應(yīng)用空間網(wǎng)絡(luò)方法進行城市化發(fā)展分析評估研究
——以杭州市為例

王 娜， 梁勤歐

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

應(yīng)用空間網(wǎng)絡(luò)方法進行城市化發(fā)展分析評估研究
——以杭州市為例

王 娜， 梁勤歐

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

城市化是人類社會發(fā)展的一個重要過程，應(yīng)用空間網(wǎng)絡(luò)的方法進行城市化發(fā)展的分析評估研究可以定性、定量地評估城市發(fā)展的狀況.根據(jù)2016年TM遙感影像和城市地圖得到杭州市轄區(qū)內(nèi)居民區(qū)空間分布的信息，再基于圖論的方法建立空間網(wǎng)絡(luò)，對區(qū)域內(nèi)居民區(qū)的空間分布進行了建模分析.通過計算空間網(wǎng)絡(luò)中邊的局部重要性和節(jié)點的度中心性2個指標，評估了杭州市城市發(fā)展的狀況.結(jié)果表明：1)空間網(wǎng)絡(luò)中邊的局部重要性指標可以代表某個地區(qū)城市化程度的高低，杭州市轄區(qū)城市化程度的高低總體上呈現(xiàn)圈層分布，由中心向四周依次降低；2)空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的度指標反映居民區(qū)在該地區(qū)的相對重要性及其對周圍臨近居民區(qū)輻射能力的大小，杭州市轄區(qū)中居民區(qū)分布較集中的區(qū)域，其度中心性也較高，彼此之間的聯(lián)系緊密.

城市化；空間網(wǎng)絡(luò)；空間分布；杭州市

0 引 言

全球范圍內(nèi)快速城市化的現(xiàn)象對環(huán)境、經(jīng)濟和社會產(chǎn)生了各種各樣的影響[1- 10]，已經(jīng)成為人類及人類棲息地可持續(xù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一.城市化是鄉(xiāng)村聚落逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘芯勐涞牡赜蛲七M過程[11- 13].居民區(qū)尤其是城市居民區(qū)是人類活動的中心.因此，通過研究一定區(qū)域內(nèi)居民區(qū)的空間分布特征及居民區(qū)之間的相互關(guān)系，可以對該區(qū)域的城市化發(fā)展進行分析評估，從而幫助人們更好地理解城市化過程，同時找到解決城市化過程中遇到問題的有效方法.目前，現(xiàn)有的文獻對城市居民區(qū)或者鄉(xiāng)村居民區(qū)的分布研究較多[14- 15]，而對區(qū)域中城市居民區(qū)和鄉(xiāng)村居民區(qū)共同的分布空間格局的研究較少.Batty[16]提出的利用分形的思想來描繪城市形態(tài)；Wei等[17]利用多級遙感影像和景觀格局知識去表征城市的擴張；梁會民等[18]運用GIS空間分析方法研究了董志塬黃土塬區(qū)居民點的空間分布，得出其居民點為隨機分布的結(jié)論；張小軍等[19]運用GIS空間分析方法對甘肅省隴西地區(qū)的居民點分布進行了分析，得出了其與地理要素的相關(guān)性；王春菊等[20]利用GIS技術(shù)定量地分析福建居民點分布的影響要素，得出了其與海拔高度、道路網(wǎng)、河網(wǎng)、土地利用及海岸線距離的關(guān)系.可以看出，國內(nèi)外對居民區(qū)的空間分布和形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究多數(shù)是利用源于信息理論、分形幾何的空間指數(shù)及傳統(tǒng)的空間統(tǒng)計分析和相關(guān)分析方法.在目前來看，這些方法對于研究居民點的分布是有效的，但是隨著研究區(qū)域空間尺度和范圍的變化，這些方法漸漸凸顯出在分級系統(tǒng)或者各種圖斑(如居民區(qū))所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)體系中，研究對象之間相關(guān)性和關(guān)聯(lián)性的評價方面存在著局限性.

