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项目名称：基于步行可达性模型与空间连续性模型的山地城市步行空间形态定量化评价方法研究
项目负责人：米晓燕
依托单位：天津大学
项目参与人：
盛明洁 讲师 天津大学
孙岩标 讲师 天津大学
董瑞曦 天津大学
张小平 天津大学
王琪 天津大学
常铭玮 天津大学
针对山地城市步行空间形态量化衡量困难的问题，本项目创造性地提出三维空间步行可达性模型与空间连续性模型作为衡量指标和计算方法对山地城市步行空间形态进行研究。
主要研究内容有：
①建立山地城市步行可达性与空间连续性的概念，并明确其特性。对二者在研究空间形态时的适用性、局限性等进行总结归纳。
②建立山地城市步行可达性的衡量标准和计算方法。考虑山地地形特征和步行者行为模式，建立数学模型并赋与修正指标。
③分析山地城市有机生长的独特性，结合生物细胞机理论，提出空间连续性的物理模型。
④通过数学方法和道路网络模型对山地城市步行可达性模型与空间连续性模型的合理性与可行性进行论证。
⑤运用GIS对山地城市步行空间进行应用研究，得出其自身特性及其与平原城市步行空间形态的差异特性。⑥提出山地城市步行空间设计的优化评价体系。
本项目的重要结论有：
①明确界定了山地城市步行可达性和空间连续性的概念和特性。
②提出基于山地城市空间特性和人群行为模式的山地城市步行可达性分析的数学模型。
③构建基于山地城市空间特性的空间连续性分析的物理方法。
④形成山地城市步行空间设计的量化评价体系。
项目结题成果报告
以下研究成果内容摘自项目结题成果报告。该项目报告共计38页，关注城市数据派微信公众号，在微信公众号对话框中输入 2473 ，即可获得报告全文PDF的下载方式：
(1)主要研究内容。
1)山地城市空间步行可达性与空间连续性的概念界定和特性分析
在对可达性和连续性概念系统梳理的基础上,从建筑学视角对山地城市空间步行可达性与空间连续性概念进行清晰、系统的界定。通过对可达性和连续性评价方法的研究整理,对二者在研究空间形态时的适用性、局限性等进行总结归纳形成系统认知。
2)构建基于山地城市空间特性的步行可达性及空间连续性的评价方法
归纳整理已有可达性和连续性的评价方法及其研究对象的同时,深度发掘山地城市空间特性，分析现有方法研究山地城市空间的局限性。研究山地城市空间特性和人群行为模式，提出山地城市空间步行可达性的影响要素，针对其决定医素提出步行可达性的数学模型，并提出修正指标。分析山地城市有机生长的独特性，结合生物细胞机理论，提出空间连续性的物理模型。
3)运用数学方法和基本道路网络模型论证可达性数学模型和连续性物理模型的有用性和合理性
首先，微积分方法证明可达性数学模型的合理性。然后，建立基本道路网络模型，运行可达性数学模型和连续性物理模型，证明两者的可用性。最后，根据计算结果，分析这两种方法的基本特性。
4)步行可达性方法及空间连续性方法的实证应用
实际应用于国内外城市空间的可达性和连续性的分析,得出量化的评价指标并通过计算机模拟将可达性和连续性分析可视化,系统归纳山地城市步行可达性和空间连续性的影响因素和自身特性,同时比较研究山地城市和平原城市的步行可达性和空间连续性的特性差异。
5)基于步行可达性和空间连续性的山地城市步行空间的评价研究
结合山地城市步行网络三维灵活的特征,在已有的平原城市步行适宜性评价指标体系的研究基础上，采用客观定量计算和主观满意度打分结合的方法，尝试构建了包括功能性、连续性、可达性、安全性、舒适性、便捷性、美观性7个评价维度的山地城市中心区步行适宜性评价指标体系和具体的评价方法。
(2)取得的主要研究进展、重要结果、关键数据等及其科学意义或应用前景。
1)概念界定与特性研究
清晰界定了山地城市空间步行可达性的概念,定义了山地城市步行空间连续性。同时明确二者的研究范围和特性。完善了步行可达性和空间连续性的理论体系，为分析方法的建立提供理论依据和指导原则。
①山地城市空间步行可达性的概念与特性
步行可达性，是指步行到达目的地的能力。山地城市空间的步行可达性，是三维空间中，步行到达目的地的能力，具有步行网络三维移动的过程特性。
综合考虑山地城市地形特征和步行者行为特性对步行可达性的影响。首先，综合考虑步行可达性的四个特征值:节点可达性、线段可达性、道路长度和“起始点-终点”间距离。其次，考虑空间网络数据:步行道路、步行网络的点线关系、道路长度。第三，增加步行者行为特征的考量，步行距离、步行速度、步行时间和步行者行为特征等要素。
②山地城市步行空间连续性的概念与特性
空间连续性，是基于RichardTT.Forman(1995)关于景观地理中连续性的概念,即研究空间廊道和空间网络建立的空间矩阵对于空间连接程度的定量计算连续性是表达空间的连接程度而非二维“道路-交点”的连接关系，这也正是与步行可达性的关键区别之处。
2)构建基于山地城市空间特性的空间连续性分析的物理方法
①空间连续性研究方法的确立
