别标注为对应的区域功能类别；
S23、对地名地址实体进行分类与映射，分别结合地名地址实体的地理实体分类名称和功能性标注信息，建立分类映射表，将地名地址实体分类映射到区域功能类别；
S24、按照区域功能类别统计每个划定的功能区域内地名地址实体的有效数量，通过功能区域空间信息，与地名地址实体进行空间相交判断，统计落在功能区域边界及内部的各类地名地址实体数量。
优选的，步骤S21中的语义相似度比较和空间邻近关系判断具体为，
语义相似度比较：通过将属性字段中的地名字段和地址字段进行合并，进行分词处理，建立向量，计算两个地名地址实体的向量的余弦值，若余弦值大于预设阈值，则判定两个地名地址实体是语义相似的；
空间邻近关系判断：通过提取空间点位置信息，结合院落实体进行空间包含分析，如果两个地名地址实体同属于一个院落实体，且语义是相似的，则判定两个地名地址实体是重复的，予以剔除其中之一；如果未找到院落实体同时空间包含这个地名地址实体，则以其中一个地名地址实体为中心，进行缓冲半径分析，如果另一个实体空间包含在其缓冲半径内，且语义是相似的，则判定两个地名地址实体是重复的，予以剔除其中之一。
优选的，步骤S30具体包括如下内容，
S31、对于二级功能区域，将地名地址实体与院落实体进行空间关联，获得地名地址实体所属院落实体，将院落实体与功能区域相交面积作为该地名地址实体的功能强度面积；
S32、对于二级功能区域关联的院落实体中含有多类功能类别地名地址实体的区域，以地名地址实体点数据创建泰森多边形，统计各类功能类别地名地址实体的对应泰森多边形面积之和作为该类地名地址实体对应的功能强度面积；
S33、对于三级功能区域，采用土地利用现状数据，对每类土地利用现状数据进行类别映射到区域功能类别，再将各类土地利用现状面数据进行图斑融合，取其融合后的中心点作为虚拟地名地址实体，统计各类土地利用现状数据在该功能区域所占面积，作为该类虚拟地名地址实体的功能强度面积。
优选的，步骤S40具体包括如下内容，
S41、按照人口活跃度，将功能类别分为日间活跃状态、夜间活跃状态、日夜均活跃状态；每类地名地址实体均对应一种活跃状态；
S42、以手机信令网格为基底，计算每类地名地址实体对人口的吸引力；
S43、以手机信令网格为基底，统计每个功能区域单元中的各类地名地址实体数量及人口数量，通过计算每类地名地址实体类型的加权单位地名地址实体的人口密度，作为昼夜功能热度Hij；
Figure BDA0004131649070000051
其中，Hij为在功能区域i中，第j类地名地址实体的昼夜功能热度；Pij为功能区域i内j类地名地址实体有效功能数量；Tk，t为功能区域i中第k个网格单元日间活跃或夜间活跃或日夜均活跃的人口数；n为功能区域i中网格单元的数量；t为人口活跃状态；Pi，t为功能区域i的地名地址实体为t活跃的总数量；
Figure BDA0004131649070000052
为功能区域i中第j类地名地址实体的人口吸引力因子；D为日间活跃状态；N为夜间活跃状态；DN为日夜均活跃状态。
优选的，步骤S42具体包括如下内容，
S421、以每个地名地址实体点数据为中心，通过将地名地址实体y的功能强度面积Sy除以通过网络分析模型中的出行阻抗确定的距离阈值d0范围内每个网格需求点x的高斯衰减距离函数加权人口总和，计算地名地址实体y的供需比Ry；
Figure BDA0004131649070000061
Figure BDA0004131649070000062
其中，Px为每个网格的昼夜人口数量；f(dxy)为高斯衰减函数；dxy为基于路网的衰减距离变量；ε是接近于0的极小值；
S422、以每一个网格需求点x为中心，搜索在网络分析模型中的出行阻抗确定的距离阈值d0范围内的所有同类地名地址实体y，将所搜索到的同类的地名地址实体的供需比Ry按照高斯衰减距离函数进行加权求和，计算得到第j类地名地址实体对每个网格需求点x的吸引力因子Axj；
Figure BDA0004131649070000063
功能区域i的第j类地名地址实体平均吸引力因子
Figure BDA0004131649070000064
可以表示为：
Figure BDA0004131649070000065
优选的，步骤S50具体包括如下内容，
