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科技经济导刊杂志社:基于空间句法和3S技术的城市绿地可达性评价

点击次数:   更新时间:2015-9-8 14:07:57

      基于空间句法和3S技术的城市绿地可达性评价

              ——以广州城市绿化为例

 

古恒宇

(华南师范大学地理科学学院  广东  广州  510631

 

摘要:以往对于城市绿地可达性的研究缺少从空间本体以及人的认知角度的科学评价模型。本研究以2002年、2014年广州市Landsat7ETM)数据解译广州市中心区内土地利用变化,提取城市绿地作为分析对象,结合GIS技术对12年间绿地的空间格局变化进行研究,并使用句法参数评价2014年绿地可达性和服务效率值,得出以下结论:广州市中心区内绿地面积逐渐减少,其中重点体现在城西金沙洲一带以及珠江新城一带的绿地面积上,彰显出高速城市化背景下城市生态可持续发展与保护的必要性。区域内小型绿地的可达性和效率值较高,所能提供的服务较多,对城市空间具有更强的塑造能力,而体量较大的绿地往往布局在城市外围,所能提供的服务有限,对城市空间的塑造能力较弱。政府部门应该更加重视对市中心小型绿地的塑造和维护,避免其因为大量人流所造成的生态破坏并通过某些手段对其进行再塑造。

关键词:空间句法;3S技术;绿地可达性

中图分类号:S731.2     文献标识:A    文章编号:

作者简介:古恒宇,华南师范大学2012级本科生,研究方向为GIS技术与空间句法在城市研究中的应用

 

1 引言

部分学者将城市网络发展进程总结为三条原则:节点、关联性、层次性[1],城市节点之间的大量连接造就了威尼斯、佛罗伦萨等有活力的城市体系,而缺少连接的节点则缺少对城市的塑造能力,导致单一、衰败的城市景象。城市绿地作为构成城市体系的重要节点之一,在工业化和土地扩张进程日益加快的今天,成为一个反映城市生活质量的重要质量指标,对保障城市生态环境可持续发展和维护居民身心健康有着至关重要的作用[2]。而目前国内对城市绿地的评价指标体系却并不完善,只重视绿地的面积和比例指标,缺乏绿地服务功能的公平性评价[3-5]。城市绿地的可达性(Accessibility)是体现绿地资源享用的公平性和社会平等性的一个重要指标,也是生态城市所要实现的环境改善、经济发展、社会平等3大目标之一,弥补了目前生态城市评价指标之不足[6]

某一景观的可达性是指从空间中任意一点到该景观的相对难易程度,反映了景观对某种水平运动的景观阻力[7]。纵观国内文献,已有多名学者运用GIS方法多角度对绿地可达性进行评价[8-15],但其对于可达性的评价方法主要集中在数理运算角度(如O-D矩阵法、两步移动搜索法、平均加权旅行时间法),缺少从城市空间本体入手对绿地可达性的评价。而由于城市空间的主体是人,因此可达性的评价手段最好应反映人的运动特征,与人的认知相吻合。

空间句法是一种通过对包括建筑、聚落、城市甚至景观在内的人居空间结构的量化描述,来研究空间组织与人类社会之间关系的理论和方法[16]。早期对城市路网形态的研究从空间组成入手,着眼于纯粹的几何性相关的形态[17],空间句法从组构角度研究城市路网,组构被定义为一系列互相依赖的关系,其中每一个关系由它自身与其他所有关系之间的关系所决定[18]。在模型上,空间句法经历了由关注视域的轴线模型到关注人运动规律的线段模型的过程,这些模型都是对城市中人车流的量化描述。空间句法理论认为空间结构通过影响人的感知从而影响人的行为乃至城市经济文化活动,并提供了一种探索城市规律、挖掘空间内在关系的全新视角,目前已被国内外大量文献应用于城市形态和城市路网形态的分析[19-23]等领域中,但却并未将空间句法理论应用在城市绿地可达性评价上的研究先例。笔者认为将空间句法理论与3S技术结合进行城市绿地可达性评价至少有两个优势:(1)从空间本体角度,运用空间组构理论进行可达性评价,相比以往机械化的数理方法有较大提升;(2)从人的运动角度,以人为主体进行研究,体现出以人为本和可持续发展的城市规划思想。

本文以2002年和2014年广州市中心区Landsat7数据为基础,通过在ENVI软件中波段之间的组合解译,得到十二年间城市土地利用变化规律,并着重研究城市绿地的变化和空间格局变更。在此基础上,以2014年数据为基础,通过谷歌地图矢量化城市道路,并将空间句法理论计算的城市路网参数与2014年城市绿地进行叠加分析,得出2014年城市绿地的可达性及效率值情况。一方面为人们认识城市绿地空间格局进行探索,另一方面为有关部门制定生态规划政策提供一定的参考与借鉴。

