应用空间网络方法进行城市化发展分析评估研究——以杭州市为例

王 娜， 梁勤欧

(浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004)

应用空间网络方法进行城市化发展分析评估研究
——以杭州市为例

王 娜， 梁勤欧

(浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004)

城市化是人类社会发展的一个重要过程，应用空间网络的方法进行城市化发展的分析评估研究可以定性、定量地评估城市发展的状况.根据2016年TM遥感影像和城市地图得到杭州市辖区内居民区空间分布的信息，再基于图论的方法建立空间网络，对区域内居民区的空间分布进行了建模分析.通过计算空间网络中边的局部重要性和节点的度中心性2个指标，评估了杭州市城市发展的状况.结果表明：1)空间网络中边的局部重要性指标可以代表某个地区城市化程度的高低，杭州市辖区城市化程度的高低总体上呈现圈层分布，由中心向四周依次降低；2)空间网络节点的度指标反映居民区在该地区的相对重要性及其对周围临近居民区辐射能力的大小，杭州市辖区中居民区分布较集中的区域，其度中心性也较高，彼此之间的联系紧密.

城市化；空间网络；空间分布；杭州市

0 引 言

全球范围内快速城市化的现象对环境、经济和社会产生了各种各样的影响[1- 10]，已经成为人类及人类栖息地可持续发展面临的主要挑战之一.城市化是乡村聚落逐渐转变为城市聚落的地域推进过程[11- 13].居民区尤其是城市居民区是人类活动的中心.因此，通过研究一定区域内居民区的空间分布特征及居民区之间的相互关系，可以对该区域的城市化发展进行分析评估，从而帮助人们更好地理解城市化过程，同时找到解决城市化过程中遇到问题的有效方法.目前，现有的文献对城市居民区或者乡村居民区的分布研究较多[14- 15]，而对区域中城市居民区和乡村居民区共同的分布空间格局的研究较少.Batty[16]提出的利用分形的思想来描绘城市形态；Wei等[17]利用多级遥感影像和景观格局知识去表征城市的扩张；梁会民等[18]运用GIS空间分析方法研究了董志塬黄土塬区居民点的空间分布，得出其居民点为随机分布的结论；张小军等[19]运用GIS空间分析方法对甘肃省陇西地区的居民点分布进行了分析，得出了其与地理要素的相关性；王春菊等[20]利用GIS技术定量地分析福建居民点分布的影响要素，得出了其与海拔高度、道路网、河网、土地利用及海岸线距离的关系.可以看出，国内外对居民区的空间分布和形态结构的研究多数是利用源于信息理论、分形几何的空间指数及传统的空间统计分析和相关分析方法.在目前来看，这些方法对于研究居民点的分布是有效的，但是随着研究区域空间尺度和范围的变化，这些方法渐渐凸显出在分级系统或者各种图斑(如居民区)所构成的网络体系中，研究对象之间相关性和关联性的评价方面存在着局限性.

空间网络是指节点位于拥有度量标准的空间之中的网络，图论方法是空间网络结构分析的重要方法[21].在进行城市化发展的分析评估研究时，利用图论的方法把研究区域中不同的居民区的几何质心作为空间网络的节点，用边来表示节点之间的联系，从而定量或定性地评估出节点或者边的重要性[22- 23].本文以杭州市辖区为研究区域，基于图论的方法,通过建立空间网络对区域内居民区的空间分布进行建模分析，提出一种新的技术方法,用来定量和定性地描述区域内居民区的空间分布特征及居民区之间的相关性，从而评估杭州市辖区城市发展的状况，为今后的城市建设提供科学依据.

1 研究方法

作为复杂网络的一个重要分支，空间网络将不同居民区作为研究节点，各个居民区依托不同的空间地理位置发生的相互作用，构成了网络分析中的连接边.通过对该网络分析模型的建立，各种评估指标的计算，构建出居民区空间关系的定性和定量分析体系.本文的研究方法主要包括2个部分：空间网络的生成;评估指标的计算.

1.1 空间网络的生成

以遥感影像数据为基础，空间网络生成的步骤如下：

1)通过目视解译提取出遥感影像的居民区多边形对象，并计算出与每一个居民区多边形对应的几何质心，见图1(a)；

2)以居民区多边形的外轮廓为基准，构建缓冲区，缓冲距离为空间网络的搜索半径，见图1(b)；

3)将居民区多边形的质心与落在其缓冲区范围内的居民区多边形质心相连接，即为空间网络的边，见图1(c)；

4)对所有居民区多边形执行步骤2和3，构建整张空间网络，见图1(d).

在空间网络生成的过程中，搜索半径的确定是灵活的，可以根据研究的需要自定义搜索缓冲区的大小来创建空间网络.但是，在创建的过程中还是要依据研究区域遥感影像的分辨率高低和居民区密度来确定搜索半径的大小，以保证在缓冲区范围内有足够的居民区，从而使得生成的空间网络不能过于简单或复杂.

