基于城市空間網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)的城市歷史街區(qū)交通與土地利用相互（協(xié)調(diào)）關(guān)系研究
——以上海市山陰路歷史文化風(fēng)貌區(qū)為例

歐 寧，董潔霜 （上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

0 引言

交通與土地利用兩者之間的相互關(guān)系一直是學(xué)界高度關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來，國內(nèi)學(xué)者通過理論模型對(duì)于城市交通與土地利用之間協(xié)調(diào)性展開研究。目前對(duì)于兩者協(xié)調(diào)發(fā)展的研究主要有：（1）運(yùn)用協(xié)同學(xué)理論和復(fù)合系統(tǒng)原理，構(gòu)造了土地利用與交通協(xié)同協(xié)調(diào)度模型[1]；（2）建立了數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型評(píng)價(jià)城市交通與土地利用的協(xié)調(diào)關(guān)系[2]；（3） 將層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合，建立了多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型[3]；（4）利用耦合度理論來表征交通與城市化的協(xié)調(diào)度[4]。其中比較典型的研究是袁振洲針對(duì)城市控規(guī)這一中觀層面，對(duì)控規(guī)單元土地利用與交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)研究。根據(jù)數(shù)學(xué)規(guī)劃的約束錐理論，借助層次分析法的思想，構(gòu)建了反映用地指標(biāo)和交通指標(biāo)偏好的約束錐模型，將數(shù)據(jù)包絡(luò)評(píng)價(jià)的客觀分析與層次分析的主觀判斷科學(xué)結(jié)合，以隸屬度函數(shù)判定土地利用與交通系統(tǒng)互為投入產(chǎn)出情況下的相互協(xié)調(diào)度，進(jìn)而定量評(píng)價(jià)交通與用地不同規(guī)劃方案的相互協(xié)調(diào)效果。確定了控規(guī)單元土地利用與交通協(xié)調(diào)發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并以邯鄲作為實(shí)例進(jìn)行了實(shí)證研究[5]。張曉東等人則構(gòu)建了城市交通承載力理論與評(píng)價(jià)模型來測度土地使用與交通協(xié)調(diào)程度，并基于北京市數(shù)據(jù)對(duì)該理論進(jìn)行了實(shí)證分析[6]。國內(nèi)研究借鑒其他學(xué)科理論建立了土地利用與交通協(xié)調(diào)性的各類評(píng)價(jià)模型也提出了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，各類模型只是在數(shù)學(xué)表達(dá)式上存在差異，對(duì)兩者相互作用的內(nèi)在機(jī)理分析較少。

對(duì)兩者關(guān)系的模型模擬一直是定量研究兩者相互作用的有力工具。國外學(xué)者也通過多種方法建立了許多關(guān)系模型，并在規(guī)劃實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段國外主要的幾種模型充分利用了經(jīng)濟(jì)學(xué)及數(shù)學(xué)的經(jīng)典理論，盡管各自還存在局限性，總體對(duì)兩者關(guān)系的認(rèn)知還是在逐步提高。其中基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的方法與本文的研究思路類似[7]。

以往研究大多從宏觀尺度研究土地利用與交通的協(xié)調(diào)關(guān)系，中微觀尺度的研究偏少，同時(shí)無法從建筑層面研究交通與土地利用關(guān)系。已有研究運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)模型工具研究兩者關(guān)系提出了模型上的優(yōu)化建議，忽略了國內(nèi)城市規(guī)劃發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)背景。國內(nèi)大城市經(jīng)過30年改革開放的高速發(fā)展，目前正逐步進(jìn)入存量發(fā)展時(shí)代，大拆大建的模式日漸退出歷史舞臺(tái)，而城市微更新逐漸在城市建設(shè)中占據(jù)重要地位，這樣中微觀尺度的研究就尤為重要。擁有歷史文化底蘊(yùn)的老城區(qū)是城市問題集中的地區(qū)，這里突出的問題表現(xiàn)在如何處理好文化保護(hù)與交通發(fā)展的關(guān)系。出于城市歷史記憶保留的考慮，大片歷史保護(hù)建筑需要保留，出于發(fā)展的迫切需求考慮，居民的高品質(zhì)生活需求日益受到關(guān)注。在這樣的復(fù)雜背景下，如何處理好歷史文化風(fēng)貌區(qū)交通與土地利用的關(guān)系就成為解決地區(qū)交通問題的關(guān)鍵。因此本文擬在中微觀尺度選擇作為城市記憶載體的歷史文化街區(qū)，借助大數(shù)據(jù)分析手段同時(shí)運(yùn)用城市網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑層面的交通與土地利用的協(xié)調(diào)關(guān)系的定量化科學(xué)研究，以期為存量時(shí)代背景下歷史文化街區(qū)道路交通與土地利用優(yōu)化布局研究提供參考。