2 研究设计

2.1  研究区域、数据

广州市中心区范围包括越秀区、海珠区、荔湾区、天河区及白云区南部的部分区域,考虑到研究的便利性以及城市快速路对城市景观和次级道路通勤的阻隔作用,本文选取广州市环城高速作为中心区边界。根据Google地图截取边界内部道路图后进行道路矢量化操作,建立道路空间数据库。广州市中心区土地利用影响数据来源于地理空间数据云网站,分别下载了条带号为(12244)的两张Landsat7卫星影像,时段分别是2002117日、2014104日,其中2014年图像以同一时段Landsat5数据为基准进行了条带修复,绿地数据由遥感图像解译得到。

2.2  空间句法模型 

空间句法本质是根据图论原理进行空间分割,使用公式量化空间,挖掘空间的内在规律。传统空间句法使用长度最长、数量最少的轴线代表城市道路网络,并使用整合度(Integration)等参数量化轴线。轴线模型基于相互可视原则进行运算,轴线用于代表相互可视的凸状空间。线段模型以真实路网数据为基础,考虑到路网偏转的角度对人流出行的影响。线段模型在计算搜索半径时也更具灵活性,可考虑拓扑搜索半径等多种不同情况。

    空间句法模型主要变量:

(1)节点总数(n:搜索半径内节点数量之和即为n

(2)角度全局总深度(ATD):表示网络中某一节点距搜索半径内其余所有节点角度拓扑距离之和。ATD值越大,代表该节点深度越大,即拓扑可达性越低。计算公式为:

                            1

     注:ATD(x)表示点x的角度全局总深度;dθ(x,i)表示xi之间的角度拓扑距离。

    角度平均深度(AMD):表示网络中某一节点距搜索半径内其余n-1个节点平均角度拓扑距离,同样表征该节点的拓扑可达性。计算公式为:

                          2

    3)整合度(Integration:反映网络中某个空间与其他空间集聚或离散程度,整合度越高,代表空间集聚,该空间的拓扑可达性也越强。整合度是衡量空间渗透性及到达性的一个重要参数。计算公式为:

                                3

    4)角度选择度(ACH):反映网络中通过某一节点的最短角度拓扑距离的次数,ACH越高,反映在实际出行中,选择通过该空间的概率也越大,空间穿行性越强。计算公式为:

                           4

     注:ACH(x)表示点x的角度选择度;σ(i,x,j)表示通过点xij之间最短角度拓扑距离。   

5)城市效率值(Effciency):整合度为某一节点到达其余所有节点的距离的函数,可近似表征由某一节点的出行成本;选择度为某一节点被其余节点之间最短路径经过的概率,表征节点的获得成本。二者的比值可以反映节点获得与支出之比,此为城市效率值。该参数可用于评价城市空间的合理性,若效率值越高,则表征城市空间的渗透性和吸引力越强。

                                                        5

2.3  核密度估计法

    密度估计是通过计算空间中的样点数据离散以及聚集程度,并生成一个连续密度表面的方法。核密度估计(Kernel Density Estimation)是在每个样本点周围画一个圆形邻域,应用从中心到边界为由10变化的数学函数,形成一个适合每个样本点的平滑、弯曲的表面[24]。计算公式为:

                            6

    注:k()为核函数;hKDE的搜索半径(又称带宽);n 是带宽范围内的已知点数目,即样点的个数;计算结果即为点x的核密度。

在核密度估计计算中,搜索半径h对于结果的影响很大。h过小会导致计算产生的面数据平滑程度不够,导致突兀;h过大则会使计算结果掩盖一些真实细节,无法得到对原始数据的真实反映[25]。在设定h时,要基于实际情况选定与实际相符合的值进行核密度估计。

3 实证分析

3.1  2002年——2014年期间广州市中心区土地利用变化总体特征及绿地空间布局

将下载好后的图像导入ENVI软件,使用掩膜截取出广州市中心区区域图像,以543波段组合进行解译(OIF指数最高),基于最大似然法在类别可分性度量的基础上分为绿地、城镇、水体3类,并使用混淆矩阵检验分类精度(超过85%),导入ArcGIS软件进行象元比例的统计和制图表达(图123)。从总体上看,12年期间广州市中心区土地利用变化的规律是:城镇用地、水网用地小幅上升,城市绿地大副下降,这从一个侧面反映出城市高速发展对于绿地的分割与破坏。

1  2014年土地利用图

2  2002年土地利用图

3  2002——2014广州市中心区土地类型变化图

将分类结果导入ArcGIS软件,通过栅格计算器进行绿地特征提取,得到两个时段广州绿地空间布局图,将其转换为矢量面数据后计算各大绿地面的面积。分析结果可知,总体上看,广州城市绿地呈现出“中心破碎,外围连贯”的空间布局特征,越接近城市中心,绿地面积越低,这也许是由于市中心“寸土寸金”的土地利用现状所导致。对比两个时段绿地布局可知,2002年绿地面积较大且较连贯,大面积的绿地主要集中在白云山南段、麓湖公园、华农华工等西北高校区、珠江新城、城西绿地群(金沙洲一带)、东南绿地群(琶洲一带),而市中心相对较大面积的绿地则主要是公园、二沙岛住宅区等地;而2014年绿地面积则有较大下降,其中变化最为明显的是城西绿地群和珠江新城绿地群两处。城西金沙洲一带近年来房地产迅猛发展,绿地逐步转变为城建用地,而珠江新城由于大型企业进驻,绿地面积也大幅缩小。