(a) (b)

(c) (d)

图1 空间网络的生成

1.2 评估指标的计算

节点和边是构成空间网络的两个基本要素.空间网络中每一个节点的属性与研究区域中每一个居民区的几何属性是一一对应的.在有关网络分析的文献中，通常是用与节点相对应的研究对象的面积、形状度量标准或者用户自定义的一些参数等来表示节点的属性；利用最短距离，凝聚力指数等指标为空间网络中的边赋予权值，来表征边的重要性[24- 25].

在本文的研究中，选择与节点相对应的居民区的面积作为节点属性的衡量指标；并引入一种简单的权重标准作为边的权重的衡量指标：局部重要性(local significance)，在此简称为S，它的定义为

式(1)中:Ai和Aj分别代表与边对应的节点i和节点j的居民区的面积;D(i,j)指的是它们之间的欧氏距离.该指标为2个居民区的面积乘积与距离平方的比值，是一种区域性指标，可以表征居民点规模及其与周边居民点的辐射关系.权重大的边应该集中在人口聚集、面积大的城市区域，而在偏远的农村区域，虽然村庄可以很密集，但由于面积小，权重值并不会太大.所以该指标可以在一定程度上反映研究区域内城市化的相对程度.

居民区之间的相关性不是取决于它自己的属性，而是取决于它与其他居民区之间的联系(比如一个连接许多城镇的小城市的局部影响力要比单独的一个大城市重要得多).因此，为了能够恰当地表征不同居民区的重要性，参考已有的文献[26- 27].本文采用节点的度(degree)来描述居民区之间的相关性.定义度(degree)是与给定的节点直接相连的节点的数量或边数，也称为节点的度.

通常利用节点度的大小来衡量节点的中心性，直观地反映了该节点在一定距离内与空间网络中其他的节点发生直接联系的可能性大小.节点度的值越大，该节点的度中心性越强，其对周边临近节点的影响力也越大.

2 研究区域与数据基础

2.1 研究区域

杭州位于中国东南沿海北部，坐标为东经118°21′～120°30′，北纬29°11′～30°33′，是浙江省的政治、经济、文化和金融中心，长江三角洲中心城市之一.近30年来，随着城市化的发展，经过大规模的城市和园林建设，杭州市的行政区划发生了巨大的变化.2001年3月12日，经国务院和浙江省人民政府批准，撤销萧山市和余杭市2个县级市，同时设立萧山区和余杭区，与原杭州6个区组成新杭州市辖区；2014年12月13日，经国务院批准，又撤销富阳市，设立富阳区，作为杭州市的第9个辖区.基于杭州市近年来行政区划变化之迅速，本文通过对杭州市的城市化发展进行分析评估研究，让人们更加理解城市化的过程，并为杭州市今后的城市规划提供科学依据.

2.2 数据基础

本文所使用的数据包括Landsat TM影像和杭州市辖区的行政边界矢量图.根据研究的时空分辨率需求及数据的可获取性，本文所采用的遥感数据来源于美国陆地卫星(Landsat TM)，影像的获取时间是2016年3月5日，空间分辨率为30 m.为了保证提取出的居民区的精度，对影像数据进行预处理，包括遥感图像的几何精校正、辐射定标和大气校正等.对经过预处理之后的遥感图像，再使用所获取的行政边界矢量图进行不规则裁剪，得到所需的研究区域范围内的遥感影像数据.居民区的提取采用目视解译方式进行.

3 结果与讨论

本文以杭州市辖区作为研究区域，包括杭州主城区(上城、下城、江干、拱墅、西湖、滨江)、萧山、余杭、富阳4个部分.通过研究区域2016年3月5日的Landsat 8的TM遥感影像数据进行杭州市区居民区的提取，共提取出343个居民区对象(图2(a))，作为建立空间网络的数据基础.设置5 km作为空间网络的搜索半径，构建并计算出空间网络中边的局部重要性(S)(图3(a))，节点的度中心性(图4(a))2个评估指标.

3.1 居民区面积分布

从图2(a)可看出，杭州市居民区主要集中于杭州市主城区，且面积较大而密集；杭州市主城区外如余杭、富阳、萧山等地也有部分斑块状居民区分布，但分布面积较小且较分散.经统计,居民区面积最大为17 040 hm2，最小为0.4 hm2；343个居民区中，面积前10(约占总个数的3%)的居民区面积总和占总面积的56.8%，从侧面说明大部分人集中居住在少数几个大居民区中，也是城市化的特点之一.将居民区面积值取对数(lg)后分布图如图2(b)所示.可以看出,居民区的个数与居民区面积(用字母A来表示)lg值的关系成类正态分布.经统计,居民区面积lg值在区间(1.19,2.26]内有197个，对应面积值区间(27,145] (单位：hm2)，占居民区总数的57.4%，超过半数的居民区面积在100 hm2左右，说明大部分的居民区面积在这个量级.

