空間句法在城市交通網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

■ 文/李 犁

空間句法是一種著眼于自由空間表述方面的空間分析方法，它將空間形態(tài)具體化，定義了一系列可以將空間元素量化的數(shù)值，并在計(jì)算機(jī)的輔助下對(duì)空間組成進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)?？臻g句法基于GIS 平臺(tái)，以基于圖論的表達(dá)方式對(duì)于城市交通進(jìn)行分析，為城市交通分析提供了新的空間視角?？臻g句法作為一種輔助設(shè)計(jì)分析方法，因其具有極高的成本效益比而被廣泛應(yīng)用于城市系統(tǒng)的分析研究。

1 空間句法及變量指標(biāo)

空間句法首先是將空間的關(guān)系用連接圖的方式表述，再以圖論的基本原理為基礎(chǔ)，對(duì)軸線或特征的空間可達(dá)性進(jìn)行拓?fù)浞治?，最終確定幾個(gè)形態(tài)分析變量的指標(biāo)值，即：連接值、控制值、深度值、集成度。空間分割是空間句法的基本原則，而基于城市自由空間情況的空間分割有凸多邊形法、軸線法和視區(qū)分割法3 種基本方法 ，本文采用軸線法進(jìn)行研究分析。

軸線法多應(yīng)用于建筑比較密集的區(qū)域分析或者是整個(gè)城市層面的分析上，它的基本方法是用一條盡可能長(zhǎng)的軸線代表一條街道，然后用代表第二條街道的長(zhǎng)軸線與第一條相交，然后依次繪制，直至用若干條軸線將整個(gè)自由空間或者是街道網(wǎng)連接起來(lái)得到軸線圖。

空間句法模型主要有連接值（Ci）、控制值（Ctrli）、平均深度（MDi ）以及集成度（RAi）這4 個(gè)形態(tài)變量指標(biāo)。

（1）連接值表示與某個(gè)空間相交的空間數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：k 是與第i 個(gè)結(jié)點(diǎn)直接相連的結(jié)點(diǎn)總數(shù)。連接值越大就表明目標(biāo)道路與周邊街道的相交越多，也就表明了該道路四通八達(dá)。

（2）控制值表示某個(gè)空間對(duì)與之相交的其他空間的控制程度，計(jì)算公式為：

式中：k 的含義同上，j（j=1，2，… ，k）是與結(jié)點(diǎn)i 直接相連的結(jié)點(diǎn)，C 是第j 個(gè)結(jié)點(diǎn)的連接值。控制值反映了某個(gè)空間對(duì)其周邊空間的影響程度，一般來(lái)說(shuō)控制值越大的街道是主干道，它所處的區(qū)域也是城市的中心區(qū)域。

（3）平均深度值表示某一結(jié)點(diǎn)到其他結(jié)點(diǎn)的最短距離之和的平均值，計(jì)算公式為：

式中：dij表示連接圖上任意兩結(jié)點(diǎn)間的最短距離，表示區(qū)域內(nèi)總深度。平均深度可以從一個(gè)側(cè)面反應(yīng)出某條街道的通達(dá)能力，越是市中心越繁華地段的街道的平均深度就越大。當(dāng)然還可以通過(guò)這個(gè)最短距離得到某特定兩結(jié)點(diǎn)之間的最短路徑等。

（4）集成度表示的是一個(gè)空間與其他空間的關(guān)系，計(jì)算公式為：

集成度值是個(gè)相對(duì)值，它描述的是形態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣情況，也是評(píng)價(jià)一個(gè)區(qū)域交通特征的重要指標(biāo)值，可以相對(duì)比較各條街道通行能力的優(yōu)劣。本文根據(jù)以上4 個(gè)基本指標(biāo)值，可以評(píng)價(jià)出某一區(qū)域的交通情況，也可以分析某一條特定的街道的通行能力，然后根據(jù)這里的分析結(jié)果還可以推測(cè)其他的一些特征。

