協(xié)頻城市：時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)中的頻度協(xié)同*

沈 堯 SHEN Yao

0 引言

隨著城市感知基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，各種跨模態(tài)、時(shí)空精細(xì)化的數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)，城市正變得越來(lái)越智能化[1]。對(duì)于時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)而言，時(shí)間頻度智能已成為城市智能的一個(gè)重要維度[2-3]?；诟哳l瞬變數(shù)據(jù)的“高頻”城市不僅是我們理解城市動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)的新視角，也正在成為未來(lái)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要對(duì)象[4]。它與更注重長(zhǎng)期目標(biāo)的傳統(tǒng)規(guī)劃理論及規(guī)劃設(shè)計(jì)形成對(duì)比和互補(bǔ)，成為快速響應(yīng)的城市干預(yù)路徑[5]。關(guān)于高頻城市的認(rèn)識(shí)仍處于初期階段，其與對(duì)應(yīng)的低頻城市的關(guān)系及規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用的一般路徑仍缺乏研究。

未來(lái)城市是“低頻城市”向“高頻城市”復(fù)合的“協(xié)頻城市”，需結(jié)合高頻響應(yīng)和低頻支持，凝練城市時(shí)空規(guī)律，提高時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)的時(shí)空精確性和有效性。本文從數(shù)據(jù)環(huán)境中的頻度入手，討論高頻、低頻城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的范式轉(zhuǎn)變，提出頻度協(xié)同對(duì)于數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)[6]的必要性；探索頻度與空間單元、粒度、尺度、距離定義等要素的內(nèi)在聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)針對(duì)不同城市議題采用涌現(xiàn)的效用空間與特征頻度的重要意義，總結(jié)基于頻度協(xié)同的時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的一般框架。本文認(rèn)為頻度協(xié)同是一種發(fā)現(xiàn)城市智能和探索新規(guī)劃理論的重要手段，其在城市研究和實(shí)踐中 “頻度智能”的運(yùn)用對(duì)于規(guī)劃智能化具有積極意義。

1 新數(shù)據(jù)環(huán)境下的協(xié)頻城市

1.1 傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的“低頻城市”

低頻城市指的是受限于感知基礎(chǔ)設(shè)施條件、獲取難度、計(jì)算條件和城市科學(xué)基礎(chǔ)，將真實(shí)高頻城市活動(dòng)歸納為較長(zhǎng)周期性的總體空間特征，應(yīng)用于規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)的遠(yuǎn)景藍(lán)圖的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)便是一種面向“低頻城市”的干預(yù)方法，通常關(guān)注的是物質(zhì)空間營(yíng)造，一般服務(wù)于較為長(zhǎng)期的建設(shè)和發(fā)展目標(biāo)。城市物質(zhì)空間在短時(shí)間內(nèi)自身變化較少，本身亦屬于低頻城市要素。相關(guān)的城市規(guī)劃理論和方法也偏重對(duì)現(xiàn)象的歸納，重視對(duì)普世的、定性的城市規(guī)律的總結(jié)，方便案例間知識(shí)遷移及規(guī)劃共識(shí)的快速形成。更重要的是，城市數(shù)據(jù)環(huán)境的設(shè)定決定了人們感知城市和設(shè)計(jì)介入的基本方法。

