應用空間網絡方法進行城市化發展分析評估研究
——以杭州市為例

王 娜， 梁勤歐

(浙江師范大學 地理與環境科學學院,浙江 金華 321004)

應用空間網絡方法進行城市化發展分析評估研究
——以杭州市為例

王 娜， 梁勤歐

(浙江師范大學 地理與環境科學學院,浙江 金華 321004)

城市化是人類社會發展的一個重要過程，應用空間網絡的方法進行城市化發展的分析評估研究可以定性、定量地評估城市發展的狀況.根據2016年TM遙感影像和城市地圖得到杭州市轄區內居民區空間分布的信息，再基于圖論的方法建立空間網絡，對區域內居民區的空間分布進行了建模分析.通過計算空間網絡中邊的局部重要性和節點的度中心性2個指標，評估了杭州市城市發展的狀況.結果表明：1)空間網絡中邊的局部重要性指標可以代表某個地區城市化程度的高低，杭州市轄區城市化程度的高低總體上呈現圈層分布，由中心向四周依次降低；2)空間網絡節點的度指標反映居民區在該地區的相對重要性及其對周圍臨近居民區輻射能力的大小，杭州市轄區中居民區分布較集中的區域，其度中心性也較高，彼此之間的聯系緊密.

城市化；空間網絡；空間分布；杭州市

0 引 言

全球范圍內快速城市化的現象對環境、經濟和社會產生了各種各樣的影響[1- 10]，已經成為人類及人類棲息地可持續發展面臨的主要挑戰之一.城市化是鄉村聚落逐漸轉變為城市聚落的地域推進過程[11- 13].居民區尤其是城市居民區是人類活動的中心.因此，通過研究一定區域內居民區的空間分布特征及居民區之間的相互關系，可以對該區域的城市化發展進行分析評估，從而幫助人們更好地理解城市化過程，同時找到解決城市化過程中遇到問題的有效方法.目前，現有的文獻對城市居民區或者鄉村居民區的分布研究較多[14- 15]，而對區域中城市居民區和鄉村居民區共同的分布空間格局的研究較少.Batty[16]提出的利用分形的思想來描繪城市形態；Wei等[17]利用多級遙感影像和景觀格局知識去表征城市的擴張；梁會民等[18]運用GIS空間分析方法研究了董志塬黃土塬區居民點的空間分布，得出其居民點為隨機分布的結論；張小軍等[19]運用GIS空間分析方法對甘肅省隴西地區的居民點分布進行了分析，得出了其與地理要素的相關性；王春菊等[20]利用GIS技術定量地分析福建居民點分布的影響要素，得出了其與海拔高度、道路網、河網、土地利用及海岸線距離的關系.可以看出，國內外對居民區的空間分布和形態結構的研究多數是利用源于信息理論、分形幾何的空間指數及傳統的空間統計分析和相關分析方法.在目前來看，這些方法對于研究居民點的分布是有效的，但是隨著研究區域空間尺度和范圍的變化，這些方法漸漸凸顯出在分級系統或者各種圖斑(如居民區)所構成的網絡體系中，研究對象之間相關性和關聯性的評價方面存在著局限性.

空間網絡是指節點位于擁有度量標準的空間之中的網絡，圖論方法是空間網絡結構分析的重要方法[21].在進行城市化發展的分析評估研究時，利用圖論的方法把研究區域中不同的居民區的幾何質心作為空間網絡的節點，用邊來表示節點之間的聯系，從而定量或定性地評估出節點或者邊的重要性[22- 23].本文以杭州市轄區為研究區域，基于圖論的方法,通過建立空間網絡對區域內居民區的空間分布進行建模分析，提出一種新的技術方法,用來定量和定性地描述區域內居民區的空間分布特征及居民區之間的相關性，從而評估杭州市轄區城市發展的狀況，為今后的城市建設提供科學依據.