空間網(wǎng)絡(luò)是指節(jié)點位于擁有度量標準的空間之中的網(wǎng)絡(luò)，圖論方法是空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析的重要方法[21].在進行城市化發(fā)展的分析評估研究時，利用圖論的方法把研究區(qū)域中不同的居民區(qū)的幾何質(zhì)心作為空間網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，用邊來表示節(jié)點之間的聯(lián)系，從而定量或定性地評估出節(jié)點或者邊的重要性[22- 23].本文以杭州市轄區(qū)為研究區(qū)域，基于圖論的方法,通過建立空間網(wǎng)絡(luò)對區(qū)域內(nèi)居民區(qū)的空間分布進行建模分析，提出一種新的技術(shù)方法,用來定量和定性地描述區(qū)域內(nèi)居民區(qū)的空間分布特征及居民區(qū)之間的相關(guān)性，從而評估杭州市轄區(qū)城市發(fā)展的狀況，為今后的城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，空間網(wǎng)絡(luò)將不同居民區(qū)作為研究節(jié)點，各個居民區(qū)依托不同的空間地理位置發(fā)生的相互作用，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)分析中的連接邊.通過對該網(wǎng)絡(luò)分析模型的建立，各種評估指標的計算，構(gòu)建出居民區(qū)空間關(guān)系的定性和定量分析體系.本文的研究方法主要包括2個部分：空間網(wǎng)絡(luò)的生成;評估指標的計算.

1.1 空間網(wǎng)絡(luò)的生成

以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，空間網(wǎng)絡(luò)生成的步驟如下：

1)通過目視解譯提取出遙感影像的居民區(qū)多邊形對象，并計算出與每一個居民區(qū)多邊形對應(yīng)的幾何質(zhì)心，見圖1(a)；

2)以居民區(qū)多邊形的外輪廓為基準，構(gòu)建緩沖區(qū)，緩沖距離為空間網(wǎng)絡(luò)的搜索半徑，見圖1(b)；

3)將居民區(qū)多邊形的質(zhì)心與落在其緩沖區(qū)范圍內(nèi)的居民區(qū)多邊形質(zhì)心相連接，即為空間網(wǎng)絡(luò)的邊，見圖1(c)；

4)對所有居民區(qū)多邊形執(zhí)行步驟2和3，構(gòu)建整張空間網(wǎng)絡(luò)，見圖1(d).

在空間網(wǎng)絡(luò)生成的過程中，搜索半徑的確定是靈活的，可以根據(jù)研究的需要自定義搜索緩沖區(qū)的大小來創(chuàng)建空間網(wǎng)絡(luò).但是，在創(chuàng)建的過程中還是要依據(jù)研究區(qū)域遙感影像的分辨率高低和居民區(qū)密度來確定搜索半徑的大小，以保證在緩沖區(qū)范圍內(nèi)有足夠的居民區(qū)，從而使得生成的空間網(wǎng)絡(luò)不能過于簡單或復(fù)雜.

(a) (b)

(c) (d)

圖1 空間網(wǎng)絡(luò)的生成

1.2 評估指標的計算

節(jié)點和邊是構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)的兩個基本要素.空間網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點的屬性與研究區(qū)域中每一個居民區(qū)的幾何屬性是一一對應(yīng)的.在有關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析的文獻中，通常是用與節(jié)點相對應(yīng)的研究對象的面積、形狀度量標準或者用戶自定義的一些參數(shù)等來表示節(jié)點的屬性；利用最短距離，凝聚力指數(shù)等指標為空間網(wǎng)絡(luò)中的邊賦予權(quán)值，來表征邊的重要性[24- 25].

在本文的研究中，選擇與節(jié)點相對應(yīng)的居民區(qū)的面積作為節(jié)點屬性的衡量指標；并引入一種簡單的權(quán)重標準作為邊的權(quán)重的衡量指標：局部重要性(local significance)，在此簡稱為S，它的定義為

式(1)中:Ai和Aj分別代表與邊對應(yīng)的節(jié)點i和節(jié)點j的居民區(qū)的面積;D(i,j)指的是它們之間的歐氏距離.該指標為2個居民區(qū)的面積乘積與距離平方的比值，是一種區(qū)域性指標，可以表征居民點規(guī)模及其與周邊居民點的輻射關(guān)系.權(quán)重大的邊應(yīng)該集中在人口聚集、面積大的城市區(qū)域，而在偏遠的農(nóng)村區(qū)域，雖然村莊可以很密集，但由于面積小，權(quán)重值并不會太大.所以該指標可以在一定程度上反映研究區(qū)域內(nèi)城市化的相對程度.