雖然傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)亦講求實(shí)際踏勘、社會(huì)調(diào)研等截面數(shù)據(jù)，但一般而言還是主要依賴于空間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等低頻數(shù)據(jù)。低頻數(shù)據(jù)主要指的是截面化的、更新頻率低且較難獲取的，通常依賴于普查、測(cè)繪、對(duì)地觀測(cè)等手段所形成的城市間歇感知數(shù)據(jù)（如人口普查、交通出行調(diào)查、經(jīng)濟(jì)普查數(shù)據(jù)等）。對(duì)低頻數(shù)據(jù)的依賴是傳統(tǒng)城市數(shù)據(jù)環(huán)境的重要特征之一。在傳統(tǒng)城市數(shù)據(jù)環(huán)境下，各類(lèi)空間數(shù)據(jù)更新較慢、信息維度較少，模態(tài)相對(duì)單一，數(shù)據(jù)交互一般按照層結(jié)構(gòu)組織，相互之間的互動(dòng)邏輯是相對(duì)簡(jiǎn)化的“空間重疊”邏輯（見(jiàn)圖1）。這在一定程度上也影響了對(duì)應(yīng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法（見(jiàn)表1）。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)境下的規(guī)劃設(shè)計(jì)一般將規(guī)劃設(shè)計(jì)藍(lán)圖抽象為可分解、可疊合的多層城市系統(tǒng)（如交通、綠地、水系、開(kāi)放空間等）。這樣的樹(shù)形結(jié)構(gòu)通常易于理解，方便經(jīng)驗(yàn)遷移，符合人們潛意識(shí)中對(duì)于可理解系統(tǒng)的歸納習(xí)慣，但也容易忽略不同系統(tǒng)之間存在的復(fù)雜聯(lián)系，使得規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)于動(dòng)態(tài)的社會(huì)生活干預(yù)失效[7]。因此，如果假設(shè)數(shù)據(jù)環(huán)境和規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)境的暗合存在，那么傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法實(shí)際上非常接近于一種簡(jiǎn)化的空間信息模型，通過(guò)監(jiān)控、編輯和可視化不同層次的空間要素系統(tǒng)，以達(dá)到相對(duì)遠(yuǎn)期規(guī)劃目標(biāo)。當(dāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的頻度變化細(xì)微時(shí)，空間尺度、粒度等便成為不同類(lèi)型規(guī)劃設(shè)計(jì)的特征，甚至成為特定規(guī)劃的成果要求。

圖1 頻度轉(zhuǎn)換視角下新舊數(shù)據(jù)環(huán)境差異圖示Fig.1 Comparison between the old and new data environment with respect to frequency

1.2 新數(shù)據(jù)環(huán)境下的“高頻城市”

高頻城市得益于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等城市感知基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的快速完善，城市數(shù)據(jù)獲取難度和成本降低，計(jì)算條件和技術(shù)跨越式發(fā)展，城市活動(dòng)被真實(shí)地記錄、即時(shí)傳送和處理，以支持規(guī)劃設(shè)計(jì)的快速分析、決策和響應(yīng)。高頻城市數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)的、跨時(shí)空截面的、時(shí)新時(shí)異的、通常依賴于志愿者型的社會(huì)感知手段所形成的城市持續(xù)感知數(shù)據(jù)，其是新數(shù)據(jù)環(huán)境的重要特點(diǎn)[8]。新數(shù)據(jù)環(huán)境下的規(guī)劃設(shè)計(jì)被認(rèn)為能夠應(yīng)對(duì)“高頻城市”的空間干預(yù)問(wèn)題。這樣的規(guī)劃設(shè)計(jì)依賴數(shù)據(jù)科學(xué)與人工智能等技術(shù)，通常關(guān)注的是對(duì)于空間的動(dòng)態(tài)績(jī)效的保障和提升，短期目標(biāo)的快速響應(yīng)。在此背景下，空間中存在的高頻聯(lián)系作為空間的動(dòng)態(tài)功能性體現(xiàn)，成為高頻城市的重要要素。不斷涌現(xiàn)的新城市理論和方法，雖暫未形成新的知識(shí)體系，但已展現(xiàn)出新特點(diǎn)，如注重時(shí)空精細(xì)化的城市現(xiàn)象的識(shí)別，強(qiáng)調(diào)通過(guò)定量手段挖掘城市規(guī)律，以城市模型或工作流程輔助知識(shí)遷移，能夠依據(jù)政策、主體、對(duì)象等差異形成不同成果，注重方法科學(xué)性和技術(shù)理性輔助下的規(guī)劃共識(shí)的涌現(xiàn)。

在新的數(shù)據(jù)環(huán)境中，不同時(shí)空數(shù)據(jù)大量存在時(shí)空維度上的結(jié)構(gòu)性映射和相互關(guān)聯(lián)，存在跨模態(tài)融合難度和語(yǔ)義解析的可能偏差，因此規(guī)劃要素不限于線性的建成環(huán)境要素，也包含它們之間的復(fù)雜時(shí)空耦合關(guān)系。城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)干預(yù)則被細(xì)化到不同的時(shí)間窗口，應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的短期問(wèn)題。因此，高頻城市是智慧城市的重要特征，其內(nèi)涵是對(duì)城市要素之間的時(shí)空關(guān)系的精準(zhǔn)把握，被干預(yù)的方式從藍(lán)圖式規(guī)劃邁向智能規(guī)劃，注重規(guī)劃與設(shè)計(jì)對(duì)不同頻度下城市問(wèn)題的響應(yīng)能力。高頻城市展現(xiàn)出前所未有的復(fù)雜性，需要依賴新的城市科學(xué)和智能規(guī)劃模型進(jìn)行應(yīng)對(duì)[9]。這些城市模型依賴于感知與計(jì)算技術(shù)，以時(shí)空要素的處理、運(yùn)算和模擬為規(guī)劃設(shè)計(jì)的路徑來(lái)響應(yīng)較為明確的城市績(jī)效提升目標(biāo)，其中除了空間尺度外，還應(yīng)注意時(shí)間頻度及其他模型中所涉及的參數(shù)設(shè)定對(duì)結(jié)果的潛在影響。頻度將是區(qū)別新數(shù)據(jù)環(huán)境下各種規(guī)劃設(shè)計(jì)類(lèi)型的重要維度。