1 研究方法

作為復雜網絡的一個重要分支，空間網絡將不同居民區作為研究節點，各個居民區依托不同的空間地理位置發生的相互作用，構成了網絡分析中的連接邊.通過對該網絡分析模型的建立，各種評估指標的計算，構建出居民區空間關系的定性和定量分析體系.本文的研究方法主要包括2個部分：空間網絡的生成;評估指標的計算.

1.1 空間網絡的生成

以遙感影像數據為基礎，空間網絡生成的步驟如下：

1)通過目視解譯提取出遙感影像的居民區多邊形對象，并計算出與每一個居民區多邊形對應的幾何質心，見圖1(a)；

2)以居民區多邊形的外輪廓為基準，構建緩沖區，緩沖距離為空間網絡的搜索半徑，見圖1(b)；

3)將居民區多邊形的質心與落在其緩沖區范圍內的居民區多邊形質心相連接，即為空間網絡的邊，見圖1(c)；

4)對所有居民區多邊形執行步驟2和3，構建整張空間網絡，見圖1(d).

在空間網絡生成的過程中，搜索半徑的確定是靈活的，可以根據研究的需要自定義搜索緩沖區的大小來創建空間網絡.但是，在創建的過程中還是要依據研究區域遙感影像的分辨率高低和居民區密度來確定搜索半徑的大小，以保證在緩沖區范圍內有足夠的居民區，從而使得生成的空間網絡不能過于簡單或復雜.

(a) (b)

(c) (d)

圖1 空間網絡的生成

1.2 評估指標的計算

節點和邊是構成空間網絡的兩個基本要素.空間網絡中每一個節點的屬性與研究區域中每一個居民區的幾何屬性是一一對應的.在有關網絡分析的文獻中，通常是用與節點相對應的研究對象的面積、形狀度量標準或者用戶自定義的一些參數等來表示節點的屬性；利用最短距離，凝聚力指數等指標為空間網絡中的邊賦予權值，來表征邊的重要性[24- 25].

在本文的研究中，選擇與節點相對應的居民區的面積作為節點屬性的衡量指標；并引入一種簡單的權重標準作為邊的權重的衡量指標：局部重要性(local significance)，在此簡稱為S，它的定義為

式(1)中:Ai和Aj分別代表與邊對應的節點i和節點j的居民區的面積;D(i,j)指的是它們之間的歐氏距離.該指標為2個居民區的面積乘積與距離平方的比值，是一種區域性指標，可以表征居民點規模及其與周邊居民點的輻射關系.權重大的邊應該集中在人口聚集、面積大的城市區域，而在偏遠的農村區域，雖然村莊可以很密集，但由于面積小，權重值并不會太大.所以該指標可以在一定程度上反映研究區域內城市化的相對程度.

居民區之間的相關性不是取決于它自己的屬性，而是取決于它與其他居民區之間的聯系(比如一個連接許多城鎮的小城市的局部影響力要比單獨的一個大城市重要得多).因此，為了能夠恰當地表征不同居民區的重要性，參考已有的文獻[26- 27].本文采用節點的度(degree)來描述居民區之間的相關性.定義度(degree)是與給定的節點直接相連的節點的數量或邊數，也稱為節點的度.

通常利用節點度的大小來衡量節點的中心性，直觀地反映了該節點在一定距離內與空間網絡中其他的節點發生直接聯系的可能性大小.節點度的值越大，該節點的度中心性越強，其對周邊臨近節點的影響力也越大.

2 研究區域與數據基礎

2.1 研究區域

杭州位于中國東南沿海北部，坐標為東經118°21′～120°30′，北緯29°11′～30°33′，是浙江省的政治、經濟、文化和金融中心，長江三角洲中心城市之一.近30年來，隨著城市化的發展，經過大規模的城市和園林建設，杭州市的行政區劃發生了巨大的變化.2001年3月12日，經國務院和浙江省人民政府批準，撤銷蕭山市和余杭市2個縣級市，同時設立蕭山區和余杭區，與原杭州6個區組成新杭州市轄區；2014年12月13日，經國務院批準，又撤銷富陽市，設立富陽區，作為杭州市的第9個轄區.基于杭州市近年來行政區劃變化之迅速，本文通過對杭州市的城市化發展進行分析評估研究，讓人們更加理解城市化的過程，并為杭州市今后的城市規劃提供科學依據.