基于城市空间的特性与生物网络的特性存在本质上的相似性这一特征,从空间维度与神经系统中寻找解决方案,最终确定用细胞自动机的生物学方法解决城市空间连续性的问题(图1)。
细胞自动机(Wolfram,2002)是生态与仿生系统的模拟工具，用于评价神经系统的整体与局部连续性。运用细胞自动机评价神经系统的方法中，神经元为细胞单元，转换规则依照神经传导建立。本研究通过对此方法在生物领域的学习和借鉴，建立单位步行空间为细胞单元，空间连续原则为转换规则的空间连续性动态评价方法。
②空间连续性评价体系的建立
空间连续性评价体系的建立主要分为两个阶段,首先定义本研究细胞自动机法的细胞单元和转换规则:第二，确定细胞邻域体系和峰值提取的数学模型，进而获得空间连续性的得分。
a.定义模型细胞单元
根据一位步行者在空间中占有0.75-1m宽度，确定该模型细胞单元的大小为1m边长的正方形单元。二进制值作为是非步行空间的判断依据，每一细胞单元步行空间占比大于等于 50%时为1,每一细胞单元步行空间占比小于 50%时为0。
b.邻域体系(图2)
本研究采用标准摩尔邻域作为邻域体系。标准摩尔邻域为3×3的网格，中心元胞有8个邻居。
c.转换规则(图3)
由细胞空间组成的系统可以看做是二维坐标系,其中每个细胞都对应坐标系中的一个值。Pxy(t)表示时间t下，系统中的一个细胞在坐标系中的位置(x,y)。
转换规则分为:
初始时间(=0)，
Pmax(t)是时间t下的最大P值。Qxy(t)表示(x,y)在时间t下的连续性值。d.时间t的阶段选取(图4)
细胞自动机方法对于空间不断扩张的计算是比较直接的,如何应用于一个时间点下的连续性计算是本研究需要突破的重点和难点。研究基于Fowler and Little算法计算每一细胞状态下摩尔邻域的峰值数量,以确定最大峰值数量所处的时间阶段，并将这一时间作为城市空间连续性数值的提取阶段。
③基本空间模型的验证
通过基本空间模型的计算，验证空间网络结构与连续性分布之间的关系，以此论证模型的合理性。
本研究基于Marshall (2005)图形理论的城市基本网络模型:网格型、放射型、网格-环型、放射-环型，作出基本研究验证(表1)。
④实证研究
实证应用是方法建立的核心目的。基于步行行为理论，5分钟即400m步行距离为舒适步行，10分钟即800m步行距离为极限步行。本研究选取城市中心区的组团中心800m边长区域作为研究范围探讨山地城市步行空间连续性。
分别选取中国重庆四区域和日本东京四区域作为研究对象,计算空间连续性从数值与分布图分析空间特性(表2)。
在实证研究中，首先，绘制步行空间地图;其次，运用前述建立的空间连续性模型进行计算;第三，可视化计算结果，完成连续性空间分布识别，进而进行步行空间的特性分析。
a.所有步行空间的共性空间连续性特征:步行空间面积增大，通常空间连续性增强;相比较道路数量，道路的宽度对步行空间连续性的影响更大;步行空间占比基本相同的网络中,部分紧凑的城市网络空间连续性通常要高于道路分布平均的城市网络。
b.与所选日本城市步行空间网络相比较，所选我国城市步行空间网络的空间连续性有以下特点。由于步行道路网络空间形态的差异，空间连续性差异明显。即使存在高差的城市,步行道路网络空间形态的差异也是极大的影响着空间连续性。
c.所选我国城市步行空间网络的连续性结果得出:由于十分复杂的高差关系造成大量的垂直向连接和不连续道路,Shibati 区域的空间连续性明显低于其他区域。
3)提出基于山地城市空间特性和人群行为模式的山地城市步行可达性分析的数学模型。
在掌握城市步行可达性研究现状,明确本研究步行可达性的定义和特征的基础上，根据山地城市空间特性和人群行为模式，提出影响山地城市步行可达性的影响要素，建立步行可达性的数学模型，并提出修正指标。
①步行可达性研究方法的确立
可达性指标用GIS中网络分析计算所得的可达性值来表示，衡量可达性的标准一般有距离、时间和成本等。为了体现山地步行网络的三维性，本次研究司达性值用时间来表示。
目前国内外对二维网络中可达性值的计算已经比较成熟，主要考虑街区的度量属性和空间构成如长度、宽度等，主要采用的方法有空间句法、GIS分析等。对于三维地形中可达性的测量还处于摸索中，主要解决坡度和道路网络的关系本次研究在可达性值的计算过程中除了考虑坡度外，还将行人的红灯等待时间、过天桥或者地下通道的时间、行人在三维地形中步行速度的变化等考虑在内。一般的步行可达性值的计算将步行网络抽象成一个由点和线组成的模型，用模型中的节点来代替道路的交叉口，连接节点的直线来代替路径。由于人在步行网络中的行走比较随机自由，所以在该计算模型中，步行网络可以看成是有无数点组成的网络，人可以随意停留(图5)。道路抽象成的线是无数点的合集，点到线上任意一点的合集的可达性数值抽象成一点到线中点的可达性数值(图6)。
……
还有更多成果内容，详见项目结题成果报告。该项目报告共计38页，关注城市数据派微信公众号，在微信公众号对话框中输入2473，即可获得报告全文PDF的下载方式。
原文始发于微信公众号（城市数据派）：基于步行可达性模型与空间连续性模型的山地城市步行空间形态定量化评价方法研究丨城市数据派
