基于空间句法的城市空间形态研究——以张家口市为例
时间：2023-06-27 17:50:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
唐天鹏，崔英伟，李 静
（河北建筑工程学院 建筑与艺术学院，河北 张家口 075000）
城市形态一般是指城市在某一时间内，受自然环境、历史、政治、经济、社会、文化等因素影响所构成的空间形态特征，是城市地理和城市规划的重要研究领域［1］。对于城市空间形态的研究有助于发掘城市扩展的内在驱动机制，预测城市未来发展方向，制定科学合理的城市规划政策。目前，学术界对于城市形态的研究侧重于从历史演变的角度剖析城市的整体变化，进而分析城市扩张或收缩的驱动因素；
也有从土地利用的视角出发，研究城市开发与土地经济之间的作用关系，从而更好地协调经济增长与城市建设之间的矛盾。然而运用城市道路的拓扑关系探究城市内部空间形态的特征的研究较少，且研究区域主要以经济发达的东部沿海城市为主，对于北方内陆欠发达城市关注较少，特别是京津冀都市圈范围内一些中小城市的研究相对不足［2］。
城市交通网络是引导城市发展、塑造城市功能和划分城市内部空间的重要影响因素。空间句法作为一门描述空间特征的计算机语言，近年来，在城市交通结构和城市空间形态研究中得到广泛应用。其核心思想是将城市交通网络进行抽象化，得到一组彼此相交的线段，通过相关分析软件计算这组线段之间的拓扑关系，计算结果可以反映出不同道路之间的连接性，并将连接性扩大至道路周边更宽泛的物质空间形态。通常空间句法需要计算集成度、深度值等衡量路网形态的量化指标，以反映城市内部空间结构［3］。
2022年第24届冬季奥运会的举办为张家口市带来重大发展机遇，推动人居环境建设，深度融入京津冀协同发展，高质量构建河北北翼发展新高地成为张家口市城市建设的首要任务，而如何处理好城市发展与内部空间形态的关系是未来张家口城市高质量发展的关键［4］。本文基于空间句法理论，综合运用GIS和Depthmap软件分析张家口市空间形态特征，探索空间背后所隐含的社会关系和文化特征，并对当前张家口城市空间问题进行梳理，总结典型空间问题，为城市空间品质的优化提升奠定一定的理论基础。
1.1 研究区域概况
张家口市位于河北省西北部，是连接京津、沟通晋蒙、支持沿海、开发内陆的重要枢纽和“桥头堡”，是冀西北地区的中心城市。据第七次人口普查数据显示，张家口市常住人口约411万人，主城区总人口约81万人，人均GDP为34 725元。张家口市区三面环山，中部平坦，向南开敞，呈现出狭长的口袋状城市格局。城区内道路骨架沿清水河形成，由北向南依次展开，以此形成贯通南北的城市轴线，同时，狭长的城市格局也使得城区与东西两侧的山体接触更加密切，自然环境更好地与人工环境相融合［5］。
1.2 空间句法理论及其量化指标
英国伦敦大学的比尔·希利尔教授最早创立了空间句法理论，该理论关注的核心是空间与社会之间的相互作用关系，包括其中的一系列理论和技术。他认为空间不是社会经济活动的背景，而是社会经济活动开展的一部分［6］。通过空间句法，城市空间模式和建筑将以一种新的语言模式重新被描述。同时，对我们常见的空间尺度进行划分和分割，可以使原本复杂的空间关系得到简化，并且以一种定量的方式表达空间的内在特征，利用轴线本身的可达性、集成度和选择度等来分析城市空间背后的社会经济要素聚集形态，并在一定程度上揭示空间背后的社会活动规律。本研究主要选用以下三个常用句法变量。
（1）整合度：整合度（integration）通常指特定区域的聚集或分散程度，是空间句法研究中重要且常用的变量［7］。整合度高表示某一区域内交通便捷，可达性强，在其对应的轴线附近更易聚集人流；
整合度低通常表明一定范围内的基础设施配套和交通联系性较薄弱，人群流动和空间活力不足，例如城市边缘地带和一些僻静的城市支路。整合度的计算公式为
式中Int表示整合度，a是轴线总数或节点数，Da是平均深度值。
（2）协同度：协同度（synergy）表示局部整合度与全局整合度之间的相关程度，通常协同度较高意味着人们易于通过局部的空间印象感知城市整体的空间形态［8］，计算公式为
式中C2表示协同度，g（ f）和g′（ f）分别表示拓扑距离等于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）选择度：选择度（choice）表示城市空间中某一区域作为两个节点之间最短拓扑距离通过的频率，考察空间单元作为出行最短路径所具备的优势，反映了空间被穿行的可能性［9］。通常选择度越高的地方能聚集更多的人流，被人流或车流穿过的可能性也越大，通过对城市空间选择度的研究可以发现其背后所蕴含的经济价值，计算公式为
式中X表示选择度值，i≠x≠j，d（x，i）是轴线图中x到j的最短距离，σ(i，x，y)是轴线空间x到j的最短拓扑路径。
2.1 轴线模型建立
