新城市科学：技术、数据、变革与应用

新城市科学 技术、数据、变革与应用 龙瀛 清华大学建筑学院 2023年4月11日@南京大学 新城市科学的发展脉络 TheDevelopmentofNewUrbanScience 2清美大兰BCL 城市科学的发展演变 Technology工业革命电话、汽车大型计算机地理信息系统信息通讯技术 Urban Theories 田园城市 城市生 态学 邻里单元明日之城 边缘城市多中心 全球城市 全球城市区人居环境 大都市区 1929 EdgeCitiesPolynucleated 19021929 科学2015 1920 1970s+19905+域2001 2001 Other 区位论投入-产出模型区域科学城市动力学城市信息学20004 地理学1826志观经清学192051955Forrester1969 Science重力模型芝加哥学派元胞自动机离散选择模型混沌理论流空间理论复杂巨系统空间/地理复杂性 社会物理学1890 社会学19 信息学、生物学19509微现经清学19705 1989钱学森19902007 空间投入-产出地租理论 ComplexScience复杂科学 Quantitative 模型1960s1964元胞自动机 微观模拟模型劳瑞重力城市增长模型 基于主体的模型 UrbanModeling中心地理论1960模型1964总体动态性 微观、自下而、不均衡 1933 宏观、静态、 自上而下、均衡 1950s-70s 19705-805 1995+ Research圣塔菲高级空间感知城市城市信息学未来城市 北京城 新城市科 究所分析中心实验 1984 UCL1995 MIT2004 Infrastructure 研室实验室 实验室 ETHZurich 市实验学专业 QUT2006 2010 室2013 MIT2018 「新城市 特点：传统研究方目标：更可 呼吁城市科学：把城市科学」法的对抗、多学科持续、更韧 Urban视作一个大有机体支撑，数字技术 性、更宜居 Science帕特量·格迪斯1915 麦克·巴蒂 安东尼·汤森德 彼得·爱德华 2014 20152015 清美大学 1910193019501970199020002010 3BCL 城市科学的发展演变 特征： 以微观静态的均衡理论为基础，将城市视为节点和腹地，城市和周边地区的关系是静态稳定平衡不变的 为城市研究提供了新的视角、注入了新的活力，超越了过去以描述个案为主的城市研究模式，试图对总体规律进行把握，而这也为后续城市科学的进一步发展奠定了重要的方法和理论基础 牧场 ·农业区位论（冯·杜能VonThunen）粮田 木材 ·工业区位论（阿尔弗雷德·韦伯AlfredWeber）招制品 ·中心地理论（沃尔特·克里斯塔勒WalterChristaller） ·地租理论（威廉·阿隆索WilliamAlonso） G-0rt B-Ort eK-Gi 杜能环模型示意中心地理论 4清美大学YYBCL 城市科学的发展演变 “城市科学”的提出： 1905年，帕特里克·格迪斯（PatrickGeddes）在《进化中的城市》中提出城市是一个有机体，城市不是一 个“大建筑”，需要在时空的复杂网络中看待打破“规划是一种对城市元素的机械混合”说法 CLASSICREPRINTSERIES CITIESIN EVOLUTION强调科学的研究城市需采用 “调查-分析-规划”的方法。 parisonofeitywithcity.Thus,infact,appearthe “因此，实际上出现了城市 Datrick@eobes科学的方法，即我们的城市 methodsofaScienceofCities-thatourcitiesshould应该进行独立研究，并科学 beindividuallysurveyed,scientificallycompared;as theirarchitecturelonghasbeen-cathedralwith cathedral,stylewithstyle. 1905-1915 格迪斯（PatrickGeddes） 《进化中的城市》 地进行比较。”p269 区 5清美大学 BCL 城市科学的发展演变 城市复杂性： 城市的整体属性是涌现的，而不是各部分（交通、绿地、产业等分系统）的简单总和 城市的各部分的属性也在随系统的总大小而变化 只有当城市的所有组成部分作为一个相互作用的整体聚集在一起时，一个城市作为一个复杂系统才有意义 地理信息系统，地 全球网络社会理环境的复杂性城市及其复杂性城市和城市化规模法则GlobalNetworkGIS,geographyCitiesandCities& ScalingLawsSociety&ComplexityComplexityUrbanization 杰弗里·韦斯特 曼纽·卡斯特尔 戴维·奥沙利文 麦克·巴蒂 GeoffreyWest ManuelCastells Davido'Sullivan MichealBatty 路易斯·贝当古 LuisM.A.Bettencournt 复杂系统理论 自组织复杂适应系统系统动力学网络科学全球网络社会空间/地理复杂 交叉性 应用复杂性（城市复杂性） ComplexGlobal 性Spatial/ Complexity Self Organization adaptive OynamicsNetwork NetworkGeographical IntersectionAppliedComplexity (UrbanComplexity) SystemsTheory SystemsinSystemsScience ality SocietyComplexity 197019801990200020102020 复杂系统理论与城市相关部分发展历程简图 6清美大学BCL 城市科学的发展演变 21世纪后：科学范式改变 