基于空间句法的1964年以来赤峰城市内部空间形态特征分析

韩佳霖, 乌 敦, 刘思琴, 张晓燕, 王婉婷

(内蒙古师范大学 地理科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022)

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[1],是城市地理和城市规划的重要研究领域[2]。对于城市空间形态演变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[3]。当前研究侧重城市空间形态的整体变化特征,如城市边界形态演变[4-5]、城市土地利用变化[6-7],而运用城市交通网络拓扑关系的方式对城市内部空间结构演变研究较少。研究区域主要集中在经济较为发达的东部沿海和少数内陆的大城市[8],边疆地区的研究多选取具有特殊历史意义的城市,如呼和浩特市[9]、乌鲁木齐市[10]等,对于北部边疆地区,特别是内蒙古自治区东部地区中小城市的研究相对不足。

城市交通网络具有引导城市形态发展,塑造城市形态的功能[11],是城市内部空间演变的重要表征因素。空间句法(space syntax)作为一种描述城市空间结构特征的计算机语言,是研究城市交通网络结构演变的重要方法,其基本原理是将城市交通系统抽象为一组彼此相交的线段,通过计算系统内线段之间的拓扑关系来反映其连接性[12]。现今,空间句法运用在城市研究的诸多方面,如城市街道网络布局特征[13-14]、城市空间与社会文化间的联系[15]、历史街道演变[16-17]等,城市空间形态的研究仅是其诸多研究方向之一。空间句法通过计算得到集成度、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的变化。

《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》提出“优化城镇规模结构,增强中心城市辐射带动功能,加快发展中小城市”。赤峰市作为内蒙古东部地区区域性中心城市,近年来随着国家新型城镇化和振兴东北老工业基地等战略的实施,经历了快速城市扩张与人口增长并逐渐发展成为中等规模城市,对其城市空间形态演变研究具有一定价值。因此,本文基于空间句法理论,借助GIS技术平台和Depthmap软件,计算1964年以来赤峰市中心城区共六个时期交通网络的相关变量,分析内部城市空间形态演变特征,以期为未来赤峰市的城市规划、土地利用、城市环境的改善提供科学依据,并为深化北部边疆地区中小城市空间演变过程与机理的相关研究提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 空间句法与模型构建 空间句法于20世纪70年代由英国伦敦大学巴格特建筑学院的Bill Hiller、Julienne Hanson等提出,主要通过对城市系统、建筑、聚落、景观等的量化描述,表达空间形态结构与人类社会行为之间的关系[18]。空间句法描述了在人类活动参与下的城市空间形态特征[19],将人类社会活动与城市空间相联系,体现具有社会属性的城市空间[20]。空间句法理论的基本思想是对空间进行尺度划分和空间分割[21]。根据实际需求主要分为三种方案: 轴线分析法(axial line),适用于建筑密集区; 凸多边形法(convex spece),主要用于建筑群内部或走廊; 视区分割法(visibility graph analysis),多用于室内空间[22]。本文基于城市层面进行句法分析,采用轴线分析法。

运用空间句法中的轴线分割方法[23],按照“数量最少、长度最长”的原则,在AcrGIS10.2软件中提取各时期的街道轴线数据。使用由伦敦大学学院空间技术分析中心开发的Depthmap10.0软件,对已提取道路轴线网络进行空间拓扑分析并计算全局集成度、局部集成度、协同度等参数。对各时期的城市内部空间形态演变进行比较分析,归纳总结赤峰市近六十年来城市空间形态演变的规律。

1.1.2 空间句法量化指标 (1) 集成度(integration value): 集成度是指在研究区内的所有轴线到达某条轴线的容易程度,可以反映所研究轴线与系统中其他轴线的集聚或离散程度。当某一区域集成度值越高,代表该区域交通便捷性越高,相对应的轴线多是基础设施完备的城市商业中心、人流量较大的城市主干道; 集成度值越低,表示区域交通便捷性较低,相对应的轴线多是基础设施较为薄弱的城市边缘地带、人流量较小的支路。

集成度分为全局集成度和局部集成度,全局集成度表示从某一节点出发与整个系统内所有节点联系的紧密程度,局部集成度则表示某节点与其附近几步内节点间的紧密程度[22]。其表达式为

(2) 集成核: 在整个轴线体系内,必然有一部分轴线的集成能力处于支配地位,这部分轴线构成了城市的集成核[24]。当轴线数在200以内,提取集成度值排在前10%的轴线为集成核,当轴线数大于200时,提取集成度值排在前5%的轴线为集成核。集成核代表了城市中可达性最高的道路集合,是城市中心性最强的区域。

(3) 协同度(R2): 是描述整体集成度与局部集成度之间相关性的变量。当某个轴线系统的协同度高时,表示该轴线系统局部范围内轴线的可达性与全局范围内轴线的可达性一致,即从局部空间就能很好地感知整体空间[25]。

