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(dòng)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(yuǎn)流長(zhǎng)的，但將城市作為對(duì)象進(jìn)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(shí)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(dòng)機(jī)制等方面。而城市形態(tài)的量化方法研究卻相對(duì)滯后，其研究成果也相對(duì)

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(biāo)中，有些是不適用于城市形態(tài)的，有些對(duì)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(duì)城市形態(tài)中的幾何層面的基本指標(biāo)，通過分析、借鑒、改良、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，從點(diǎn)狀形態(tài)、線狀形態(tài)、面狀形態(tài)三個(gè)層面，進(jìn)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(diǎn)狀形態(tài)進(jìn)行研究所取得的成果主要有四個(gè)方面，包括：提

3、出基于頻域復(fù)原技術(shù)的點(diǎn)群分布范圍量化方法。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)形態(tài)指標(biāo)的局限性在于對(duì)形態(tài)中的“形”表達(dá)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(diǎn)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(diǎn)群分布范圍。復(fù)原后的范圍形態(tài)依賴于點(diǎn)群的位置分布；提出基于分布范圍的點(diǎn)群中心位置量化方法。傳統(tǒng)點(diǎn)群中心計(jì)算方法的結(jié)果表征的是所有點(diǎn)位置總量的統(tǒng)計(jì)平均值，其位置可

4、能在點(diǎn)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(jì)算出整體范圍的中心范圍，以此為基礎(chǔ)計(jì)算點(diǎn)群中心所處位置；提出反映點(diǎn)群之間疏密關(guān)系的點(diǎn)群密度分布量化方法。在傳統(tǒng)的量化中往往將總體點(diǎn)數(shù)與指定范圍之比的結(jié)果值作為點(diǎn)群密度的量值。這個(gè)值是一個(gè)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(jià)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(diǎn)之間狀態(tài)，最終結(jié)果體現(xiàn)點(diǎn)群的密度分布

5、狀況。這個(gè)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(diǎn)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(gè)區(qū)域形狀，傳統(tǒng)量化方法中的指標(biāo)往往是計(jì)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(duì)不足，且說服力有限。形狀復(fù)雜性很難直接定義，因?yàn)樾螤钍且粋€(gè)高級(jí)的、抽象的概念，很難用一個(gè)或幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來衡量。本文在第三章中對(duì)分布范圍的形態(tài)進(jìn)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(jìn)

6、行一維傅立葉變換，然后計(jì)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(dá)了形態(tài)的復(fù)雜度。
　　⑵圍繞城市線狀形態(tài)進(jìn)行研究所取得的成果主要有三個(gè)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(biāo)，其范圍往往是指定的，這樣計(jì)算出的結(jié)果是一個(gè)常量，其局限性在于機(jī)械性。關(guān)鍵問題在于指

7、定線群分布范圍的粗放性及機(jī)械性；提出利用點(diǎn)群復(fù)原相應(yīng)區(qū)域的方法，根據(jù)線群中存在的點(diǎn)序（即點(diǎn)與點(diǎn)之間的連接方向），進(jìn)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(biāo)。方向作為線狀形態(tài)的重要特征，是人們認(rèn)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(rèn)知、設(shè)計(jì)等方面的參考與依據(jù)。但相應(yīng)的量化方法及其指標(biāo)尚未見到，本文在第四章提出按城市形態(tài)中線群的幾個(gè)主向進(jìn)行分類，計(jì)算每個(gè)方向類中線群

8、數(shù)量的占比，最終通過熵的計(jì)算方法進(jìn)行指標(biāo)量化。
　?、菄@城市面狀形態(tài)進(jìn)行研究所取得的成果主要有兩個(gè)方面，包括：提出反映面群分布紊亂度的二維熵量化指標(biāo)。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(duì)面群中的紊亂程度進(jìn)行量化，但純粹的量值計(jì)算結(jié)果反映不出形態(tài)中的分布信息。本文第五章針對(duì)空間中面群分布信息，對(duì)單個(gè)面的量值及周圍面群的聯(lián)合概率為基礎(chǔ)，根據(jù)熵計(jì)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(jì)算中；用量化指標(biāo)

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(biāo)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(biāo)對(duì)城市空間整體形態(tài)進(jìn)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(biāo)度性，其特征為分?jǐn)?shù)維度。這種圖形的表現(xiàn)形式給予研究人員、設(shè)計(jì)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(xì)碎化，在城市形態(tài)中經(jīng)常用分?jǐn)?shù)維度表征形態(tài)相關(guān)形式的演進(jìn)過程，并