运用空间句法理论对城市空间形态研究，首先需要依据现状路网交通建立线段模型，以此作为Depthmap软件研究的基础数据。同时，为避免引起较大的数据研究误差，本研究在选取研究范围时适当外延部分路网，以提高线段模型的容错率［10］。以张家口主城区遥感影像图作为网络模型制作的基础，为保证模型的可靠性，对于街巷宽度较窄（一般小于1 m）和难以通行的弄巷，均不在本文研究考虑范围内，最终绘制的线段模型涵盖了张家口市80%以上的现有城市路网，线段网络模型主要涵盖了桥东区、桥西区和经开区（见图1）。
2.2 基于POI的句法模型校核
通过API端口爬取高德地图生活服务、购物服务、交通设施服务、汽车服务四个维度的POI数据，利用GIS的空间分析工具分别对四类POI进行点密度分析，像元大小设置为（100，100），即搜索一公顷范围内相应POI设施服务点的数量，采用自然间断分级法计算结果分为9类［11］。将POI点密度分析结果与整合度、选择度、连接度、和控制值进行校核，主要关心城市功能和交通流量两个方面在基于句法表达的城市空间结构中是否具有真实性。研究选取了2021年张家口市中心区数据共14 394条，数据构成情况与分析结果见表1和图2。结果显示，四类POI数据的分布特征与线段模型相匹配，表明所建立的轴线模型与城市实际使用功能的分布具有较高吻合度，可以应用于后续空间形态相关分析，是具有较高可信度的线段模型［12］。
图1 张家口市轴线模型Fig.1 Axis model of Zhangjiakou city
3.1 张家口市空间整合度分析
整合度是通过对城市整体交通网络系统研究，运用软件分析得出城市可达性、中心性和渗透性等能代表该城市空间活力的特定区域，通常将整合度最高的区域称为集成核，往往是一个城市的核心地带［13］。张家口市城市空间全局整合度和局部整合度分布情况如图3所示。各指数值的高低划分标准，主要根据各个指标的平均值进行。若某条轴线的数值高于平均值，则记为高值，反之亦然。图中颜色偏暖的部分表示此区域数值较高，颜色偏冷的区域表示数值较低。
表1 POI数据统计情况表Tab.1 Table of POI data statistics
3.1.1 全局整合度 张家口市区全局整合度较高的区域主要集中在西苑北路（1.210）、清水河中路（1.220）、建设街（1.271）、宣化路（1.196）和建国路（1.196）附近区域，整合度值均达到了1.2左右。该区域也是张家口带状城市形态的中间部位，东西方向连接着桥东区与桥西区，同时也是张家口市区南北交通的重要中枢。另外，整个城市以建设路区域为核心，整合度呈现一种明显的向周围递减的趋势，而当这种趋势外延至堡子里、新华街、西沙河路一带时，空间整合度值急剧下降，并呈现一种半包围的内凹态势，与经开区 整合度值平缓顺滑的过渡形成强烈反差。纵观整个城区，南北整合度差异明显。以建设路为界，建设路以北整合度较大，城市道路分级明确，支路系统发达，步行空间完整；
城市以南的经开区，属于张家口市新城区， 规划痕迹明显，各地块之间划分规整，但过大的地块划分割裂了人行系统，降低了可达性［14］。
图2 四类设施点POI的点密度图Fig.2 Point density map of four types of facility POI
图3 控制值、整合度、深度值、连接度分布图Fig.3 Distribution of control values， integration， depth and connectivity
3.1.2 局部整合度 选取R=3，5，7，9，11对张家口市城区局部整合度进行分析。结果表明，当R=3时，局部整合度较大的区域位于盛华街（3.334）和朝阳大街（3.216）附近。两条街道均属于双向十车道的城市主干道，贯穿整个经开区，日常交通流量大。当R=5时，除华盛街和朝阳大街局部整合度较高外，胜利中路（2.142）和建设街（2.089）的局部整合度也较高，胜利中路是张家口市东边连接南北城区的主要交通干道，道路两旁布置了大量商业办公建筑，人流量大；
建设街虽然道路宽度较低，但位于张家口市新老城区交界处，也是张家口市北边唯一一条贯穿东西的城市主干道，日常交通压力较大。当R=7时，在上述道路基础上新增了五条局部整合度较大的街道，分别是西苑中路（1.619）、清水河中路（1.644）、工业街（1.650）、钻石南路（1.684）和长城大街（1.761），可以看出，此时局部整合度较高的区域在张家口市南边，也就是集成核所处位置通常R≥7属于车行舒适范围，即半径范围内10 min车程所能到达的最大区域，这与现状情况是一致的。当R=9时，集成核的形态逐渐完整，初步形成了网格状的道路格局，整个城市的空间格局向南延伸，而当R=11时，局部整合度趋近于全局整合度，集成核北移［15］。
3.2 张家口市空间协同度分析