2 實(shí)驗(yàn)案例與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)概括

在本次實(shí)驗(yàn)中，以湖南省湘潭市為例，使用道路軸線圖法建立空間句法模型。選擇用 Google Earth 的地圖作為本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)主要來(lái)源，利用Google Earth 自帶的添加路徑功能繪制出道路的中線圖，而后將保存的中線圖導(dǎo)入 ArcGis 進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換，再通過(guò)插件 AxWoman 得到湘潭市道路的中軸線圖，進(jìn)而進(jìn)行指標(biāo)值參數(shù)的計(jì)算，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2.2 空間句法參數(shù)的計(jì)算

道路中線圖以及軸線圖的繪制都是為了進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，對(duì)空間句法參數(shù)的計(jì)算結(jié)果是評(píng)價(jià)某一地區(qū)交通特征的依據(jù)。在這里可以得到研究區(qū)域里每一條道路連接值、深度值、控制值以及集成度這4 個(gè)指標(biāo)值的參數(shù)計(jì)算結(jié)果，這些都是分析評(píng)價(jià)結(jié)果中不可或缺的數(shù)據(jù)?？臻g句法分析是使用最長(zhǎng)的軸線來(lái)代表特定的街道和自然街道，本文利用基于ArcGis平臺(tái)下使用 C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的空間句法分析工具AxWoman 拓展版進(jìn)行龐大計(jì)算量的有效的計(jì)算。利用它進(jìn)行軸線圖的修改、檢測(cè)孤立的街道、計(jì)算線與線之間的參數(shù)、跟蹤街段而形成天然的街道等。

2.3 結(jié)果與分析

分別計(jì)算連接值、深度值、控制值、集成度變量指標(biāo)參數(shù)值，圖1為道路連接值，圖2為低控制值道路，圖3為低集成度道路，圖4為道路平均深度值，通過(guò)變量指標(biāo)計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析研究。

圖1 連接值道路

圖2 低控制值道路

圖3 低集成度道路

圖4 平均深度值道路

（1）連接值：結(jié)合圖2并通過(guò)計(jì)算可得，連接值最高的街道是建設(shè)路，連接值20。再計(jì)算觀察幾條具有代表性的街道：曉塘路，連接值 11，ID 152；芙蓉中路，連接值 11，ID 0；雙擁北路，連接值 10，ID 1。從結(jié)果分析看來(lái)，這3 條街道的連接值很高，應(yīng)該是比較重要的街道。從實(shí)地調(diào)查情況可以得到證實(shí)，曉塘路、芙蓉路和雙擁路是湘潭市的主干道，地處交通繁忙經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市中心區(qū)域，這也表明本實(shí)驗(yàn)的理論分析與實(shí)際情況相符合。那么反觀連接值較低的街道 ID 46 、ID 51、ID 60，這3 條街道的連接值都是 1，實(shí)際上它們都是城區(qū)的小路，通行能力不佳。

（2）控制值：結(jié)合從圖3并通過(guò)計(jì)算可得：控制值最高的街道是 ID 121，控制值 5.616667。仍然以雙擁路ctrl=4.816667，曉塘路 ctrl=3.991667，芙蓉路 ctrl=3.901923為例，這3 條連接值很高的街道的控制值依舊很高，分析結(jié)果和實(shí)際情況也十分符合：雙擁路、曉塘路和芙蓉路確實(shí)地處湘潭市的中心位置，是湘潭市的主干道。對(duì)比街道 ID 5 ，C=10，ctrl=2.670635 和街道 ID 41，C=6，ctrl=3.916667 ?？梢钥闯?，雖然前者的連接值比后者高，但是控制值卻低于后者很多，也就是說(shuō)明連接值高的街道并不一定處于市中心的位置，但控制值高的街道一般是城區(qū)的主干道而且位于城市的中心地段，在這附近的商業(yè)比較繁榮，經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，地價(jià)較高。

（3）集成度 RA：結(jié)合圖4并通過(guò)計(jì)算可得：集成度最高的街道是 ID 123，RA=2.621045。城市中心的主干道的集成度相對(duì)于其他街道略高一些，像建設(shè)北路RA=1.999912；曉塘路 RA=1.905623；芙蓉中路 RA=1.832855，可以依此推測(cè)一個(gè)區(qū)域的交通便捷的主要位置和商業(yè)經(jīng)濟(jì)中心。反觀集成度較低的街道 ID 99 ，RA= -4.891505；ID 155，RA=-4.860546；ID 46，RA=0.78284，這些街道都地處離城市中心較為偏遠(yuǎn)的地段。

