基于大數(shù)據(jù)的城市空間形態(tài)量化指標(biāo)體系研究

唐振璽

摘 要：隨著技術(shù)手段的發(fā)展，城市空間形態(tài)研究也面臨新的挑戰(zhàn)，如何在大數(shù)據(jù)時(shí)代下進(jìn)行量化研究，已經(jīng)成為我們研究者面對(duì)的難題。當(dāng)前城市空間形態(tài)研究指標(biāo)體系眾多，但是在當(dāng)前大數(shù)據(jù)環(huán)境下適用性較低，因此嘗試構(gòu)建一個(gè)適用于當(dāng)前環(huán)境，綜合且全面的城市空間形態(tài)量化指標(biāo)描述體系顯得尤為重要。研究基于大數(shù)據(jù)環(huán)境下，全面梳理不同視角下的10個(gè)城市空間形態(tài)指標(biāo)體系，結(jié)合數(shù)據(jù)特征進(jìn)行指標(biāo)篩選與合并，構(gòu)建城市與街區(qū)兩個(gè)不同尺度的指標(biāo)體系，以期為城市空間形態(tài)研究提供可行的量化研究體系。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；城市空間形態(tài)；量化指標(biāo)；指標(biāo)體系

城市空間形態(tài)作為描述和定義城市特征的重要表現(xiàn)形式，在城市發(fā)展史中，一直處于重要地位。我們可以通過(guò)衛(wèi)星影像圖發(fā)現(xiàn)，不同文化、不同時(shí)期、不同地理位置的城市其形態(tài)呈現(xiàn)不同特征，或緊密、或稀疏、或集中、或分散、或整合、或破碎。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如何對(duì)這些不同的城市空間形態(tài)進(jìn)行量化研究，已經(jīng)成為我們研究者面對(duì)的難題。

國(guó)際上大多數(shù)學(xué)者對(duì)城市空間形態(tài)研究，大多基于調(diào)研或者政府?dāng)?shù)據(jù)，從多個(gè)角度對(duì)城市空間形態(tài)各方面進(jìn)行量化，再用相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行描述。此類研究，數(shù)據(jù)獲取較為復(fù)雜，指標(biāo)體系具有較強(qiáng)的針對(duì)性，限制了研究的進(jìn)一步推廣，那么是否可以通過(guò)構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)易于獲取、適應(yīng)性較強(qiáng)的城市空間形態(tài)量化指標(biāo)體系來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？研究結(jié)合數(shù)據(jù)特征以及城市空間形態(tài)的研究成果，全面梳理各個(gè)視角的城市空間形態(tài)指標(biāo)體系，通過(guò)指標(biāo)篩選與合并，嘗試構(gòu)建指標(biāo)體系，以期為后續(xù)城市空間形態(tài)研究提供可行的量化研究體系。

將指標(biāo)體系按照指標(biāo)特征分為兩大類：第一類，從單一角度進(jìn)行描述，如密度角度，形狀角度；第二類，從多個(gè)角度綜合進(jìn)行描述?；诖司C合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，從單一角度進(jìn)行描述的主要有：Pont M B和Haupt P（2010）基于四個(gè)密度指標(biāo)，建立空間伴侶（Spacemate）的指標(biāo)體系；王新生（2005）、葉昌東（2013）從城市邊界形狀特征指數(shù)、緊湊度、分維指數(shù)分析城市邊界形態(tài)演變；Hillier和Hanson（1984）正式提出空間組織的句法理論，開創(chuàng)空間角度進(jìn)行城市空間形態(tài)研究先河。從多個(gè)角度綜合進(jìn)行描述的主要有：G. Galster（2001）等通過(guò)密度、形態(tài)、功能等多個(gè)角度建立指標(biāo)體系，用于評(píng)價(jià)城市蔓延程度；J. Gil（2012）為研究不同類型城市的街區(qū)形態(tài)時(shí)提出從規(guī)模、密度、形態(tài)構(gòu)建的指標(biāo)體系；薩拉（2012）為探索密度與肌理之間的關(guān)系建立的指標(biāo)體系，建筑類型、區(qū)位、建成密度等角度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；Yu Ye（2016）綜合空間矩陣、空間句法、混合使用度三個(gè)指標(biāo)體系，進(jìn)行城市空間形態(tài)評(píng)價(jià)；李招成（2016）探索城市街廓形態(tài)建立指標(biāo)體系，主要覆蓋城市空間形態(tài)的密度、形態(tài)、空間等方面。

