基于建筑大數(shù)據(jù)的城市三維空間形態(tài)研究
——以武漢市主城區(qū)為例

文／徐靜誼 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

周 鵬 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 講 師（通訊作者）

劉雅婷 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 碩士研究生

王江徽 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

尹 瀟 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 碩士研究生

引言

過去的城市形態(tài)研究主要是在二維上，少數(shù)研究分析建筑高度，仍然缺乏大量立足于三維空間的城市形態(tài)研究與實踐，無法滿足大數(shù)據(jù)環(huán)境下城市形態(tài)三維空間多維特征研究的需要。

目前，海量大數(shù)據(jù)為形態(tài)研究提供了新數(shù)據(jù)環(huán)境，革新了城市形態(tài)的內(nèi)涵；但是，針對城市立體形態(tài)研究的大數(shù)據(jù)集成融合技術(shù)的缺乏，限制了研究成果應(yīng)用的準(zhǔn)確性、時效性和廣泛性。新數(shù)據(jù)背景下城市立體形態(tài)的內(nèi)涵包括多元要素的三維空間形態(tài)、功能與規(guī)劃視角的分布規(guī)律，需要利用多元大數(shù)據(jù)挖掘城市三維空間的土地利用、社會和功能分布特征，綜合測度城市立體空間的多維特征，刻畫城市立體形態(tài)。但是城市三維形態(tài)測度方法仍然存在問題。當(dāng)前對大數(shù)據(jù)應(yīng)用體系與測度方法體系仍缺乏系統(tǒng)性研究。隨著時代背景與數(shù)據(jù)環(huán)境的發(fā)展，新型大數(shù)據(jù)具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)無法比擬的優(yōu)勢，海量、全面、高速與多變的大數(shù)據(jù)有助于準(zhǔn)確刻畫城市形態(tài)及其演變規(guī)律。雖然已出現(xiàn)基于泛在網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的城市形態(tài)研究，但是對大數(shù)據(jù)應(yīng)用體系與測度方法體系仍缺乏系統(tǒng)性研究，其數(shù)據(jù)類型、利用方式與測度方法單一，多停留在POI 或GPS 數(shù)據(jù)的核密度分析和空間聚類，忽略了對城市居民的情緒感知。

文章以武漢市主城區(qū)為目標(biāo)，把具體的城市建筑形態(tài)抽象成三維點，以建筑高度為標(biāo)尺把城市建筑分類，分析高度不一的城市建筑在二維平面及三維空間的分布特征。解讀武漢市主城區(qū)城市三維形態(tài)特征，有助于優(yōu)化城市空間功能布局和指導(dǎo)城市規(guī)劃與設(shè)計，為城市規(guī)劃和城市設(shè)計提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

武漢作為湖北省的省會城市，面積為8494.41 平方公里。范圍內(nèi)包攬了11 個城區(qū)，2個郊區(qū)；文章的研究區(qū)域主要是武漢的主城區(qū)三環(huán)以內(nèi)的區(qū)域，對于范圍內(nèi)的建筑基于點格局來分析，研究區(qū)面積863 平方公里，高達(dá)643 萬人口。

1.2 數(shù)據(jù)源

武漢市主城區(qū)建筑數(shù)據(jù)是使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)從萬維網(wǎng)上采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并從武漢市國土資源局申請獲得武漢市建筑數(shù)據(jù)。在Arc GIS 軟件中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將建筑數(shù)據(jù)整合后，形成樣本點，完成建筑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為建筑點。

武漢市主城區(qū)建筑數(shù)量共計488602 座。其中，低層建筑最多，有近41 萬座，占83.73%；多層建筑其次，有近7 萬座，占比14.24%；高層建筑較少，只有近萬座，占比1.99%；而超高層建筑最少，只有170 座。

1.3 分析方法

本研究從收集數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)，采用了網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)、熱點分析法、趨勢面法、核密度法，對武漢市主城區(qū)的4 種不同類別的建筑數(shù)據(jù)的點格局進(jìn)行分析與相關(guān)研究。

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)

過去的網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)包括三個部分：協(xié)議處理模塊、URL 處理模塊和內(nèi)容檢測模塊[1]。至今被較多使用的網(wǎng)頁搜索技術(shù)主要是深度優(yōu)先、廣度優(yōu)先、最佳優(yōu)先三種[2]。

1.3.2 熱點分析法

熱點分析法剛開始是為解決全局Moran’I統(tǒng)計無法有效地揭示要素空間獨立性問題而開創(chuàng)出的新理論。它能夠明確表現(xiàn)出空間數(shù)據(jù)在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的高值與低值的聚集程度[3]。

熱點分析（Getis-Ord Gi*）的數(shù)學(xué)公式如下：

其中：為Dab為距離矩陣；δ 為距離參數(shù)。

在GIS 中能夠直接顯示出建筑高度的空間位置，熱點分析能直觀地顯示出建筑高度在研究區(qū)內(nèi)是否產(chǎn)生高值與低值集聚程度。

1.3.3 趨勢面分析法

趨勢面分析法是一種數(shù)學(xué)分析法。它可將建筑高度分為兩種特征的變量，來研究在空間結(jié)構(gòu)上建筑高度呈現(xiàn)出的變化規(guī)律。如果將建筑高度變量（Z）當(dāng)成因變量，把二維平面（X、Y）的地理坐標(biāo)當(dāng)成自變量，那么不同的建筑高度變量就會在二維平面上擬合成面，如果能發(fā)現(xiàn)一個面表示建筑高度總體變化趨勢，則反映建筑高度變量趨勢性變化的面就是“趨勢面”[4]。

