空間句法與UNA在規劃工作中的應用對比分析

楊陽，趙繼龍，藍天翔

（1.山東建筑大學 建筑城規學院，山東 濟南250101；2.迪肯大學 建筑與建成環境學院，澳大利亞 墨爾本3220）

0 引言

在過去的30余年間，中國經歷了城市化發展最快速的階段，城市化率從1980年的19.39%快速增長到了2017年的58.52%，城鎮化速度遠高于世界平均水平［1］。隨著城市化比例的提高，我國的城鎮化發展目標逐漸從追求城市化速度向提升城市化質量轉移。當前的城市發展階段要求城市建設從重視增量開發轉變為重視存量開發，城市更新成為規劃工作中的重要環節［2］。相對于城市擴張階段，城市更新涉及的現狀情況更加復雜，要求設計者需要關注和兼顧更多層面的問題［3］。當今的城市數據研究方法，由以傳統的統計年鑒、社會問卷調查和深入訪談等為主向以網絡數據（特別是社交網絡數據）的抓取與空間定位技術（全球定位系統、智能手機系統及定位服務系統等）的應用為主轉變，數據內容呈現出大樣本量、實時動態和微觀詳細等特征，且更加注重對研究對象地理位置信息的提取［4］。目前，借助不斷發展的網絡和通信技術，獲取大量反映人類活動特征的數據成為可能，地理信息技術開始成為城市經濟和空間規劃發展不可或缺的工具［5］。將信息數據用于規劃工作，引入有效的數據分析手段已經成為了迫切的需要［6］。大量針對空間特征的定量研究開始出現，龍瀛等［7］研究了公交IC卡數據在城市規劃中的應用；甄峰等［8］利用微博數據分析了中國城市網絡聯系度；王德等［9］通過手機信令研究了用戶的通勤行為。然而，這些基于不同理論基礎和不同數據的研究方法，在參數體系、研究對象和有偏性上存在較大差別，無法相互對比和驗證。除此之外，大數據模型的構建存在數據獲取問題上的限制，在規劃實踐中難以獲得廣泛應用。針對上述問題，葉宇等［4］認為基于形態學的空間定量研究技術是研究城市形態問題的有效手段，并基于大量城市規劃理論構建了基于形態學的空間研究方法，為城市空間的定量研究開辟了新的思路，此方法或許更適用于中小尺度城市更新問題的工具。此外，存量開發的發展模式對規劃效果的預測評估也成為了一種現實需要［10］。建立有效的方案評估體系，能夠幫助規劃師明確城市現狀中存在的問題，提出更新方向，也可以幫助城市管理者在多個方案中進行優選。目前比較認可的空間研究方法主要分為空間句法分析和城市空間網絡分析等兩類。空間分析技術主要通過指標表達結果，因此，文章主要從指標系統的對比入手，分析兩種空間分析法的異同，并結合實際的規劃案例應用進行對比分析，以期能夠在規劃工作中的空間分析和規劃效果評估上起到幫助。

1 空間句法分析技術

空間句法分析是指通過拓撲關系描述空間結構的數字技術，已經在建筑學領域得到廣泛認可和接受，近年引入到城市規劃領域，在理論研究和規劃實踐中進行了探索［4］。然而，隨著研究對象的空間尺度變大，空間句法的種種弊端開始顯現［11］。

1.1 空間句法基本原理

空間句法的理論基礎是拓撲分析，對目標空間或城市路網進行軸線化處理，按照拓撲學原理進行分析，最終獲得形態分析變量，對空間的屬性及聯系進行量化描述。

1.2 空間句法分析指標系統

空間句法主要指標包括：（1）連接值 表示系統中某個空間相交的空間數，用于局部對象的空間區位評價；（2）控制值 表示某一空間與相鄰的空間的連接值的倒數之和，“控制”可以理解為局部的中心性評價；（3）深度值 表示某一空間到達其它空間所需經過的最小連接數，是一個全局視角下的便利性評價概念；（4）集成度 表示系統中某一空間與其它空間集聚或離散的程度，集成度越高，說明該空間在全局視角下中心性越高，反之則證明該空間中心性不顯著；（5）穿行度 表示系統中某一空間被其他最短路徑穿行的可能性，是一個全局視角下的通過可能性評價概念［12］。從指標體系上看，空間句法的核心基礎在于提取空間的拓撲關系，基于該關系對人的空間認知進行具象化表達，從而評價空間。