1.3 頻度協(xié)同的未來(lái)城市

高頻城市和低頻城市的互補(bǔ)性高于替代性，我們?nèi)孕枰鎸?duì)不同頻度下的規(guī)劃設(shè)計(jì)的干預(yù)問(wèn)題。因此，協(xié)頻城市是頻度協(xié)同的未來(lái)城市認(rèn)知和干預(yù)框架，它基于高頻城市和低頻城市的復(fù)合態(tài)，依賴于即時(shí)和周期的主被動(dòng)感知技術(shù)構(gòu)建覆蓋多時(shí)間頻度，真實(shí)的城市活動(dòng)被記錄在不同的時(shí)空窗口間妥善映射，同時(shí)支持長(zhǎng)期建設(shè)發(fā)展和短期治理目標(biāo)，將長(zhǎng)期目標(biāo)作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)的累積目標(biāo)，將動(dòng)態(tài)響應(yīng)作為長(zhǎng)期目標(biāo)的時(shí)空細(xì)化的一種規(guī)劃協(xié)同路徑。

我們?nèi)绾我?guī)劃城市，實(shí)際上與我們?nèi)绾螛?gòu)建支持規(guī)劃決策的城市信息模型密切相關(guān)[10-11]。協(xié)頻城市的特點(diǎn)將從對(duì)于低頻城市和高頻城市所支持的信息模型入手，理解和重塑空間、技術(shù)與人的復(fù)雜關(guān)系[12]。當(dāng)下的城市信息模型在頻度上產(chǎn)生了兩種“極端”：一是以地點(diǎn)為視角的地點(diǎn)信息模型；二是以個(gè)體為視角的個(gè)體信息模型，分別代表低頻和高頻信息模型的差異（見(jiàn)圖2）。地點(diǎn)信息模型通常以地點(diǎn)為視角，以空間統(tǒng)計(jì)為觀測(cè)方法，容易對(duì)應(yīng)規(guī)劃編制的需求空間范圍，如事權(quán)邊界包括行政邊界、產(chǎn)權(quán)邊界等，或設(shè)計(jì)要素如街道、地塊、建筑等。它的優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)基礎(chǔ)較為簡(jiǎn)單，較易獲取，容易復(fù)制和解釋?zhuān)煌ㄟ^(guò)復(fù)雜建模也可以構(gòu)建整體趨勢(shì)的聯(lián)系，能夠直觀地聯(lián)系數(shù)據(jù)與規(guī)劃設(shè)計(jì)。而個(gè)體信息模型則相反，它以個(gè)體為視角，解釋了各類(lèi)主體（人、企業(yè)、動(dòng)植物、自動(dòng)化運(yùn)行的車(chē)量等）時(shí)空行為的復(fù)雜性和真實(shí)性，但通常與規(guī)劃編制的空間范圍不一致，數(shù)據(jù)較難獲取，必須依賴模型解釋?zhuān)臻g關(guān)系呈現(xiàn)出局部異質(zhì)性，較難解釋?zhuān)枰ㄟ^(guò)地點(diǎn)模型聯(lián)系數(shù)據(jù)與規(guī)劃設(shè)計(jì)。

圖2 協(xié)頻城市作為高頻城市和低頻城市的復(fù)合態(tài)Fig.2 Data-augmented-design information model as a well-balance of high and low frequency cities