居民區(qū)之間的相關(guān)性不是取決于它自己的屬性，而是取決于它與其他居民區(qū)之間的聯(lián)系(比如一個連接許多城鎮(zhèn)的小城市的局部影響力要比單獨的一個大城市重要得多).因此，為了能夠恰當?shù)乇碚鞑煌用駞^(qū)的重要性，參考已有的文獻[26- 27].本文采用節(jié)點的度(degree)來描述居民區(qū)之間的相關(guān)性.定義度(degree)是與給定的節(jié)點直接相連的節(jié)點的數(shù)量或邊數(shù)，也稱為節(jié)點的度.

通常利用節(jié)點度的大小來衡量節(jié)點的中心性，直觀地反映了該節(jié)點在一定距離內(nèi)與空間網(wǎng)絡(luò)中其他的節(jié)點發(fā)生直接聯(lián)系的可能性大小.節(jié)點度的值越大，該節(jié)點的度中心性越強，其對周邊臨近節(jié)點的影響力也越大.

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

2.1 研究區(qū)域

杭州位于中國東南沿海北部，坐標為東經(jīng)118°21′～120°30′，北緯29°11′～30°33′，是浙江省的政治、經(jīng)濟、文化和金融中心，長江三角洲中心城市之一.近30年來，隨著城市化的發(fā)展，經(jīng)過大規(guī)模的城市和園林建設(shè)，杭州市的行政區(qū)劃發(fā)生了巨大的變化.2001年3月12日，經(jīng)國務(wù)院和浙江省人民政府批準，撤銷蕭山市和余杭市2個縣級市，同時設(shè)立蕭山區(qū)和余杭區(qū)，與原杭州6個區(qū)組成新杭州市轄區(qū)；2014年12月13日，經(jīng)國務(wù)院批準，又撤銷富陽市，設(shè)立富陽區(qū)，作為杭州市的第9個轄區(qū).基于杭州市近年來行政區(qū)劃變化之迅速，本文通過對杭州市的城市化發(fā)展進行分析評估研究，讓人們更加理解城市化的過程，并為杭州市今后的城市規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù).

2.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

本文所使用的數(shù)據(jù)包括Landsat TM影像和杭州市轄區(qū)的行政邊界矢量圖.根據(jù)研究的時空分辨率需求及數(shù)據(jù)的可獲取性，本文所采用的遙感數(shù)據(jù)來源于美國陸地衛(wèi)星(Landsat TM)，影像的獲取時間是2016年3月5日，空間分辨率為30 m.為了保證提取出的居民區(qū)的精度，對影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括遙感圖像的幾何精校正、輻射定標和大氣校正等.對經(jīng)過預(yù)處理之后的遙感圖像，再使用所獲取的行政邊界矢量圖進行不規(guī)則裁剪，得到所需的研究區(qū)域范圍內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù).居民區(qū)的提取采用目視解譯方式進行.

3 結(jié)果與討論

本文以杭州市轄區(qū)作為研究區(qū)域，包括杭州主城區(qū)(上城、下城、江干、拱墅、西湖、濱江)、蕭山、余杭、富陽4個部分.通過研究區(qū)域2016年3月5日的Landsat 8的TM遙感影像數(shù)據(jù)進行杭州市區(qū)居民區(qū)的提取，共提取出343個居民區(qū)對象(圖2(a))，作為建立空間網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).設(shè)置5 km作為空間網(wǎng)絡(luò)的搜索半徑，構(gòu)建并計算出空間網(wǎng)絡(luò)中邊的局部重要性(S)(圖3(a))，節(jié)點的度中心性(圖4(a))2個評估指標.