S51、通过将有效功能数量、功能强度面积、昼夜功能热度加权，构建多因子加权的功能贡献指数模型，赋予地名地址实体功能强度信息；
Figure BDA0004131649070000066
式中，Fij为功能区域i内j类地名地址实体的功能强度，Nij为功能区域i内j类地名地址实体有效功能数量，Ni为功能区域i内地名地址实体总数量，Sij为功能区域i内j类地名地址实体功能强度面积，Si为功能区域i的面积，Hij为功能区域i内j类地名地址实体昼夜功能热度；μi为功能区域i中Hij的均值；σi为功能区域i中Hij的方差，ω为权重因子；
S52、根据主导功能的最大值进行功能区的判定：
Figure BDA0004131649070000071
在功能区域i内，由其所包含的所有地名地址实体类型的Fij组成了区域主导功能向量Vi，根据主导功能向量的最大值进行区域功能类型Fi的判定；G为功能区域i的总数；C为地名地址实体的类别总数。
优选的，步骤S60具体包括如下内容，
S61、空间查询一级功能区域内所包含的各二级功能区域和三级功能区域，并分类统计其主导功能类型所占面积之和，取面积之和最大的主导功能类型作为一级功能区域识别出的功能类别；
S62、建立用地用海单元分类与城市区域功能类别之间的语义映射关系，将用地用海单元分类名称语义映射到对应功能类别名称，比较其功能类别与对应的一级功能区域的主导功能类别的差异，若分类不一致，则判定其与规划用途差异。
本发明的有益效果是：1、本发明利用手机信令与地名地址、土地利用现状、用地用海等数据融合，分级细化城市功能区域，定量地衡量地名地址的区域功能强度，自动识别出城市区域的主导功能与规划用途差异性，为城市区域主导功能与规划用途差异检测提供具体的、可操作性强的技术方法。2、依托用地用海单元数据、道路实体数据和土地利用现状数据进行功能区域的多级划分，便于不同区域功能的精细分类，解决了区域功能混杂、不易于辨识主导功能的问题。3、通过对地名地址实体进行分类、筛选及合并，并将土地利用与院落实体关联、与手机信令数融合，按照网格单元，构建了“有效功能数量-功能强度面积-昼夜功能热度”多因子加权的功能贡献指数模型，可以有效地量化地名地址实体的功能强度，提高了区域的主导功能向量识别的准确性。4、通过“空间-语义”分析模型，将地名地址分类、用地用海分类统一语义映射到区域功能分类，并通过网格单元、多级功能区域、用地用海单元空间关系综合判断，自动定位差异区域，提高了差异识别的准确率。
附图说明
图1是本发明实施例中差异检测方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中功能区域示意图；其中，(a)为一级功能区域，(b)为二级功能区域，(c)为三级功能区域；
图3是本发明实施例中划定城市功能区域地名地址实体或土地利用的功能强度面积方法示意图；
图4是本发明实施例中以医院为例基于网格单元计算的吸引力因子空间分布示意图；
图5是本发明实施例中以网格单元计算的人口数量空间分布示意图；
图6是本发明实施例中实验区识别出的城市区域主导功能示意图；
图7是本发明实施例中实验区识别出的城市区域主导功能与规划用途差异示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例中，提供了一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，该方法通过融合用地用海单元数据、道路实体数据、土地利用现状数据，进行多层级城市功能区域划分；在城市功能区域划分的基础上，按照功能分类分别计算地名地址实体的有效功能数量、功能强度面积、昼夜功能热度；构建城市区域加权的功能贡献指数模型，判定城市区域主导功能；基于判定的城市区域主导功能向量，构建“空间-语义”模型检测与规划用途差异。该方法包括如下步骤，
S10、依托某市的用地用海单元数据、道路实体数据和土地利用现状数据分三个等级划定城市功能区域；
S20、对某市的地名地址实体进行分类、筛选及合并，按照S10划定的城市功能区域统计每类地名地址实体的有效功能数量；
S30、将地名地址实体、土地利用与院落实体关联，按照划定的城市功能区域计算每类地名地址实体或土地利用的功能强度面积；