頻度是區(qū)分信息模型的重要維度。由于頻度差異，地點(diǎn)信息模型與個(gè)體信息模型在行為真實(shí)度、數(shù)據(jù)易獲度、計(jì)算難度、可解釋度和潛在偏誤方面呈現(xiàn)出截然不同但相互補(bǔ)充的關(guān)系。若能選擇好合適的頻度，便可能集合兩種信息模型的優(yōu)勢(shì)，避免劣勢(shì)。因此，筆者認(rèn)為在某些時(shí)間頻度范圍內(nèi)，存在一種支持協(xié)頻城市的（時(shí)空）數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)信息模型（Data-Augmented-Design Information Model，DADIM）。它基于地點(diǎn)為表示單元，響應(yīng)需求，保證較高的可解釋性，但以地點(diǎn)內(nèi)、地點(diǎn)間的時(shí)空行為作為分析對(duì)象來(lái)兼顧行為動(dòng)態(tài)的真實(shí)性，以平衡可解釋度和行為真實(shí)性；它強(qiáng)調(diào)探索自下而上的治理頻度區(qū)間，以降低數(shù)據(jù)的獲取和計(jì)算難度，但盡可能保證模型的精巧性和輕量化；它能夠通過(guò)跨頻度數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校核，減少時(shí)空偏誤，增強(qiáng)模型穩(wěn)健性；并能夠融合空間視角下整體行為空間特點(diǎn)與個(gè)人視角下的局部特征，以推進(jìn)對(duì)新的規(guī)劃設(shè)計(jì)洞見(jiàn)發(fā)現(xiàn)。因此，找尋合適的頻度區(qū)間是構(gòu)建這一（時(shí)空）數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)信息模型的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上高頻城市和低頻城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)響應(yīng)能夠獲得同步，形成二者相互支持、持續(xù)增強(qiáng)的未來(lái)城市圖景。

2 頻度作為（時(shí)空）數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的基本要素

在協(xié)頻城市背景下，時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)信息模型為時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的相關(guān)決策提供了數(shù)據(jù)底板。然而，為了形成時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)決策模型，仍需從頻度角度出發(fā)，回應(yīng)若干基本問(wèn)題：（1）頻度如何影響數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的模型環(huán)境設(shè)定？（2）頻度是如何在不同數(shù)據(jù)間涌現(xiàn)的？（3）頻度是如何在規(guī)劃過(guò)程中被使用的？以上3點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)中的模型環(huán)境設(shè)定、頻度選擇和頻度需求匹配問(wèn)題。

2.1 頻度與單元、粒度、尺度、距離的復(fù)合性

城市頻度不是一個(gè)孤立的維度，它和城市諸多其他屬性相輔相成，影響我們認(rèn)識(shí)、計(jì)算和設(shè)計(jì)城市的方式和方法（見(jiàn)圖3）[13]。通常而言，城市頻度會(huì)呈現(xiàn)出與單元粒度和空間尺度的同向性，即一般而言，隨著頻度降低，通常我們更關(guān)注整體的、較為靜態(tài)的趨勢(shì)，用于觀測(cè)的尺度也通常變得較大，粒度也變得較粗。比如當(dāng)我們測(cè)度區(qū)域的功能結(jié)構(gòu)時(shí)，區(qū)域內(nèi)群體性的行為特征顯然比個(gè)體行為更能表達(dá)結(jié)構(gòu)屬性，而避免過(guò)度的噪音。

圖3 頻度視角下空間單元、尺度、粒度與距離定義的轉(zhuǎn)換Fig.3 Definition of spatial unit, scale, resolution, and distance in the condition of frequency

除頻度、粒度和尺度的同向性以外，適配它們變化的空間單元定義也在發(fā)生變化。當(dāng)頻度很高時(shí)，個(gè)人的感知系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的空間單元是主要的關(guān)系單元，如感知的凸空間，或是視線與視域；隨著頻度降低，城市可觀察的物理空間逐漸成為分析單元，如引力點(diǎn)、公共空間、建筑和地塊；而頻度更低時(shí)，空間分析單元開(kāi)始傾向于空間網(wǎng)格，或者多邊形管理邊界，而忽略一些建成環(huán)境的空間細(xì)節(jié)。因此，頻度視角的另一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)涵是研究對(duì)象定義的變化。我們甚至可以將之類(lèi)比到各種規(guī)劃設(shè)計(jì)類(lèi)型，比如城市設(shè)計(jì)實(shí)際上比土地利用規(guī)劃要更加高頻，因?yàn)楦雨P(guān)注人們的行為與細(xì)節(jié)空間設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)；控制性詳細(xì)規(guī)劃則相對(duì)城市設(shè)計(jì)更加低頻，其通常以地塊為操作單元，更加關(guān)注公共空間、建筑在其中的管控和落實(shí)；城市總體規(guī)劃、區(qū)域規(guī)劃等更加強(qiáng)調(diào)低頻的、穩(wěn)定的發(fā)展空間格局塑造。

