一种基于平面格局三要素和分形计算的城市形态分析管控方法与流程

本发明属于城市规划与城市管理技术领域，特别涉及一种基于平面格局三要素和分形计算的城市形态分析管控方法。

背景技术：

城市形态研究起源于西方人文地理学，通过观察和研究城市的有机生长机制，将形态学的方法用以分析城市的社会与物质环境，“‘逻辑’的内涵属性与‘表现’的外延共同构成了城市形态的整体观”。其发展过程从最初的仅以城镇平面图作为研究主题，经历了二战前后城市形态学理论更新，最终发展成不同的形态学流派。早期城市平面形态格局的研究局限于仅考虑街道或街道空间，街区的内部结构通常都被忽略了，并且忽视了城镇扩张过程中所掩盖的多种多样的现象。因此，英德学派(康泽恩学派)将街道、地块及建筑基底平面格局三要素作为重点研究对象最早应用于英国诺森伯兰郡安尼克案例研究中，把城市景观中蕴含历史意义的文化意识及其物质载体完整保存下来，为城镇平面布局构成搭建了一个综合理论框架。此框架不仅适用于小镇安尼克，而且同样适用于整个欧洲的城市中心，康泽恩平面格局理论不断发展，日臻完善。

目前，城市形态学多从历史地理学角度对城市的社会经济文化因素进行研究，最终反映在城市各组成要素的形态变化中。但城市形态研究总停留在定性研究层面，研究中的城市社会经济文化活动进程与量化特征结合程度不足，城市形态特征与演变缺乏准确的量化数据支撑。此外，借助大比例地图分析研究平面格局要素略显繁琐、抽象，工程量巨大，且很难从地图中直观描述细微的城市形态变化，因此，部分学者在定性分析的基础上开始尝试对城镇的平面格局进行量化分析。近年来，城市形态特征量化分析方法随着信息技术的发展不断涌现，部分学者已经采用康泽恩平面格局分析方法与空间句法、mxi等相结合精细化地比较新旧城区不同区域的城市形态特征。

采用分形计算作为一种量化方法，可以描述城市的生长及自相似、自组织特征，在上世纪90年代已运用于城市形态的研究，然而，单纯运用这一方法分析城市形态显得过于抽象和机械。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于平面格局三要素和分形计算的城市形态分析管控方法，将平面格局三要素框架与分形计算方法结合，通过分维值这一量化数据对城市平面格局进行合理的掌控。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于平面格局三要素和分形计算的城市形态分析管控方法，包括：

1)获取表现研究区域平面格局三要素的地图资料；所述平面格局三要素包括街道、地块以及建筑基底；所述地图资料为cad图或gis图；

2)结合所述地图资料中平面格局三要素的形态特征划分若干个子研究区域；

3)分别提取所述地图资料中研究区域的街道、地块及建筑基底平面底图要素，以线要素文件导入arcgis平台；

4)使用分形计算中的矢量网格法分别计算出研究区域三要素的分维值；包括：

4.1)选定一个矩形区域覆盖一个子研究区域，将其逐步分成4ⁿ的等分，其边长分成2ⁿ的等分；

4.2)在arcgis平台中将划分的n个尺寸网格分别与街道要素底图叠加，汇总得出不同尺寸r网格对应的非空网格数n(r)；将r和n(r)的数据取自然对数；将得到的ln(r)与lnn(r)数值导入图式分析软件中，作出线性回归图，并求出线性回归公式和相关系数r²；检验相关系数，线性回归方程的斜率k即为子研究区域中的街道要素分维值；

4.3)在arcgis平台中将划分的n个尺寸网格分别与地块要素底图叠加，重复步骤4.2)的计算过程计算出子研究区域中的地块要素分维值；

4.4)在arcgis平台中将划分的n个尺寸网格分别与建筑基底底图叠加，重复步骤4.2)的计算过程计算出子研究区域中的建筑基底要素分维值；

4.5)选取其它子研究区域重复步骤4.1)至步骤4.4)，统计得出所有子研究区域三要素的分维值；

5)将计算得出的三要素分维值列表数据导入excel中，生成不同子研究区域各要素分维值d柱状分布图；并分别计算出不同子研究区域街道要素、地块要素、建筑基底要素各自的平均分维值，依据柱状分布图对多组数据进行整理及直观地对比分析；

6)结合研究区域历史资料信息对所述柱状分布图所反映的数字信息给出合理的解释；归纳概括出研究区域平面格局三要素的分维特征，提出优化建议，在城市规划设计与管理中对城市平面格局进行合理的管控。

作为一种优选，所述n设置为9，即矩形最多划分到第9级，形成9组不同尺度的网格。

作为一种优选，所述图式分析软件包括excel或spss。

本发明具有如下有益效果：

(1)通过对将城市平面格局三个要素的分解，并分别计算其分维值，得出城市形态的量化指标，并将该指标用于城市规划设计与管理中的城市平面格局管控；同时，通过该方法的分维值计算，也可以用于不同城市，或同一个城市不同区域的城市形态比较；

(2)平面格局三要素为分形计算得出的数据差异提供一套定性的分析框架，清晰辨别平面格局三要素在历史演进过程中的形态差异及其量化特征，准确、直观地描述城市形态的特征与演变发展过程；

(3)将传统城市形态研究方法结合gis等新技术手段，简化操作过程，减少工作量，提高研究效率，计算结果高效且准确。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于平面格局三要素和分形计算的城市形态分析管控方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明方法的主流程图；