S40、结合手机信令数据，按照250米*250米网格单元，统计城市功能区域昼夜人口平均数量，并基于昼夜人口数量计算划定城市功能区域内每类地名地址的昼夜功能热度；
S50、基于S20、S30和S40中计算出的相关数据，构建“有效功能数量-功能面积强度-昼夜功能热度”多因子加权的功能贡献指数模型，计算区域主导功能向量，确定区域主导功能；
S60、通过“空间-语义”分析模型，进行区域主导功能与用地用海单元的差异分析。
基于上述步骤可以看出，本发明方法主要包括六部分内容，分别是城市功能区域划定、有效功能数量统计、功能强度面积计算、昼夜功能热度计算、区域主导功能确定以及差异分析，下面针对这六部分内容进行说明。
一、城市功能区域划定
该部分内容对应步骤S10：
基于用地用海单元数据，划定一级功能区域；在一级功能区域的基础上，结合道路实体数据，将一级功能区域划分为二级功能区域；在二级功能区域的基础上，结合土地利用现状数据将二级功能区域划分为三级功能区域；将一级至三级功能区域对应的用地用海单元、土地利用现状数据分类映射到城市区域功能类别。具体包括：
1、根据用地用海单元数据，提取城市研究区域内的用地用海单元边界线，作为划定的一级功能区域；如图2(a)所示，一级功能区域以用地用海单元边界线作为划分依据；
2、根据道路实体数据，提取道路中心线，与一级功能区域进行融合，将一级功能区域进一步划分为二级功能区域；如图2(b)所示，二级功能区域在一级功能区域的基础上融合道路实体中心线，进一步将一级功能区域细分。
3、根据土地利用现状数据，提取土地利用现状边界，与二级功能区域进行融合，将二级功能区域进一步划分为三级功能区域；如图2(c)所示，三级功能区域在二级功能区域的基础上，融合土地利用现状边界线，进一步将二级功能区域细分。
4、对一级至三级功能区域对应的用地用海单元、土地利用现状数据分类，映射到区域功能类别。
其中，所述区域功能类别包括，生活住宅、生活服务、行政办公、教育科研、医疗卫生、交通设施、文化活动、体育活动、社会福利、旅游景区、宗教场所、商业服务、休闲娱乐、公用设施、工矿场所、物流仓储、绿地与广场、水域、农林用地、其他等20个类别。如表1所示，一级功能区域用于后续区域主导功能与规划功能差异性比较；二级功能区域用于含有地名地址实体的区域主导功能识别，地名地址实体与城市区域功能分类对应参照表2；三级功能区域用于未含有地名地址实体区域主导功能识别，土地利用现状分类与城市区域功能分类映射，如表3所示。
表1.用地用海分类与城市区域功能分类对应表
Figure BDA0004131649070000101
Figure BDA0004131649070000111
表2.地名地址实体分类与城市区域功能分类对应表
Figure BDA0004131649070000112
Figure BDA0004131649070000121
表3.土地利用现状分类与城市区域功能分类对应表
Figure BDA0004131649070000122
Figure BDA0004131649070000131
二、有效功能数量统计
该部分内容对应步骤S20：
对地名地址实体进行筛选与去重以去除重复的地名地址实体，对地名地址实体进行拆分与功能性标注以将地名地址实体分类映射为区域功能分类；对地名地址实体进行分类与映射以将地名地址实体分类映射到区域功能类别；并统计各类地名地址实体的有效功能数量。具体包括：
1、对地名地址实体进行筛选与去重，地名地址实体过滤类别为行政区域名及其相关的实体，保留为非行政区域的其他区域实体(参照表2，过滤地名地址实体三级类中的为行政区域名及其相关的实体，保留为非行政区域的其他区域实体)；对涉及楼址、门址的相关地名地址实体进行语义相似度比较和空间邻近关系判断，去除重复的地名地址实体，优先保留楼址类别；
(1)语义相似度比较
语义相似度计算通过将属性字段中的地名字段和地址字段进行合并，进行分词处理，建立向量，通过计算两个地名地址实体的向量的余弦值来衡量，若余弦值大于预设阈值，则判定两个地名地址实体是语义相似的；
Figure BDA0004131649070000141
其中，v1，v2分别是两个地名地址实体的向量；cos(v1，v2)为两个地名地址实体的向量的余弦值；在具体实施方式中，选取当cos(v1，v2)大于0.8(预设阈值)时，判定为两个地名地址实体是语义相似的。