城市頻度變化還與距離的定義有關(guān)，這將更加直接影響我們?nèi)绾斡?jì)算不同的城市單元所組成的系統(tǒng)聯(lián)系。一般而言，距離存在多種定義方式，但本質(zhì)上一種克服空間緊鄰的消耗，可以被大致分為能量消耗和認(rèn)知消耗，分別對(duì)應(yīng)的幾何測(cè)度為米制距離和認(rèn)知距離。高頻城市中連接分析單元（如視域、視線、領(lǐng)域等）的是認(rèn)知拓?fù)渚嚯x，因?yàn)榭臻g尺度較小，能量消耗在可承受范圍以內(nèi)；低頻城市中分析單元的相互關(guān)系通常是米制地理距離，因?yàn)榭臻g尺度大，能量消耗成為最重要的互動(dòng)成本，與此同時(shí)，米制距離還可以與時(shí)長(zhǎng)、花費(fèi)等要素等價(jià)。而其他頻度下的城市則很可能呈現(xiàn)出兩種距離效應(yīng)的疊加，需要考慮聯(lián)系的兩種成本。

需要指出的是，有時(shí)候頻度、單元、粒度、尺度及距離的復(fù)合關(guān)系可能在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜的組合關(guān)系，進(jìn)而表現(xiàn)為不同的空間語(yǔ)義特征。如人們的出行、電量消耗、房屋交易等信息，都可能在感知（空間）、視線、引力點(diǎn)、公共空間、建筑甚至是地塊等尺度被觀測(cè)或記錄。但很顯然，總體而言，這些數(shù)據(jù)在不同環(huán)境參數(shù)條件下所呈現(xiàn)出的語(yǔ)義則可能發(fā)生很大變化。以出行行為為例，在高頻度、細(xì)粒度、小尺度，以感知、視線為分析單元，注重幾何空間視角的模型環(huán)境下，出行行為可能表現(xiàn)出尋路行為特征；而在中頻度、中粒度、中尺度，以建筑或地塊為單元，注重認(rèn)知距離和米制距離作用的模型環(huán)境下，出行行為則可能被細(xì)化成為起訖點(diǎn)的空間布局特征。

城市頻度在傳統(tǒng)規(guī)劃中是一個(gè)相對(duì)固定的維度，然而在智慧城市的背景下，城市頻度分異加劇，面向不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)任務(wù)的適用頻度確定變成一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。頻度、單元、粒度、尺度、距離的復(fù)合設(shè)定是時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)決策模型的觀測(cè)、分析和設(shè)計(jì)的環(huán)境參量。

2.2 時(shí)空數(shù)據(jù)的時(shí)間特征頻度與空間效用布局

城市高頻時(shí)空數(shù)據(jù)理論上可以被投影到多個(gè)時(shí)空尺度，進(jìn)而呈現(xiàn)出不同的特征和效用。對(duì)于給定的時(shí)空數(shù)據(jù)集，它會(huì)在某一個(gè)時(shí)間頻度區(qū)間，與某一個(gè)空間布局（由單元、粒度、尺度共同決定），呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定和均衡的特點(diǎn)，服務(wù)于現(xiàn)象的復(fù)現(xiàn)[14]。本文將具備有穩(wěn)定特點(diǎn)（穩(wěn)定的時(shí)間變異度）的時(shí)間形態(tài)稱(chēng)作“特征形態(tài)”，將與時(shí)間特征形態(tài)對(duì)應(yīng)的、具備空間穩(wěn)定特點(diǎn)（穩(wěn)定的空間變異度）的空間布局稱(chēng)作“效用布局”（見(jiàn)圖4）。低于特征形態(tài)的頻度，時(shí)間變異度增加則“噪音”形態(tài)越發(fā)明顯；高于該頻度，時(shí)間變異度減少則“背景”形態(tài)越發(fā)明顯。與之類(lèi)似，效用布局依賴于一個(gè)較為穩(wěn)定的空間變異度區(qū)間，避免“噪音”布局和“背景”布局。錯(cuò)用極端時(shí)空變異度，將會(huì)影響數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)中依賴的定量邏輯的可遷移性、可復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)健性，進(jìn)而為規(guī)劃設(shè)計(jì)績(jī)效的可持續(xù)提升帶來(lái)困難。時(shí)空變異度可以從不同的指標(biāo)上進(jìn)行定量測(cè)度，如時(shí)空熵[15]、變化度[16]、時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)[17]等。因此，在時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)中需注意使用時(shí)空數(shù)據(jù)中涌現(xiàn)的典型形態(tài)，而非變異度較高的形態(tài)，保證數(shù)據(jù)特征的代表性，進(jìn)而構(gòu)建可復(fù)現(xiàn)的時(shí)空規(guī)律，避免人為構(gòu)造相關(guān)或者因果關(guān)系，從而降低規(guī)劃策略失準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)，保證數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。因此，尊重時(shí)空數(shù)據(jù)自身在時(shí)間頻度和空間尺度上的涌現(xiàn)規(guī)律，是保證數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)成果的有效性的前提之一。