1.3 空間句法基礎方法中存在的問題

早期的空間句法主要側重于建筑空間的分析，尺度相對較小，然而擴展到較大的空間尺度時，在很多方面存在問題［13］，主要有：（1）空間句法分析無法考慮空間中的距離、速度，其測算結果完全建立在空間形態的理論分析上，實際上，當將空間句法分析用于城市內部復雜的交通環境時，由于實際情況和空間句法默認假設的差異，會產生較大的誤差。（2）較難做到嚴謹的空間抽象化處理，容易產生誤差。空間句法分析基于對象抽象化的軸線圖，而軸線圖生成的原則是“最長最少”，在分析的前期工作中，軸線圖的生成很難做到精確，有可能使最后的分析結果不唯一，其精確性也會受到質疑。除上述兩個問題之外，還有研究指出，在空間句法分析中，空間的微小變化容易對全局產生非常大的影響，分析范圍發生變化會對集成度產生非常大的影響［14］。近年來，隨著對空間句法的研究和改善，引入了很多新的算法和規則，如米制分段法、角度加權法等，空間句法和傳統道路分析的聯系得到了進一步加強。

2 城市空間網絡分析技術

隨著計算機運算能力的提升和GIS等技術的普及，城市更新分析中對大量現狀對象進行函數分析已經成為可能。城市空間網絡分析工具UNA（Urban Network Analysis Toolbox）是一種基于ArcGIS的城市分析工具，可以對拓撲空間關系進行函數表達，并依托GIS的圖—形轉化能力進行更加全面的分析。

2.1 城市空間網絡分析工具原理及應用場景

UNA城市空間的思路是“空間點＋道路網絡”，即將空間中的建筑出入口、公交站點、公共空間等重要樞紐看作空間點，提取分析范圍內的道路系統，結合“節點”和“網絡”進行函數分析。UNA可以將分析目標的位置精確到出入口的位置，為城市設計尺度的網絡優化提供可能。此外，UNA可以提取目標對象的特定屬性，如面積、居民數、功能等，作為計算權重，使分析結果更加精確。UNA可以用來分析和模擬城市復雜情況下的建筑空間關系，根據不同的權重設置，可以分析一定城市區域內的公共服務設施布點、商業設施布局以及公共空間布置等問題。

2.2 城市空間網絡分析工具的指標系統

UNA對空間的指標描述是通過內置函數運算實現的，自變量為建筑出入口的點和實際路徑，可以設置搜索范圍和分配權重。其指標體系如下：

（1）到達指數 給定距離內，起點可以通過交通網絡到達的終點數量，或終點的空間權重加合。實際應用包括基于人口數量的公共服務設施實際服務能力測算，某建筑在給定范圍中的可達性測算。到達指數（Reach）由式（1）表示為

式中：r為給定搜索半徑；d［i，j］為起訖點之間的實際距離；W［j］為j點的權重；G為總體分析范圍。

（2）引力指數 是對到達指數的延伸，相當于通過增加基于距離的修正參數，對人的到達愿望進行描述。在引力指數的測算中即網絡中點與點之間距離越遠，二者的相互影響就越小。引力指數（Gravity）由式（2）表示為

式中：β為空間遞減參數。

（3）居間指數 給定距離內，起訖點OD（Origin-Destination）網絡冗余路徑的基礎上，將各起點的權重平均分攤到所有可行路徑中，最終核算網絡中各個路段加合值。居間指數將計算網絡中所有路段路過的步行流量。簡單地說，居間指數是衡量一個點在給定范圍內被經過的可能性，由式（3）表示為