3.1 居民區(qū)面積分布

從圖2(a)可看出，杭州市居民區(qū)主要集中于杭州市主城區(qū)，且面積較大而密集；杭州市主城區(qū)外如余杭、富陽、蕭山等地也有部分斑塊狀居民區(qū)分布，但分布面積較小且較分散.經(jīng)統(tǒng)計,居民區(qū)面積最大為17 040 hm2，最小為0.4 hm2；343個居民區(qū)中，面積前10(約占總個數(shù)的3%)的居民區(qū)面積總和占總面積的56.8%，從側(cè)面說明大部分人集中居住在少數(shù)幾個大居民區(qū)中，也是城市化的特點之一.將居民區(qū)面積值取對數(shù)(lg)后分布圖如圖2(b)所示.可以看出,居民區(qū)的個數(shù)與居民區(qū)面積(用字母A來表示)lg值的關(guān)系成類正態(tài)分布.經(jīng)統(tǒng)計,居民區(qū)面積lg值在區(qū)間(1.19,2.26]內(nèi)有197個，對應(yīng)面積值區(qū)間(27,145] (單位：hm2)，占居民區(qū)總數(shù)的57.4%，超過半數(shù)的居民區(qū)面積在100 hm2左右，說明大部分的居民區(qū)面積在這個量級.

(a) (b)

圖2 居民區(qū)分布

3.2 網(wǎng)絡(luò)中邊的權(quán)重分布

基于提取的居民區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過設(shè)定5 km的搜索半徑，生成如圖3(a)所示的空間網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)中不同類型的線條構(gòu)成了空間網(wǎng)絡(luò)的邊，線條的類型代表邊的權(quán)重即局部重要性.從圖3(a)可以看出，局部重要性高的黑色實線邊集中在杭州主城區(qū)周邊和新設(shè)的富陽區(qū)中心，基本勾勒了杭州主要城區(qū)的范圍.

(a) (b)

圖3 空間網(wǎng)絡(luò)中邊的權(quán)重分布

結(jié)合杭州市的實際發(fā)展狀況可以發(fā)現(xiàn),代表高權(quán)重值的黑色實線邊較密集的地區(qū)一般是城市的中心(以主城區(qū)為主，以及其與周圍各區(qū)相連接的地區(qū))，城市化的程度一般較高，灰色虛線邊較密集的地區(qū)一般位于城市中心的外圍，城市化的程度次之，灰色實線邊較密集的地區(qū)一般位于城市的最外圍即農(nóng)村地區(qū)，城市化程度最低.因此，通過空間網(wǎng)絡(luò)中邊的局部重要性指標可以快速地判定出某個地區(qū)城市化程度的高低.同時，從圖3(a)中可以看出，該指標可以區(qū)分城市和農(nóng)村區(qū)域的同時，還可以表征并提取農(nóng)村向城市過渡的郊區(qū)地帶(灰色虛線存在的區(qū)域).對空間網(wǎng)絡(luò)中邊的局部重要性指標取lg后分布如圖3(b)所示，發(fā)現(xiàn)邊的個數(shù)與邊的局部重要性的lg值的關(guān)系也成類正態(tài)分布.結(jié)合圖3(a)與圖3(b)，代表lgS在(5.0，8.3]區(qū)間內(nèi)的黑色實線邊有361條，占總數(shù)的27.1%；在(3.7，5.0]區(qū)間內(nèi)的灰色虛線邊有625條，占總數(shù)的47.0%；其余灰色虛線邊有344條，占總數(shù)的25.9%.統(tǒng)計數(shù)據(jù)從側(cè)面表明，杭州市轄區(qū)目前整體的城市化水平程度較高，但分布不均勻.總體來看,杭州還是處在強烈的城市化發(fā)展過程中，呈現(xiàn)由四周向中心發(fā)展的趨勢.

3.3 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點度的分布

圖4(a)為空間網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點連接的其他節(jié)點的個數(shù)即度的分布.點的尺寸越大，其對應(yīng)的居民區(qū)質(zhì)心的度的值越大，該居民區(qū)的度中心性就較高；點的尺寸越小，其對應(yīng)的居民區(qū)質(zhì)心的度的值越小，該居民區(qū)的度中心性就越低.