圖4 城市時(shí)間特征形態(tài)與空間效用布局的涌現(xiàn)Fig.4 Emergence of essential patterns in space-time variability

2.3 城市議題的需求頻度與尺度

數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)是服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)績(jī)效的精準(zhǔn)提升[18]。這一精準(zhǔn)性的落實(shí)不僅體現(xiàn)在時(shí)空數(shù)據(jù)分析與計(jì)算中的時(shí)間特征形態(tài)和空間效用布局，也體現(xiàn)在時(shí)空設(shè)定與擬涉及城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的自身時(shí)間頻度和空間尺度的組合上。只有將曾是議題所依賴的時(shí)空要求與時(shí)空數(shù)據(jù)的穩(wěn)定特征對(duì)應(yīng)起來(lái)，才能建立起準(zhǔn)確的時(shí)空歸因（spatiotemporal attribution），從而利用這種時(shí)空因果關(guān)系去進(jìn)一步規(guī)劃與設(shè)計(jì)。本文初步解析12種城市議題在Web of Science搜索引擎中最高引15篇文章中的使用數(shù)據(jù)頻度調(diào)查，展示重要文獻(xiàn)中這些城市問(wèn)題在時(shí)間頻度（分、時(shí)、天、年）和空間尺度（微觀、中觀、宏觀）雙軸象限中的大致分布（見(jiàn)圖5）。其中不難發(fā)現(xiàn)，城市議題在頻度維度上呈現(xiàn)出一定的頻度分布的一般規(guī)律，即大量的規(guī)劃決策是高頻的，而少量的規(guī)劃決策是低頻的。這也從側(cè)面映證了前文討論的時(shí)間頻度與空間尺度的復(fù)合性，即我們通常較少在低頻目標(biāo)中涉及非常細(xì)微的個(gè)體差異，而在高頻目標(biāo)中則可兼容各個(gè)空間尺度。從頻度視角看，人們的時(shí)空行為（尋路、步行流、交通流、犯罪等）發(fā)生以分鐘和小時(shí)為頻度；城市業(yè)態(tài)變化、流行病傳播形態(tài)、城市韌性過(guò)程，則以天為頻度；居民遷居和空間網(wǎng)絡(luò)的變遷頻率則為年，城市系統(tǒng)、土地利用變化、氣候變化則通常在10年以上。需要說(shuō)明的是，這里的頻度依賴是基于研究和規(guī)劃干預(yù)需求的，而非事實(shí)上某一現(xiàn)象的絕對(duì)事實(shí)頻度，即通常城市研究和規(guī)劃干預(yù)的城市議題有其可觀測(cè)、可研究、可干預(yù)的某種頻度和尺度需求。這些需求來(lái)自觀測(cè)現(xiàn)象的顯著程度或者事權(quán)干預(yù)的便利性，形成了對(duì)應(yīng)規(guī)劃設(shè)計(jì)決策需求的空間尺度依賴，如步行形態(tài)通常需要街區(qū)尺度干預(yù)，而城市交通流則不得不聚焦整個(gè)城市系統(tǒng)。因此，作為數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，解決各類(lèi)城市問(wèn)題需要注意它們自身所需的頻度和尺度，并將其與時(shí)空數(shù)據(jù)涌現(xiàn)的特征頻度和效用布局進(jìn)行適配，提高數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的響應(yīng)能力。

