基于建筑大数据的城市三维空间形态研究——以武汉市主城区为例

文／徐静谊 武汉工程大学土木工程与建筑学院

周 鹏 武汉工程大学土木工程与建筑学院 讲 师（通讯作者）

刘雅婷 武汉工程大学土木工程与建筑学院 硕士研究生

王江徽 武汉工程大学土木工程与建筑学院

尹 潇 武汉工程大学土木工程与建筑学院 硕士研究生

引言

过去的城市形态研究主要是在二维上，少数研究分析建筑高度，仍然缺乏大量立足于三维空间的城市形态研究与实践，无法满足大数据环境下城市形态三维空间多维特征研究的需要。

目前，海量大数据为形态研究提供了新数据环境，革新了城市形态的内涵；但是，针对城市立体形态研究的大数据集成融合技术的缺乏，限制了研究成果应用的准确性、时效性和广泛性。新数据背景下城市立体形态的内涵包括多元要素的三维空间形态、功能与规划视角的分布规律，需要利用多元大数据挖掘城市三维空间的土地利用、社会和功能分布特征，综合测度城市立体空间的多维特征，刻画城市立体形态。但是城市三维形态测度方法仍然存在问题。当前对大数据应用体系与测度方法体系仍缺乏系统性研究。随着时代背景与数据环境的发展，新型大数据具备传统数据无法比拟的优势，海量、全面、高速与多变的大数据有助于准确刻画城市形态及其演变规律。虽然已出现基于泛在网络大数据的城市形态研究，但是对大数据应用体系与测度方法体系仍缺乏系统性研究，其数据类型、利用方式与测度方法单一，多停留在POI 或GPS 数据的核密度分析和空间聚类，忽略了对城市居民的情绪感知。

文章以武汉市主城区为目标，把具体的城市建筑形态抽象成三维点，以建筑高度为标尺把城市建筑分类，分析高度不一的城市建筑在二维平面及三维空间的分布特征。解读武汉市主城区城市三维形态特征，有助于优化城市空间功能布局和指导城市规划与设计，为城市规划和城市设计提供参考。

1 研究区与数据源

1.1 研究区概况

武汉作为湖北省的省会城市，面积为8494.41 平方公里。范围内包揽了11 个城区，2个郊区；文章的研究区域主要是武汉的主城区三环以内的区域，对于范围内的建筑基于点格局来分析，研究区面积863 平方公里，高达643 万人口。

1.2 数据源

武汉市主城区建筑数据是使用网络爬虫技术从万维网上采集相关数据，并从武汉市国土资源局申请获得武汉市建筑数据。在Arc GIS 软件中，对数据进行处理，将建筑数据整合后，形成样本点，完成建筑数据转化为建筑点。

武汉市主城区建筑数量共计488602 座。其中，低层建筑最多，有近41 万座，占83.73%；多层建筑其次，有近7 万座，占比14.24%；高层建筑较少，只有近万座，占比1.99%；而超高层建筑最少，只有170 座。

1.3 分析方法

本研究从收集数据到分析数据，采用了网络爬虫技术、热点分析法、趋势面法、核密度法，对武汉市主城区的4 种不同类别的建筑数据的点格局进行分析与相关研究。

1.3.1 网络爬虫技术

过去的网络爬虫技术包括三个部分：协议处理模块、URL 处理模块和内容检测模块[1]。至今被较多使用的网页搜索技术主要是深度优先、广度优先、最佳优先三种[2]。

1.3.2 热点分析法

热点分析法刚开始是为解决全局Moran’I统计无法有效地揭示要素空间独立性问题而开创出的新理论。它能够明确表现出空间数据在相应区域内的高值与低值的聚集程度[3]。

热点分析（Getis-Ord Gi*）的数学公式如下：

其中：为Dab为距离矩阵；δ 为距离参数。

在GIS 中能够直接显示出建筑高度的空间位置，热点分析能直观地显示出建筑高度在研究区内是否产生高值与低值集聚程度。

1.3.3 趋势面分析法

趋势面分析法是一种数学分析法。它可将建筑高度分为两种特征的变量，来研究在空间结构上建筑高度呈现出的变化规律。如果将建筑高度变量（Z）当成因变量，把二维平面（X、Y）的地理坐标当成自变量，那么不同的建筑高度变量就会在二维平面上拟合成面，如果能发现一个面表示建筑高度总体变化趋势，则反映建筑高度变量趋势性变化的面就是“趋势面”[4]。

1.3.4 核密度分析法

密度是要素在空间上的场表现，每个要素及其周边要素在一定区域上的关联，以各要素聚集的形式呈现。核密度估计是一种非参数检验方法，密度函数一般在概率问题的分析上使用[5]。核密度方法的计算公式为：

式中，f（s）表示空间上s 处的核密度函数；h 是距离衰减阈值；n 是距离s 处小于或等于h的要素数；k 函数则是空间权重函数。次公式表明，在ci位置时计算的要素密度值最大，距ci越远则密度值越小，当与ci距离等于阈值h 时核密度值变成零[6]。