式中：njk為點j與k之間最短路徑的數量；njk［i］為點j和k之間的最短路徑中，經過點i的數量。

（4）接近指數 評價的是搜索范圍內某個建筑到其他所有建筑的距離的總和的倒數，是一種針對某個建筑的全局中心性評價。接近指數（Closeness）由式（4）表示為

（5）直達指數 給定范圍內，i到j之間的最短路徑與所有可能路徑的比值。這個指數可以理解為評價的是某個點到可達范圍內的其他點的便利程度。直達指數（Straightness）由式（5）表示為

式中：δ［i，j］為點i與j之間的歐幾里得最短距離。

2.3 城市空間網絡分析工具的的優勢

相比基于空間句法的城市空間結構分析，基于UNA的城市空間結構分析有以下優點：（1）考慮了建筑內外交通聯系的問題 建筑不是一個體塊，而是被抽象具有出入口的點，道路被理解為連接“點”的“線”，城市復雜的環境被簡化為“網絡—節點”的形式。通過這個方法測算的距離和人在現實條件下實際行走的距離非常接近，可以達到“門到門”的精度，因此基于UNA的結果對人的行為的判斷更加精確。（2）UNA交通網絡的構建和實際情況更加接近 UNA的交通網絡基于GIS的網格分析系統，相對于空間句法分析中引入的路網系統，能夠設定更多屬性，比如單行線、渠化交通等，以適應現實的交通條件。同時，UNA交通網絡還可以設定以道路的長度、橫截面寬度或者以道路的被通過時間作為分析權重，這也就使得基于UNA交通網絡的分析更加符合城市中的實際情況，在被用于城市中復雜的交通條件下時，不會產生像空間句法分析那么大的誤差。（3）增加的權重系統 UNA中，每個建筑對結果的影響力是不同的，可以通過在分析中給建筑設置權重，如建筑面積、居住人數等，使得結果更加精確和貼近實際情況。如相同建筑面積或者基底面積的商業建筑和居住建筑所帶來的人流量是顯著不同的，而這種不同在空間句法分析中無法得到體現，很多基于實際需求的分析在空間句法分析中無法實現，而UNA則能夠通過設定相應的權重系統完成相應的分析。

3 空間句法分析和UNA的對比

3.1 方法分析對比

從前期的準備工作來看，空間句法分析需要限定分析路徑，繪制軸線圖。UNA相比于空間句法，除了限定每個建筑的出入口位置，如果進行比較精確的公共服務設施服務范圍等測算，還要對人口或者其他權重數據進行估測，這會帶來比較高的時間和調研成本。但在使用空間句法分析比較大的或者相對復雜的地塊時，計算機自動生成軸線圖的時間和硬件要求會大大提升，手工繪制軸線又很容易產生誤差，影響結果精度。在這一點上，UNA的基礎資料錄入過程相對簡單和易于把控。

從分析對象來看，UNA更著眼于建筑與交通之間的關系，而空間句法更關注空間和交通的關系。規劃師應該根據具體實際工作中的需要選取更加適宜的分析方法。如以城市外部空間為研究對象時，空間句法更易展示各個位置相應空間的屬性，而以建筑或者城市居民的行為為研究就對象時，空間句法的分析就很難做到全面和精確，這種情況下宜采用UNA進行分析。

從技術平臺來看，UNA是基于GIS技術，易與GIS結合進行多種分析，而空間句法分析大多基于Depthmap等軟件，輸出結果并不具備類似于GIS技術的兼容性。實際情況中，影響分析的因素是多種多樣的，既有空間結構因素，也可能有社會人文、景觀、微氣候或者經濟因素等等。在這種情況下，無論基于UNA的分析還是基于空間句法的分析都很難完美地納入所有的影響因素。從這個角度來看，分析方法的兼容性就顯得比較重要，UNA的優勢進一步得到體現。當然，研究者或者規劃師可以根據基礎資料的豐富程度，以及是否需要進一步分析來選擇合適的分析方法。