(2)空间邻近关系判断
空间邻近关系判断通过将空间点位置信息提取，结合院落实体进行空间包含分析，如果两个地名地址实体同属于一个院落实体，且语义是相似的，则判定两个地名地址实体是重复的，予以剔除其中之一；如果未找到院落实体同时空间包含这个地名地址实体，以其中一个地名地址实体为中心，进行缓冲半径分析，如果另一个实体空间包含在其缓冲半径内，且语义是相似的，则判定两个地名地址实体是重复的，予以剔除其中之一；在具体实施方式中，选取缓冲半径为50米。
2、对地名地址实体进行拆分与功能性标注，对地名地址实体中类别为建筑物和单位的实体，结合其语义信息和土地利用现状数据进行拆分，分别标注为生活住宅、行政办公、教育科研、医疗卫生、社会福利、文化活动、体育活动、商业商务、休闲娱乐、旅游景区、宗教场所、工矿场所、物流仓储等区域功能类别。在具体实施方式中，地名地址实体添加属性字段，字段名称为功能分类，类型为字符串，属性值参照表2，将地名地址实体分类映射为功能分类。
3、对除建筑物和单位以外的地名地址实体进行分类与映射，分别结合地名地址实体的地理实体分类名称和功能性标注信息，建立分类映射表，将地名地址实体分类映射到区域功能类别；在具体实施方式中，同S22步骤，类别映射关系参照表2。
4、按照区域功能类别统计每个划定的功能区域内地名地址实体的有效数量，通过功能区域空间信息，与地名地址实体进行空间相交判断，统计落在功能区域边界及内部的各类地名地址实体数量。
具体地，如果地名地址实体点包含在功能区域内部或者在功能区域边界上，则进行统计；同时为了兼容由于采集信息误差导致的地名地址实体落在道路面或城市绿地范围内的，特别针对沿路边空间分布的餐馆、宾馆等，其在功能区域外侧5到10米处，对于这些地名地址实体点，以功能区域边界进行缓冲分析，缓冲距离设为10米，形成功能区域缓冲范围，判断地名地址实体点是否在功能区域缓冲范围内部或者在功能区域缓冲范围边界上，如果是，则进行统计；依次统计落在功能区域边界及内部的各类地名地址实体数量。
三、功能强度面积计算
该部分内容对应步骤S30：
对于二级功能区域，基于地名地址实体所属院落实体与功能区域相交面积确定地名地址实体的功能强度面积；对于二级功能区域关联院落实体中含有多类功能类别地名地址实体的区域，基于创建的泰森多边形面积确定地名地址实体的功能强度面积；对于三级功能区域，将土地利用现状数据进行类别映射和图斑融合确定虚拟地名地址实体，并基于土地利用现状数据在功能区域内所占面积确定虚拟地名地址实体的功能强度面积。具体包括：
1、对于二级功能区域，将地名地址实体与院落实体进行空间关联，获得地名地址实体所属院落实体，将院落实体与功能区域相交面积作为该地名地址实体的功能强度面积；如图3中院落实体与功能区域重叠部分所示。
2、对于二级功能区域，其关联的院落实体中含有多类功能类别地名地址实体的区域，将二级功能区域以地名地址实体点数据创建泰森多边形，统计各类功能类别地名地址实体的对应泰森多边形面积之和作为该类地名地址实体对应的功能强度面积；如图3中院落实体与泰森多边形重叠部分所示。
3、对于三级功能区域，因其不含地名地址实体，采用土地利用现状数据，对每类土地利用现状数据进行类别映射到区域功能类别，再将各类土地利用现状面数据进行图斑融合，取其融合后的中心点作为虚拟地名地址实体，统计各类土地利用现状数据在该功能区域所占面积，作为该类虚拟地名地址实体的功能强度面积。
在具体实施方式中，提取了土地利用现状数据中的公园与绿地类型，其对应区域功能类别为绿地与广场，再将公园与绿地面数据进行图斑融合，取其融合后的中心点作为虚拟地名地址实体，其区域功能类别为绿地与广场，统计绿地与广场在该功能区域内所占面积，作为该类虚拟地名地址实体的功能强度面积，如图3中公园与绿地与功能区域重叠部分所示。
四、昼夜功能热度计算
该部分内容对应步骤S40：
基于手机信令数据，确定每类地名地址实体对人口的吸引力，根据功能区域单元中的各类地名地址实体数量及人口数量确定昼夜功能热度。具体包括：
1、按照人口活跃度，将功能类别分为日间活跃状态(D)、夜间活跃状态(N)、日夜均活跃状态(DN)，每类地名地址实体均对应一种活跃状态；如表4所示；
表4.城市区域功能与活跃状态对应表
Figure BDA0004131649070000161