1.2 数据来源

选取1964年社会主义建设时期,1984年改革开放初期及1996年、2003年、2009年、2018年快速城市化时期共六个时间段,反映赤峰市近六十年来的城市内部空间扩展过程及阶段性特征。轴线图底图来源于内蒙古自治区测绘局编制《昭乌达盟行政区划图》所附1964年的赤峰市城区图; 《内蒙古地名志》赤峰市分册所附1984年赤峰市城区图; 中国地图出版社出版《赤峰地理》所附1996年赤峰市城区图; 同时选择2003年、2009年、2018年的谷歌地图高清影像对路网数据进行矢量化以建立数据库,并结合内蒙古自治区地图院编制的2003年、2009年、2018年赤峰市城区图辅助判断。查找《赤峰市建设志》《赤峰市志》《内蒙古地名志》赤峰市分册中对于市区道路的描述以进一步精确确定和建模,参照各个时期的地图添加道路名称等属性。

1.3 研究区概况

赤峰市位于内蒙古自治区的东部,蒙冀辽三省交汇处,内蒙古高原、冀北丘陵和辽宁平原复合部位,三面环山、西高东低、呈现多山多丘陵的地貌特征,属中温带半干旱大陆性气候区。赤峰市是内蒙古东部地区的中心城市,京津辽沈通往内蒙古草原的通道和走廊,也是内蒙古东部地区与津京冀地区和东北地区的重要门户,素有“塞北通衢”之称。2018年,赤峰市常住人口433.09万人,其中中心城区总人口为105.74万人。全市地区生产总值1 708.4亿元,人均GDP为3.95万元。内蒙古自治区“十三五”新型城镇化规划提出未来赤峰市将建成蒙东冀北辽西地区的区域性中心城市,并成为以有色金属、能源化工、商贸物流、文化旅游为特色的生态宜居文化名城。

2 赤峰市空间句法轴线特征分析

2.1 赤峰市全局集成核演变特征分析

全局集成度是研究城市整体的交通网络,集成核代表城市整体的中心区域,也是城市中心性最强的区域。1964-2018年赤峰市全局集成度及集成度核心分布情况如图1和图2所示。

图1 1964-2018年全局集成度分布图

1964年集成核以东西向的哈达街、三道街,南北向的新华路、昭乌达路为主要发展轴线,呈树枝形态向外扩张,集成核范围较小。1964-1984年集成核范围逐步扩大,东西向的钢铁街、长青街集成度值增高,轴线呈向南扩张的趋势。1984-1996年,集成核范围变化不大,但东西两侧轴线数量增加,南北向街道园林路、清河路集成度值较高,表明这一时期城市以东西方向扩展为主,城市中心略向南移。至2003年,这一时期与1996年集成度值高的分布区域相比,集成核范围无明显变化,仍以老城区为主。2003-2009年,集成核范围大幅扩大,向西扩展至新城区的宝山路和临潢大街,向北扩展至松山区的松山大街和迎金路。集成核在新城区及松山区呈树枝形态向外扩展,并进一步向四周渗透,集成核的环状型集成特征初步形成。2009-2018年,该时期内向西向北轴线数量增加明显,集成核范围继续扩大,新城区、松山区与老城区的轴线开始连成一片,呈环网状分布格局,城市向西向北扩展态势明显。

图2 1964-2018年全局集成度核心分布图

梳理1964年以来赤峰市全局集成核发生的变化,可判断城市核心区域变化的轨迹和趋势。1964-2003年,城市受北部英金河、锡伯河的阻碍,其扩展方向主要以向南扩展为主,表现为集成度值高的轴线不断南移,集成核呈现先向南,再向东西方向扩展的趋势,这一时期集成核范围变化不大,扩展形式表现为由树枝状扩展向环状扩展转变。2003-2018年,集成核范围大幅扩大,此时城市开始突破河流限制,全局集成度值较高的轴线开始向西部新城区、北部松山区呈树枝状扩展。向西、向北的集成核轴线逐渐发展为新的增长中心,集成核由环状型向网状型发展过渡,但全局集成度高的轴线仍以老城区为主。总之,赤峰市在城市空间扩展过程中,随着集成核范围的不断增大,以老城区为中心向北、向西扩展,形式上集成核由树枝状逐渐向网格状转变,城市整体结构趋于规整。

2.2 赤峰市局部集成核演变特征分析

局部集成度研究的是一定范围的交通网络,其集成核代表了一定范围内区域的中心。1964-2018年赤峰市局部集成度及集成度核心分布情况如图3和图4所示。1964年集成核主要以东西向的三道街、哈达街、钢铁街及南北向昭乌达路和新华路为发展轴线,呈树枝状扩展。1964-1984年,向南、向东的轴线数量增多,即集成核向东、向南扩展明显,街道形态较上一时期规整,网格状集成特征基本形成。1984-1996年,老城红山区集成核范围变化不大,西北向的英金路局部集成度值增高,表明该地区有发展成集成核的潜力。1996-2003年,向西、向北的轴线数量增加,表明该时期集成核向西、向北扩展明显,此外,松山区方向的英金路与向阳大街组成十字型集成核,局部集成度值继续增加。至2009年,集成核范围大幅扩展,向北、向南的松山区与新城区轴线数量增加并发展为次一级核心区,但各分区间仅通过临潢大街、钢铁街等少数集成度较高的轴线相连,表明各分区之间的相互联系较弱,独立且呈网格状发展。2009-2018年,北部松山区、西部新城区轴线数增加,集成核继续向北向南扩展,同时,桥北地区的赤锡路、清河北路局部集成度值不断增加,有潜在集成核出现的趋势。

