一種基于空間句法的城市擴張邊界預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及城市擴張邊界預測方法，尤其涉及一種基于空間句法的城市擴張邊界 預測方法。
【背景技術】
[0002] 我國城市化進程不斷加快，如何實現對城市增長的有效控制，是城市發展研宄的 重要課題。由于城市系統受多因素作用，其內空間活動復雜多變，以往對于城市的研宄多著 重于分析經濟和社會因素，認為城市空間的形態和模式只是它們在地域上的投影，是經濟 和社會過程塑造了物質城市。基于這種城市分析方法建立的預測拓張邊界的模型大多考慮 因素眾多，模型較為復雜，如元胞自動機模型、SLEUTH模型、CLUE-S模型、二分類邏輯回歸 模、多變量邏輯回歸模型等。
[0003] 上世紀70年代，英國倫敦大學Hillier教授提出空間句法，即一種以空間形態分 析為基礎分析城市空間的方法，為解決城市問題，提供了新的研宄思路和手段。空間句法 認為，街道路網本身是決定運動的因素之一，通過其對運動的影響塑造土地利用模式，不同 類型的土地會在這種運動下找到合適的位置，如商業用地會移動到路網的人流匯集處，而 其他類型土地會移動到人流較少地點。空間句法解釋了人在空間中的行為與空間形態本 身的關系，認為道路很大程度上決定人的行為。國內外學者基于空間句法分析了城市范圍 內的眾多問題，如在行人和車流量分析方面，Hiller等提出人、車出行受城市內街道網絡的 可達性結構影響；AvanNes等，以歐洲的城鎮為研宄對象，基于空間句法分析道路建設與 城市變化的關系，并研宄環形道路對零售商店分布的影響。在城市規劃方面：JoseJulio Lima等分析了上世紀末柏林的城市空間結構與社會聯系特征，麥肯錫全球研宄院的Chetty R.等對比美國不同規模城市分析了社會經濟對住區形態的影響。城市形態格局的演變方 面，Hiller等人通過研宄提出，城市聚集的過程是由于不規則網格具有不均衡引力，此外還 有大量著作將空間句法與GIS結合用于該方面研宄。另外空間句法還被應用于城市土地利 用密度、步行交通模型的構建、犯罪行為在空間上的分布等方面。自空間句法出現以來，城 市范圍內的研宄成果頗豐，但目前基于空間句法對城市邊界擴展方面的研宄成果較少。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種基于空間句法的城市擴張邊界預測 方法，該方法能更真實、準確地模擬城市擴展。
[0005] 本發明所采用的技術方案是：一種基于空間句法的城市擴張邊界預測方法，其特 征在于，包括以下步驟：
[0006] 步驟1 :提取城市建成區邊界并基于空間句法繪制線段地圖，其具體實現包括以 下子步驟：
[0007] 步驟1. 1 :提取建成區邊界圖，包括歷史、現狀和規劃年三個時段；
[0008] 步驟1. 2 :繪制軸線地圖，分歷史、現狀和規劃年三幅圖；
[0009] 步驟1. 3 :將軸線地圖轉譯生成線段地圖。
[0010] 步驟2 :以城市現有建成區及其周邊可能發展為城市用地的區域為研宄區，建立 覆蓋研宄區的固定網格單元；
[0011] 步驟3 :計算空間句法形態分析變量，并賦值給格網；
[0012] 步驟4 :計算各網格到不同時期建成區邊界距離D;
[0013] 步驟5 :建立多元線性回歸模型，確定模型變量及對應參數，并對所建立的多元線 性回歸模型進行檢驗；
[0014] 步驟6 :城市擴張邊界預測，其具體實現包括以下子步驟：
[0015] 步驟6. 1 :依據所建立的多元線性回歸模型，利用現狀路網和規劃路網，將各網格 點的對應變量的取值代入模型，計算規劃年各網格點到規劃年建成區邊界距離；
[0016] 步驟6. 2 :繪制各網格點到邊界距離的等值線，將預測結果可視化。
[0017] 作為優選，步驟1. 2中所述的軸線地圖是利用AutoCAD繪制而成，步驟1. 3中所 述的將軸線地圖轉譯生成線段地圖是利用D印thmapX軟件將軸線地圖轉譯為線段地圖，將 Removeaxialstubs的參數值設置為25%。
[0018] 作為優選，步驟3的具體實現包括以下子步驟：
[0019] 步驟3. 1 :計算不同時期線段法的形態分析變量F，包括不同空間尺度下的整合度 I、選擇度C、線密度TSL、節點值NC、深度值TD和角度連接值AnCon，即：
[0020] FG{Ir,Cr,TSLr,NCr,TDr,AnCon},
[0021] 其中r取不同的空間尺度，依據城市建成區面積確定；