圖1 山陰路歷史文化風(fēng)貌區(qū)區(qū)位圖

1 研究范圍與數(shù)據(jù)來源

考慮到數(shù)據(jù)獲取的便利性及研究對(duì)象本身的典型性，本文從上海市中心城區(qū)已劃定的12片歷史文化風(fēng)貌區(qū)中選取山陰路歷史文化風(fēng)貌區(qū)作為研究對(duì)象。具體研究對(duì)象的范圍如圖1所示，考慮到分析的必要性，將原歷史街區(qū)周圍10km2的范圍作為參考研究范圍。

本文采用網(wǎng)絡(luò)提取的上海市八大類POI興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)作為土地利用數(shù)據(jù)。

POI（Point of Interes）t是指與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)的各類服務(wù)設(shè)施。POI數(shù)據(jù)記錄了各類服務(wù)設(shè)施的空間屬性及經(jīng)濟(jì)社會(huì)屬性。高德POI數(shù)據(jù)按大類可分為20種，中類和小類又進(jìn)行細(xì)分，具體分類情況見如表1：

本文選取了汽車服務(wù)、餐飲服務(wù)、生活服務(wù)、體育休閑服務(wù)、醫(yī)療保健服務(wù)、住宿服務(wù)、科教文化服務(wù)、金融服務(wù)八類設(shè)施作為土地利用研究數(shù)據(jù)。

表1 高德POI數(shù)據(jù)分類表

2 方法

本文采用城市網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，其由MIT團(tuán)隊(duì)于2011年開發(fā)。它可以實(shí)現(xiàn)交通網(wǎng)絡(luò)中心性5大指標(biāo)的測算，其中指標(biāo)包括中介性（Betweeness），臨近性（Closeness），直線性（Straightness），接近性（Reachness），重力作用（Gravity）。該技術(shù)工具相較于空間句法有諸多優(yōu)勢，最大的優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)了交通網(wǎng)絡(luò)與周邊建筑的一體化分析，通過對(duì)建筑單元權(quán)重賦值創(chuàng)新性地將建筑單元社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性作為變量納入考慮范圍，極大方便了土地利用與交通的互動(dòng)關(guān)系研究。

2.1 多中心評(píng)價(jià)模型

（1） 臨近中心性 （Closeness)

臨近中心性是指在搜索半徑范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中建筑物節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的所有最短路徑距離的加總，反映該建筑物節(jié)點(diǎn)在道路網(wǎng)絡(luò)中的相對(duì)可達(dá)性大小，鄰近中心性值越大，表示該節(jié)點(diǎn)在整個(gè)道路網(wǎng)路中的相對(duì)可達(dá)性較高。具體公式可表示為[8]：

式中：d［i,j］為建筑物i和j之間的最短路徑距離。

如果考慮建筑物的權(quán)重，則公式可表示為：

式中：W［j］為j點(diǎn)的權(quán)重。

（2） 中介中心性 （Betweeness）

弗里德曼認(rèn)為中介中心性是指在某個(gè)搜索半徑范圍內(nèi)圖中某棟建筑位于其他任意兩棟建筑之間最短路徑的次數(shù)。如果兩建筑之間的最短路徑不只一條的話，那么每一條最短路會(huì)被賦予相同的權(quán)重。具體公式可表示為[8]：

式中：njk為在以i為起點(diǎn)的搜索半徑r范圍內(nèi)，建筑物j和k之間的最短路徑的數(shù)量；njk［i］為在搜索半徑i范圍內(nèi)，建筑物j和k之間的最短路徑經(jīng)過建筑物i的數(shù)量。

如果圖中的建筑物被賦予了權(quán)重，那么它的具體公式可表示為：

式中：W［j］為j點(diǎn)的權(quán)重。

中介中心性表征了圖中不同建筑物被經(jīng)過的可能性，如果搜索半徑內(nèi)的建筑被賦予了權(quán)重，那么結(jié)果就表達(dá)了附帶建筑物社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性的經(jīng)過可能性。

（3） 直線中心性 （Straightness）

直線中心性表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)中某點(diǎn)到其他所有點(diǎn)的最短距離偏離實(shí)際直線距離（歐氏距離）的程度。用節(jié)點(diǎn)到所有其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的歐氏距離與實(shí)際兩點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)最短距離的比值和來表示，它衡量節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的通達(dá)效率。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)最短距離越接近二者的直線距離時(shí)，他們的交流溝通越容易。具體計(jì)算公式為[8]：