(a) (b)

图2 居民区分布

3.2 网络中边的权重分布

基于提取的居民区基础数据，通过设定5 km的搜索半径，生成如图3(a)所示的空间网络.网络中不同类型的线条构成了空间网络的边，线条的类型代表边的权重即局部重要性.从图3(a)可以看出，局部重要性高的黑色实线边集中在杭州主城区周边和新设的富阳区中心，基本勾勒了杭州主要城区的范围.

(a) (b)

图3 空间网络中边的权重分布

结合杭州市的实际发展状况可以发现,代表高权重值的黑色实线边较密集的地区一般是城市的中心(以主城区为主，以及其与周围各区相连接的地区)，城市化的程度一般较高，灰色虚线边较密集的地区一般位于城市中心的外围，城市化的程度次之，灰色实线边较密集的地区一般位于城市的最外围即农村地区，城市化程度最低.因此，通过空间网络中边的局部重要性指标可以快速地判定出某个地区城市化程度的高低.同时，从图3(a)中可以看出，该指标可以区分城市和农村区域的同时，还可以表征并提取农村向城市过渡的郊区地带(灰色虚线存在的区域).对空间网络中边的局部重要性指标取lg后分布如图3(b)所示，发现边的个数与边的局部重要性的lg值的关系也成类正态分布.结合图3(a)与图3(b)，代表lgS在(5.0，8.3]区间内的黑色实线边有361条，占总数的27.1%；在(3.7，5.0]区间内的灰色虚线边有625条，占总数的47.0%；其余灰色虚线边有344条，占总数的25.9%.统计数据从侧面表明，杭州市辖区目前整体的城市化水平程度较高，但分布不均匀.总体来看,杭州还是处在强烈的城市化发展过程中，呈现由四周向中心发展的趋势.

3.3 网络中节点度的分布

图4(a)为空间网络中节点连接的其他节点的个数即度的分布.点的尺寸越大，其对应的居民区质心的度的值越大，该居民区的度中心性就较高；点的尺寸越小，其对应的居民区质心的度的值越小，该居民区的度中心性就越低.

(a) (b)

图4 空间网络节点度的分布

结合图2(a)与图4(a)可以得出，度中心性较高的居民区都位于居民区分布较集中的地区，如杭州市的主城区，余杭区的东北部，富阳区与杭州市主城区的交界处及萧山区的南部.度中心性的高低，不仅代表该居民区对象在预设的范围内对周围邻近居民区的辐射能力的高低，同时也代表该居民区对象在研究区域范围内重要性的大小.例如，杭州市主城区范围内最大的居民区，度中心性为17，周围邻近居民区与之联系很密切，受该居民区的辐射影响很大.度最大值为21的是富阳区政府所在地，说明该指标是局部相对值，而非绝对值，局部地区的政治经济中心,其居民区度的值就高，它与周围邻近居民区发生联系的可能性就大.图4(b)为节点度的统计分布柱状图.通过统计，在提取出的343个居民区对象中，度中心性的最大值是21，最小值是1，两者之间的差距达到21倍.说明通过计算网络中节点的度，可以定量地表示区域中每个居民区的重要程度及其与周围临近居民区发生联系的可能性大小.

4 结论与展望

本文的研究表明，在城市规划中引入图论作为新的分析工具，利用空间网络的指标定性和定量地分析一定区域范围内居民区的分布状况、评估城市发展的状况是可行的.空间网络边的局部重要性指标，可以体现杭州地区城市化发展的结构性差异及其城市化的程度.区分城市和农村区域的同时，还可以表征并提取农村向城市过渡的郊区地带.空间网络节点的度是一个相对指标，不仅在全局范围内，而且可以在局部范围内反映居民区在该地区的相对重要性及其与周围临近居民区发生联系的可能性大小.

本文只是利用空间网络知识，在城市化分析中进行了初步的探索，后续的研究中可以在以下几个方面进一步发展：结合多期遥感数据，从时间线角度评估区域城市化发展的趋势；空间网络的生成上，结合地形和道路数据，更合理地反映网络连接边的权重；基于高分辨率的遥感图像进行居民区的自动提取，更快速合理地进行居民区的识别和勾勒.

[1]沈德理，李芬.城市化进程中的社会冲突:政府的视角——来自海口市的实证调查[J].华中师范大学学报:人文社会科学版，2007，46(2):61- 67.

[2]宁越敏.中国城市化特点、问题及治理[J].南京社会科学，2012(10):19- 27.

