一种基于空间句法的城市扩张边界预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及城市扩张边界预测方法，尤其涉及一种基于空间句法的城市扩张边界 预测方法。
【背景技术】
[0002] 我国城市化进程不断加快，如何实现对城市增长的有效控制，是城市发展研宄的 重要课题。由于城市系统受多因素作用，其内空间活动复杂多变，以往对于城市的研宄多着 重于分析经济和社会因素，认为城市空间的形态和模式只是它们在地域上的投影，是经济 和社会过程塑造了物质城市。基于这种城市分析方法建立的预测拓张边界的模型大多考虑 因素众多，模型较为复杂，如元胞自动机模型、SLEUTH模型、CLUE-S模型、二分类逻辑回归 模、多变量逻辑回归模型等。
[0003] 上世纪70年代，英国伦敦大学Hillier教授提出空间句法，即一种以空间形态分 析为基础分析城市空间的方法，为解决城市问题，提供了新的研宄思路和手段。空间句法 认为，街道路网本身是决定运动的因素之一，通过其对运动的影响塑造土地利用模式，不同 类型的土地会在这种运动下找到合适的位置，如商业用地会移动到路网的人流汇集处，而 其他类型土地会移动到人流较少地点。空间句法解释了人在空间中的行为与空间形态本 身的关系，认为道路很大程度上决定人的行为。国内外学者基于空间句法分析了城市范围 内的众多问题，如在行人和车流量分析方面，Hiller等提出人、车出行受城市内街道网络的 可达性结构影响；AvanNes等，以欧洲的城镇为研宄对象，基于空间句法分析道路建设与 城市变化的关系，并研宄环形道路对零售商店分布的影响。在城市规划方面：JoseJulio Lima等分析了上世纪末柏林的城市空间结构与社会联系特征，麦肯锡全球研宄院的Chetty R.等对比美国不同规模城市分析了社会经济对住区形态的影响。城市形态格局的演变方 面，Hiller等人通过研宄提出，城市聚集的过程是由于不规则网格具有不均衡引力，此外还 有大量著作将空间句法与GIS结合用于该方面研宄。另外空间句法还被应用于城市土地利 用密度、步行交通模型的构建、犯罪行为在空间上的分布等方面。自空间句法出现以来，城 市范围内的研宄成果颇丰，但目前基于空间句法对城市边界扩展方面的研宄成果较少。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于空间句法的城市扩张边界预测 方法，该方法能更真实、准确地模拟城市扩展。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种基于空间句法的城市扩张边界预测方法，其特 征在于，包括以下步骤：
[0006] 步骤1 :提取城市建成区边界并基于空间句法绘制线段地图，其具体实现包括以 下子步骤：
[0007] 步骤1. 1 :提取建成区边界图，包括历史、现状和规划年三个时段；
[0008] 步骤1. 2 :绘制轴线地图，分历史、现状和规划年三幅图；
[0009] 步骤1. 3 :将轴线地图转译生成线段地图。
[0010] 步骤2 :以城市现有建成区及其周边可能发展为城市用地的区域为研宄区，建立 覆盖研宄区的固定网格单元；
[0011] 步骤3 :计算空间句法形态分析变量，并赋值给格网；
[0012] 步骤4 :计算各网格到不同时期建成区边界距离D;
[0013] 步骤5 :建立多元线性回归模型，确定模型变量及对应参数，并对所建立的多元线 性回归模型进行检验；
[0014] 步骤6 :城市扩张边界预测，其具体实现包括以下子步骤：
[0015] 步骤6. 1 :依据所建立的多元线性回归模型，利用现状路网和规划路网，将各网格 点的对应变量的取值代入模型，计算规划年各网格点到规划年建成区边界距离；
[0016] 步骤6. 2 :绘制各网格点到边界距离的等值线，将预测结果可视化。
[0017] 作为优选，步骤1. 2中所述的轴线地图是利用AutoCAD绘制而成，步骤1. 3中所 述的将轴线地图转译生成线段地图是利用D印thmapX软件将轴线地图转译为线段地图，将 Removeaxialstubs的参数值设置为25%。
[0018] 作为优选，步骤3的具体实现包括以下子步骤：
[0019] 步骤3. 1 :计算不同时期线段法的形态分析变量F，包括不同空间尺度下的整合度 I、选择度C、线密度TSL、节点值NC、深度值TD和角度连接值AnCon，即：
[0020] FG{Ir,Cr,TSLr,NCr,TDr,AnCon},
[0021] 其中r取不同的空间尺度，依据城市建成区面积确定；