Figure BDA0004131649070000171
2、以手机信令网格为基底，计算每类地名地址实体对人口的吸引力；具体的计算过程为：
(1)首先，以每个地名地址实体点数据为中心，通过将地名地址实体y的功能强度面积Sy除以通过网络分析模型中的出行阻抗确定的距离阈值d0范围内每个网格需求点x的高斯衰减距离函数加权人口总和，计算地名地址实体y的供需比Ry；
Figure BDA0004131649070000172
Figure BDA0004131649070000173
其中，Px为每个网格的昼夜人口数量；f(dxy)为高斯衰减函数；dxy为基于路网的衰减距离变量；ε是接近于0的极小值；
(2)然后，以每一个网格需求点x为中心，搜索在网络分析模型中的出行阻抗确定的距离阈值d0范围内的所有同类地名地址实体y，将所搜索到的同类的地名地址实体的供需比Ry按照高斯衰减距离函数进行加权求和，计算得到第j类地名地址实体对每个网格需求点x的吸引力因子Axj；在具体实施方式中，d0取值16km，以医院为例，计算吸引力因子分布如图4所示。
Figure BDA0004131649070000174
功能区域i的第j类地名地址实体平均吸引力因子
Figure BDA0004131649070000175
可以表示为：
Figure BDA0004131649070000176
3、以手机信令网格为基底，统计每个功能区域单元中的各类地名地址实体数量及人口数量，如图5所示，通过计算每类地名地址实体类型的加权单位地名地址实体的人口密度，作为昼夜功能热度Hij；
Figure BDA0004131649070000181
其中，Hij为在功能区域i中，第j类地名地址实体的昼夜功能热度；Pij为功能区域i内j类地名地址实体有效功能数量；Tk，t为功能区域i中第k个网格单元日间活跃或夜间活跃或日夜均活跃的人口数；n为功能区域i中网格单元的数量；t为人口活跃状态；Pi，t为功能区域i的地名地址实体为t活跃的总数量；
Figure BDA0004131649070000182
为功能区域i中第j类地名地址实体的人口吸引力因子；D为日间活跃状态；N为夜间活跃状态；DN为日夜均活跃状态。
五、区域主导功能确定
该部分内容对应步骤S50：
基于有效功能数量、功能面积强度和昼夜功能热度，构建多因子加权的功能贡献指数模型，并基于区域主导功能向量进行功能区域类型的判定。具体包括：
1、通过将有效功能数量、功能强度面积、昼夜功能热度加权，构建多因子加权的功能贡献指数模型，赋予地名地址实体功能强度信息；
Figure BDA0004131649070000183
式中，Fij为功能区域i内j类地名地址实体的功能强度，Nij为功能区域i内j类地名地址实体有效功能数量，Ni为功能区域i内地名地址实体总数量，Sij为功能区域i内j类地名地址实体功能强度面积，Si为功能区域i的面积，Hij为功能区域i内j类地名地址实体昼夜功能热度；μi为功能区域i中Hij的均值；σi为功能区域i中Hij的方差，ω为权重因子；部分样例计算结果如表5所示。
表5.归一化后城市区域主导功能因子强度样例
Figure BDA0004131649070000184
Figure BDA0004131649070000191
2、根据主导功能的最大值进行功能区的判定：
Figure BDA0004131649070000192
G为功能区域i的总数；C为地名地址实体的类别总数；在功能区域i内，由其所包含的所有地名地址实体类型的Fij组成了区域主导功能向量Vi，根据主导功能向量的最大值进行区域功能类型Fi的判定，可以判定对应网格的主导功能如表6所示。
表6.城市区域主导功能样例
区域 主导功能
273 商业服务
456 生活服务
62 商业服务
317 生活服务
734 生活住宅
795 教育科研
436 交通设施
191 医疗卫生
279 生活服务
539 休闲娱乐
六、差异分析
该部分内容对应步骤S60：
将用地用海单元分类名称映射的功能类别名称与对应的一级功能区域的主导功能类别进行对比，确定区域主导功能与规划用途之间是否存在差异。具体包括：