基于上述內(nèi)容，研究嘗試從城市數(shù)據(jù)來(lái)源以及數(shù)據(jù)特征出發(fā)，綜合相關(guān)城市空間形態(tài)研究指標(biāo)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)視角下的城市空間形態(tài)研究指標(biāo)體系，量化城市空間形態(tài)，建立數(shù)與形之間的聯(lián)系，為將來(lái)城市設(shè)計(jì)工作提供參考。

一、數(shù)據(jù)

（一）數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究使用了多元大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集方法，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)提取國(guó)外城市谷歌街道圖、OpenstreetMap矢量圖，國(guó)內(nèi)城市由于谷歌數(shù)據(jù)具有較大誤差，因此使用百度地圖柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行替代。將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGis當(dāng)中，矢量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)篩選，獲取研究相關(guān)數(shù)據(jù)；柵格數(shù)據(jù)，主要運(yùn)用ArcGis空間分析數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中的多元分析工具箱，采用最大似然法分類對(duì)城市建筑與道路進(jìn)行提取，然后由柵格文件轉(zhuǎn)為面要素矢量文件，再通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)篩選，獲取研究相關(guān)數(shù)據(jù)?；谏鲜鰞?nèi)容，構(gòu)建大數(shù)據(jù)城市空間形態(tài)研究數(shù)據(jù)庫(kù)。

（二）數(shù)據(jù)特征

基于上述方式獲取的城市數(shù)據(jù)庫(kù)，通常能夠涵蓋世界范圍內(nèi)的大城市，同時(shí)城市數(shù)據(jù)不僅僅涵蓋城市中心區(qū)數(shù)據(jù)，還能夠涉及城市所有建筑與道路，但是，基于此構(gòu)建的城市數(shù)據(jù)庫(kù)，建筑高度數(shù)據(jù)缺失。因此在選擇相關(guān)指標(biāo)時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)是否能夠滿足指標(biāo)所需。

二、指標(biāo)分類分析與篩選

借鑒相關(guān)研究選取了具有代表性的10個(gè)指標(biāo)體系，75個(gè)相關(guān)指標(biāo)，通過(guò)合并相同或相似概念指標(biāo)，最終得到37個(gè)不同指標(biāo)供參考使用。首先對(duì)指標(biāo)進(jìn)行列表；其次依據(jù)描述內(nèi)容對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分類，同時(shí)考慮指標(biāo)與空間形態(tài)的相關(guān)性，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選；最后通過(guò)對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)需求進(jìn)行分析，依據(jù)描述內(nèi)容，剔除量化描述性較低指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)體系。

（一）指標(biāo)列表

基于上述內(nèi)容，將之前研究當(dāng)中所涉及的城市空間形態(tài)指標(biāo)依據(jù)類型與體系一一列出，對(duì)研究?jī)?nèi)容類似，功能差異不大的指標(biāo)進(jìn)行比較與合并，提取可用指標(biāo)進(jìn)行研究分析。

（二）指標(biāo)分類與提取

首先根據(jù)指標(biāo)描述類型分為5類，分別是規(guī)模類指標(biāo)，密度類指標(biāo)，功能類指標(biāo)，形態(tài)類指標(biāo)，空間關(guān)系類指標(biāo)。其次，由于部分指標(biāo)并不涉及到具體形態(tài)，還有部分涉及到具體形態(tài)，但是需要特定的前提與數(shù)據(jù)支撐，才具備有效性。因此，在本節(jié)中，首先提取涉及形態(tài)的指標(biāo)，然后再根據(jù)可行性與有效性，進(jìn)行篩選合并。

與形態(tài)有關(guān)的指標(biāo)大致分為兩種類型：第一類，描述具體的物質(zhì)形態(tài)的幾何特征的指標(biāo)，稱為幾何型指標(biāo)；第二類，描述物質(zhì)內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性的指標(biāo)，稱成為空間關(guān)系型指標(biāo)。其中，幾何型指標(biāo)主要關(guān)注點(diǎn)集中于物質(zhì)的幾何形態(tài)，例如：建筑平面（矩形，圓形等），物質(zhì)要素的幾何特征（面積，周長(zhǎng)等）；空間關(guān)系型指標(biāo)則忽略物質(zhì)之間的幾何形態(tài)，專注于結(jié)構(gòu)關(guān)系，比如空間句法的集成度。

跟形態(tài)無(wú)關(guān)的指標(biāo)一般是由描述要素的社會(huì)屬性或與形態(tài)之間聯(lián)系不強(qiáng)的指標(biāo)所構(gòu)成，比如與形態(tài)關(guān)系較模糊的功能混合度；與城市形態(tài)并無(wú)直接關(guān)系的公共區(qū)域面積，私人區(qū)域面積等。