2.2 數據基礎

本文所使用的數據包括Landsat TM影像和杭州市轄區的行政邊界矢量圖.根據研究的時空分辨率需求及數據的可獲取性，本文所采用的遙感數據來源于美國陸地衛星(Landsat TM)，影像的獲取時間是2016年3月5日，空間分辨率為30 m.為了保證提取出的居民區的精度，對影像數據進行預處理，包括遙感圖像的幾何精校正、輻射定標和大氣校正等.對經過預處理之后的遙感圖像，再使用所獲取的行政邊界矢量圖進行不規則裁剪，得到所需的研究區域范圍內的遙感影像數據.居民區的提取采用目視解譯方式進行.

3 結果與討論

本文以杭州市轄區作為研究區域，包括杭州主城區(上城、下城、江干、拱墅、西湖、濱江)、蕭山、余杭、富陽4個部分.通過研究區域2016年3月5日的Landsat 8的TM遙感影像數據進行杭州市區居民區的提取，共提取出343個居民區對象(圖2(a))，作為建立空間網絡的數據基礎.設置5 km作為空間網絡的搜索半徑，構建并計算出空間網絡中邊的局部重要性(S)(圖3(a))，節點的度中心性(圖4(a))2個評估指標.

3.1 居民區面積分布

從圖2(a)可看出，杭州市居民區主要集中于杭州市主城區，且面積較大而密集；杭州市主城區外如余杭、富陽、蕭山等地也有部分斑塊狀居民區分布，但分布面積較小且較分散.經統計,居民區面積最大為17 040 hm2，最小為0.4 hm2；343個居民區中，面積前10(約占總個數的3%)的居民區面積總和占總面積的56.8%，從側面說明大部分人集中居住在少數幾個大居民區中，也是城市化的特點之一.將居民區面積值取對數(lg)后分布圖如圖2(b)所示.可以看出,居民區的個數與居民區面積(用字母A來表示)lg值的關系成類正態分布.經統計,居民區面積lg值在區間(1.19,2.26]內有197個，對應面積值區間(27,145] (單位：hm2)，占居民區總數的57.4%，超過半數的居民區面積在100 hm2左右，說明大部分的居民區面積在這個量級.

(a) (b)

圖2 居民區分布

3.2 網絡中邊的權重分布

基于提取的居民區基礎數據，通過設定5 km的搜索半徑，生成如圖3(a)所示的空間網絡.網絡中不同類型的線條構成了空間網絡的邊，線條的類型代表邊的權重即局部重要性.從圖3(a)可以看出，局部重要性高的黑色實線邊集中在杭州主城區周邊和新設的富陽區中心，基本勾勒了杭州主要城區的范圍.

(a) (b)

圖3 空間網絡中邊的權重分布

結合杭州市的實際發展狀況可以發現,代表高權重值的黑色實線邊較密集的地區一般是城市的中心(以主城區為主，以及其與周圍各區相連接的地區)，城市化的程度一般較高，灰色虛線邊較密集的地區一般位于城市中心的外圍，城市化的程度次之，灰色實線邊較密集的地區一般位于城市的最外圍即農村地區，城市化程度最低.因此，通過空間網絡中邊的局部重要性指標可以快速地判定出某個地區城市化程度的高低.同時，從圖3(a)中可以看出，該指標可以區分城市和農村區域的同時，還可以表征并提取農村向城市過渡的郊區地帶(灰色虛線存在的區域).對空間網絡中邊的局部重要性指標取lg后分布如圖3(b)所示，發現邊的個數與邊的局部重要性的lg值的關系也成類正態分布.結合圖3(a)與圖3(b)，代表lgS在(5.0，8.3]區間內的黑色實線邊有361條，占總數的27.1%；在(3.7，5.0]區間內的灰色虛線邊有625條，占總數的47.0%；其余灰色虛線邊有344條，占總數的25.9%.統計數據從側面表明，杭州市轄區目前整體的城市化水平程度較高，但分布不均勻.總體來看,杭州還是處在強烈的城市化發展過程中，呈現由四周向中心發展的趨勢.