式中：δ［i,j］為建筑物i和j之間的直線距離（歐氏距離）；d［i,j］為建筑物i和j之間的最短路徑距離。

（4） 影響范圍 （Reachness）

影響范圍描述了圖中某點(diǎn)在某個(gè)最短距離范圍內(nèi)所能影響到的其他點(diǎn)的數(shù)量。具體計(jì)算公式為[8]：

式中：||S||代表集合S中元素的數(shù)量。如果點(diǎn)被賦予權(quán)重，則公式變?yōu)椋?/p>

式中：W［j］為j點(diǎn)的權(quán)重。

（5） 重力作用 （Gravity）

影響范圍只是計(jì)算了影響的元素?cái)?shù)量，而重力作用把其他因素考慮進(jìn)來，在交通領(lǐng)域，它是一種常見的計(jì)算可達(dá)性的模型。它的計(jì)算公式為[8]：

式中：β代表兩點(diǎn)間最短路線的距離延誤，如β=0則重力作用等同于影響范圍，如果考慮建筑物的權(quán)重，則計(jì)算公式為[8]：

式中：W［j］為j點(diǎn)的權(quán)重。

2.2 核密度估計(jì)（Kernel Density Estimate，KDE）

核密度估計(jì)（Kernel Density Estimate，KDE）可用于分析某要素在其領(lǐng)域范圍內(nèi)的密度。KDE不僅能夠反映距離衰減規(guī)律[9]，而且能夠通過計(jì)算一定窗口范圍內(nèi)的離散要素的密度，并將其所作為該窗口的中心值，得到研究對(duì)象密度圖層[10]。

核密度估計(jì)可以計(jì)算一定窗口范圍內(nèi)的密度值并將值賦予窗口范圍內(nèi)的中心點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的點(diǎn)密度圖[11]。

通過使用附近元素的密度來表示中間位置的屬性，KDE反應(yīng)了位置的本質(zhì)即不是地點(diǎn)本身而是它的周圍環(huán)境使其特殊。因此，KDE不僅是ArcGIS中可用的內(nèi)置工具，而且是準(zhǔn)確捕捉兩個(gè)鄰域元素之間真實(shí)特征關(guān)系的必要手段。計(jì)算公式如下[10]：

式中：函數(shù)K為核函數(shù)，h為閾值，n為閾值范圍內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量，d為數(shù)據(jù)的維數(shù)。

2.3 相關(guān)性分析

運(yùn)用Arcgis空間相關(guān)性分析工具對(duì)柵格化的土地利用與交通變量的空間分布進(jìn)行相關(guān)性分析，得出變量之間的相關(guān)矩陣，從而對(duì)他們的相關(guān)性進(jìn)行定量計(jì)算。相關(guān)性系數(shù)絕對(duì)值越大，兩者相關(guān)性越強(qiáng)。即相關(guān)系數(shù)越接近于1或-1，相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)性越弱。

2.4 耦合度

借鑒物理學(xué)中的耦合度函數(shù)來計(jì)算協(xié)調(diào)度[12]，建立多個(gè)系統(tǒng)（或要素）相互作用的耦合度模型[13]，即物理學(xué)中的容量耦合概念（Capacitive Coupling） 及容量耦合系數(shù)模型[14]。

設(shè)變量ui（i=1,2,…,m），uj（j=1,2,…,n）分別表示系統(tǒng)，推廣得到多個(gè)系統(tǒng)（或要素） 相互作用的耦合度模型為[15]:

當(dāng)只有兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)，為便于分析，可以直接得到兩者的耦合度函數(shù)，表示為[15]：

借鑒上式，可以定義交通與土地利用耦合度CI：

其中：u1,u2分別代表交通網(wǎng)絡(luò)中心性及土地利用變量。

3 結(jié)果分析

3.1 多尺度交通網(wǎng)絡(luò)中心性測算

運(yùn)用Arcgis建立交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，使用UNA插件工具計(jì)算交通網(wǎng)絡(luò)中心性（r=2 000m），對(duì)中心性指標(biāo)采用KDE（r=1 000m）空間插值，得到中心性核密度圖，如圖2、圖3。

