高密度城市公共空間基礎設施廊道用地規(guī)劃方法

楊 艷

（1.青海省規(guī)劃設計研究院有限公司，青海 西寧 810000）

廊道通常指分隔開兩側(cè)基質(zhì)的狹長地帶，是一種線性結(jié)構(gòu)的狹長單元，而公共空間基礎設施廊道則表示在城市或鄉(xiāng)村內(nèi)部，將各個基礎設施分隔開的通道，這種通道主要用于對城市公共基礎設施的阻隔與劃分，同時還具備一定的通道作用[1-2]。然而在大城市中，外來務工人員大量涌入，導致城市中的人口密度不斷增高，其公共基礎設施在保證功能效用的前提下變得十分擁擠，對其進行功能劃分與阻隔的廊道也變得支離破碎，完全無法起到相應的連通與分隔作用，因此，需要對高密度城市公共空間基礎設施廊道用地規(guī)劃方法進行研究。

相關研究者開展了基于GIS 的廊道建模方法，并評估了周邊綠色基礎設施的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型，對其潛在生態(tài)區(qū)域的應用價值作出了修復。除此之外，文獻[3]以優(yōu)化當?shù)爻鞘械纳鐣?jīng)濟發(fā)展為前提，以改善城市公共基礎空間的布局為最終目的，對城市中心區(qū)域的公共建設廊道進行了劃分，并提出了用地規(guī)劃方法。文獻[4]通過GIS 系統(tǒng)確定了野生動物的棲息連通區(qū)域，劃分了其生存空間廊道，對野生動物的生態(tài)精細化空間廊道劃分進行了研究。本文以以上文獻作為參考，提出了針對高密度城市公共空間基礎設施廊道的用地規(guī)劃方法，用于解決高密度城市中公共基礎設施廊道的功能性建設問題。

1 高密度城市公共空間基礎設施廊道用地規(guī)劃方法設計

1.1 建立公共空間基礎設施圖層結(jié)構(gòu)

由于初始圖像數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)類型、空間坐標系以及資料年代都不相同，很多數(shù)據(jù)資料都無法在GIS 平臺中疊加，無法有效形成能夠直接使用的影像資料。因此，需要將初始影像數(shù)據(jù)加載在GIS 軟件中進行空間疊加分析與矢量轉(zhuǎn)換處理，在圖像預處理的過程中，可以將這些影像資料轉(zhuǎn)化為能夠被GIS 識別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將所有坐標系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃成一個序列，以便提高數(shù)據(jù)分析的準確性以及流暢性。

在矢量化過程中，由于氣溫數(shù)據(jù)、降水信息等大多都是紙質(zhì)版數(shù)據(jù)，且以表格、圖表形式為主，因此，在將其轉(zhuǎn)換為光柵圖像的過程中，可以適當利用GIS 平臺中的數(shù)據(jù)計算功能，使用R2V 軟件將其矢量化，由于R2V軟件的特殊性，整個光柵圖像矢量化轉(zhuǎn)換的全過程是不需要進行人工干預的，這樣能夠節(jié)省大量的時間，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的準確率。同時，也可以通過R2V軟件自身攜帶的數(shù)據(jù)掃描能力，將各種以影像資料為主的地理圖像掃描到計算機軟件中，并通過GIS轉(zhuǎn)換為能夠在GIS中進行計算的文件格式。

大多數(shù)來自地理空間數(shù)據(jù)云的影像資料通常是衛(wèi)星圖像，需要在使用前進行遙感解譯工作，且大多需要將破碎的圖像相互拼湊才能構(gòu)成一個完整的城市影像。拼湊工作可以直接在GIS 中完成，并利用地理空間數(shù)據(jù)云獲取該城市的行政區(qū)域高程數(shù)字影像，最后通過工具欄進行空間分析[5]。

然后將已經(jīng)初步設定好原始坐標的圖像進行圖層構(gòu)建，該類圖層分為“點”型圖層、“線”型圖層以及“面”型圖層，具體的分類標準如表1所示。

表1 圖層分類標準

如表1 所示，提取圖形的基本數(shù)據(jù)，將其與影像資料的坐標系相關聯(lián)后，就能夠通過公式計算各類圖層的周長、面積等基本信息，便于緩沖區(qū)的建立。在GIS 軟件中，也可以在周長、面積等數(shù)據(jù)之后添加合適的字段，并利用計算機工具自動生成正確的數(shù)據(jù)信息[6]。還可以將由計算機生成的數(shù)據(jù)導入到軟件外的表格計算工具中，以便更好地運算與統(tǒng)計，如此就能夠形成公共空間基礎設施的圖層結(jié)構(gòu)。

