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(专栏编辑:肖扬,同济大学建筑与城市规划学院副教授)
使用空间句法和多元回归模型预测城市边界的扩展
来源:XIA C, ZHANG A, WANG H, et al. Predicting the expansion of urban boundary using space syntax and multivariate regression model[J]. Habitat International,2019, 86: 126-134.
为了约束城市蔓延,最直接和有效的方法是为城市系统定义边界。城市边界(UBs) 用轮廓线来描绘城市的范围,这对于城市规划人员控制和保护周围的乡村景观区非常重要。当城市边缘的农业景观转变为建成区或郊区时,UBs就会扩张。城市增长边界(UGB)用于预定义未来发展的UB,已被许多国家广泛采用并被视为有效的规划工具。但是,现有的研究主要集中在评估土地利用的适宜性和土地转化模型方面。因此,城市边界的预测是模糊的,甚至经常失准。
本研究提出了使用空间句法和多元回归模型的城市增长边界模型(UGBM)。UGBM是基于UB的位置建立的,并将交通网络的布局视为影响UB模式的关键因素。多元回归模型的自变量是从形态学变量获得的,因变量是到UB的距离。由于形态变量与人类活动和交通流的聚集程度高度相关,并且发现了绝大多数的人口流动发生在UB内,因此假设可以使用此类变量来预测UB,从城市物质空间发展扩展到包含城市居民流动和活动的范围来拓展UB。
在本研究中,基于空间句法和多元回归模型的UBGM旨在从城市土地开发和人类流动活动的角度模拟UBs的扩展。空间句法形态变量与到UBs的距离之间的定量关系被纳入了分析。本研究调查了空间句法在UBs扩张的建模中的应用,并检验了其可行性。
本研究对中国南方快速发展的广东省棉湖镇的UB进行了模拟,提出了一个基于空间句法的模型,通过对到UB的距离和扩张前后的句法变量建模,来模拟UB的扩张。具体包括以下步骤。
首先,通过辐射和几何校正后的遥感图像提取UB。每个图像都分为市区和非市区。提取连续的城市区域,并使用其边缘像素定义UB。然后按照“最长且最少”的原则绘制线段图。由于城市及周边地区具有建设的潜力,建立30m×30m的网格以覆盖整个研究区域。
其次,计算不同时期的空间形态分析变量。设置不同的研究半径以获得不同空间尺度上形态分析变量的值,以分析交通网络变化的影响。可以根据特定规则将变量分配给网格,然后获得一组形态分析变量,并针对不同的预设半径计算局部指标。通过局部指标获取的局部特征在不同尺度上变化,并且当半径达到2km时接近全局特征,因此作者选择2km内的八个标度。最后,须将形态分析变量的值分配给网格。在分析变量指标的含义的基础上,不仅线段值而且距线段的相对距离都与网格值相关。随着距离的增加,线段对每个网格单元的影响会逐渐减小,使用幂函数来描述这种关系。
第三,计算网格和UBs之间的距离。如网格位于城区内,则使用相反的值来区分UB内部和外部的网格。符号L*表示变量。
最后,从形态分析变量中选择适当的预测变量。此步骤中使用了双变量相关性以及时空尺度分析以确保模型最适用。
以2002 年为历史,以2008 年为现状,模拟2008—2014年棉湖镇的UB扩展。随后将结果与实际的UB进行了比较,以检验该方法的可行性。
将2008年和2014年(规划年度) 的变量值代入UGBM中,以获得从网格到模拟UB的预测距离。2014年的预测L*值与真实值之间的相关系数为94.78%,置信度大于99%。
根据位置将所有网格分为两类:市区内或市区外。通过对模拟的和实际的UB执行此分类,可以获得“模拟的分类”和“实际的分类”。根据交叉表分析,预测结果显示出较高的准确度,Kappa系数为0.823,正确分类的比例达到92.78%。
从2002年到2014年,该镇市区东南和东部的交通网络得到了持续改善。语法变量(例如局部整合度)表明,该区域的局部空间可达性得到了显著提高。棉湖大道和湖泊路变得越来越重要。此外,该镇东部的道江东路的选择度和整合度值也在增加。这三条道路逐渐成为研究区域最有利的发展轴心。所提出的UGBM能够准确预测东部、北部和东南部城镇的蔓延。但对提出的UGBM来说,很难预测出从2002年至2008年该镇东南部孤立的扩张类型。
通过比较模拟的UB和观测到的UB,面积匹配值法的数量和位置指标被用于来评估模型性能。数量指标提供模拟和观察到的UB 界定的市区之间的匹配,而位置指标确定相对于观察到的UB位于正确位置的模拟区域的百分比。与提出的UGBM相比,零UGBM的数量指标较高(较差),而位置指标较低(较差)。该观察结果表明,提出的UGBM比零UGBM更准确。而且使用零UGBM的高估模拟区域是分散的,因此UB的描述失败了。所以,所提出的UGBM的性能优于零UGBM。
最终作者得出以下结论:
(1) 交通网络的聚集程度和可达性与到UB的距离密切相关。运输网络的变化,例如新建和扩建的运输线路,将改善该地区的可达性和发展潜力,这可能会导致UB扩张,从而影响往返特定位置的需求。
(2) 应用空间句法和多元回归模型来模拟UB的扩张,验证结果表明该方法可行,模拟结果与实际应用相近。在空间句法变量和城市边界模式之间观察到显著相关性。作者认为,所提出的模型可以为城市规划人员采用来预测未来的城市边界,以控制城市发展。
(3) 对城市边界模拟的研究从物质空间发展拓展到人的流动和活动的维度。所提出的方法可以用交通网络数据来实现,并且可以作为现有UGBM方法的补充方法。
但是需要进一步的研究。首先,预测中没有考虑自然条件和行政边界。因此,可以在以后的研究中权衡这些因素以提高模拟精度。其次,UB是分形的,其划分基本上依赖于度量尺度,将来可以进行实验以解决此问题。此外,需要测试该方法对其他城市,特别是交通系统复杂多样的大城市的适用性。
(供稿人:窦寅,同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生)
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