圖2 交通網(wǎng)絡(luò)中心性核密度（r=2 000m）空間分布

圖3 交通網(wǎng)絡(luò)中心性核密度（r=1 000m）空間分布

3.2 不同用地類型空間分布

利用網(wǎng)絡(luò)采集到的研究區(qū)域POI數(shù)據(jù)，對(duì)八大類用地類型進(jìn)行KDE（r=1 000m）空間插值，得到各類用地類型的核密度分布圖，如圖4。

3.3 交通網(wǎng)絡(luò)中心性與不同土地利用類型空間分布關(guān)系

圖4 各種用地類型核密度（r=1 000m）空間分布

運(yùn)用空間相關(guān)性分析方法對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)中心性的核密度與不同用地類型的核密度進(jìn)行相關(guān)性分析，得出空間相關(guān)系數(shù)矩陣如表2和土地利用和交通相關(guān)性如圖5、圖6。

表2 土地利用與交通網(wǎng)絡(luò)中心性相關(guān)性系數(shù)

由表2及圖5、6可看出餐飲、生活服務(wù)和醫(yī)療服務(wù)設(shè)施用地同交通網(wǎng)絡(luò)中心性的相關(guān)性最高，可見這三種用地分布于交通較為便利的地方。相較而言住宿服務(wù)設(shè)施用地與交通網(wǎng)絡(luò)中心性的相關(guān)性較低。而汽車服務(wù)設(shè)施用地與交通網(wǎng)絡(luò)中心性的關(guān)系極低，相關(guān)系數(shù)僅為0.11左右，其分布于交通條件較差的地區(qū)。

醫(yī)療設(shè)施用地與中間性及重力作用的相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.68，餐飲和生活服務(wù)次之。說明醫(yī)療設(shè)施傾向分布于潛在交通流量大及服務(wù)范圍廣的地區(qū)。

餐飲設(shè)施用地與影響范圍、直達(dá)性的相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.69及0.70，生活服務(wù)和醫(yī)療次之但相差不大。說明餐飲、醫(yī)療和生活服務(wù)設(shè)施用地分布都強(qiáng)調(diào)對(duì)其周邊的服務(wù)，且交通效率要求相對(duì)較高。

金融服務(wù)設(shè)施用地、住宿服務(wù)設(shè)施用地、體育設(shè)施用地都與直達(dá)性、影響范圍的相關(guān)系數(shù)比較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.48，0.40，0.49。說明這些設(shè)施用地傾向分布于交通效率比較高及對(duì)周邊服務(wù)輻射好的地區(qū)，但它沒有餐飲生活服務(wù)及醫(yī)療設(shè)施用地要求高。

3.4 交通網(wǎng)絡(luò)中心性與服務(wù)設(shè)施點(diǎn)的耦合關(guān)系分析

選取交通網(wǎng)絡(luò)中心性中的中介性及服務(wù)設(shè)施點(diǎn)中的餐飲設(shè)施、汽車服務(wù)設(shè)施作為典型研究對(duì)象，定量評(píng)價(jià)兩者的耦合關(guān)系。根據(jù)之前的相關(guān)性分析餐飲設(shè)施用地同中介性相關(guān)系數(shù)很高，在空間分布上整體呈現(xiàn)高度耦合性，僅有研究區(qū)域東南角和東北角的部分區(qū)域耦合性較弱。汽車服務(wù)設(shè)施與中間性的耦合性空間分布則呈現(xiàn)了較大的差異，在研究區(qū)域核心地段呈現(xiàn)出較低的耦合性，而核心區(qū)域外圍呈現(xiàn)出較高的耦合性，空間分布上呈現(xiàn)啞鈴狀分布，如圖7所示。

圖5 土地利用與交通網(wǎng)絡(luò)中心性相關(guān)系數(shù)1

圖6 土地利用與交通網(wǎng)絡(luò)中心性相關(guān)系數(shù)2

圖7 中介性（r=2 000m）與汽車服務(wù)設(shè)施用地及餐飲設(shè)施用地的協(xié)調(diào)耦合度分析

3.5 交通網(wǎng)絡(luò)中心性與服務(wù)設(shè)施點(diǎn)非協(xié)調(diào)性與優(yōu)化措施

汽車服務(wù)設(shè)施用地空間分布脫離同交通網(wǎng)絡(luò)中心性的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)汽車服務(wù)設(shè)施用地同交通網(wǎng)絡(luò)中心性相關(guān)性極弱，這樣將導(dǎo)致附近居民保養(yǎng)小汽車的便利性下降，同時(shí)加大到目的地的小汽車出行距離，增加路網(wǎng)不必要的壓力。根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，汽車服務(wù)設(shè)施傾向分布于便利周邊居民的服務(wù)且交通流量大的地方，因此提高其影響范圍同時(shí)與居民區(qū)保持緊密聯(lián)系成為其布局的關(guān)鍵點(diǎn)。結(jié)合汽車服務(wù)設(shè)施用地空間分布及影響范圍的空間分布建議在研究區(qū)域山陰路、四達(dá)路、東江灣路、吉祥路、歐陽路一帶增加汽車服務(wù)設(shè)施點(diǎn)。