1.2 設計公共空間基礎設施廊道網(wǎng)絡體系

綜合考慮用地規(guī)劃重要度、距離成本以及連通性等因素，參考如圖1 所示的幾種常見廊道網(wǎng)絡模式，實現(xiàn)生態(tài)廊道網(wǎng)絡的多方案設計。

圖1 基礎設施廊道網(wǎng)絡模式

在高密度城市公共空間基礎設施廊道用地規(guī)劃的標準化區(qū)間中，可以通過GIS 平臺計算得到其覆蓋指數(shù)的標準化區(qū)間，結(jié)合如圖1 所示的廊道網(wǎng)絡模型恰好能夠得到廊道用地規(guī)劃的對應分值，如表2所示。

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，在4種網(wǎng)絡模式下形成如圖2所示的網(wǎng)絡拓撲體系。

表2 網(wǎng)絡體系標準化參數(shù)對應分值

在圖2 所示的廊道拓撲網(wǎng)絡體系中可以適當以外部關鍵點為骨架，建立不同樣式的用地規(guī)劃體系，著重考慮將網(wǎng)絡體系設置為一個閉合的環(huán)，以增強網(wǎng)絡體系的標準化分值，從而構(gòu)建性能更優(yōu)越的廊道拓撲網(wǎng)絡體系[7]。

圖2 廊道拓撲網(wǎng)絡體系

1.3 基于網(wǎng)絡體系緩沖區(qū)分析技術規(guī)劃廊道用地

本文通過對網(wǎng)絡體系建立緩沖區(qū)來設計廊道用地規(guī)劃方法，在建立緩沖區(qū)的過程中，可以對網(wǎng)絡節(jié)點Pi進行如下定義：

式中，Pi為地理網(wǎng)絡節(jié)點，該節(jié)點主要表示基礎設施的“點”型圖層；O為在該地理網(wǎng)絡節(jié)點周邊建立的緩沖區(qū)；λ為網(wǎng)絡體系標準化參數(shù)對應的分值，λ∈{- 3，-2，-1，0，1，2，3} ；d為最小歐氏距離；X為城市區(qū)塊總數(shù)[8]。在通過緩沖區(qū)分析方法計算公共設施配套范圍的過程中，可以同時對O進行標準化處理，并將所有公共設施周邊的緩沖區(qū)匯總到同一圖層中。分別統(tǒng)計X個圖層區(qū)塊中緩沖區(qū)內(nèi)廊道的數(shù)量，并計算每個廊道區(qū)間內(nèi)緩沖區(qū)面積占O總面積的比例。將每個緩沖區(qū)中對應的分支與各自的占比相交，得到如公式（2）所示的設施覆蓋度：

式中，Ii為每一個公共空間基礎設施的空間覆蓋度；Nn為第n個設施與其周邊廊道之間的連通性能。在得到設施覆蓋度以后，可以通過GIS平臺直接得到高密度城市公共空間基礎設施廊道用地規(guī)劃圖像[9-10]，利用圖像完成對高密度城市公共空間基礎設施廊道用地規(guī)劃。

2 實驗研究

為了驗證所提方法在高密度城市公共空間基礎設施廊道用地規(guī)劃中的應用效果，進行實驗研究。

2.1 實驗準備

選取某大型城市作為研究對象，將其相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、地理矢量化數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)。由于信息來源不同，很容易因時間差異導致不同類型數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)小范圍誤差，因此，將數(shù)據(jù)的來源時間設定為2015年，以保證數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)一性。使用ENVI解譯遙感影像數(shù)據(jù)，并通過ArcGIS對地理矢量數(shù)據(jù)進行柵格化處理，同時進行投影轉(zhuǎn)換、替換土地類型等操作。將預處理后的影像資料進行疊加，重新采樣并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，再通過索引材料模擬計算。將該城市網(wǎng)絡分為15 個面狀區(qū)域、107 個基礎設施節(jié)點、237個廊道線條，并分別編號。

