基于空间句法的兰州市城市道路网络特征分析

雒占福，徐 静，巩 萧，何 昕，范园园

(西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070)

城市道路网是城市范围内由不同功能、等级、区位的道路，以一定的密度和适当的形式组成的网络结构(《城市规划基本术语标准2008》)．随着我国城市化进程的持续快速推进，城市道路网络不断建设发展，但仍不能有效解决城市交通的拥堵问题．兰州市作为甘肃省的省会，与其相近规模乃至更大规模的城市相比，却有着更加突出的城市交通拥堵问题．相关研究表明城市道路建设(路网、桥梁与静态设施)滞后、功能(生活与交通)混合、负载过大(机动车辆激增)、工程干扰与道路管理落后是兰州市城市交通拥堵的主要问题[1-3]，同时河谷地形对城市道路网络通达性亦有较强的影响[2-3]，但尚未就河谷型城市道路网络的特征进行系统定量研究．

目前，对城市道路网络的研究多以几何网络的方法进行定量分析与评价研究，即以空间距离、时间距离或经济距离作为基本因子来度量道路网络的合理性与可达性[4-6]，如几何网络的距离法(非直线系数)、累积机会法、频率法、等值线法、重力模型法、平衡系数法、时空法以及效用法等方法[3,5-8]在区域或城市道路网络研究被广泛应用，但近年来越来越多的学者开始运用拓扑网络的方法进行城市道路网络研究[9-11]．空间句法是通过一种以拓扑度量法对包括建筑、聚落、城市乃至景观等各类人居空间结构的量化描述，来揭示空间组织与人类社会之间关系的理论和方法[9-11]．空间句法的“空间”不同于具有长度、宽度和高度3个维度的传统空间，不仅描述空间之间的几何与拓扑关系，而且关注局部的空间可达性，更强调局部空间与整体空间之间的关系以及整体的空间通达性和关联性；而“句法”借用了语言学中的术语，表示空间之间的相互组合、整体构成的内在规律，从而解释了空间安排的产生过程[12]．这种通过对空间进行尺度划分和空间分割形成子空间的图节点，将整个网络转换成为空间连接图，由此导出以多指标分析变量的空间句法，成为有效描述现代城市空间模式的计算机语言[5].空间句法在国内自引入以来，最初应用于建筑、街区的城市设计与城市空间形态研究[12-16]，此后逐渐引用到城市道路网络的特征[17]与可达性研究[18-19]、城市道路网络的空间形态[20-21]与空间结构研究[22]、城市道路网络的影响[23-26]及其方法改进[27-28]等研究．基于拓扑网络算法的空间句法为认识城市道路网络提供了新视角与新方法，文中以兰州市主城区道路网络为对象，运用空间句法探索和认识河谷型城市道路网络特征，为科学优化其布局结构提供参考．

1 研究范围与研究方法

1.1 研究范围

兰州市位于103°35′～103°57′E，36°30′～36°00′N之间，受南北两山的夹峙与黄河穿越的切割，形成了东西长约45 km、南北宽约2～8 km的狭长河谷型城市．主城区城市道路网络涉及城关、七里河、安宁与西固4区的50个街道单元，具体范围以充分包含城市道路的南北两山山脚为界，空间规模达213.2 km2(图1).2015年4区常住人口规模达251.91万人(《甘肃发展年鉴2016》)．

图1 研究区范围

随着兰州市社会经济的快速增长与城市建设步伐的加快，兰州市道路交通也在不断建设发展．到2015年，河谷空间形成了东西向的南滨河路、北滨河路、南山路、北环路等主干道，特别是连接城关区、七里河区与西固区的东岗路、庆阳路、西津路与西固路的中部主干路，贯通了市区重要的五里铺、盘旋路、东方红广场、南关什字、西关什字、解放门、小西湖、西站什字、西站、秀川、深沟桥、陈官营、玉门路十字与合水路十字等交通节点与商贸业节点.南北向形成了天水路、平凉路、皋兰路、金昌路、静宁路、酒泉路、中山路、敦煌路、玉门路与合水路等主干路.为了黄河南北的城市发展建成了西沙大桥、深安大桥、银滩大桥、七里河桥、小西湖桥、中山铁桥、元通大桥、城关黄河大桥、金雁桥、盐雁大桥与雁白大桥等．

表1 空间句法分析变量

1.2 数据来源

文中所选取的空间数据为2015年兰州市主城区道路网络数据，来源于《兰州市城市总体规划(2011—2020)》的现状图(2010)，以主城区4区的土地利用数据与行政区数据(2008年兰州市二调数据)为地图投影变换、空间几何校正依据，并基于2015年谷歌地球的影像数据补充兰州市主城区2010—2015年新增城市道路数据，从而建立统一地理坐标系与地图投影的2015年兰州市主城区城市道路网数据．城市社会经济数据来源于《甘肃发展年鉴2016》与《中国城市建设年鉴(2016)》．

