城市形態(tài)的幾何表征及量化方法研究.pdf

1、城市是人類活動的物質(zhì)空間環(huán)境，其形態(tài)體現(xiàn)了城市的主要特征。城市是源遠流長的，但將城市作為對象進行研究卻是近現(xiàn)代才發(fā)生的。而關(guān)于城市形態(tài)的研究更是現(xiàn)代才出現(xiàn)的。城市形態(tài)的量化方法研究為城市形態(tài)探索提供了手段，也使研究成果更具科學(xué)性與說服力，同時也提供了明確依據(jù)與理論支持。目前，城市形態(tài)學(xué)作為一門交叉性學(xué)科，獲得了越來越多的關(guān)注。城市形態(tài)研究主要集中于形態(tài)演變因素、形態(tài)演變驅(qū)動機制等方面。而城市形態(tài)的量化方法研究卻相對滯后，其研究成果也相對

2、缺乏。在具體量化中往往借鑒其他學(xué)科的量化方法，而這些量化方法與指標中，有些是不適用于城市形態(tài)的，有些對于形態(tài)中存在的不確定性描述能力不足。本文以空間頻率的視角入手，以城市外延形式與內(nèi)涵邏輯的統(tǒng)一為目的，針對城市形態(tài)中的幾何層面的基本指標，通過分析、借鑒、改良、驗證等環(huán)節(jié)，從點狀形態(tài)、線狀形態(tài)、面狀形態(tài)三個層面，進行適用于城市形態(tài)的量化方法研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艊@城市點狀形態(tài)進行研究所取得的成果主要有四個方面，包括：提

3、出基于頻域復(fù)原技術(shù)的點群分布范圍量化方法。傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)形態(tài)指標的局限性在于對形態(tài)中的“形”表達能力有限，由此導(dǎo)致量化數(shù)據(jù)脫離形態(tài)引導(dǎo)和制約的可能。而城市形態(tài)是多種多樣的，其外廓相應(yīng)充滿了不確定性。本文在第三章提出基于點群形態(tài)表征城市大體輪廓，并用頻域轉(zhuǎn)換的方法，經(jīng)過低通濾波復(fù)原點群分布范圍。復(fù)原后的范圍形態(tài)依賴于點群的位置分布；提出基于分布范圍的點群中心位置量化方法。傳統(tǒng)點群中心計算方法的結(jié)果表征的是所有點位置總量的統(tǒng)計平均值，其位置可

4、能在點群覆蓋范圍之外。這樣的中心位置在城市形態(tài)中的應(yīng)用意義就大為削減。本文在第三章提出通過分布范圍的調(diào)整，計算出整體范圍的中心范圍，以此為基礎(chǔ)計算點群中心所處位置；提出反映點群之間疏密關(guān)系的點群密度分布量化方法。在傳統(tǒng)的量化中往往將總體點數(shù)與指定范圍之比的結(jié)果值作為點群密度的量值。這個值是一個常量，難以衡量城市形態(tài)中觀層面的內(nèi)部疏密關(guān)系，應(yīng)用價值有限。本文第三章采用頻域轉(zhuǎn)換的方法，經(jīng)過濾波處理，擬合點之間狀態(tài)，最終結(jié)果體現(xiàn)點群的密度分布

5、狀況。這個疏密狀態(tài)表現(xiàn)為模糊狀態(tài)，體現(xiàn)了城市形態(tài)中點狀因素的不確定性；提出范圍形態(tài)復(fù)雜度量化方法。范圍形態(tài)可以理解為一個區(qū)域形狀，傳統(tǒng)量化方法中的指標往往是計算其某方面的特征。這種特征能體現(xiàn)區(qū)域形狀的大體特征，但描述能力相對不足，且說服力有限。形狀復(fù)雜性很難直接定義，因為形狀是一個高級的、抽象的概念，很難用一個或幾個標準來衡量。本文在第三章中對分布范圍的形態(tài)進行頻域變換、帶通濾波，將形態(tài)邊緣放射狀能量分布反映在一維的數(shù)據(jù)中。在此基礎(chǔ)上進

6、行一維傅立葉變換，然后計算熵值，其結(jié)果有效的反映出邊緣能量的紊亂程度，間接的表達了形態(tài)的復(fù)雜度。
　?、茋@城市線狀形態(tài)進行研究所取得的成果主要有三個方面，包括：提出線群分布范圍量化方法，并提出基于線群分布范圍的線群密度分布量化方法。城市形態(tài)中的線狀因素大量存在，且往往體現(xiàn)了形態(tài)的骨架和外廓等這樣的重要信息。以往與線群分布范圍相關(guān)的線狀因素量化指標，其范圍往往是指定的，這樣計算出的結(jié)果是一個常量，其局限性在于機械性。關(guān)鍵問題在于指

7、定線群分布范圍的粗放性及機械性；提出利用點群復(fù)原相應(yīng)區(qū)域的方法，根據(jù)線群中存在的點序（即點與點之間的連接方向），進一步產(chǎn)生線群分布范圍的方法；提出度量線群方向復(fù)雜度的線群方向熵量化指標。方向作為線狀形態(tài)的重要特征，是人們認知城市線狀形態(tài)的重要參考。在城市形態(tài)中存在的線群，其眾多方向的復(fù)雜度需要量化以作為認知、設(shè)計等方面的參考與依據(jù)。但相應(yīng)的量化方法及其指標尚未見到，本文在第四章提出按城市形態(tài)中線群的幾個主向進行分類，計算每個方向類中線群

8、數(shù)量的占比，最終通過熵的計算方法進行指標量化。
　?、菄@城市面狀形態(tài)進行研究所取得的成果主要有兩個方面，包括：提出反映面群分布紊亂度的二維熵量化指標。在城市形態(tài)中不同屬性的面分布在整體空間中，有學(xué)者用熵的原理對面群中的紊亂程度進行量化，但純粹的量值計算結(jié)果反映不出形態(tài)中的分布信息。本文第五章針對空間中面群分布信息，對單個面的量值及周圍面群的聯(lián)合概率為基礎(chǔ)，根據(jù)熵計算系統(tǒng)紊亂度的原理，將形態(tài)中的分布信息反映在熵值計算中；用量化指標

9、綜合表示城市基本空間形態(tài)。城市形態(tài)中的位置、方向、區(qū)域、組群等指標參數(shù)表征了城市空間的結(jié)構(gòu)特征。本文在第五章中綜合前幾章的部分指標對城市空間整體形態(tài)進行了表征。
　　⑷提出分形理論的逆應(yīng)用----聚形方法。分形幾何圖形具有自相似性與無標度性，其特征為分數(shù)維度。這種圖形的表現(xiàn)形式給予研究人員、設(shè)計人員極大的啟發(fā)，在城市形態(tài)學(xué)中也是如此。分形理論往往是將圖形在不斷的遞歸中細碎化，在城市形態(tài)中經(jīng)常用分數(shù)維度表征形態(tài)相關(guān)形式的演進過程，并