技术背景：传感器、智能设备、物联网、云计算、人工智能 第四范式：数据驱动（Data-drivenScience) 2007年由图灵奖得主JimGray提出 V·D=P VxE=-%第四范式 V×H=J+号（大）数据驱动 第三范式科学 第二范式计算科学 第一范式理论科学（模拟仿真） 经验科学 人工智能 统计学习 做实验 物理定律：力学密度泛函理论数据挖掘 热力学等分子动力学等模式与异常检测等 160019502000 四次科学范式的发展 7 清美大学 BCL 新城市科学的提出 英国皇家科学院院士麦克·巴蒂（MichaelBatty）将过去 区域科学及城市经济学系统整理，并建立在复杂科学 上，提出了“新城市科学（TheNewScienceofCities ）”(Batty,2013,TheMITPress) 新城市科学是利用过去20至25年内 发展出来的新技术和新方法，基于 复杂性理论的城市科学，体现离散THENEWSCIENCE 性、“自下而上”的思想及演进的 视角 OFCITIES MICHAELBATTY 8清美大学BCC 2013-2023 第四次工业革命背景下出现一系列以信息通信技术为代表的新兴技术 人工智能大数据云计算移动互联网传感网与物联网 AI是一种新的能以人类智能相似的大数据是一种思维方式的革命，具云计算为大数据分析提供资源弹性移动和互联网融合的产物，继承了移穿戴式设备等通过无线传感器网络， 方式做出反应的智能机器，将带来有大量、高速、多样、低价值密度。支持城市空间、资源的分析与运动随时随地随身和互联网分享、开放与互联网一同构成物联网。支持对于 全行业的颠覆性创新。和真实性特点。维。、互动的优势。城市空间、资源的实时监测调度。 数字李生泛现实技术机器人与自动化区块链自动驾驶 充分利用物理模型、传感器在虚拟空间VR是下一代的计算与沟通平台，AR协助或取代人类进行工作、服务，数据溯源、公开透明、辅助高效管采用先进的通信、计算机、网络和中完成映射，实现现实物理系统向赛博利用虚拟世界增强现实世界，MR结辅助城市智能、高效、无人自动化理组织，奠定资源数据信任的基础控制技术，对车辆实现实时、连续 空间数字化模型的反馈。合VR与AR的优势。运转。控制。 9清美大学 BCL 我对新城市科学的理解：新的城市科学+新城市的科学+未来城市 新城市科学既是新的城市科学 即利用新数据、新方法和新技术研究城市 也是新城市的科学即研究受到 来城市中的应用。 10清美大学BCL 新城市科学的构成 新的城市科学 大数据+开放数据 自然环境数据 社会环境数据 研究新问题 2新城市的科学3未来城市 新数据 建成环境数据 物质新空间 新设施数字创新 层面新要素 1新布局 数据获取- 主动感知 ...... 新技术 社会感知-新服务 社会 新组织 新活动 数据分析 人工智能+深度学习 层面新场景场所营造空间干预 新方法 时空数据挖掘提供新视角自然语言处理… 11清美大学 BCL 2 新的城市科学 技术+数据 12清美大学BCL 新的城市科学：城市实验室 基于大数据、开放数据的城市认知 基于主动感知自主采集数据的城市刻画 基于各类传感器的空间信息及数据收集 基于互联网平台的自然实验促进刻画和认知推动城市空间 人工智能大数据与人行为的空间规对人群行为的 ?云计算律影响研究 50t 物联网 传感网与移动互联网新兴技术城市空间 混合实境 基于ICT设施的人群 推动人群行为对城市 VR/AR/MR 信息及数据收集 空间的影响研究 区块链 龙瀛，张恩嘉.科技革命促进城市研究与实践的三个路径：城市实验室、新城市与未来城市[J].世界建筑.2021（03）：62-65+124 路径一：城市实验室促进测度和发现 数据与方法层面机遇城市空间形态与发展规律 13清美大学盈BCL 新数据的特点 ·新数据=大数据+开放数据 高 物联网（IoTs） 抖音短视频微信数据监控摄像头5G时代LBS 秒微博签到、发文 手机信令手持GPS设备 Wi-Fi探针 ·大范围、高精度共享单车位置及轨迹大众点评智能手环穿戴式相机 汽车、公交车轨迹眼动仪 分Flicker照片美团、饿了么 地图导航 ·高频 时百度热力图 微信宜出行 交通智能卡刷卡 顺丰等物流 Airbnb 气象数据公用设施（水，电、气等）数据 ·开发、形态、品质、功能、活动和效能 时间分辨率 百度迁移 百度指数 土地出让信息 法院裁判文书 房天下、安居客 经济统计数据 行政区划 ·空中感知+地面感知+社会感知城市统计公报 马蜂窝、穷游、去鄂儿城乡建设许可 兴趣点（POI) 夜光影像地图数据 中国城市统计年鉴城市统计年鉴地形数据三维.街景 氏省统计年鉴 兴趣面（AOI)高分通感影像 低城市区县街区/地块街道建筑房间高 空间分辨率 研究使用频率高●研究使用频率一般·研究使用频率较少o研究几乎还未使用 龙瀛，颜覆性技术驱动下的未来人居来自新城市科学和未来城市等视角[J].建筑学报.2020（Z1）：34-40 14清美大学BCL 新数据：利用遥感数据识别城市空地 .City cityA CityZ Shanghai Selecttile 2.Datalal lageTraininglabels HRRSimageLabeLabelHRRSimage mGIS (.tif).shp)(.tit) ExportExportExport ImagetilesLabeltilesImage (jpg)(jpg)(Jpg) 中 SplitSplitSplitImagepatchesLabelpatchesImagepatches (jpg)(jipg)(jpg) 3.Modeltraining4.Prediction&postprocessing Train&Evaluate BestsemanticSoftmaxoutputMergePredictedGeoreferencePredicted Vacantland Non-vacantland seg