把所有指標(biāo)進(jìn)行排除并列舉出來(lái)，如表2所示。

（三）指標(biāo)數(shù)據(jù)需求分析

本節(jié)中主要總結(jié)形態(tài)相關(guān)指標(biāo)對(duì)研究數(shù)據(jù)的需求，然后對(duì)比現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)特征，在盡可能對(duì)城市空間能夠解析完整的情況下，對(duì)缺少數(shù)據(jù)的指標(biāo)進(jìn)行剔除。endprint

三、結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)研究涉及到城市宏觀與微觀兩個(gè)方面，采用統(tǒng)一的指標(biāo)體系分析兩個(gè)方面顯然是不科學(xué)的，因此從宏觀與微觀兩個(gè)不同尺度建立指標(biāo)體系?；谏鲜鲅芯浚崛】捎弥笜?biāo)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行整理與體系構(gòu)建，建立對(duì)應(yīng)尺度研究指標(biāo)體系。

（一）城市尺度研究指標(biāo)體系

基于城市尺度平面構(gòu)成要素?cái)?shù)據(jù)：城市邊界、道路網(wǎng)、建筑、水系以及部分城市綠地，選擇與城市邊界相關(guān)的區(qū)域面積指標(biāo)，與道路網(wǎng)相關(guān)的路網(wǎng)密度指標(biāo)，與建筑相關(guān)的建筑基底總面積、建筑覆蓋率、集中度、分割度四個(gè)指標(biāo)。

上述指標(biāo)對(duì)區(qū)域規(guī)模、密集程度、土地使用密度、建筑分布特征以及建筑細(xì)分程度進(jìn)行了量化解析，但是在對(duì)城市平面形態(tài)與結(jié)構(gòu)的解析上，還存在一定缺陷。因此將能夠描述城市靜態(tài)有形物質(zhì)分布的建筑、水系、綠地?cái)?shù)據(jù)、描述城市動(dòng)態(tài)“流”特征的路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)疊加，作為城市平面形態(tài)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)緊湊度、放射狀指數(shù)、邊界維數(shù)與半徑維數(shù)描述城市平面形態(tài)特征與結(jié)構(gòu)特征。

（二）街區(qū)尺度研究指標(biāo)體系

街區(qū)尺度平面構(gòu)成要素?cái)?shù)據(jù)主要包括：研究邊界、街區(qū)邊界、道路網(wǎng)、建筑、水系以及部分城市綠地。選擇與邊界相關(guān)的街區(qū)數(shù)量、街區(qū)平均面積、街區(qū)面積加權(quán)緊湊度指數(shù)、街區(qū)放射狀指數(shù)指標(biāo)；與道路網(wǎng)相關(guān)的路網(wǎng)密度、連接值、控制值、深度值、集成度指標(biāo)；與建筑相關(guān)的建筑覆蓋率、集中度、分割度。

上述指標(biāo)對(duì)街區(qū)規(guī)模、街區(qū)形狀、街區(qū)內(nèi)部空間關(guān)系、密集程度以及建筑細(xì)分有了較為詳細(xì)的描述，但是對(duì)于道路交叉口缺少解釋性，因此需要補(bǔ)充交叉口數(shù)量與交叉口平均距離兩個(gè)指標(biāo)，以此構(gòu)成相對(duì)完善的街區(qū)尺度研究的指標(biāo)體系。

（三）研究展望

本文基于大數(shù)據(jù)時(shí)代下，通過(guò)對(duì)城市空間形態(tài)量化指標(biāo)的總結(jié)與篩選，構(gòu)建城市與街區(qū)兩個(gè)尺度的研究指標(biāo)體系，在一定程度上能夠量化描述城市空間形態(tài)，但是由于研究指標(biāo)體系是建立在其他研究成果的基礎(chǔ)上，缺乏一定的全面性，難免會(huì)出現(xiàn)考慮不周的情況。

研究實(shí)踐表明，城市數(shù)據(jù)是影響指標(biāo)選擇的重點(diǎn)。在當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)情況下，由于缺少建筑高度信息，因此只能簡(jiǎn)單從平面空間上進(jìn)行研究，無(wú)法完成城市容量的相關(guān)研究。如后期能獲得建筑高度信息，那么我們距離全面認(rèn)識(shí)城市空間形態(tài)，更好地構(gòu)建數(shù)與形之間的關(guān)系又更近一步。

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