1、空间查询一级功能区域内所包含的各二级功能区域和三级功能区域，并分类统计其主导功能类型所占面积之和，取面积之和最大的主导功能类型作为一级功能区域识别出的功能类别；最终，识别出的区域主导功能示意图如图6所示。
2、参照表1，建立用地用海单元分类与城市区域功能类别之间的语义映射关系，将用地用海单元分类名称语义映射到对应功能类别名称，比较其功能类别与对应的一级功能区域的主导功能类别的差异，若分类不一致，则判定其与规划用途存在差异。最终，识别出的区域主导功能与规划用途差异如图7所示，其中A规划用途为医疗卫生，实际功能为生活服务；B规划用途为教育科研，实际功能为商业服务，为规划决策调整的提供了依据。
本实施例中，本发明方法通过利用某市的用地用海单元数据、道路实体数据及土地利用现状、地名地址实体等数据，划定多级城市功能区域，构建了“有效功能数量-功能强度面积-昼夜功能热度”多因子加权的功能贡献指数模型，确定区域主导功能；通过“空间-语义”分析模型，进行区域主导功能与用地用海单元的差异检测分析。通过实施例可以有效识别城市区域主导功能，并准确地检测出主导功能与规划用途差异性，有效支撑规划编制与城市空间布局优化。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，本发明利用手机信令与地名地址、土地利用现状、用地用海等数据融合，分级细化城市功能区域，定量地衡量地名地址的区域功能强度，自动识别出城市区域的主导功能与规划用途差异性，为城市区域主导功能与规划用途差异检测提供具体的、可操作性强的技术方法。依托用地用海单元数据、道路实体数据和土地利用现状数据进行功能区域的多级划分，便于不同区域功能的精细分类，解决了区域功能混杂、不易于辨识主导功能的问题。通过对地名地址实体进行分类、筛选及合并，并将土地利用与院落实体关联、与手机信令数融合，按照网格单元，构建了“有效功能数量-功能强度面积-昼夜功能热度”多因子加权的功能贡献指数模型，可以有效地量化地名地址实体的功能强度，提高了区域的主导功能向量识别的准确性。4、通过“空间-语义”分析模型，将地名地址分类、用地用海分类统一语义映射到区域功能分类，并通过网格单元、多级功能区域、用地用海单元空间关系综合判断，自动定位差异区域，提高了差异识别的准确率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：包括如下步骤，
S10、依托用地用海单元数据、道路实体数据和土地利用现状数据划定城市功能区域；
基于用地用海单元数据，划定一级功能区域；在一级功能区域的基础上，结合道路实体数据，将一级功能区域划分为二级功能区域；在二级功能区域的基础上，结合土地利用现状数据将二级功能区域划分为三级功能区域；将一级至三级功能区域对应的用地用海单元、土地利用现状数据分类映射到城市区域功能类别；
S20、对地名地址实体进行分类、筛选及合并，按照划定的城市功能区域统计每类地名地址实体的有效功能数量；
对地名地址实体进行筛选与去重以去除重复的地名地址实体，对地名地址实体进行拆分与功能性标注以将地名地址实体分类映射为区域功能分类；对地名地址实体进行分类与映射以将地名地址实体分类映射到区域功能类别；并统计各类地名地址实体的有效功能数量；
S30、将地名地址实体、土地利用与院落实体关联，按照划定的城市功能区域计算每类地名地址实体或土地利用的功能强度面积；
对于二级功能区域，基于地名地址实体所属院落实体与功能区域相交面积确定地名地址实体的功能强度面积；对于二级功能区域关联院落实体中含有多类功能类别地名地址实体的区域，基于创建的泰森多边形面积确定地名地址实体的功能强度面积；对于三级功能区域，将土地利用现状数据进行类别映射和图斑融合确定虚拟地名地址实体，并基于土地利用现状数据在功能区域内所占面积确定虚拟地名地址实体的功能强度面积；
S40、结合手机信令数据，计算划定城市功能区域内每类地名地址的昼夜功能热度；
基于手机信令数据，确定每类地名地址实体对人口的吸引力，根据功能区域单元中的各类地名地址实体数量及人口数量确定昼夜功能热度；
S50、构建“有效功能数量-功能面积强度-昼夜功能热度”多因子加权的功能贡献指数模型，计算区域主导功能向量，确定区域主导功能；
基于有效功能数量、功能面积强度和昼夜功能热度，构建多因子加权的功能贡献指数模型，并基于区域主导功能向量进行功能区域类型的判定；