3.3 網絡中節點度的分布

圖4(a)為空間網絡中節點連接的其他節點的個數即度的分布.點的尺寸越大，其對應的居民區質心的度的值越大，該居民區的度中心性就較高；點的尺寸越小，其對應的居民區質心的度的值越小，該居民區的度中心性就越低.

(a) (b)

圖4 空間網絡節點度的分布

結合圖2(a)與圖4(a)可以得出，度中心性較高的居民區都位于居民區分布較集中的地區，如杭州市的主城區，余杭區的東北部，富陽區與杭州市主城區的交界處及蕭山區的南部.度中心性的高低，不僅代表該居民區對象在預設的范圍內對周圍鄰近居民區的輻射能力的高低，同時也代表該居民區對象在研究區域范圍內重要性的大小.例如，杭州市主城區范圍內最大的居民區，度中心性為17，周圍鄰近居民區與之聯系很密切，受該居民區的輻射影響很大.度最大值為21的是富陽區政府所在地，說明該指標是局部相對值，而非絕對值，局部地區的政治經濟中心,其居民區度的值就高，它與周圍鄰近居民區發生聯系的可能性就大.圖4(b)為節點度的統計分布柱狀圖.通過統計，在提取出的343個居民區對象中，度中心性的最大值是21，最小值是1，兩者之間的差距達到21倍.說明通過計算網絡中節點的度，可以定量地表示區域中每個居民區的重要程度及其與周圍臨近居民區發生聯系的可能性大小.

4 結論與展望

本文的研究表明，在城市規劃中引入圖論作為新的分析工具，利用空間網絡的指標定性和定量地分析一定區域范圍內居民區的分布狀況、評估城市發展的狀況是可行的.空間網絡邊的局部重要性指標，可以體現杭州地區城市化發展的結構性差異及其城市化的程度.區分城市和農村區域的同時，還可以表征并提取農村向城市過渡的郊區地帶.空間網絡節點的度是一個相對指標，不僅在全局范圍內，而且可以在局部范圍內反映居民區在該地區的相對重要性及其與周圍臨近居民區發生聯系的可能性大小.

本文只是利用空間網絡知識，在城市化分析中進行了初步的探索，后續的研究中可以在以下幾個方面進一步發展：結合多期遙感數據，從時間線角度評估區域城市化發展的趨勢；空間網絡的生成上，結合地形和道路數據，更合理地反映網絡連接邊的權重；基于高分辨率的遙感圖像進行居民區的自動提取，更快速合理地進行居民區的識別和勾勒.

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(責任編輯 杜利民)

Analysis and evaluation of urban development based on spatial network method: a case study of Hangzhou City

WANG Na, LIANG Qin′ou

(CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

Urbanization was an important process of human social development, which was considered as a continuum from rural to urban settlements. Accordingly, researching on the size, form(e.g., compact or spread) and spatial distribution(e.g., dispersed or nucleated) of different types of settlements was a major issue to better understand urbanization and solve the problems effectively in the process of urbanization. Based on the distribution of settlements in Hangzhou City， it was established the spatial network via graph theory. By analyzing the distribution of settlements area, the weight and degree of edge in the spatial network， the spatial distribution of settlements qualitatively and quantitatively were described, which characterizesd the development of Hangzhou City.

urbanization; spatial network; spatial distribution; Hangzhou City

10.16218/j.issn.1001- 5051.2017.02.017

2016- 10- 09；

2016- 12- 08

國家自然科學基金資助項目(70773089)

王 娜(1989-)，女，河南義馬人，碩士研究生.研究方向：地理信息技術應用.

梁勤歐.E- mail: qoliang@sina.com

K909

A

1001- 5051(2017)02- 0228- 07