1.3.5 地理探测器分析法

地理探测器是由王劲峰等提出的用于探测空间分异性的一种方法[7]，这种方法最初用来研究美国的一种疾病与地方的关联性，近年来，地理探测器逐渐被运用到各种领域。本文将其运用于对武汉建筑高度进行多因子探测，其模型如下[8]：

式中，PD,H值越大，则探测因子对建筑高度的影响越大。

2 武汉市主城区建筑点格局分析

2.1 热点分析法的建筑点格局

经过热点分析，表现出武汉市主城区呈现多中心格局，建筑高度热点区域多分布于武汉市城市各级中心。但是，各城市中心的发展战略地位不一，参照武汉市总体规划可知，主城区持续其圈层式发展、组团式布局的城市格局，将主城区结构规划为中央活动区、东湖风景名胜区和综合组团。

在武汉市主城区的城市建设过程中，就数量最多的低层建筑而言，除却部分名胜古迹等历史建筑会被采取保护性修建措施外，大部分的低层建筑会被改建，这使得低层建筑区域减少而更加聚集；就多层建筑而言，大部分的多层建筑会逐渐被高层建筑甚至超高层建筑所替换掉，使得多层建筑聚集程度增大，而高层建筑数量将会相应地增加，且其分布区域也会相应地扩张，但随着区域的扩张其聚集度反之则降低。城市化进程的加快使城市内的用地减少，地价也会随之增高，其中一般依然以城市中心为最高。为了使土地得到最大的利用，超高层建筑会越来越多地聚集在城市中心区域及交通发达地带[9]。

2.2 趋势面分析的建筑点格局

仔细分析武汉市主城区建筑点群立体图可知，武汉市主城区建筑格局总体上高低起伏，在三维立体形态中各类建筑占据不同空间，层次分明，整个研究区域城市建筑在三维空间上明显呈现中部高四周低、西南部高于东北部的趋势。

为全面研究各类建筑高度在三维空间的布局形态与特点，使用武汉市主城区所有建筑点数据，进行趋势面拟合，建筑整体上表现出四周向中部递增、西南部向东北部递减的趋势；低值区在研究区域外围散乱分布，而青山区存在一个集中的低值区。

但是，近49 万个样本点的计算，使得图面难以表现出建筑高度的高值区的分布情况。在选择对比后，以近万个大于24m 的高层及超高层建筑点数据为研究对象进行趋势面拟合，可以明显地看出，武汉市主城区建筑有2个主要高值区。

武汉市主城区容积率核密度高值区主要分布在汉口。在整个研究区中，武昌部分建筑高度最高，但汉口部分容积率最高，说明武昌部分土地利用程度比汉口部分土地利用程度表现较弱，则武汉市主城区中央活动区的城市建设活动可以趋向武昌部分，武昌以新建为主，汉口以改建为主。而光谷附近的建筑高度高值区，容积率较低，说明光谷部分已开展城市建设，但建设力度较弱。结合光谷附近科技产业及大学城的优势，武汉市主城区综合组团的城市建设活动可以趋向光谷附近；其他建筑高度低值区，一般容积率也较低，定位为东西湖风景名胜区和综合组团，也应该积极开展城市建设，加快武汉市主城区规划结构的建设。

2.3 建筑分布格局与城市公共服务设施相关性分析

为研究武汉市主城区建筑格局，本研究采用核密度估计的方法，分析建筑分布格局与城市公共服务设施的相关性。在建筑点样本中选取建筑高度进行核密度分析，来表现建筑高度的聚集程度。在对教育设施、基础设施等服务设施进行核密度分析后，与建筑高度分析对比，可以分析建筑格局与公共服务设施的相关性。

2.3.1 建筑分布格局与教育设施的相关性分析

在研究区内，汉口区域幼儿园及建筑高度高密度区远多于武昌、汉阳区域；武昌区域幼儿园、建筑高度均呈现中等密度；在光谷附近存在幼儿园、建筑高度的高密度点；小学高密度聚集于汉口区域。但是，按规划的需求来说，在武昌、汉阳等建筑高度的热点区域也应有高密度的小学，表明小学与建筑高度成正相关；大学高密度聚集于光谷附近，在其他区域只有较少的大学。对比样本建筑点，中央活动区的建筑密度与大学并无明显联系，而在综合组团区域，大学密集区域的建筑也呈高度密集，表明受政策影响，在大学城附近的建筑高度与大学成较强的正相关；而职业教育学院的高密度区域周边同样存在建筑高度的高密度区域，与建筑高度成正相关。

经过分析研究发现，教育设施对建筑建设有正相关，教育设施密集区域的建筑高度也呈现高密度聚集，建筑建设会带动教育设施的建设，教育设施的建设也会促进周边土地的利用效率，趋向于高层建筑的建设。

2.3.2 建筑分布格局与基础设施的相关性分析

基础设施完善的城市更能吸引人口的聚集并满足人口对于生活的需求，城市职能就越能发挥积极作用。本研究中，选取了道路、公园、广场3 种基础设施为研究对象，逐一对比分析。