（4）平均深度值 MD：結(jié)合圖5可知，道路的平均深度值越小說(shuō)明在交通網(wǎng)絡(luò)上的通達(dá)情況更為便捷，集成度也相對(duì)會(huì)更高一些。通俗的說(shuō)如果一個(gè)街道的結(jié)點(diǎn)離每個(gè)其他結(jié)點(diǎn)的距離最短，就表示這個(gè)街道處于市中心地域。相反，如果地處偏僻地域的街道那它的結(jié)點(diǎn)到每個(gè)其他結(jié)點(diǎn)的距離就越遠(yuǎn)，導(dǎo)致其平均距離也很遠(yuǎn)，符合實(shí)際情況。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，像建設(shè)北路MD=3.4，芙蓉中路 MD=3.61875，河?xùn)|大道 MD=3.6875 這些主干道的平均深度值都很低。再看3 條平均深度值最大的街道，街道 ID 46，MD=7.13125；街道 ID 104，MD=6.5875；街道 ID 97，MD=6.49375。這3 條街道從圖上都可以看出它們較為短小、偏遠(yuǎn)，不夠便捷。

由以上的計(jì)算結(jié)果分析得知，利用空間句法對(duì)城市交通網(wǎng)絡(luò)特征分析時(shí)需要綜合多個(gè)指標(biāo)變量一起考慮。處于市中心的主干街道必定其連接值和控制值都很高，平均深度較低，集成度較高。綜合這些指標(biāo)變量可以依此分析出該城市的中心地段以進(jìn)行其他的分析研究。

（5）交通網(wǎng)絡(luò)空間分布特征，根據(jù)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析，湘潭市交通網(wǎng)絡(luò)基本上與經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相吻合，以建設(shè)北路、雙擁北路、河?xùn)|大道、芙蓉中路和曉塘路這幾條街道形成的CBD 區(qū)位交通網(wǎng)絡(luò)的通達(dá)能力比較好并向四周遞減，較為符合實(shí)際情況。中心 CBD 區(qū)域的交通網(wǎng)絡(luò)條件自然是最優(yōu)，集成度也明顯高于其他區(qū)域，是人類活動(dòng)最為密集的區(qū)域，低值主要出現(xiàn)在自然區(qū)域。同時(shí)幾條重要的軸線向外通達(dá)南北延伸，將周邊區(qū)域與中心區(qū)域相連，起到了聯(lián)系周邊和中心的作用。因此，湘潭市的交通網(wǎng)絡(luò)分布情況較為合理，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和人類活動(dòng)區(qū)域一致，城市空間的整體通達(dá)性也較好，能基本滿足交通需求，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是老城區(qū)的通行能力不佳，成為了阻礙湘潭市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的屏障，所以有必要在老城區(qū)對(duì)街道進(jìn)行改擴(kuò)建，多建橋梁以提高老城區(qū)的可達(dá)能力，完善現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)，為城市的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要利用繪制的道路中線圖得到實(shí)驗(yàn)區(qū)的街道軸線圖并依據(jù)其對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了基于空間句法的交通網(wǎng)絡(luò)特征的分析研究，主要完成了道路中線圖的繪制，中線圖的投影轉(zhuǎn)換、中線圖到軸線圖的變換、軸線圖的調(diào)整以及指標(biāo)變量的計(jì)算和分析，整體交通網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)等工作。通過(guò)對(duì)所研究街道的4 個(gè)指標(biāo)值計(jì)算結(jié)果的研究分析得出結(jié)論：城市主要道路的連接值、控制值和集成度都很高，平均深度較低；確定研究區(qū)域的中心地段時(shí)需要結(jié)合多種指標(biāo)綜合考慮；湘潭市整體交通網(wǎng)絡(luò)布局合理，基本上以經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度表現(xiàn)出差異性，此方法對(duì)評(píng)價(jià)研究區(qū)域的交通網(wǎng)絡(luò)情況，對(duì)區(qū)域發(fā)展研究具有一定的指導(dǎo)意義。