图2为本发明实施例的城市分区图；

图3为本发明实施例的子研究区域平面格局三要素底图；

图4为本发明实施例的矢量网格法计算流程图；

图5为本发明实施例的一子研究区域街道要素矢量网格法网格划分；

图6为本发明实施例的一子研究区域路网覆盖性分维图式；

图7为本发明实施例的一子研究区域地块要素矢量网格法网格划分；

图8为本发明实施例的一子研究区域地块覆盖性分维图式；

图9为本发明实施例的一子研究区域建筑基底要素矢量网格法网格划分；

图10为本发明实施例的一子研究区域建筑基底覆盖性分维图式；

图11为本发明实施例的城市各区域分维值计算结果柱状图。

具体实施方式

参见图1所示，本发明一种基于平面格局三要素和分形计算的城市形态分析管控方法，包括如下步骤：

1)选取研究城市地图资料

包括收集研究城市地图资料，所述地图资料可以为cad图或gis图，确保地图资料可以精确细致地表现平面格局三要素。具体的，城镇平面格局是指城市建成区的全部人工地物的空间分布，包含3种明确的平面格局要素复合体：街道及其在街道系统中的布局；地块及其在街区中的集聚和建筑物(房屋)的基底平面；即所述平面格局三要素包括街道、地块以及建筑基底。

2)划分多个典型研究区域

结合地图中平面格局三要素的形态特征以及研究区域历史资料等划分多个典型子研究区域，用于不同子研究区域或不同城市间的形态对比。参见图2所示，本发明实施例以以澳门半岛为例进行说明，将整个城市划分为11个典型子研究区域。

3)分别提取地图资料中研究区域的街道、地块及建筑基底平面底图要素，以线要素文件导入arcgis平台，各要素底图将分别用于之后的矢量网格法叠加计算。参见图3所示，此处以澳门半岛内港a区为例。

4)使用分形计算中的矢量网格法分别计算出研究区域三要素的分维值。

矢量网格法为在arcgis中对网格和城市建成区进行叠加分析，用二次开发语言设计算法计算出被叠加的网格数，即非空网格数。再将得到的数据输出到spss(或excel)中进行图式分析，并算出分维数d。因为用于叠加分析的城市建成区和网格都是矢量格式的，所以称为矢量网格法。

分形是指某种具有不规则、破碎形状的、同时组成部分又与整体具有某种方式上的相似性的，其维数不必为整数的几何体或演化着的形态。

具体的，矢量网格法计算的具体步骤参见图4所示。

首先选定一个矩形区域覆盖一个子研究区域，将其逐步分成4ⁿ的等分，相应地，边长分成2ⁿ的等分。为了保证分维值的准确性，一般取n＝9，即矩形最多划分到第9级，形成9组不同尺度的网格。

参见图5所示，将在arcgis平台中将划分的9个尺寸网格分别与街道要素底图叠加，汇总得出不同尺寸网格对应的非空网格数，即表1中的r和n(r)。然后，将表1中的r和n(r)的数据取自然对数，得出表1中的数值。将ln(r)与lnn(r)数值导入excel或spss中，作出线性回归图，并求出线性回归公式和相关系数r²。检验相关系数，线性回归方程的斜率k即为此案例研究区域中的街道元素分维值d，参见图6所示。

上表中，r表示网格边长等分倍数，n(r)表示对应网格尺寸的非空网格数。附图6中，回归直线：y＝-1.6045x+0.5807；线性相关系数：r²＝0.9933；街道要素分维值:d街道＝1.6045。

表1内港a区街道要素分形维数分析数据表

根据上述方法，依次分别选取澳门半岛内港a区地块要素以及建筑基底要素底图进行计算，得出地块要素分维值d地块(参见图7-图8，及表2)和建筑基底要素分维值d建筑(参见图9-图10，及表3)。

表2内港a区地块要素分形维数分析数据表

附图8中，回归直线：y＝-1.7195x+0.1872；线性相关系数：r²＝0.9982；地块要素分维值:d地块＝1.7195。

表3内港a区建筑基底要素分形维数分析数据表

附图10中，回归直线：y＝-1.6262x+0.5354；线性相关系数：r²＝0.993；建筑基底要素分维值:d建筑＝1.6262。

得出内港a区三要素分维值后，选取澳门半岛其它子区域重复上述叠加计算过程，统计得出各研究区域各要素的分维值d，参见表4所示。

表4澳门半岛各区域分维值计算结果统计表

5)参见图11所示，将计算得出的三要素分维值列表数据导入excel中，生成不同研究区域各要素分维值d柱状分布图，其中平均值不包括新城a区，并分别计算出不同区域街道要素、地块要素、建筑基底要素各自的平均分维值，依据柱状分布图对多组数据进行整理及直观地对比分析。

6)结合研究区域历史资料等信息对柱状分布图所反映的数字信息给出合理的解释，并归纳概括出研究区域平面格局三要素的分维特征，提出优化建议，在城市规划设计与管理中对城市平面格局进行合理的管控。

本发明弥补了抽象分形计算的不足，选取康泽恩城市形态学理论中的平面格局三要素作为基本框架，将平面格局各要素分解开来分别进行分形计算得出分维值，并依据历史地图等资料为得出的量化数据提供合理的演变依据，揭示隐藏于复杂物质形态背后的数值关系，研究结果更加准确且具说服力，得出的分维值还可以用于不同城市，或同一个城市不同区域之间的城市形态比较。同时，将传统城市形态研究方法结合gis等新技术手段，简化操作过程，减少工作量，提高研究效率，计算结果高效且准确。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。