基于空間句法的城市空間形態(tài)研究
——以張家口市為例

唐天鵬，崔英偉，李 靜

（河北建筑工程學(xué)院 建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 張家口 075000）

城市形態(tài)一般是指城市在某一時(shí)間內(nèi)，受自然環(huán)境、歷史、政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化等因素影響所構(gòu)成的空間形態(tài)特征，是城市地理和城市規(guī)劃的重要研究領(lǐng)域［1］。對(duì)于城市空間形態(tài)的研究有助于發(fā)掘城市擴(kuò)展的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制，預(yù)測(cè)城市未來發(fā)展方向，制定科學(xué)合理的城市規(guī)劃政策。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)于城市形態(tài)的研究側(cè)重于從歷史演變的角度剖析城市的整體變化，進(jìn)而分析城市擴(kuò)張或收縮的驅(qū)動(dòng)因素；也有從土地利用的視角出發(fā)，研究城市開發(fā)與土地經(jīng)濟(jì)之間的作用關(guān)系，從而更好地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長與城市建設(shè)之間的矛盾。然而運(yùn)用城市道路的拓?fù)潢P(guān)系探究城市內(nèi)部空間形態(tài)的特征的研究較少，且研究區(qū)域主要以經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部沿海城市為主，對(duì)于北方內(nèi)陸欠發(fā)達(dá)城市關(guān)注較少，特別是京津冀都市圈范圍內(nèi)一些中小城市的研究相對(duì)不足［2］。

城市交通網(wǎng)絡(luò)是引導(dǎo)城市發(fā)展、塑造城市功能和劃分城市內(nèi)部空間的重要影響因素?？臻g句法作為一門描述空間特征的計(jì)算機(jī)語言，近年來，在城市交通結(jié)構(gòu)和城市空間形態(tài)研究中得到廣泛應(yīng)用。其核心思想是將城市交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象化，得到一組彼此相交的線段，通過相關(guān)分析軟件計(jì)算這組線段之間的拓?fù)潢P(guān)系，計(jì)算結(jié)果可以反映出不同道路之間的連接性，并將連接性擴(kuò)大至道路周邊更寬泛的物質(zhì)空間形態(tài)。通?？臻g句法需要計(jì)算集成度、深度值等衡量路網(wǎng)形態(tài)的量化指標(biāo)，以反映城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)［3］。

2022年第24屆冬季奧運(yùn)會(huì)的舉辦為張家口市帶來重大發(fā)展機(jī)遇，推動(dòng)人居環(huán)境建設(shè)，深度融入京津冀協(xié)同發(fā)展，高質(zhì)量構(gòu)建河北北翼發(fā)展新高地成為張家口市城市建設(shè)的首要任務(wù)，而如何處理好城市發(fā)展與內(nèi)部空間形態(tài)的關(guān)系是未來張家口城市高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵［4］。本文基于空間句法理論，綜合運(yùn)用GIS和Depthmap軟件分析張家口市空間形態(tài)特征，探索空間背后所隱含的社會(huì)關(guān)系和文化特征，并對(duì)當(dāng)前張家口城市空間問題進(jìn)行梳理，總結(jié)典型空間問題，為城市空間品質(zhì)的優(yōu)化提升奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

張家口市位于河北省西北部，是連接京津、溝通晉蒙、支持沿海、開發(fā)內(nèi)陸的重要樞紐和“橋頭堡”，是冀西北地區(qū)的中心城市。據(jù)第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，張家口市常住人口約411萬人，主城區(qū)總?cè)丝诩s81萬人，人均GDP為34 725元。張家口市區(qū)三面環(huán)山，中部平坦，向南開敞，呈現(xiàn)出狹長的口袋狀城市格局。城區(qū)內(nèi)道路骨架沿清水河形成，由北向南依次展開，以此形成貫通南北的城市軸線，同時(shí)，狹長的城市格局也使得城區(qū)與東西兩側(cè)的山體接觸更加密切，自然環(huán)境更好地與人工環(huán)境相融合［5］。

1.2 空間句法理論及其量化指標(biāo)