圖5 不用類(lèi)型城市問(wèn)題規(guī)劃設(shè)計(jì)需求的時(shí)間頻度與空間尺度分布Fig.5 Urban issues scattering against frequency and scale

3 頻度協(xié)同的（時(shí)空）數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.1 （時(shí)空）數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的框架

依托前文所述的基礎(chǔ)，本文提出時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的決策框架，其中可以分為兩部分：一是空間數(shù)據(jù)的升頻，其主要任務(wù)是將傳統(tǒng)低頻數(shù)據(jù)與時(shí)空高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，根據(jù)頻度、單元、尺度和粒度的涌現(xiàn)關(guān)系，確定特定空間效用布局和時(shí)間特征形態(tài)所表征的影響因子，使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲得時(shí)空精細(xì)化，空間數(shù)據(jù)得以多維高頻化；二是空間數(shù)據(jù)的降頻，其主要任務(wù)是將涌現(xiàn)出的影響因子與所涉及的城市議題表現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空關(guān)聯(lián)，根據(jù)涌現(xiàn)的規(guī)律在時(shí)空維度上的異質(zhì)性，確定特定規(guī)律所依賴的時(shí)空范圍，進(jìn)行空間精確落位，使得時(shí)空數(shù)據(jù)充分降維，形成以空間為單元的、具有形態(tài)解釋意義的、具備時(shí)空響應(yīng)能力的規(guī)劃設(shè)計(jì)策略(見(jiàn)圖6)。兩個(gè)步驟的具體環(huán)節(jié)詳述如下。

圖6 頻度協(xié)同的時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)模型Fig.6 Frequency synergy in data-augmented-design processes

（1） 空間數(shù)據(jù)升頻：異步數(shù)據(jù)同步化

依據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)（其中包含所需的干預(yù)要素、空間單元、響應(yīng)頻度、尺度和粒度等），首先開(kāi)展城市初診，判斷針對(duì)特定城市議題集的低頻、高頻數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)空變異度研究各項(xiàng)數(shù)據(jù)的時(shí)空頻度、空間尺度和研究粒度的依賴關(guān)系。通過(guò)空間匯總、跨尺度映射、時(shí)空降維等方法，將低頻、高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行同步化，識(shí)別合適的空間單元和頻度，平衡可解釋性和行為真實(shí)性，控制時(shí)空可變單元問(wèn)題和數(shù)據(jù)不確定性問(wèn)題，從多頻異步的原始數(shù)據(jù)中，提取涌現(xiàn)的、共頻同步的影響因子指標(biāo)。這些指標(biāo)將在具有典型特征意義的頻度和尺度下，尊重?cái)?shù)據(jù)的時(shí)空涌現(xiàn)機(jī)理，結(jié)合可解釋性和行為真實(shí)性，盡可能多地保留原始數(shù)據(jù)的多維信息，使傳統(tǒng)低頻數(shù)據(jù)充分獲得時(shí)空高頻數(shù)據(jù)的增強(qiáng)，進(jìn)而高頻化和多維化。

（2）空間數(shù)據(jù)降頻：同步數(shù)據(jù)空間化

將涌現(xiàn)的時(shí)空影響因子指標(biāo)，通過(guò)城市模型與目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)相關(guān)聯(lián)，運(yùn)用空間分析、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段[19]，獲得二者的穩(wěn)定關(guān)系，并將得到的顯著規(guī)律進(jìn)行時(shí)空模式挖掘，識(shí)別規(guī)律的主要類(lèi)型和時(shí)空邊界，將時(shí)空規(guī)律在有效的頻度、尺度和粒度下進(jìn)行落位，得到具有明確形態(tài)意義和時(shí)空響應(yīng)能力的干預(yù)分區(qū)邊界，并與規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)所需要的頻度、尺度設(shè)定相結(jié)合，得到因地制宜和因時(shí)制宜的規(guī)劃設(shè)計(jì)策略。這些策略必須要有明確的空間示意，以及定量圖示表明特定低頻空間干預(yù)能夠獲得的高頻效應(yīng)，使規(guī)劃設(shè)計(jì)充分獲得時(shí)空智能的增強(qiáng)，以較為低頻的干預(yù)支持高頻空間規(guī)律的形成，進(jìn)而促進(jìn)高頻效應(yīng)的落實(shí)。