1.3 研究方法

文中采用Depthmap空间句法软件进行兰州市城市道路网络的连接度、控制值、集成度以及智能度测算(表1)，其具体方法如下：① 对城市道路网络进行轴线绘制，即将2015年兰州市主城区道路网络数据导入AutoCAD软件，对“丁”字路与拐折路的交接处将各道路延伸稍微出头，弧线路与立交匝道按照“最长也最少”的原则选择更简化、更合理的连接关系；② 进行轴线图连接性检查修改，若整体线条都呈现绿色，说明连接性没有问题，若整体呈现红色，说明轴线图中至少有一根线没有与其他任何线相连接，是孤立的，这时Depthmap的运算结果没有参考价值，需要回到AutoCAD里重新检查，直至结果呈现绿色；③ 调整轴线标高、厚度为零，消除重叠线条，删除极其微小的线段；④ 将规范化的2015年兰州市矢量道路轴线数据转存为DXF格式，导入空间句法的Depthmap软件，通过convert功能构建兰州市空间轴线图，使用tools功能下的point/axial/convex命令进行空间句法分析，得到空间句法分析变量的相关指标及其图示化表达．

2 兰州市城市道路网络特征分析

2.1 河谷带状组团式空间分布特征

从空间分布看，兰州市主城区道路网络呈现河谷带状组团式空间分布特征，没有形成完整统一的诸如方格网式或环形放射式的道路系统结构形式，较集中地形成了城关区、七里河区、安宁区与西固区4大道路网组团，在各组团内形成了较为密集的格网状道路，而路网组团间联系较为松散，使得道路网络的均衡性与整体性较差．兰州市特有的“两山对峙,一水中流”的地理环境对城市发展空间及其道路网结构的产生了决定性影响，不宜集中连片开发的狭长河谷空间选择了组团式发展模式，导致城市道路网随着各组团中心的率先发展而不断向外延伸发展，使得组团内道路网较为完整密集，而组团周边及其组团间路网松散，因此那些既是组团内主干路又是组团间主干路的道路往往成为交通拥堵的主要道路(图2)．

2.2 交通选择性整体水平

空间句法的连接值和控制值测度道路交通的选择性，即某道路的连接值和控制值越大，表明与该道路相交的街道越多，通过该道路有更多通往其他道路的交通选择性，或者较高的空间自由选择度．从空间句法测算的兰州市主城区道路网络的连接度和控制度结果来看(图3)，高值道路与次高值道路的数量特别少，其余道路为中低值的连接度与控制度，表明兰州市主城区道路的交通选择性整体水平低，空间自由度差．其中，在高值道路中，东西向的横向道路数量(有西津路、安宁路与福利路)多于南北向的纵向道路(城关区的天水路)，次高值道路中，也表现为横向道路多而纵向道路少，表明兰州主城区道路的交通选择性横强而纵弱，横向道路的空间自由度相对较高，而纵向道路的空间自由度相对较低．之所以如此，是因为兰州市东西向的河谷带状空间形态使得东西向道路数量少而距离长，南北向道路数量多而距离短，从而使得贯通主城区与各组团的东西向道路有更多的南北向道路与之相交，导致兰州市连接值和控制值高的道路多为横向道路，体现为较高的交通选择性，而纵向道路因较少的横向道路与之相交，使得纵向道路的连接值与控制值都低，交通的空间选择差，也因此使得横向道路成为交通拥堵的主要道路，这其实也是受独特的河谷地形环境影响的结果．

图2 兰州主城区城市道路网络的组团式分布

2.3 道路网络的单中心结构特征

空间句法集成度测度的是某一空间与其系统所有空间的便捷程度，从分析结果看，不论是全局集成度还是局部集成度，兰州市主城区道路网络的集成度均呈现单中心结构特征，而这些单中心区域往往是易堵路段．