(a) (b)

圖4 空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度的分布

結(jié)合圖2(a)與圖4(a)可以得出，度中心性較高的居民區(qū)都位于居民區(qū)分布較集中的地區(qū)，如杭州市的主城區(qū)，余杭區(qū)的東北部，富陽區(qū)與杭州市主城區(qū)的交界處及蕭山區(qū)的南部.度中心性的高低，不僅代表該居民區(qū)對象在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)對周圍鄰近居民區(qū)的輻射能力的高低，同時也代表該居民區(qū)對象在研究區(qū)域范圍內(nèi)重要性的大小.例如，杭州市主城區(qū)范圍內(nèi)最大的居民區(qū)，度中心性為17，周圍鄰近居民區(qū)與之聯(lián)系很密切，受該居民區(qū)的輻射影響很大.度最大值為21的是富陽區(qū)政府所在地，說明該指標是局部相對值，而非絕對值，局部地區(qū)的政治經(jīng)濟中心,其居民區(qū)度的值就高，它與周圍鄰近居民區(qū)發(fā)生聯(lián)系的可能性就大.圖4(b)為節(jié)點度的統(tǒng)計分布柱狀圖.通過統(tǒng)計，在提取出的343個居民區(qū)對象中，度中心性的最大值是21，最小值是1，兩者之間的差距達到21倍.說明通過計算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的度，可以定量地表示區(qū)域中每個居民區(qū)的重要程度及其與周圍臨近居民區(qū)發(fā)生聯(lián)系的可能性大小.

4 結(jié)論與展望

本文的研究表明，在城市規(guī)劃中引入圖論作為新的分析工具，利用空間網(wǎng)絡(luò)的指標定性和定量地分析一定區(qū)域范圍內(nèi)居民區(qū)的分布狀況、評估城市發(fā)展的狀況是可行的.空間網(wǎng)絡(luò)邊的局部重要性指標，可以體現(xiàn)杭州地區(qū)城市化發(fā)展的結(jié)構(gòu)性差異及其城市化的程度.區(qū)分城市和農(nóng)村區(qū)域的同時，還可以表征并提取農(nóng)村向城市過渡的郊區(qū)地帶.空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的度是一個相對指標，不僅在全局范圍內(nèi)，而且可以在局部范圍內(nèi)反映居民區(qū)在該地區(qū)的相對重要性及其與周圍臨近居民區(qū)發(fā)生聯(lián)系的可能性大小.

本文只是利用空間網(wǎng)絡(luò)知識，在城市化分析中進行了初步的探索，后續(xù)的研究中可以在以下幾個方面進一步發(fā)展：結(jié)合多期遙感數(shù)據(jù)，從時間線角度評估區(qū)域城市化發(fā)展的趨勢；空間網(wǎng)絡(luò)的生成上，結(jié)合地形和道路數(shù)據(jù)，更合理地反映網(wǎng)絡(luò)連接邊的權(quán)重；基于高分辨率的遙感圖像進行居民區(qū)的自動提取，更快速合理地進行居民區(qū)的識別和勾勒.

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(責任編輯 杜利民)

Analysis and evaluation of urban development based on spatial network method: a case study of Hangzhou City

WANG Na, LIANG Qin′ou

(CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

Urbanization was an important process of human social development, which was considered as a continuum from rural to urban settlements. Accordingly, researching on the size, form(e.g., compact or spread) and spatial distribution(e.g., dispersed or nucleated) of different types of settlements was a major issue to better understand urbanization and solve the problems effectively in the process of urbanization. Based on the distribution of settlements in Hangzhou City， it was established the spatial network via graph theory. By analyzing the distribution of settlements area, the weight and degree of edge in the spatial network， the spatial distribution of settlements qualitatively and quantitatively were described, which characterizesd the development of Hangzhou City.

urbanization; spatial network; spatial distribution; Hangzhou City

10.16218/j.issn.1001- 5051.2017.02.017

2016- 10- 09；

2016- 12- 08

國家自然科學(xué)基金資助項目(70773089)

王 娜(1989-)，女，河南義馬人，碩士研究生.研究方向：地理信息技術(shù)應(yīng)用.

梁勤歐.E- mail: qoliang@sina.com

K909

A

1001- 5051(2017)02- 0228- 07