英國倫敦大學(xué)的比爾·希利爾教授最早創(chuàng)立了空間句法理論，該理論關(guān)注的核心是空間與社會(huì)之間的相互作用關(guān)系，包括其中的一系列理論和技術(shù)。他認(rèn)為空間不是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的背景，而是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)開展的一部分［6］。通過空間句法，城市空間模式和建筑將以一種新的語言模式重新被描述。同時(shí)，對(duì)我們常見的空間尺度進(jìn)行劃分和分割，可以使原本復(fù)雜的空間關(guān)系得到簡化，并且以一種定量的方式表達(dá)空間的內(nèi)在特征，利用軸線本身的可達(dá)性、集成度和選擇度等來分析城市空間背后的社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素聚集形態(tài)，并在一定程度上揭示空間背后的社會(huì)活動(dòng)規(guī)律。本研究主要選用以下三個(gè)常用句法變量。

（1）整合度：整合度（integration）通常指特定區(qū)域的聚集或分散程度，是空間句法研究中重要且常用的變量［7］。整合度高表示某一區(qū)域內(nèi)交通便捷，可達(dá)性強(qiáng)，在其對(duì)應(yīng)的軸線附近更易聚集人流；整合度低通常表明一定范圍內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施配套和交通聯(lián)系性較薄弱，人群流動(dòng)和空間活力不足，例如城市邊緣地帶和一些僻靜的城市支路。整合度的計(jì)算公式為

式中Int表示整合度，a是軸線總數(shù)或節(jié)點(diǎn)數(shù)，Da是平均深度值。

（2）協(xié)同度：協(xié)同度（synergy）表示局部整合度與全局整合度之間的相關(guān)程度，通常協(xié)同度較高意味著人們易于通過局部的空間印象感知城市整體的空間形態(tài)［8］，計(jì)算公式為

式中C2表示協(xié)同度，g（ f）和g′（ f）分別表示拓?fù)渚嚯x等于f的局部整合度和全局整合度，g（a）和g′（a）是全局整合度值和全局整合度平均值。

（3）選擇度：選擇度（choice）表示城市空間中某一區(qū)域作為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最短拓?fù)渚嚯x通過的頻率，考察空間單元作為出行最短路徑所具備的優(yōu)勢(shì)，反映了空間被穿行的可能性［9］。通常選擇度越高的地方能聚集更多的人流，被人流或車流穿過的可能性也越大，通過對(duì)城市空間選擇度的研究可以發(fā)現(xiàn)其背后所蘊(yùn)含的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，計(jì)算公式為

式中X表示選擇度值，i≠x≠j，d（x，i）是軸線圖中x到j(luò)的最短距離，σ(i，x，y)是軸線空間x到j(luò)的最短拓?fù)渎窂健?/p>

2 模型建立與校驗(yàn)

2.1 軸線模型建立

運(yùn)用空間句法理論對(duì)城市空間形態(tài)研究，首先需要依據(jù)現(xiàn)狀路網(wǎng)交通建立線段模型，以此作為Depthmap軟件研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為避免引起較大的數(shù)據(jù)研究誤差，本研究在選取研究范圍時(shí)適當(dāng)外延部分路網(wǎng)，以提高線段模型的容錯(cuò)率［10］。以張家口主城區(qū)遙感影像圖作為網(wǎng)絡(luò)模型制作的基礎(chǔ)，為保證模型的可靠性，對(duì)于街巷寬度較窄（一般小于1 m）和難以通行的弄巷，均不在本文研究考慮范圍內(nèi)，最終繪制的線段模型涵蓋了張家口市80%以上的現(xiàn)有城市路網(wǎng)，線段網(wǎng)絡(luò)模型主要涵蓋了橋東區(qū)、橋西區(qū)和經(jīng)開區(qū)（見圖1）。