上述兩個(gè)步驟結(jié)合形成截面化的一種時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的路徑?？梢詫⑦@一框架持續(xù)應(yīng)用于某一規(guī)劃設(shè)計(jì)，形成以規(guī)劃設(shè)計(jì)成果比對(duì)為導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)預(yù)警機(jī)制，加強(qiáng)規(guī)劃設(shè)計(jì)本身應(yīng)對(duì)時(shí)空機(jī)理變化的糾偏和自適應(yīng)優(yōu)化能力。

3.2 協(xié)頻城市： 面向未來(lái)的頻度智能

在上述時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)的框架下，城市數(shù)據(jù)與模型的頻度轉(zhuǎn)換實(shí)際提供了一種智能模式。這種頻度智能具備以下5個(gè)特征：（1）順應(yīng)涌現(xiàn)的干預(yù)：時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)注意對(duì)于涌現(xiàn)的、典型時(shí)空現(xiàn)象的挖掘和利用，才能在規(guī)劃設(shè)計(jì)干預(yù)時(shí)驅(qū)動(dòng)相關(guān)涌現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，增強(qiáng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性；（2）時(shí)空規(guī)律落位：時(shí)空數(shù)據(jù)具備較高的復(fù)雜性，時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)在成果階段充分降低復(fù)雜性，以規(guī)律的空間落位為最終成果，方便指導(dǎo)以低頻要素為干預(yù)對(duì)象的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作；（3）同頻的協(xié)同設(shè)計(jì)：時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)的設(shè)計(jì)注重同一頻度下不同目標(biāo)的相互關(guān)系，保證同頻視角下的規(guī)劃設(shè)計(jì)具有相互增強(qiáng)作用；（4）異頻的協(xié)同關(guān)聯(lián)：時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)的設(shè)計(jì)可以支持面向同一城市議題，不同頻度視角下的策略的相互支撐，形成復(fù)頻增強(qiáng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)成果；（5）跨頻的知識(shí)體系：時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)注重傳統(tǒng)規(guī)劃理論的時(shí)空精細(xì)化，為多頻視角下的復(fù)雜城鄉(xiāng)規(guī)劃知識(shí)體系提供有益補(bǔ)充，并與相關(guān)方向前沿結(jié)合[20]，形成跨學(xué)科的知識(shí)體系。

4 結(jié)語(yǔ)

智慧城市正在使城市不斷高頻化，而如何使用好頻度智能是規(guī)劃設(shè)計(jì)未來(lái)城市的一項(xiàng)新挑戰(zhàn)[21-22]。本文從頻度這一新視角重新審視數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的可能擴(kuò)展路徑，提出頻度是新數(shù)據(jù)環(huán)境的重要特征，是高頻城市的重要特點(diǎn)，是區(qū)別于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要維度，也是未來(lái)規(guī)劃設(shè)計(jì)類(lèi)型的重要區(qū)別維度。頻度與單元定義、空間尺度、粒度、距離指標(biāo)等密切相關(guān)，它們一起構(gòu)成時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的特征，也要根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇合適的分析單元和特征頻度。時(shí)空數(shù)據(jù)自身具有涌現(xiàn)的特點(diǎn)，存在時(shí)間特征頻度和空間效用布局，而城市議題自身也具有天然的時(shí)間頻度和空間尺度依賴，將二者妥善匹配是時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)模型的重要任務(wù)?；诖?，本文進(jìn)而以時(shí)空數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)模型試圖平衡空間可解釋性和時(shí)空行為真實(shí)性，以空間規(guī)律挖掘和時(shí)空邊界識(shí)別為手段，獲得規(guī)劃設(shè)計(jì)策略的空間配置指引和具體時(shí)空策略生成，以頻度協(xié)同作為提升規(guī)劃設(shè)計(jì)高頻響應(yīng)能力的主要手段，建立跨頻度的城鄉(xiāng)規(guī)劃知識(shí)遷移將高頻度的可復(fù)現(xiàn)的新發(fā)現(xiàn)與低頻理論歸納建立參照體系，形成具有時(shí)空針對(duì)性的、新的規(guī)劃理論知識(shí)體系。頻度智能將是智慧城市智能的一個(gè)重要部分，幫助我們提升城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的多頻度的綜合績(jī)效，持續(xù)構(gòu)建動(dòng)態(tài)的、具有時(shí)空針對(duì)性的規(guī)劃知識(shí)，凝練新的規(guī)劃理論和目標(biāo)價(jià)值。