从全局集成度来看(图4(a))，高值道路位于兰州城区“哑铃型”空间的最狭小的地段，由介于西站与东方红广场之间的最高与次高可达性城市道路组成，构成了“鱼骨刺”状的主城区道路网络的可达性中心，说明这些道路在主城区整体道路网络中是发挥着的全局性与关键性作用的可达性道路.中间值道路多为各区的主要道路，而低值道路多在兰州市的边缘区域分布，特别是东西两端区域最为突出，最低值为西固石化厂区道路、雁儿湾路与南河路等道路，主要因为西固区大规模的石化工业区与东岗钢厂区(现已搬迁)内部的道路未能与城区道路有良好的连接．由此可见，兰州市主城区道路网络的拓扑可达性呈现“单中心”结构特征，距中心越近，拓扑可达性越高，随距离中心的距离增加，拓扑可达性降低．特别是这个带状中心正是Hillier[30]强调的“运动密度”的高运动密度带，反映了该路段在兰州市整个道路网路中有着更可能产生交流与更多副产品(路过商业)优势，因而成为最具吸引力的经过性运动空间．这表明河谷带状的兰州市区仍然是以城关区为核心的“单中心”城市结构，由安宁区、西固区与七里河区通往城关区的大量交通运输需求在此地段集中叠加，导致该路段也是兰州市道路运行缓慢与拥堵易发地段．因此，积极推动兰州市第三版规划“一河两城七组团”的“双中心” 与第四版规划 “一河两岸三心六组团”的“多中心”规划目标建设，不仅可以极大地提升安宁区、七里河区与西固区各自的集聚能力与反磁力作用，更有助于缓解城市道路网络的单中心结构的交通压力，对推动河谷型城市的可持续发展有着长远而重大意义．

图3 兰州主城区道路网络连接度与控制值空间分布

图4 兰州主城区道路网络全局集成度与局部集成度空间分布

从局部集成度来看(图4(b))，主城区4区道路网的拓扑可达性亦呈现较弱的“单中心”结构特征，即除西固路网组团外，城关区、七里河区与安宁区都分布有最高值的局部集成度道路，外围多为中低值道路．如城关区高值道路以天水路为主，包括平凉路、庆阳路与东岗西路等，七里河区的高值道路以西津西路为主，安宁区的高值道路是安宁路和建宁路，这说明这些道路是各自组团的可达性道路，有较强的聚集与离散作用，分别构成了各组团的可达性中心，当然这些路段也是各组团容易形成交通拥堵的地段．相对而言，除城关区外，其他3组团内部道路网络结构相对不完整，特别是西固路网组团局部集成度无高值轴线，轴线多为中低等级，说明该组团道路的拓扑可达性和便捷性较差，可达性中心性不明显．因此，在区层面加强各组团道路网络的连通性与完整性显得尤为迫切．

2.4 道路网络的连通感知能力

空间句法智能度测度的是从局部空间去感知整体空间的连通程度，若智能度高意味着所在的局部空间信息有利于感知整体空间信息，局部和整体的结构相似性与协调性较强，越容易形成整体性的空间认知，反之亦然．空间句法对智能度的衡量通过局部和全局的相关性来判断[30]，文中从兰州市主城区的总体的市级层面与各路网组团的分区层面进行智能度的测度，以辨识不同尺度上局部空间对整体空间的连通感知能力的差异特征．根据空间句法Depthmap获得的兰州市道路网络的全局集成度与局部集成度数据，分别建立市级尺度的总体回归模型与区级尺度的全局集成度与局部集成度的回归模型，并依据统计学的相关系数R的显著性与t检验方法，形成兰州市与4区的城市道路网络智能度结果(表2，图5-6)．

表2 智能度的线性回归关系

从市级尺度的总体层面看(图5)，兰州市主城区道路网络的全局集成度与局部集成度相关系数为 0.517，两组数据呈现中度相关，存在中度的局部空间对整体空间的连通感知能力，即通过局部范围内的道路空间信息(如方向性)感知城市整体道路空间信息的处于中等水平，既不是高感知也不是低感知，局部空间与全局空间的关联性一般．表明兰州市带状组团式的城市空间结构形态能够形成河谷带状的空间感知，但难以形成鲜明而完整均衡的道路网络体系．从区级尺度的各分区层面看(图6)，4区道路网络的全局集成度与局部集成度相关系数为西固区>安宁区>城关区>七里河区，西固区与与安宁区局部属于高度相关，存在很强的局部空间对整体空间的连通感知能力，而城关区与七里河区属于显著相关，存在较强的局部空间对整体空间的连通感知能力．表明以区级尺度将分区组团作为一个整体时，分区组团内的局部空间对组团整体空间有较好的空间可达性信息获取感知，局部空间与组团整体空间的关联性强，容易形成各组团自身的较强整体空间连通感知能力．

图5 兰州市全局集成度-局部集成度散点图

图6 兰州4区城市道路网络全局集成度与局部集成度散点图

3 结论与讨论

3.1 结论

根据以上空间句法变量的结果分析，兰州市城市道路网络特征直观清晰，符合河谷型城市的地域环境特点与城市道路网络的空间特点，凸显了空间句法是有别于传统的几何网络的研究方法，对深入认识河谷型城市道路网络的分布规律及其内在逻辑关系提供了新视角，为河谷型城市道路网络建设与布局优化提供了思路．