2.2 基于POI的句法模型校核

通過API端口爬取高德地圖生活服務(wù)、購物服務(wù)、交通設(shè)施服務(wù)、汽車服務(wù)四個(gè)維度的POI數(shù)據(jù)，利用GIS的空間分析工具分別對(duì)四類POI進(jìn)行點(diǎn)密度分析，像元大小設(shè)置為（100，100），即搜索一公頃范圍內(nèi)相應(yīng)POI設(shè)施服務(wù)點(diǎn)的數(shù)量，采用自然間斷分級(jí)法計(jì)算結(jié)果分為9類［11］。將POI點(diǎn)密度分析結(jié)果與整合度、選擇度、連接度、和控制值進(jìn)行校核，主要關(guān)心城市功能和交通流量兩個(gè)方面在基于句法表達(dá)的城市空間結(jié)構(gòu)中是否具有真實(shí)性。研究選取了2021年張家口市中心區(qū)數(shù)據(jù)共14 394條，數(shù)據(jù)構(gòu)成情況與分析結(jié)果見表1和圖2。結(jié)果顯示，四類POI數(shù)據(jù)的分布特征與線段模型相匹配，表明所建立的軸線模型與城市實(shí)際使用功能的分布具有較高吻合度，可以應(yīng)用于后續(xù)空間形態(tài)相關(guān)分析，是具有較高可信度的線段模型［12］。

圖1 張家口市軸線模型Fig.1 Axis model of Zhangjiakou city

3 數(shù)據(jù)結(jié)果與空間分析

3.1 張家口市空間整合度分析

整合度是通過對(duì)城市整體交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究，運(yùn)用軟件分析得出城市可達(dá)性、中心性和滲透性等能代表該城市空間活力的特定區(qū)域，通常將整合度最高的區(qū)域稱為集成核，往往是一個(gè)城市的核心地帶［13］。張家口市城市空間全局整合度和局部整合度分布情況如圖3所示。各指數(shù)值的高低劃分標(biāo)準(zhǔn)，主要根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的平均值進(jìn)行。若某條軸線的數(shù)值高于平均值，則記為高值，反之亦然。圖中顏色偏暖的部分表示此區(qū)域數(shù)值較高，顏色偏冷的區(qū)域表示數(shù)值較低。

表1 POI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況表Tab.1 Table of POI data statistics

3.1.1 全局整合度 張家口市區(qū)全局整合度較高的區(qū)域主要集中在西苑北路（1.210）、清水河中路（1.220）、建設(shè)街（1.271）、宣化路（1.196）和建國路（1.196）附近區(qū)域，整合度值均達(dá)到了1.2左右。該區(qū)域也是張家口帶狀城市形態(tài)的中間部位，東西方向連接著橋東區(qū)與橋西區(qū)，同時(shí)也是張家口市區(qū)南北交通的重要中樞。另外，整個(gè)城市以建設(shè)路區(qū)域?yàn)楹诵?，整合度呈現(xiàn)一種明顯的向周圍遞減的趨勢(shì)，而當(dāng)這種趨勢(shì)外延至堡子里、新華街、西沙河路一帶時(shí)，空間整合度值急劇下降，并呈現(xiàn)一種半包圍的內(nèi)凹態(tài)勢(shì)，與經(jīng)開區(qū) 整合度值平緩順滑的過渡形成強(qiáng)烈反差?？v觀整個(gè)城區(qū)，南北整合度差異明顯。以建設(shè)路為界，建設(shè)路以北整合度較大，城市道路分級(jí)明確，支路系統(tǒng)發(fā)達(dá)，步行空間完整；城市以南的經(jīng)開區(qū)，屬于張家口市新城區(qū)， 規(guī)劃痕跡明顯，各地塊之間劃分規(guī)整，但過大的地塊劃分割裂了人行系統(tǒng)，降低了可達(dá)性［14］。

圖2 四類設(shè)施點(diǎn)POI的點(diǎn)密度圖Fig.2 Point density map of four types of facility POI

圖3 控制值、整合度、深度值、連接度分布圖Fig.3 Distribution of control values， integration， depth and connectivity