從分析成果來看，空間句法分析和UNA都能夠對最終成果進行可視化，二者的成果都能夠易于解讀。但是基于函數分析的UNA能夠從更多角度進行分析和展示成果，如通過計算方差判斷整體樣本離散度等等，在一些情況下更易說明問題。空間句法分析與UNA對比見表1。

表1 空間句法分析與城市空間網絡分析對比表

3.2 空間句法分析指標和UNA指標的異同

除了上述區別，同樣作為空間結構分析的手段，空間句法分析和UNA在很多方面具有一定的統一性，二者的基本參數所代表的空間關系存在很大的相關性，其對應關系如圖1所示。

在討論之前應明確，此處的對應關系是空間句法分析與UNA對各自主體描述方面上的對應，并不是簡單的互換關系，二者是從不同方面對某一范圍的結構進行表達和評價，由于分析的主體對象不同，對同一范圍的分析可能會完全不同。（1）連接值和到達指數的關系，另一個是描述與目標空間相鄰的空間數量，一個是描述目標建筑距離其他建筑的距離之和，其都可以形容各自主體在某一特定范圍中的便利性。不同點在于連接值是一個局部的概念，而到達指數根據搜索范圍和選取分析主體的不同，可以描述全局也可以描述局部。（2）控制值和引力指數都可以描述某一主體在特定范圍內的中心性。與連接值和到達指數的關系類似，控制值是一個相對動態的局部概念，而引力指數根據搜索范圍和選取分析主體的不同，可以描述全局也可以描述局部。（3）集成度值是空間句法中最常用的值，描述主體在全局視角下的中心性。在這一點上，UNA中的到達指數、引力指數和接近指數都可以各自在一定程度上描述搜索范圍中所有主體的中心性。（4）深度值通過主體之間的步數描述主體在全局視角下的便捷性，UNA中的直達指數以轉彎次數為自變量同樣可以測算。除此之外，到達指數和直達指數還可以以距離為自變量進行測算，進行基于距離的便捷性描述。（5）穿行度值和居間指數是最為接近的一組對應，都是描述搜索范圍內主題被經過的機會，而且二者的測算方法也基本一致，都是以通過某點為條件語句的全局篩選方法。

圖1 空間句法分析與UNA的指標對應關系圖

4 空間句法與UNA的規劃案例分析

曇華林是位于武昌老城北側古城墻內的一條老街，街區整體呈東西走向，目前已成為武漢文化藝術中心之一。但是由于曇華林街區采用以商業開發為主的改造模式，靠近主街的歷史建筑得到了更新改造和利用，而主街外的大部分歷史建筑很少得到人們的關注且沒有得到足夠保護，街區內出現了歷史資源的發展和利用不平衡的現實問題［15］。如何正確合理地梳理與分析歷史資源及空間結構，并科學合理地規劃保護方案及路線，是曇華林地區更新改造中的重要問題。文章通過武漢市規劃局官網獲取相關案例數據，分別使用Depthmap和ArcGIS兩個軟件對目標地塊進行分析，選取描述區位條件最為直接的集成度值和到達指數等指標，對比空間句法和UNA技術在處理復雜空間問題上的能力。

4.1 空間句法分析結果

利用空間句法得到的曇華林地區的集成度結果如圖2所示。道路顏色偏紅說明集成度高，也就是與其他空間聚集程度高，而道路顏色偏藍說明集成度相對較低，與其他空間相對較離散。通過空間句法分析，可以明顯地發現曇華林地區整個街區只有一條道路呈比較深的紅色，說明該道路是整個街區最重要的中心道路，可以判斷該道路由于缺少分流，存在較大的交通壓力。街區中存在大量橙色和黃色的道路，說明次級道路分級比較混亂，大部分道路屬于這個層級。同時，街區內部存在很多藍色的道路，說明很多空間交通不暢，街區內部的道路可達性較低。通過整體分析可知，曇華林街區存在空間布局不合理、路網結構比較雜亂、層級不明顯的問題。