图3 1964-2018年局部集成度分布图

图4 1964-2018年局部集成度核心分布图

分析不同时期局部集成核演变情况可以看出,1964-1984年赤峰市集成核的位置相对稳定,集成度高的轴线向南迁移,局部集成核与全局集成核变化趋势基本保持一致,即先向南,再向东西两方向扩展。1984-2003年,进入快速城市化时期,集成核大幅向北扩展,老城区集成核范围变化不大,松山区以英金路、向阳大街为核心呈树枝状扩展,城市开始打破单核心扩展模式,向多核心扩展模式转变。2000年以后,在西部大开发和振兴东北老工业基地战略背景下,赤峰市城区发展采取改造和振兴东部工业区、完善发展松山新区、开拓西部新区的发展战略。2003-2018年,西北方向的新城区迅速发展出新的核心,北部松山区的轴线数量也不断增加,集成核范围继续扩大。玉龙大街、友谊大街和钢铁街等连通各分区的街道集成度值逐渐提高,表明集成核内部空间联系加强,呈现环状型集成特征,但各分区内集成核以网格状且独立扩展的态势没有改变。六十年来,伴随着赤峰市局部集成核范围的不断扩大,城市扩展呈现多核心组团状扩展模式,各组团以独立发展为主,相互间的连通性较差。

图5 不同时期赤峰市城市空间协同度散点图

2.3 赤峰市城市空间协同度对比分析

计算各时期赤峰市全局与局部集成度的相关性,绘制出协同度的散点图(图5)。如图5所示,1964年协同度值为0.92,呈高度相关,表示该时期赤峰市城市空间结构合理,全局中心性与局部中心性的空间关联程度较高,城市空间结构的协同性和聚合性较强(一般来说,当两组数据存在相关性,即满足0.8≤R2<1时,呈高度相关; 满足0.5≤R2<0.8时,呈中度相关; 当0.3≤R2<0.5时,相关度低)。1984年、1996年和2003年空间协同度值分别为0.89、0.86和0.83,空间协同度依然高度相关,但较1964年呈下降趋势,表示全局与局部的空间关联性下降,城市空间结构趋向松散,城市空间的合理性降低。2003年、2018年空间协同度值分别为0.65和0.58,空间协同度快速下降并呈中度相关,全局与局部的空间关联性进一步降低,城市的局部中心趋向独立发展。

通过分析1964年以来赤峰城市空间协同度变化特征可知: 1964-2018年协同度整体呈加速下降趋势,即随着城市规模的不断扩大,局部空间与全局空间互动性减弱,城市从局部到整体的空间感知能力降低。其中1964-2003年协同度变化不大,呈高度相关,代表局部与整体间相互协调,此时城市以单核心扩展为主。2003-2018年协同度快速下降,代表该时期城市发展迅速,局部区域的中心性快速增强,城市由原来的单核心转向多核心、组团状发展。

3 结论与讨论

基于空间句法理论,借助GIS技术平台和Depthmap软件,通过空间句法轴线模型计算1964年来赤峰市城区交通网络的集成度、集成核和协同度等参数,定量的分析赤峰市内部城市空间的形态演变特征,主要结论如下: (1)从全局集成度来看,随着城市核心区范围的扩大,赤峰市以老城区为中心主要向北向西扩展,集成核由树枝状逐渐向网格状转变,城市整体结构趋于规整; (2) 从局部集成度来看,城市从单核心扩展向多核心扩展转变,表现为多核心、组团状的扩展模式,各组团以独立发展为主,相互间的连通性较差; (3) 1964-2018年协同度由0.92降低至0.58呈加速下降趋势,城市局部空间与全局空间的互动性减弱,从局部到整体的空间感知能力降低。

本文从交通路网变化的角度对赤峰市近60年来城市空间形态演变的过程进行了梳理,其城市空间形态经历了1964年的树枝状集成核出现阶段、1984年的环网状集成核出现阶段及2003年以后的多核心形态形成阶段,这与朱风东[26]对城市空间句法形态结构演变的研究相一致。此外,对矢量化历史时期的交通地图同样具有很高的研究价值,城市街道网络作为城市变迁的记载体和历史文化最直接的承载者[27],可为赤峰市今后城市发展特征、历史演变规律的研究提供科学合理的依据。需要指出的是,城市空间形态的演变是一个复杂的过程,其变化受土地利用、经济发展、人口增长和规划政策引导等多方面因素影响,本文仅限于对空间句法轴线数据的一般性指标进行分析,无法涵盖城市形态与其活动的各个方面,今后需结合更多角度及更深层次地进行探索研究。