3.1.2 局部整合度 選取R=3，5，7，9，11對(duì)張家口市城區(qū)局部整合度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)R=3時(shí)，局部整合度較大的區(qū)域位于盛華街（3.334）和朝陽大街（3.216）附近。兩條街道均屬于雙向十車道的城市主干道，貫穿整個(gè)經(jīng)開區(qū)，日常交通流量大。當(dāng)R=5時(shí)，除華盛街和朝陽大街局部整合度較高外，勝利中路（2.142）和建設(shè)街（2.089）的局部整合度也較高，勝利中路是張家口市東邊連接南北城區(qū)的主要交通干道，道路兩旁布置了大量商業(yè)辦公建筑，人流量大；建設(shè)街雖然道路寬度較低，但位于張家口市新老城區(qū)交界處，也是張家口市北邊唯一一條貫穿東西的城市主干道，日常交通壓力較大。當(dāng)R=7時(shí)，在上述道路基礎(chǔ)上新增了五條局部整合度較大的街道，分別是西苑中路（1.619）、清水河中路（1.644）、工業(yè)街（1.650）、鉆石南路（1.684）和長城大街（1.761），可以看出，此時(shí)局部整合度較高的區(qū)域在張家口市南邊，也就是集成核所處位置通常R≥7屬于車行舒適范圍，即半徑范圍內(nèi)10 min車程所能到達(dá)的最大區(qū)域，這與現(xiàn)狀情況是一致的。當(dāng)R=9時(shí)，集成核的形態(tài)逐漸完整，初步形成了網(wǎng)格狀的道路格局，整個(gè)城市的空間格局向南延伸，而當(dāng)R=11時(shí)，局部整合度趨近于全局整合度，集成核北移［15］。

3.2 張家口市空間協(xié)同度分析

分別將全局整合度［HH］和局部整合度R=3，5，7，9，11進(jìn)行相關(guān)分析，檢驗(yàn)兩者間是否存在相關(guān)關(guān)系，并通過相關(guān)系數(shù)R2判斷全局整合度與局部整合度間的相關(guān)程度高低，最終得出協(xié)同度分析的結(jié)果［16］。通過表2分析發(fā)現(xiàn)，不同半徑下的局部整合度與全局整合度的相關(guān)程度存在明顯差異，且隨著局部整合度半徑R的增大，與全局整合度的相關(guān)程度越高。

在半徑R=3時(shí)，相關(guān)分析模型準(zhǔn)確度較低，散點(diǎn)與回歸線距離較大，相關(guān)系數(shù)R2=0.421（＜0.5），表明模型自變量與因變量之間的關(guān)聯(lián)程度較弱，街區(qū)空間內(nèi)部與整個(gè)城市的空間聯(lián)系性不夠，人們通過局部空間感知整個(gè)城市形態(tài)的能力較差［17］；當(dāng)半徑R=5時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)緊密程度加強(qiáng)，模型準(zhǔn)確度有所提升，但相關(guān)系數(shù)R2也只有0.613，說明相關(guān)程度并不是特別高，而當(dāng)R≥7時(shí)，模型準(zhǔn)確度顯著提升，散點(diǎn)回歸性較好，均勻分布在回歸線兩側(cè)，相關(guān)系數(shù)均大于0.7，整體性較高。整體來看，張家口市區(qū)的空間協(xié)同度較高，不同空間的聯(lián)系比較緊密。因此，城市居民能夠比較容易的通過局部空間感知周圍環(huán)境，這對(duì)不熟悉這座城市人尤為重要，可以降低迷路的概率。

圖4 整合度分析Fig.4 Integration analysis

表2 空間協(xié)同度分析統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of spatial synergy analysis

3.3 張家口市空間選擇度分析

空間選擇度是反映一定范圍內(nèi)城市空間穿行性的指標(biāo)，通常反映某條街道被人流或車流穿越的可能性［18］。圖5顯示了張家口市中心城區(qū)的全局選擇度和局部選擇度的分析結(jié)果，從圖5可以看出，張家口主城區(qū)全局選擇度較高的道路為清水河路（91070）、緯一路（68478）、勝利路（45445）、工業(yè)街（70351）、建設(shè)街（136335），在現(xiàn)實(shí)中，上述幾條選擇度高的道路承擔(dān)了張家口主要的交通流量，城市絕大部分車流最終匯入上述城市干道。