4.2 城市空間網絡分析結果

利用UNA得到的曇華林地區不限定權重、不限定搜索半徑的到達指數結果如圖3所示。紅色表示到達指數較高的建筑，代表該建筑到其他建筑的距離比較短，相對便捷；綠色代表到達指數偏低的建筑，說明該建筑到其他建筑的距離較長，交通條件相對較差。結果顯示，在曇華林街區中，沿主街的建筑到達指數較高，大部分紅色集中在主要街道路口的地區，位于地塊內部的部分建筑存在可達性較差的問題。從到達指數分布上來看，相對較為混亂、沒有明顯的規律、層次不明顯。

圖2 基于空間句法的曇華林地區集成度圖

圖3 基于UNA的曇華林地區到達指數圖

4.3 空間句法和UNA結果的對比分析

結合兩個分析，可以發現空間句法和UNA的結果從圖面上和從結論上都存在很大程度的相似性，將兩張圖疊合在一起，這種相似性就會更加明顯，如圖4所示。空間句法分析結果中偏藍色低值的道路周邊，UNA的建筑也大多呈綠色低值；而空間句法分析結果中偏紅色高值的道路周邊，UNA的建筑同樣大多呈紅色高值。說明二者在一定的限定條件下，分析結果高度一致。但是，UNA是基于GIS平臺的函數關系分析軟件，其分析方法更加靈活多樣。不同限定條件下，基于UNA的分析可產生不同結果。50、200、800m搜索半徑下的UNA結果如圖5所示，分別表示在視覺范圍內、感知范圍內和步行范圍內，人對街區的整體感知。隨搜索半徑的擴大，道路對建筑可達性的影響增大，各建筑點間的相互影響程度升高，并且被經過的可能性增加。基于此，可根據實際需求限定不同場景條件下的變量，使分析更加準確。

除了上述分析之外，UNA可以依托GIS的數—形轉化能力，從統計學角度分析問題。曇華林街區中存在大量歷史建筑，通過比較歷史建筑與所有建筑的到達指數的平均數和標準差（如圖6所示），可以綜合評價歷史建筑在街區中的分布特征和區位條件。全部建筑的到達指數平均值高于歷史建筑，說明歷史建筑的可達性整體水平較差，大多數在街區中不存在區位優勢；而通過對比標準差可知，全部建筑的標準差與歷史建筑的標準差差距較小，說明目前曇華林街區中對歷史建筑的開發和利用存在不均衡的問題。此外，有少部分歷史建筑位于空間環境最優越的區位，充分認識和開發的機會相對較大，而可達性在整個地塊中處于最低部分的歷史建筑，可能存在被忽視的情況。

圖5 不同搜索半徑下曇華林地區的UNA主要指標圖

圖6 曇華林街區建筑的到達指數平均值和標準差圖

5 結語

基于空間句法和基于UNA的空間分析都是適用于當前數據環境和規劃工作重點的形態學研究工具，兩者雖然在很多方面有所差別，但本質上都是幫助規劃者更好地認識現狀或者評價規劃成果的技術手段，如何合理地運用這些技術會成為數字化時代的重要課題。在資料充足、條件允許的前提下，對兩者進行結合或相互驗證，也就是建筑為主體的分析結合空間為主體的分析，能夠對目標區域的空間特征達到全方位的認識。空間句法的核心是分析空間與空間之間的關系，而UNA是先對人的行為進行模擬和預測，進而對建筑之間的關系進行評價和分析。基于函數的UNA在平臺和表達模式方面，更具有靈活性。無論是基于UNA還是空間句法的分析，都只是技術手段，是幫助規劃師的工具，脫離了規劃的本質，就是無源之水、無本之木。所以在規劃技術研究中還應遵循規劃師占主體地位的原則，使技術工具僅作為輔助規劃的方法而不是目的，從而確保規劃工作研究的健康發展。