[3]李俊生，高吉喜，张晓岚，等.城市化对生物多样性的影响研究综述[J].生态学杂志，2005，24(8):953- 957.

[4]陈屹立.收入不平等、城市化与中国的犯罪率变迁[J].中国刑事法杂志，2010(11):108- 118.

[5]胡艳.我国城市化进程中交通拥堵问题及治理措施[D].长沙：湖南师范大学，2012.

[6]杜江，刘渝.城市化与环境污染:中国省际面板数据的实证研究[J].长江流域资源与环境，2008，17(6):825- 830.

[7]宋丽敏.中国人口城市化与城镇就业问题研究[D].沈阳:辽宁大学，2007.

[8]赖德胜，郑勤华.当代中国的城市化与教育发展[J].北京师范大学学报:社会科学版，2005(5):27- 35.

[9]Dye C.Health and urban living[J].Science，2008，319(5864):766- 769.

[10] Seto K C，Fragkias M，Güneralp B，et al.A metaanalysis of global urban land expansion[J].PLos One，2011，6(8):e23777.

[11]顾朝林，吴莉娅.中国城市化问题研究综述(Ⅰ)[J].城市与区域规划研究，2008(2):104- 147.

[12]Simon D.Urban environments:issues on the peri- urban fringe[J].Annual Review of Environment and Resources，2008，33(1):167- 185.

[13]Rain D.Towards settlement science:a research agenda for urban geography[J].GeoJournal，2007，69(1):1- 8.

[14]叶明，叶持跃，许继琴，等.基于GIS空间分析的宁波周边城市群研究[J].宁波大学学报:理工版，2005，18(4):495- 499.

[15]田光进，刘纪远，庄大方.近10年来中国农村居民点用地时空特征[J].地理学报，2003，58(5):651- 658.

[16]Batty M.The size，scale，and shape of cities[J].Science，2008,319(5864):769- 771.

[17]Wei J，Jia M，Twibell R W，et al.Characterizing urban sprawl using multi- stage remote sensing images and landscape metrics[J].Computers Environment & Urban Systems，2006，30(6):861- 879.

[18]梁会民，赵军.基于GIS的黄土塬区居民点空间分布研究[J].人文地理，2001，16(6):81- 83.

[19]张小军，李雪妍，尹卫红.基于GIS的西部生态脆弱区居民点空间信息分析研究[J].干旱区资源与环境，2006，20(2):37- 43.

[20]王春菊，汤小华，吴德文.福建省居民点分布与环境关系的定量研究[J].海南师范大学学报:自然科学版，2005，18(1):89- 92.

[21]路紫，张秋娈，邢晨宇，等.基于图论的SNS社区中人际节点空间关系的中心性研究——以新浪微博为例[J].经济地理，2013，33 (12):77- 83.

[22]Freeman L C.Centrality in social networks:conceptual clarification[J].Social Networks，1979，1(3):215- 239.

[23]Newman M E J.Networks:an introduction[R].Oxford:Oxford University Press，2010.

[24]许志海.空间网络图的表示、量测与分析[D].郑州：解放军信息工程大学，2007.

[25]Parent J，Angel S，Civco D L.Ten compactness properties of circles:measuring shape in geography shape in geography[J].The Canadian Geographer，2010，54(4):441- 461.

[26]莫辉辉，金凤君，刘毅，等.机场体系中心性的网络分析方法与实证[J].地理科学，2010，30(2):204- 212.

[27]Marconcini M Esch T，Marmanis D，et al.Dimensioning urbanization e an advanced procedure for characterizing human settlement properties and patterns using spatial network analysis[J].Applied Geography，2014，55:212- 228.

(责任编辑 杜利民)

Analysis and evaluation of urban development based on spatial network method: a case study of Hangzhou City

WANG Na, LIANG Qin′ou

(CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

Urbanization was an important process of human social development, which was considered as a continuum from rural to urban settlements. Accordingly, researching on the size, form(e.g., compact or spread) and spatial distribution(e.g., dispersed or nucleated) of different types of settlements was a major issue to better understand urbanization and solve the problems effectively in the process of urbanization. Based on the distribution of settlements in Hangzhou City， it was established the spatial network via graph theory. By analyzing the distribution of settlements area, the weight and degree of edge in the spatial network， the spatial distribution of settlements qualitatively and quantitatively were described, which characterizesd the development of Hangzhou City.

urbanization; spatial network; spatial distribution; Hangzhou City

10.16218/j.issn.1001- 5051.2017.02.017

2016- 10- 09；

2016- 12- 08

国家自然科学基金资助项目(70773089)

王 娜(1989-)，女，河南义马人，硕士研究生.研究方向：地理信息技术应用.

梁勤欧.E- mail: qoliang@sina.com

K909

A

1001- 5051(2017)02- 0228- 07