3.2  句法视角下2014年广州绿地可达性和效率值评估

基于2014Google地图进行广州市中心区路网矢量化工作,此后导入Depthmap软件进行整合度、效率值的计算,将计算结果导入ArcGIS软件进行分析(图45),使用核密度估计工具,以30*30象元面积、1200m搜索半径进行核密度估计计算(图67),后将栅格数据转化为点数据,计算2014年绿地内点数据的平均值,用于表征绿地的整合度和效率值(图89)。

4 路网整合度图

整合度核密度结果图

绿地平均整合度

5 路网效率值图

效率值核密度结果图

绿地平均效率值

分析整合度计算结果可知,广州市中心区路网总体上呈现“同心圆”结构,路网的拓扑可达性由中心向四周呈圈层式递减,并在老城区、天河CBD与东晓南放射线一带形成三大城市整合中心,而绿地平均整合度的计算结果显示,位于老城区中心、天河CBD中心等整合中心的绿地面积并不大,主要由一些休闲式公园(如文化公园、东湖公园、烈士陵园)以及小型广场等开放空间(如海心沙广场)组成,换句话说,广州市呈现出“易到达小型绿地,难到达大型绿地”的总体特征,这要求有关部门更加注重城市中心小型绿地的塑造和建设,万万不可只关注与市郊某些大型森林公园建设而忽视了具有更高可达性的小型绿地;而由于小型绿地可提供的休憩空间有限,市民在选择绿地时也应注意取舍原则。

分析城市效率值计算结果可知,广州路网城市效率值与整合度呈现出相似的“三核心”特征,但城市效率趋势面更为突兀,而不似整合度趋势面一样连贯,这说明广州市城市效率中心还没有形成一个连续整体,较为独立。在这种特征的影响下,城市绿地效率值的波动范围较大,某些中心休憩绿地的城市效率值极高(例如人民公园),对于塑造城市空间发挥着不可替代的作用,这些绿地往往吸引大量的人群,因此其生态现状受到威胁。而某些绿地,虽然面积较大,效率值却很低,在塑造城市空间方面的作用极低,如琶洲会展中心附近的大型绿地,往往只在景观装饰上提供一定的作用,而并没有真正融入市民生活。这要求有关部门重视小型效率值高的绿地的生态环境保护,并适当扩大其辐射范围,而针对大型绿地,应该给予一些重塑工程,使之从装饰性为主转变为服务性为主的绿地,真正融入人们的城市生活。

按照克里斯塔勒的中心地原理,大型的城市节点应提供更大的服务范围以及更强的服务能力,而城市绿地的服务能力有很大一部分是由可达性决定的,因此在上文的分析基础上,对绿地整合度、效率值与其面积进行双变量相关性分析,结果显示,绿地整合度——面积的相关性为-0.022,绿地效率值——面积的相关性为-0.018,可见,广州市城市绿地的服务能力(至少由可达性体现出的一部分能力)与绿地的体量无关,也就是说,大型绿地并未提供更大的服务范围以及更强的服务能力,这似乎是值得政府部分和专家学者们思考的一个问题。

 

4 结论与讨论

本研究基于2002年以及2014年两个时段遥感图像,在解译的基础上提取绿地变化特征和空间布局特征,并结合空间句法理论与GIS技术进行绿地可达性、效率值的评价,得出以下结论:

12002年至2014年,广州市中心区内绿地面积较少,其中重点体现在城西金沙洲一带以及珠江新城一带的绿地面积上,彰显出高速城市化背景下城市生态可持续发展与保护的必要性。

(2)广州市市中心的小型绿地的可达性和效率值较高,所能提供的服务较多,对城市空间具有更强的塑造能力,发挥着不可获取的作用;而体量较大的绿地往往布局在城市外围,由于其较难到达,其所能提供的服务有限,对城市空间的塑造能力较弱。

(3)基于以上现状,政府部门应该更加重视对市中心小型绿地的塑造和维护,主要关注于两个要点,一是重视其保护,避免其因为大量人流所造成的生态破坏;二是通过某些手段对其进行再塑造,扩大其体量,使其服务能力能够最大化。

城市绿地是维护城市发展不可或缺的重要节点,一个有生机的城市需要更多更具有实际效用的绿地。本文仅从可达性角度运用空间句法中整合度和城市效率两个参数对广州市中心区内城市绿地进行评估,至少从目前的研究情况上看,反映出了一些城市绿地布局不合理的问题。必须承认的是,对于城市绿地布局和服务能力的研究不能单一地从可达性角度进行。在未来,更多因子、更大范围、更精确的数据都将会应用在城市绿地的评价上,也会成为这一领域的研究热点。

 

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