[0022] 步驟3. 2 :采用《城鎮土地分等定級規程GB/T18507-2014》中道路通達度作用分 算法，將描述線段的形態分析變量F賦值給格網，記為X;其具體實現包括以下子步驟：
[0023] 步驟3. 2. 1 :根據道路級別計算其作用半徑，并賦給對應的線段，計算公式如下：
[0024] d=s+ 1 ;
[0025] 其中：d為作用半徑，s為建成區面積，1為各級別道路總長度；
[0026] 步驟3. 2. 2 :根據形態分析變量指標的含義，將其賦給各格網單元時，不僅要考慮 服務于該格網單元的線段指標值大小，也要考慮其距線段的相對距離；線段對各個網格單 元的影響是在其服務半徑內隨著距離衰減的，深度值是增加；確定距離衰減模型為指數模 型：
[0027]
[0028] 其中Xj為格網單元j獲取的形態分析變量指標值，Fi為線段i的形態分析變量指 標值，屯為格網單元j到線段i的實際距離，d為線段i的作用半徑，n為作用于網格單元 j的線段總數。
[0029] 作為優選，步驟3. 1中利用DepthmapX計算不同時期線段法的形態分析變量F，步 驟3. 2中利用ArcView編程將描述線段的形態分析變量F賦值給格網，記為X。
[0030] 作為優選，步驟4中利用ArcGIS工具計算各網格到不同時期建成區邊界距離D。
[0031] 作為優選，步驟5的具體實現包括以下子步驟：
[0032] 步驟5. 1 :以城市擴張后各格網單元距建成區邊界距離為因變量，以擴張前距建 成區邊界距離和擴張前后各形態分析變量為自變量，構建多元線性回歸模型：
[0033]
[0034] 其中：DpDt為擴展前、后各網格單元到建成區邊界距離，為擴展前邊界距離權 重值，\QUOTEWMERGEFORMAT為常數項，為擴展前形態分析變量，為擴展前形態 分析變量權重值；為擴展后形態分析變量；A,擴展后形態分析變量權重值，m為自變量 總數；
[0035] 步驟5. 2 :各網格點到城市建成區邊界現狀距離與歷史距離、歷史年和現狀年形 態分析變量代入多元線性回歸模型。調用SPSS軟件中的回歸分析，選擇變量逐步進入的方 式構建模型，可以篩選出對因變量（距城市建成區邊界現狀距離）影響顯著的因子，即滿足 sig< 0. 05的因子，剔除不顯著因子，確定它們之間相關程度，進而得到模型變量及對應參 數；
[0036] 步驟5. 3 :對所建立的多元線性回歸模型進行檢驗，其具體實現包括以下子步驟：
[0037] 步驟5. 3. 1 :計算多元線性回歸模型的擬合度R2和顯著水平sig.指標，檢驗模型 擬合度；
[0038] 步驟5. 3. 2 :分析多元線性回歸模型殘差分布，檢驗殘差獨立性；
[0039] 步驟5. 3. 3 :方差齊次性檢驗；
[0040] 步驟5. 3. 4 :-致性檢驗，采用歷史數據、歷史路網和現狀路網，對現狀進行預測， 并與實際情況對比，計算Kappa系數。
[0041] 作為優選，步驟6. 2中利用ArcGIS工具將預測結果可視化。
[0042] 與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：
[0043] 本發明方法構建了道路空間屬性與城市建成區邊界的定量模型，并將上述模型應 用于城市擴張邊界預測中，在一定程度上能為城市規劃決策和城市邊界問題的研宄提供新 思路，有助于更真實、準確地掌握路網建設與城市擴張關系，也可作為元胞自動機等在模擬 城市擴張過程中的約束條件。
【附圖說明】
[0044] 圖1 :為本發明實例中不同時期的線段地圖，（a)為2002年路網線段地圖，（b)為 2008年路網線段地圖，（c)為規劃年路網線段地圖；
[0045] 圖2 :為本發明實例中不同時期的建成區邊界地圖（2002年和2008年）；
[0046] 圖3 :為本發明實例中不同時期的線段地圖形態分析變量值分布圖，以全局整合 度值為例，（a)為2002年全局整合度分布圖，（b)為2008年全局整合度分布圖，（c)為規劃 年全局整合度分布圖；
[0047] 圖4 :為本發明實例中不同時期固定網格單元變量值分布圖，以全局整合度值為 例，（a)為2002年全局整合度分布圖，（b)為2008年全局整合度分布圖，（c)為規劃年全局 整合度分布圖；
[0048] 圖5 :為本發明實例中不同空間尺度下各網格變量值與到建成區邊界距離的相關 度，（a)為整合度值與建成區邊界距離相關度，（b)為選擇度值與建成區邊界距離相關度， (c)為節點數值與建成區邊界距離相關度，⑷為TSL值與建成區邊界距離相關度，（e)為 深度值與建成區邊界距離相關度；