[0022] 步骤3. 2 :采用《城镇土地分等定级规程GB/T18507-2014》中道路通达度作用分 算法，将描述线段的形态分析变量F赋值给格网，记为X;其具体实现包括以下子步骤：
[0023] 步骤3. 2. 1 :根据道路级别计算其作用半径，并赋给对应的线段，计算公式如下：
[0024] d=s+ 1 ;
[0025] 其中：d为作用半径，s为建成区面积，1为各级别道路总长度；
[0026] 步骤3. 2. 2 :根据形态分析变量指标的含义，将其赋给各格网单元时，不仅要考虑 服务于该格网单元的线段指标值大小，也要考虑其距线段的相对距离；线段对各个网格单 元的影响是在其服务半径内随着距离衰减的，深度值是增加；确定距离衰减模型为指数模 型：
[0027]
[0028] 其中Xj为格网单元j获取的形态分析变量指标值，Fi为线段i的形态分析变量指 标值，屯为格网单元j到线段i的实际距离，d为线段i的作用半径，n为作用于网格单元 j的线段总数。
[0029] 作为优选，步骤3. 1中利用DepthmapX计算不同时期线段法的形态分析变量F，步 骤3. 2中利用ArcView编程将描述线段的形态分析变量F赋值给格网，记为X。
[0030] 作为优选，步骤4中利用ArcGIS工具计算各网格到不同时期建成区边界距离D。
[0031] 作为优选，步骤5的具体实现包括以下子步骤：
[0032] 步骤5. 1 :以城市扩张后各格网单元距建成区边界距离为因变量，以扩张前距建 成区边界距离和扩张前后各形态分析变量为自变量，构建多元线性回归模型：
[0033]
[0034] 其中：DpDt为扩展前、后各网格单元到建成区边界距离，为扩展前边界距离权 重值，\QUOTEWMERGEFORMAT为常数项，为扩展前形态分析变量，为扩展前形态 分析变量权重值；为扩展后形态分析变量；A,扩展后形态分析变量权重值，m为自变量 总数；
[0035] 步骤5. 2 :各网格点到城市建成区边界现状距离与历史距离、历史年和现状年形 态分析变量代入多元线性回归模型。调用SPSS软件中的回归分析，选择变量逐步进入的方 式构建模型，可以筛选出对因变量（距城市建成区边界现状距离）影响显著的因子，即满足 sig< 0. 05的因子，剔除不显著因子，确定它们之间相关程度，进而得到模型变量及对应参 数；
[0036] 步骤5. 3 :对所建立的多元线性回归模型进行检验，其具体实现包括以下子步骤：
[0037] 步骤5. 3. 1 :计算多元线性回归模型的拟合度R2和显著水平sig.指标，检验模型 拟合度；
[0038] 步骤5. 3. 2 :分析多元线性回归模型残差分布，检验残差独立性；
[0039] 步骤5. 3. 3 :方差齐次性检验；
[0040] 步骤5. 3. 4 :-致性检验，采用历史数据、历史路网和现状路网，对现状进行预测， 并与实际情况对比，计算Kappa系数。
[0041] 作为优选，步骤6. 2中利用ArcGIS工具将预测结果可视化。
[0042] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0043] 本发明方法构建了道路空间属性与城市建成区边界的定量模型，并将上述模型应 用于城市扩张边界预测中，在一定程度上能为城市规划决策和城市边界问题的研宄提供新 思路，有助于更真实、准确地掌握路网建设与城市扩张关系，也可作为元胞自动机等在模拟 城市扩张过程中的约束条件。
【附图说明】
[0044] 图1 :为本发明实例中不同时期的线段地图，（a)为2002年路网线段地图，（b)为 2008年路网线段地图，（c)为规划年路网线段地图；
[0045] 图2 :为本发明实例中不同时期的建成区边界地图（2002年和2008年）；
[0046] 图3 :为本发明实例中不同时期的线段地图形态分析变量值分布图，以全局整合 度值为例，（a)为2002年全局整合度分布图，（b)为2008年全局整合度分布图，（c)为规划 年全局整合度分布图；
[0047] 图4 :为本发明实例中不同时期固定网格单元变量值分布图，以全局整合度值为 例，（a)为2002年全局整合度分布图，（b)为2008年全局整合度分布图，（c)为规划年全局 整合度分布图；
[0048] 图5 :为本发明实例中不同空间尺度下各网格变量值与到建成区边界距离的相关 度，（a)为整合度值与建成区边界距离相关度，（b)为选择度值与建成区边界距离相关度， (c)为节点数值与建成区边界距离相关度，⑷为TSL值与建成区边界距离相关度，（e)为 深度值与建成区边界距离相关度；