1)河谷带状组团式空间分布特征，即在兰州市主城区道路网络在“两山对峙，一水中流”的河谷带状空间没有形成完整统一的诸如方格网式或环形放射式的道路系统结构形式，而形成了城关区、七里河区、安宁区与西固区4大较为集中的道路网组团，使得主城区路网的均衡性与整体性较差，导致那些既是组团内主干路又是组团间主干路的道路往往成为交通拥堵的主要道路．

2)交通选择性整体水平低，高选择性道路横强而纵弱，即兰州市主城区道路网络的高连接度和控制度的道路数量特别少，而中、低连接度和控制度的道路数量多，表明兰州市主城区道路的交通选择性整体水平低，空间自由度差，并且在高连接度和控制度的道路中，横向道路的交通选择性强而纵向道路的交通选择性弱，也因此使得横向道路成为交通拥堵的主要道路．

3)道路网络的拓扑可达性呈单中心结构特征，不论是全局集成度还是局部集成度，单中心结构表现出拓扑可达性由中心向外的距离衰减规律．全局集成度的拓扑可达性中心介于西站与东方红广场之间，成为最具吸引力的经过性运动空间，使得来自安宁区、西固区与七里河区的交通运输需求在此地段集中叠加，导致该路段也是兰州市道路运行缓慢与拥堵易发地段．而局部集成度是以各组团的主干道路为可达性中心，有较强的聚集与离散作用，这些路段也是各组团容易形成交通拥堵的地段．

4)道路网络的连通感知能力总体弱而分区强,即受兰州市河谷空间环境的影响，城市道路网络在市区尺度上难以形成鲜明而完整的道路网络体系，使得城市道路网络的整体性方向模糊，辨识性低，大大弱化了居民通过局部范围内的空间信息来获得城市整体空间可达性信息的能力．而分区层面的智能度却表现出较强的局部空间对整体空间的连通感知能力，表明尺度降低，各组团层面的道路网络相对完整均衡，道路方向有较强的空间辨识性，从而容易形成各组团自身的整体性空间认知能力．

3.2 讨论

尽管如此，空间句法的结果与方法本身仍存在如下值得探讨与完善的地方：

1)就空间句法的连接度与控制度的测算结果看，部分诸如西津路、安宁路、福利路与天水路等应属于交通选择性强的道路，但由于空间句法缺乏对交叉方式(平面交叉与立交)、交叉道路等级、不同线路公交车辆经停频次以及实施单行路的交通管理等因素的辨识，导致连接度测算与现实存在一定的偏差．但空间句法所关注的道路网络的交通选择性是值得肯定的，在现实的城市道路网络建设中，应以交通选择性为重要目标，增加影响连接度与控制度的主要因素，不仅使其测算结果更具符合实际情况，而且又可为提高道路网络的交通选择性提供政策建议．

2)就空间句法集成度的测算结果看，不论是全局集成度空间分布，还是局部集成度空间分布，城市道路网络的拓扑可达性皆呈现中心外围结构特征，结果比较符合兰州市主城区空间结构的现实状况，但不能忽视集成度变量隐含的几个问题：① 如何解决基于集成度所揭示的中心外围问题，溯本求源，必然回归到道路的连接度与控制度，结果必然局限了解决问题的广度，而现实中的城市道路可达性影响众多，比如道路等级、道路功能、交通工具、运移速度、交通管理、道路密度、人均道路面积等因素．② 空间句法变量的集成度是一个相对值的概念，而全局集成度与局部集成度又隐含一个计算尺度的差异，即全局集成度是某一空间与所有空间拓扑可达性的相对值，是全域空间拓扑可达性的相对值；而局部集成度是与距其3个拓扑步数范围内空间之间的相互关系，是局部空间拓扑可达性的相对值．因此，具有不同尺度的相对优劣势比较概念的全局集成度与局部集成度还有进一步完善的地方．

3)依据空间句法的全局集成度与局部集成度数据，分别建立市级尺度与区级尺度的回归模型，以相关系数表征的智能度探寻局部空间对整体空间的连通感知能力，对评价局部城市道路网络与整体道路网络的相似程度，建立整体性空间认知有积极意义．但智能度以每段道路为样本按照统计学方法进行测算，无法直观表达道路网络连通感知能力的空间分布状况，同时智能度大小又与研究尺度有一定的关系，市区尺度的河谷型道路网络的均衡性与完整性必然低于区级组团道路网络的均衡性，因而智能度低．

因此，以拓扑可达性为核心的空间句法进行城市道路网络研究时，存在与城市交通类型、交通流量站点、职住空间分布以及城市社会经济数据不能有效集成的问题.在后续研究中，若能融合相关影响因素，从不同时间尺度，更深层次挖掘城市道路网络问题，有望取得更有说服力的结果．

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