分别将全局整合度［HH］和局部整合度R=3，5，7，9，11进行相关分析，检验两者间是否存在相关关系，并通过相关系数R2判断全局整合度与局部整合度间的相关程度高低，最终得出协同度分析的结果［16］。通过表2分析发现，不同半径下的局部整合度与全局整合度的相关程度存在明显差异，且随着局部整合度半径R的增大，与全局整合度的相关程度越高。
在半径R=3时，相关分析模型准确度较低，散点与回归线距离较大，相关系数R2=0.421（＜0.5），表明模型自变量与因变量之间的关联程度较弱，街区空间内部与整个城市的空间联系性不够，人们通过局部空间感知整个城市形态的能力较差［17］；
当半径R=5时，数据点紧密程度加强，模型准确度有所提升，但相关系数R2也只有0.613，说明相关程度并不是特别高，而当R≥7时，模型准确度显著提升，散点回归性较好，均匀分布在回归线两侧，相关系数均大于0.7，整体性较高。整体来看，张家口市区的空间协同度较高，不同空间的联系比较紧密。因此，城市居民能够比较容易的通过局部空间感知周围环境，这对不熟悉这座城市人尤为重要，可以降低迷路的概率。
图4 整合度分析Fig.4 Integration analysis
表2 空间协同度分析统计表Tab.2 Statistical table of spatial synergy analysis
3.3 张家口市空间选择度分析
空间选择度是反映一定范围内城市空间穿行性的指标，通常反映某条街道被人流或车流穿越的可能性［18］。图5显示了张家口市中心城区的全局选择度和局部选择度的分析结果，从图5可以看出，张家口主城区全局选择度较高的道路为清水河路（91070）、纬一路（68478）、胜利路（45445）、工业街（70351）、建设街（136335），在现实中，上述几条选择度高的道路承担了张家口主要的交通流量，城市绝大部分车流最终汇入上述城市干道。
分析局部选择度发现，当半径R=3时，选择度较高的几条道路主要为纬一路（1762）、朝阳大街（1049）和长城大街（688）、建设街（900）和工业街（594），可以发现局部选择度较高的区域正是相同半径下整合度较高的区域；
而当半径增大至R=9时，局部选择度与相对应的整合度的协同性急剧下降，在部分整合度较高的区域，道路的连接度不增反降。说明在步行空间尺度下，张家口主城区的街道空间配置合理，满足大规模人群聚集的需求，但随着研究范围的扩大，在车行尺度下部分城市街道空间出现明显的空间拥堵现象，因此需要加强对此区域的交通管制，并制定相应的提升改善策略［19］。另外，从整体上看，张家口市区在空间选择度方面呈现出明显的“中间高，四周低”的格局。朝阳大街以北和清水河中路以南的区域呈现出了较高的选择度，车行与人行在该区域内均有较好的通达行，这种通达行随着与核心的距离增加而不断降低。
图5 选择度分析Fig.5 Choice analysis
本文基于空间句法理论和GIS分析方法对张家口市主城区空间整合度、协同度和选择度进行了量化分析，总结归纳了张家口市不同区域的空间形态特征，得出以下主要结论：
（1）从城市微观空间上看，张家口市街巷空间较为复杂，街巷间的交错率较高，特别是在张家口主城区北部的堡子里片区周围，空间过于复杂，虽然到达目标节点的方式较多，但通行时间成本较高，居民和游客的步行体验较差；
（2）从城市整体空间结构上看，张家口主城区集成核相对突出，有明显的附属空间，主要分布在主城区北部的市展览馆和建设路一带，但结合实际情况，主城区北部发展处于低水平阶段，因此，未来集成核有逐渐南移的趋势，形成南北双核的城市格局；
（3）从城市整体交通结构上看，张家口主城区呈现出北紧南松的状态。北部城区在原来旧城基础上继承和发展，相关的规划手段缺失，导致道路交通过于拥挤，道路通达性较差，南部新城有相关规划加持，道路连续性和完成程度较好；
（4）从城市边界扩展方向上看，受地形地势的影响，张家口市边界形态近似于两头大、中间小的“葫芦状”，未来，随着南部新区的逐渐发展和北部城市发展的受限，南部的城市核心将远超北部城市核心，城市边界形态逐渐外阔，形成北小南大的城市双环。
在已经到来的大数据时代，基于数据驱动的城市研究已经开始崭露头角，未来通过各种模型来认知和构建城市空间将成为一种新趋势。基于空间句法的城市空间形态量化分析就是一种通过建立轴线模型进行空间分析的方法，这种方法可以客观描述各类型城市空间存在的问题，并分析影响城市空间形态变化的深层次原因。本文正是基于这样一种研究思路对张家口城市空间形态展开研究，以期为张家口市城市空间形态的提升提供参考。但需要指出的是，受限于理论水平和研究资料的不足，本文的研究仍存在一些不足之处。例如城市空间形态受经济发展、人口增长等多方面因素影响，仅用空间数据进行分析是有失偏颇的，在以后的研究中需要进行更深层次的探索。
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