S60、通过“空间-语义”分析模型，进行区域主导功能与用地用海单元的差异分析；
将用地用海单元分类名称映射的功能类别名称与对应的一级功能区域的主导功能类别进行对比，确定区域主导功能与规划用途之间是否存在差异。
2.根据权利要求1所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：步骤S10具体包括如下内容，
S11、根据用地用海单元数据，提取城市研究区域内的用地用海单元边界线，作为划定的一级功能区域；
S12、根据道路实体数据，提取道路中心线，与一级功能区域进行融合，将一级功能区域进一步划分为二级功能区域；
S13、根据土地利用现状数据，提取土地利用现状边界，与二级功能区域进行融合，将二级功能区域进一步划分为三级功能区域；
S14、将一级至三级功能区域对应的用地用海单元、土地利用现状数据分类，映射到区域功能类别。
3.根据权利要求2所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：所述区域功能类别包括，生活住宅、生活服务、行政办公、教育科研、医疗卫生、交通设施、文化活动、体育活动、社会福利、旅游景区、宗教场所、商业服务、休闲娱乐、公用设施、工矿场所、物流仓储、绿地与广场、水域、农林用地、其他。
4.根据权利要求1所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：步骤S20具体包括如下内容，
S21、对地名地址实体进行筛选与去重，地名地址实体过滤类别为行政区域名及其相关的实体，保留为非行政区域的其他区域实体；对涉及楼址、门址的相关地名地址实体进行语义相似度比较和空间邻近关系判断，去除重复的地名地址实体，优先保留楼址类别；
S22、对地名地址实体进行拆分与功能性标注，对地名地址实体中类别为建筑物和单位的实体，结合其语义信息和土地利用现状数据进行拆分，分别标注为对应的区域功能类别；
S23、对地名地址实体进行分类与映射，分别结合地名地址实体的地理实体分类名称和功能性标注信息，建立分类映射表，将地名地址实体分类映射到区域功能类别；
S24、按照区域功能类别统计每个划定的功能区域内地名地址实体的有效数量，通过功能区域空间信息，与地名地址实体进行空间相交判断，统计落在功能区域边界及内部的各类地名地址实体数量。
5.根据权利要求4所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：步骤S21中的语义相似度比较和空间邻近关系判断具体为，
语义相似度比较：通过将属性字段中的地名字段和地址字段进行合并，进行分词处理，建立向量，计算两个地名地址实体的向量的余弦值，若余弦值大于预设阈值，则判定两个地名地址实体是语义相似的；
空间邻近关系判断：通过提取空间点位置信息，结合院落实体进行空间包含分析，如果两个地名地址实体同属于一个院落实体，且语义是相似的，则判定两个地名地址实体是重复的，予以剔除其中之一；如果未找到院落实体同时空间包含这个地名地址实体，则以其中一个地名地址实体为中心，进行缓冲半径分析，如果另一个实体空间包含在其缓冲半径内，且语义是相似的，则判定两个地名地址实体是重复的，予以剔除其中之一。
6.根据权利要求2所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：步骤S30具体包括如下内容，
S31、对于二级功能区域，将地名地址实体与院落实体进行空间关联，获得地名地址实体所属院落实体，将院落实体与功能区域相交面积作为该地名地址实体的功能强度面积；
S32、对于二级功能区域关联的院落实体中含有多类功能类别地名地址实体的区域，以地名地址实体点数据创建泰森多边形，统计各类功能类别地名地址实体的对应泰森多边形面积之和作为该类地名地址实体对应的功能强度面积；
S33、对于三级功能区域，采用土地利用现状数据，对每类土地利用现状数据进行类别映射到区域功能类别，再将各类土地利用现状面数据进行图斑融合，取其融合后的中心点作为虚拟地名地址实体，统计各类土地利用现状数据在该功能区域所占面积，作为该类虚拟地名地址实体的功能强度面积。
7.根据权利要求1所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：步骤S40具体包括如下内容，
