城市路网空间复杂性的一般和分异性质探索

发布时间：2020-05-09 12:51

【摘要】：伴随着全球城市化进程以及城市本身的复杂化趋势,城市议题对于人类社会可持续发展的重要性越发突出,建立相应的城市科学进而成为一项时代命题。然而由于当前的城市研究仍处于前范式时期,探讨城市现象的一般性就成为了现阶段的首要任务。而在城市的各项属性中,空间形态是其本底性要素,复杂性是其本质性特征,那么综合反映这两点的空间复杂性就应是城市研究的重点领域。鉴于此,城市道路作为城市空间形态各要素中最稳定的一类用地,其形态对城市的运行有着极其关键的影响,此外其在各用地类型中独一无二的网络形态又赋予了其被多种空间语言进行描述的潜力,是探索多维度复杂性,尤其是空间复杂性的良好“桥梁”。故而,对于探索城市空间复杂性的一般和分异性质而言,路网就是一个非常合适的切入视角。而在实践层面上,研究路网空间复杂性一方面能为探索路网的优化形态提供参考,另一方面也能帮助明确中国城市在路网空间复杂性上于世界城市之林中的特征地位,并为其提供可供借鉴的参照城市样本。因而本文的主要研究目的即是探索城市路网空间复杂性的一般和分异性质,具体内容则主要按以下四个部分逐步展开:第一部分,界定空间复杂性内涵,建立分析框架。首先在回顾复杂性研究进程、总结其核心理念的基础上,明确了空间复杂性的界定思路的基本意涵,提出了城市人地系统中土地空间复杂性的二元认知框架,然后结合对“一般性”概念的界定提出本文具体的分析框架与测度体系。第二部分,探索城市路网空间复杂性的一般性。在全球范围内选取了 1040个城市样本,利用上述测度体系测度了各样本城市路网的空间复杂性特征,然后考察各项测度指标的结果分布以及其之间关联。第三部分,探索城市路网空间复杂性的分异性。利用主成分分析提炼了刻画城市路网空间复杂性的特征向量,然后利用凝聚聚类对样本城市进行类型划分,最后对各类型之间的属性分异和地理分异情况进行分析。第四部分,探索上述性质背后可能的演化规则。提出城市路网生成的若干演化规则假说,进行相应数理化表达,据此构建城市路网演化模型,探讨不同演化规则影响下的路网空间复杂性特征,从而为解释现实中城市路网空间复杂性的一些性质提供参考。论文的主要研究结论如下:(1)城市人地系统中土地的空间复杂性具有空间本征复杂性和空间表征复杂性的双重意涵。土地的空间本征复杂性是指当土地空间形态本身超越了以整形几何为代表的“空间简单性”而呈现出分形特征时而显示出的复杂性。土地的空间表征复杂性是指土地受其承载的人类社会系统所具备的复杂性特征影响而呈现出的特定形态或结构,其中又以系统的组织性和目的性两个维度最为突出,其作用于土地空间形态与结构时就体现为后者的自组织程度与功能水平。(2)一般性方面,城市路网在空间复杂性上具有较强的一般性。首先,就空间本征复杂性而言,形态分形和结构分形普遍存在,不过无论是形态上抑或是结构上的幂律分布则均只存在于各城市路网体系中数量占比较少的高等级道路之中。其次,就空间表征复杂性而言,路网自组织程度和功能水平各测度的分布均呈峰态分布,体现出较强的一致性。最后,两类空间复杂性单一测度之间整体关联较弱,体现出较强的独立性。(3)分异性方面,城市路网在空间复杂性上存在一定分异性,可划分为五种类型。类型一城市的路网规模最小,自组织程度偏低,形态分维数高,长度等级结构凸显,在效率和鲁棒性上表现最优,日韩等亚洲经济发达地区在这一类型上有着较多的分布。类型二城市规模最大,其路网受规划程度有限,虽然覆盖水平良好,但整体功能水平偏弱,对应着现实中欠规划的大城市。类型三城市的路网在本征复杂性的各项因子上均很低,功能水平与类型二相仿,整体上处于欠发育状态,对应着现实中正处于发展中阶段的城市路网形态,非洲和亚洲发展中地区的城市有较多分布。类型四城市是一类强规划城市,其路网具备最高的结构分形因子,中国大陆和北美地区有较多分布,可能代表着机动车导向下的路网形态。类型五城市路网的长度分布和度分布“异配”,有着很高的依度失效稳健性,欧洲和拉美城市有较多的分布。(4)进一步地,各地域在五种城市路网类型的分布上存在一定的分异和联系。首先,欧洲和拉美地区的分布相近,以类型一、类型三和类型五为主导,这一相似性可能是源自后者所受前者的殖民影响。其次,非洲和亚洲发展中地区有着类似的分布,均以类型三为主导,可能是源自二者相近的发展阶段。再次,日韩等亚洲发达地区的城市主要以类型一为主,故而在路网形态方面是值得借鉴学习的地域。最后,中国大陆地区与北美地区有着一定的相似性,二者均是以类型二和类型三为主导,这可能是源自前者对后者规划理念和经验的广泛引进。(5)圈结构机制和连接效用原则能为现实中城市路网空间复杂性的一些特征提供解释。计算机模拟实验显示,城市路网形态分形和结构分形均是非常稳健的性质,不过路网生成过程中连接效用因素的引入会削弱后者的普适性,这可能是现实中一部分城市的路网在结构分形上的契合度相对较低的原因;路划长度分布的无标度性可能与城市本身的集聚经济相关;路划度分布的无标度性在树状生长的路网中常见,圈结构的引入则会破坏这一特性,这为解释现实中为何只有数量稀少的高等级道路体系才呈现无标度分布提供了一个可能的解释。
【图文】：

不过Ｙ系数显然可以被视为集聚系数在平面网络上的全局推广。面逡逑（ｆａｃｅ）则直接代表了网络中的圈或元胞结构。节点数则一般用于反映网络的完逡逑整性，因而在鲁棒性测度中应用广泛。需要说明的是，图２．１仅列出了节点数和逡逑仅由其衍生出的指标之间的联系，实际上由于节点平均的需要，相当一部分的指逡逑标的建立也有节点数的参与，出于简明考虑就不予示意。逡逑３２逡逑

图３．１空间本征复杂性中“空间”的推广逡逑：复杂源自筒单逡逑了空间复杂性的内涵之后，接下来就需要明确，对照３，这样的内涵启示着怎样的复杂性认识？逡逑实中具备分形特征的事物往往有着非常繁复、驳杂的外生机制实际上是筒单的：给定分形元，令其无限次迭代体。这样看，分形理论实际上揭示了现实世界复杂性形：简单机制的多次迭代。逡逑两层意思，第一即承认复杂性源自筒单性，这与确定性同工，也是３．１．２．２节所论及的第一类复杂性认知的重复杂性是长期演化的结果。与分形现象而言，分形元有一
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：F426.6
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本文编号：2656168