分析局部選擇度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)半徑R=3時(shí)，選擇度較高的幾條道路主要為緯一路（1762）、朝陽大街（1049）和長城大街（688）、建設(shè)街（900）和工業(yè)街（594），可以發(fā)現(xiàn)局部選擇度較高的區(qū)域正是相同半徑下整合度較高的區(qū)域；而當(dāng)半徑增大至R=9時(shí)，局部選擇度與相對(duì)應(yīng)的整合度的協(xié)同性急劇下降，在部分整合度較高的區(qū)域，道路的連接度不增反降。說明在步行空間尺度下，張家口主城區(qū)的街道空間配置合理，滿足大規(guī)模人群聚集的需求，但隨著研究范圍的擴(kuò)大，在車行尺度下部分城市街道空間出現(xiàn)明顯的空間擁堵現(xiàn)象，因此需要加強(qiáng)對(duì)此區(qū)域的交通管制，并制定相應(yīng)的提升改善策略［19］。另外，從整體上看，張家口市區(qū)在空間選擇度方面呈現(xiàn)出明顯的“中間高，四周低”的格局。朝陽大街以北和清水河中路以南的區(qū)域呈現(xiàn)出了較高的選擇度，車行與人行在該區(qū)域內(nèi)均有較好的通達(dá)行，這種通達(dá)行隨著與核心的距離增加而不斷降低。

圖5 選擇度分析Fig.5 Choice analysis

4 結(jié)論與討論

本文基于空間句法理論和GIS分析方法對(duì)張家口市主城區(qū)空間整合度、協(xié)同度和選擇度進(jìn)行了量化分析，總結(jié)歸納了張家口市不同區(qū)域的空間形態(tài)特征，得出以下主要結(jié)論：

（1）從城市微觀空間上看，張家口市街巷空間較為復(fù)雜，街巷間的交錯(cuò)率較高，特別是在張家口主城區(qū)北部的堡子里片區(qū)周圍，空間過于復(fù)雜，雖然到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的方式較多，但通行時(shí)間成本較高，居民和游客的步行體驗(yàn)較差；（2）從城市整體空間結(jié)構(gòu)上看，張家口主城區(qū)集成核相對(duì)突出，有明顯的附屬空間，主要分布在主城區(qū)北部的市展覽館和建設(shè)路一帶，但結(jié)合實(shí)際情況，主城區(qū)北部發(fā)展處于低水平階段，因此，未來集成核有逐漸南移的趨勢(shì)，形成南北雙核的城市格局；（3）從城市整體交通結(jié)構(gòu)上看，張家口主城區(qū)呈現(xiàn)出北緊南松的狀態(tài)。北部城區(qū)在原來舊城基礎(chǔ)上繼承和發(fā)展，相關(guān)的規(guī)劃手段缺失，導(dǎo)致道路交通過于擁擠，道路通達(dá)性較差，南部新城有相關(guān)規(guī)劃加持，道路連續(xù)性和完成程度較好；（4）從城市邊界擴(kuò)展方向上看，受地形地勢(shì)的影響，張家口市邊界形態(tài)近似于兩頭大、中間小的“葫蘆狀”，未來，隨著南部新區(qū)的逐漸發(fā)展和北部城市發(fā)展的受限，南部的城市核心將遠(yuǎn)超北部城市核心，城市邊界形態(tài)逐漸外闊，形成北小南大的城市雙環(huán)。

在已經(jīng)到來的大數(shù)據(jù)時(shí)代，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的城市研究已經(jīng)開始嶄露頭角，未來通過各種模型來認(rèn)知和構(gòu)建城市空間將成為一種新趨勢(shì)?；诳臻g句法的城市空間形態(tài)量化分析就是一種通過建立軸線模型進(jìn)行空間分析的方法，這種方法可以客觀描述各類型城市空間存在的問題，并分析影響城市空間形態(tài)變化的深層次原因。本文正是基于這樣一種研究思路對(duì)張家口城市空間形態(tài)展開研究，以期為張家口市城市空間形態(tài)的提升提供參考。但需要指出的是，受限于理論水平和研究資料的不足，本文的研究仍存在一些不足之處。例如城市空間形態(tài)受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長等多方面因素影響，僅用空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是有失偏頗的，在以后的研究中需要進(jìn)行更深層次的探索。