S41、按照人口活跃度，将功能类别分为日间活跃状态、夜间活跃状态、日夜均活跃状态；每类地名地址实体均对应一种活跃状态；
S42、以手机信令网格为基底，计算每类地名地址实体对人口的吸引力；
S43、以手机信令网格为基底，统计每个功能区域单元中的各类地名地址实体数量及人口数量，通过计算每类地名地址实体类型的加权单位地名地址实体的人口密度，作为昼夜功能热度Hij；
Figure FDA0004131649060000041
其中，Hij为在功能区域i中，第j类地名地址实体的昼夜功能热度；Pij为功能区域i内j类地名地址实体有效功能数量；Tk,t为功能区域i中第k个网格单元日间活跃或夜间活跃或日夜均活跃的人口数；n为功能区域i中网格单元的数量；t为人口活跃状态；Pi,t为功能区域i的地名地址实体为t活跃的总数量；
Figure FDA0004131649060000042
为功能区域i中第j类地名地址实体的人口吸引力因子；D为日间活跃状态；N为夜间活跃状态；DN为日夜均活跃状态。
8.根据权利要求7所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：步骤S42具体包括如下内容，
S421、以每个地名地址实体点数据为中心，通过将地名地址实体y的功能强度面积Sy除以通过网络分析模型中的出行阻抗确定的距离阈值d0范围内每个网格需求点x的高斯衰减距离函数加权人口总和，计算地名地址实体y的供需比Ry；
Figure FDA0004131649060000043
Figure FDA0004131649060000051
其中，Px为每个网格的昼夜人口数量；f(dxy)为高斯衰减函数；dxy为基于路网的衰减距离变量；ε是接近于0的极小值；
S422、以每一个网格需求点x为中心，搜索在网络分析模型中的出行阻抗确定的距离阈值d0范围内的所有同类地名地址实体y，将所搜索到的同类的地名地址实体的供需比Ry按照高斯衰减距离函数进行加权求和，计算得到第j类地名地址实体对每个网格需求点x的吸引力因子Axj；
Figure FDA0004131649060000052
功能区域i的第j类地名地址实体平均吸引力因子
Figure FDA0004131649060000053
可以表示为：
Figure FDA0004131649060000054
9.根据权利要求1所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：步骤S50具体包括如下内容，
S51、通过将有效功能数量、功能强度面积、昼夜功能热度加权，构建多因子加权的功能贡献指数模型，赋予地名地址实体功能强度信息；
Figure FDA0004131649060000055
式中，Fij为功能区域i内j类地名地址实体的功能强度，Nij为功能区域i内j类地名地址实体有效功能数量，Ni为功能区域i内地名地址实体总数量，Sij为功能区域i内j类地名地址实体功能强度面积，Si为功能区域i的面积，Hij为功能区域i内j类地名地址实体昼夜功能热度；μi为功能区域i中Hij的均值；σi为功能区域i中Hij的方差，ω为权重因子；
S52、根据主导功能的最大值进行功能区的判定：
Figure FDA0004131649060000056
在功能区域i内，由其所包含的所有地名地址实体类型的Fij组成了区域主导功能向量Vi，根据主导功能向量的最大值进行区域功能类型Fi的判定；G为功能区域i的总数；C为地名地址实体的类别总数。
10.根据权利要求1所述的城市区域主导功能与规划用途差异检测的方法，其特征在于：步骤S60具体包括如下内容，
S61、空间查询一级功能区域内所包含的各二级功能区域和三级功能区域，并分类统计其主导功能类型所占面积之和，取面积之和最大的主导功能类型作为一级功能区域识别出的功能类别；
S62、建立用地用海单元分类与城市区域功能类别之间的语义映射关系，将用地用海单元分类名称语义映射到对应功能类别名称，比较其功能类别与对应的一级功能区域的主导功能类别的差异，若分类不一致，则判定其与规划用途差异。
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