在本實驗中，通過廊道連通性評價用地規(guī)劃方法的性能。在測試中，通常可以將廊道抽象為線狀結(jié)構(gòu)，將公共空間抽象為面狀結(jié)構(gòu)，將基礎設施抽象為點狀結(jié)構(gòu)，并據(jù)此構(gòu)建一個大型的簡化城市網(wǎng)絡。以廊道的線點率以及網(wǎng)絡連接度評價該城市網(wǎng)絡的連通性能。

式中，α為城市網(wǎng)絡的線點率，α取值區(qū)間通常為[0，3]，當α=0 時表示該城市中無網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)存在；β為城市公共空間之間的網(wǎng)絡連接度，即廊道對于城市公共空間基礎設施的連接程度，β取值通常為[0，1]；L為城市網(wǎng)絡在各個面狀分區(qū)中的邊，也可以為各個基礎設施節(jié)點之間連接線的數(shù)目；V為基礎設施的節(jié)點數(shù)；P為城市網(wǎng)絡中無法通過廊道連通的面狀區(qū)域數(shù)。

為驗證文中規(guī)劃方法確實能夠?qū)崿F(xiàn)對高密度城市公共空間基礎設計廊道用地規(guī)劃的優(yōu)化，將基于GIS的廊道建模方法（常規(guī)方法1）、文獻[3]方法（常規(guī)方法2）和文獻[4]方法（常規(guī)方法3）與文中方法進行對比實驗。

2.2 廊道連通率測試

首先，通過公式（3）計算4 種方法的廊道連通率，使用Matlab軟件進行計算，經(jīng)過整理后得到如表3所示的廊道連通率數(shù)據(jù)對比表格。在15個面狀空間中，4 種廊道用地規(guī)劃方法下點、線、面之間的連通率均不同。當β=0時表示面與面、節(jié)點與節(jié)點之間無線狀結(jié)構(gòu)相連；當β＜1 時表示城市網(wǎng)絡呈現(xiàn)出樹狀結(jié)構(gòu)；當β=1時表示該城市的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有至少一個回路；當1＜β＜3 時表示該城市的用地網(wǎng)絡較為復雜。在使用文中廊道用地規(guī)劃方法時，其連通率均大于1，可見該方法能夠在15 塊面狀區(qū)域中構(gòu)建復雜的回路，其連通率的平均值約為2.184。而在使用其他3種方法規(guī)劃廊道用地時，大部分連通率在1～3之間，極少數(shù)情況會小于1，其連通率的平均值約為1.801、1.726、1.754。由此可見，文中方法的連通率明顯高于其他3種方法。

表3 廊道連通率對比

2.3 廊道網(wǎng)絡連接度測試

根據(jù)上述實驗中的廊道連通率對比結(jié)果，可以在ArcGIS 軟件中直接通過公式（4）得到廊道網(wǎng)絡連接度，并繪制如圖3 所示的廊道網(wǎng)絡連接度測試效果圖。

圖3 所示的廊道網(wǎng)絡連接度測試中，高密度城市公共空間基礎設施廊道的網(wǎng)絡連接度在文中方法的幫助下“點線”與“點面”之間均有較好的網(wǎng)絡連接性，其中數(shù)據(jù)節(jié)點與廊道線條之間的網(wǎng)絡連接度平均值約為0.574，面狀區(qū)域與廊道之間的網(wǎng)絡連接度平均值約為0.486。在3個常規(guī)方法中，數(shù)據(jù)節(jié)點與廊道之間的網(wǎng)絡連接度平均值約為0.392、0.434、0.248，面狀區(qū)域與廊道之間的網(wǎng)絡連接度平均值約為0.315、0.305、0.278，均低于文中方法。

圖3 廊道網(wǎng)絡連接度測試

綜合上述2 個實驗可以得出如下結(jié)論：文中針對高密度城市公共空間基礎設施廊道設計的用地規(guī)劃方法擁有較好的連通效果，無論是在連通率還是在網(wǎng)絡連接度方面均優(yōu)于常規(guī)方法，說明文中方法擁有較好的規(guī)劃效果。

3 結(jié) 語

本文通過設計公共空間基礎設施廊道網(wǎng)絡體系，得到了較為完整且成體系的城市公共空間基礎設施廊道用地規(guī)劃方法。并通過實驗驗證了該方法比常規(guī)方法更具備實用性，其廊道連通效果在連通率和網(wǎng)絡連接度中均具備較好的測試結(jié)果，使用該方法進行規(guī)劃可以得到更好的效果。