在研究区内，道路由于其交通组织作用，遍布整个研究区，其高密度也分布在各区域，但表现最明显的在汉口江汉路附近。但是在密集最明显的区域存在差异，但是总体上在汉口临近两江交汇处。表明道路对建筑高度有良好的促进作用。武汉市的城市建设应该趋向于道路高密度而建筑高度低密度的区域，提高各级城市中心的建设力度，使土地的利用最大化。

经过研究分析发现，基础设施也对建筑建设有正相关。基础设施的密集区域也是建筑高度的密集区域，建筑建设会带动基础设施的建设，在武汉市的建筑建设向光谷等次级中心转移的同时，其相应基础设施也要加快建设。

2.3.3 建筑分布格局与其他服务设施的相关性分析

对城市来说，公共服务设施越完善，城市职能就越齐全。在本研究中，选取了综合医院、集贸市场、综合商场、大型超市4 种服务设施为研究对象，进行对比分析。

综合医院密集区域分布在整个研究区，基本上各区域都有密集区。医院与建筑高度成正相关。在武汉市各次级中心建设发展的同时，也要加强综合医院的配建，满足居民在健康方面的需求。其他服务设施与建筑高度成正相关。城市建设的同时带动服务设施建设，服务设施的建设促进建筑高度的增长建设。在武汉市中央活动区已完成大部分建设，城市建设向光谷等次级城市中心转移的同时，各类服务设施也要在次级中心加强建设，完善城市职能构成，促进城市发展。

2.3.4 建筑分布格局与各项设施的地理探测器分析

为进一步研究各影响因子对武汉市主城区建筑格局的差异性，并对城市建设分区管控提出较为针对性的建议，文章引用地理探测器对武汉建筑高度进行多因子探测。

由表1 给出的探测结果可知：从整体看，各影响因子p 值均小于0.05，表明满足分层条件下变量Y 呈聚集分布的假设，则可通过地理探测器解释这些因子与建筑高度的相关性。

表1 建筑高度全局探测结果（表格来源：作者自绘）

从类型上来看，武汉市建筑高度受教育设施分布影响最为大，基础设施和其他服务设施类型次之。从单因子来看，对武汉市建筑高度贡献值较大的影响因子分别是幼儿园、大型超市、道路和职业学院，贡献值次之的影响因子分别为小学、大学、集贸市场、综合医院，贡献值较小的影响因子分别为综合商场、公路和广场。综合来看，其探测结果与和密度分析结果基本符合，11 个影响因子对建筑高度均有影响，且各影响因子对其贡献值有一定的差异性。

3 结论与讨论

3.1 结论

建筑是城市三维形态最基础的构成要素，建筑形态与布局对城市的三维形态有重要影响，直接地表现出建筑群体错乱无序的特点，无法说明城市的三维形态特征是由城市建筑群体构成的特点[10]。因此，本研究把武汉市主城区城市建筑的点数据三维化，利用热点、趋势面等进行点格局分析，深入研究城市建筑高度的空间布局形式，解读武汉市主城区城市三维形态。研究结论具体如下：

（1）武汉市主城区大体上呈多中心聚集分布格局。高值点的聚集区域（热点区域）不仅建筑高度高，而且建筑聚集程度较高。

（2）武汉市主城区建筑格局呈中部高四周低、西南部高于东北部的趋势。总体上高低起伏，在三维立体形态中各类建筑占据不同空间层次分明，整个研究区建筑在三维空间上明显呈现中部高四周低、西南部普遍高于东北部。

（3）建筑高度与大部分公共服务设施成正相关。建筑分布格局与城市公共服务设施成正相关。聚集区域与建筑高度密集区域大体上重合，高密度区域也大致上重合，对建筑建设活动有积极影响，建筑建设也会带动这些设施的建设。

（4）建筑高度与大部分公共服务设施呈正相关。建筑分布格局与城市公共服务设施呈正相关。这些设施对建筑建设活动有积极影响，建筑建设也会带动这些设施的建设。

（5）在研究区内，各服务设施与建筑分布格局成正相关，其聚集区域与建筑高度密集区域大体上重合。但各影响因子对建筑高度的贡献值有一定的差异性，武汉市建筑高度受教育设施分布影响最大，基础设施和其他服务设施类型次之，其中，幼儿园对其贡献值最大。

3.2 讨论

本文根据武汉市主城区城市三维形态的研究结论，对武汉市主城区的城市开发与空间布局提出相应的政策建议。建议武汉市的规划建设，城市建设活动可以趋向武昌区域的城市次级中心部分，武昌以新建为主，汉口、汉阳以改建为主。对众多底层、多层建筑的汉口、汉阳的周边区域，以旧城改造建设活动为主；在武昌区域，以多层、高层建筑建设为主，在中心地带及交通发达地带兴建超高层建筑，提高土地利用率，缓解人地冲突。在建筑建设的同时，配建相应的基础设施、教育设施等，完善各次级中心的城市职能，促进城市发展。

但是，本研究应当深入研究城市建筑与自然环境的联系，全方面研究城市三维形态，并对不同时期的建筑基于模型建立。城市三维形态与社会经济发展，以及城市气候、自然地形、物理因素等对城市形态的影响，都有待今后深入研究。