醫(yī)療服務(wù)設(shè)施用地受直達(dá)性影響較大，其對(duì)周邊的交通帶來較大的壓力。因此應(yīng)避開人流量特別大的區(qū)域即中間性相對(duì)弱的地區(qū)，同時(shí)選取直達(dá)性較好的地段進(jìn)行布局，現(xiàn)狀醫(yī)療服務(wù)設(shè)施主要集中于南部片區(qū)，北部設(shè)施相對(duì)缺乏。結(jié)合設(shè)施用地及網(wǎng)絡(luò)中心性空間分布建議在研究區(qū)域中曲陽路祥德路一帶增加醫(yī)療服務(wù)設(shè)施用地。

餐飲服務(wù)設(shè)施用地受直達(dá)性影響較大，其對(duì)市場反應(yīng)較敏感且要求人流量大。因此應(yīng)在中間性相對(duì)強(qiáng)的地區(qū)進(jìn)行布局，現(xiàn)狀餐飲設(shè)施主要分布于四川北路一帶，結(jié)合用地及中心性空間分布建議在研究區(qū)域東北部吉祥路、歐陽路、保安路一帶增加餐飲設(shè)施用地。

4 結(jié)論與討論

山陰路歷史文化街區(qū)土地利用空間分布與交通網(wǎng)絡(luò)中心性關(guān)系特點(diǎn)如下：

（1）交通網(wǎng)絡(luò)中心性對(duì)街區(qū)各類用地空間分布有較大影響，不同用地類型受影響程度不同。

（2）餐飲、生活服務(wù)和醫(yī)療服務(wù)設(shè)施用地同交通網(wǎng)絡(luò)中心性的相關(guān)性最高，這三種用地傾向分布于交通較為便利的地方。

（3）醫(yī)療設(shè)施用地與中間性及重力作用的相關(guān)系數(shù)最高，其傾向分布于潛在交通流量大及服務(wù)范圍廣的地區(qū)。

（4）餐飲設(shè)施用地與影響范圍、直達(dá)性的相關(guān)系數(shù)最高。說明其分布強(qiáng)調(diào)對(duì)周邊的服務(wù)，且交通效率要求相對(duì)較高。

（5）金融服務(wù)設(shè)施用地、住宿服務(wù)設(shè)施用地、體育設(shè)施用地都與直達(dá)性、影響范圍的相關(guān)系數(shù)都比較高，說明這些設(shè)施用地都傾向分布于交通效率相對(duì)較高及對(duì)周邊服務(wù)輻射相對(duì)較好的地區(qū)。

山陰路歷史文化街區(qū)土地利用空間分布與交通網(wǎng)絡(luò)中心性非協(xié)調(diào)性關(guān)系及優(yōu)化措施：

（1）汽車服務(wù)設(shè)施用地空間分布脫離同交通網(wǎng)絡(luò)中心性的聯(lián)系。因此提高其影響范圍且同居民區(qū)緊密結(jié)合是其布局的關(guān)鍵點(diǎn)。

（2）醫(yī)療服務(wù)設(shè)施用地受直達(dá)性影響較大，其對(duì)周邊的交通帶來較大的壓力。因此應(yīng)避開人流量特別大的區(qū)域即中間性相對(duì)弱的地區(qū)，同時(shí)選取直達(dá)性較好的地段進(jìn)行布局。

（3）餐飲服務(wù)設(shè)施用地受直達(dá)性影響較大，其對(duì)市場反應(yīng)較敏感且要求人流量大。因此應(yīng)在中間性相對(duì)強(qiáng)的地區(qū)進(jìn)行布局。

研究中發(fā)現(xiàn)由于耦合度模型存在一定局限性，設(shè)施水平和中心性指標(biāo)都低的地方可能呈現(xiàn)出高協(xié)調(diào)性，因此在耦合度模型改進(jìn)方面亟待進(jìn)一步優(yōu)化。

本文對(duì)土地利用與交通系統(tǒng)相互作用的內(nèi)在機(jī)理分析僅做簡要介紹，對(duì)其詳盡透徹的分析是土地利用與交通領(lǐng)域進(jìn)一步的研究方向。