1.3.4 核密度分析法

密度是要素在空間上的場表現(xiàn)，每個要素及其周邊要素在一定區(qū)域上的關(guān)聯(lián)，以各要素聚集的形式呈現(xiàn)。核密度估計是一種非參數(shù)檢驗方法，密度函數(shù)一般在概率問題的分析上使用[5]。核密度方法的計算公式為：

式中，f（s）表示空間上s 處的核密度函數(shù)；h 是距離衰減閾值；n 是距離s 處小于或等于h的要素數(shù)；k 函數(shù)則是空間權(quán)重函數(shù)。次公式表明，在ci位置時計算的要素密度值最大，距ci越遠(yuǎn)則密度值越小，當(dāng)與ci距離等于閾值h 時核密度值變成零[6]。

1.3.5 地理探測器分析法

地理探測器是由王勁峰等提出的用于探測空間分異性的一種方法[7]，這種方法最初用來研究美國的一種疾病與地方的關(guān)聯(lián)性，近年來，地理探測器逐漸被運用到各種領(lǐng)域。本文將其運用于對武漢建筑高度進(jìn)行多因子探測，其模型如下[8]：

式中，PD,H值越大，則探測因子對建筑高度的影響越大。

2 武漢市主城區(qū)建筑點格局分析

2.1 熱點分析法的建筑點格局

經(jīng)過熱點分析，表現(xiàn)出武漢市主城區(qū)呈現(xiàn)多中心格局，建筑高度熱點區(qū)域多分布于武漢市城市各級中心。但是，各城市中心的發(fā)展戰(zhàn)略地位不一，參照武漢市總體規(guī)劃可知，主城區(qū)持續(xù)其圈層式發(fā)展、組團式布局的城市格局，將主城區(qū)結(jié)構(gòu)規(guī)劃為中央活動區(qū)、東湖風(fēng)景名勝區(qū)和綜合組團。

在武漢市主城區(qū)的城市建設(shè)過程中，就數(shù)量最多的低層建筑而言，除卻部分名勝古跡等歷史建筑會被采取保護性修建措施外，大部分的低層建筑會被改建，這使得低層建筑區(qū)域減少而更加聚集；就多層建筑而言，大部分的多層建筑會逐漸被高層建筑甚至超高層建筑所替換掉，使得多層建筑聚集程度增大，而高層建筑數(shù)量將會相應(yīng)地增加，且其分布區(qū)域也會相應(yīng)地擴張，但隨著區(qū)域的擴張其聚集度反之則降低。城市化進(jìn)程的加快使城市內(nèi)的用地減少，地價也會隨之增高，其中一般依然以城市中心為最高。為了使土地得到最大的利用，超高層建筑會越來越多地聚集在城市中心區(qū)域及交通發(fā)達(dá)地帶[9]。

2.2 趨勢面分析的建筑點格局

仔細(xì)分析武漢市主城區(qū)建筑點群立體圖可知，武漢市主城區(qū)建筑格局總體上高低起伏，在三維立體形態(tài)中各類建筑占據(jù)不同空間，層次分明，整個研究區(qū)域城市建筑在三維空間上明顯呈現(xiàn)中部高四周低、西南部高于東北部的趨勢。

為全面研究各類建筑高度在三維空間的布局形態(tài)與特點，使用武漢市主城區(qū)所有建筑點數(shù)據(jù)，進(jìn)行趨勢面擬合，建筑整體上表現(xiàn)出四周向中部遞增、西南部向東北部遞減的趨勢；低值區(qū)在研究區(qū)域外圍散亂分布，而青山區(qū)存在一個集中的低值區(qū)。

但是，近49 萬個樣本點的計算，使得圖面難以表現(xiàn)出建筑高度的高值區(qū)的分布情況。在選擇對比后，以近萬個大于24m 的高層及超高層建筑點數(shù)據(jù)為研究對象進(jìn)行趨勢面擬合，可以明顯地看出，武漢市主城區(qū)建筑有2個主要高值區(qū)。

武漢市主城區(qū)容積率核密度高值區(qū)主要分布在漢口。在整個研究區(qū)中，武昌部分建筑高度最高，但漢口部分容積率最高，說明武昌部分土地利用程度比漢口部分土地利用程度表現(xiàn)較弱，則武漢市主城區(qū)中央活動區(qū)的城市建設(shè)活動可以趨向武昌部分，武昌以新建為主，漢口以改建為主。而光谷附近的建筑高度高值區(qū)，容積率較低，說明光谷部分已開展城市建設(shè)，但建設(shè)力度較弱。結(jié)合光谷附近科技產(chǎn)業(yè)及大學(xué)城的優(yōu)勢，武漢市主城區(qū)綜合組團的城市建設(shè)活動可以趨向光谷附近；其他建筑高度低值區(qū)，一般容積率也較低，定位為東西湖風(fēng)景名勝區(qū)和綜合組團，也應(yīng)該積極開展城市建設(shè)，加快武漢市主城區(qū)規(guī)劃結(jié)構(gòu)的建設(shè)。

2.3 建筑分布格局與城市公共服務(wù)設(shè)施相關(guān)性分析

為研究武漢市主城區(qū)建筑格局，本研究采用核密度估計的方法，分析建筑分布格局與城市公共服務(wù)設(shè)施的相關(guān)性。在建筑點樣本中選取建筑高度進(jìn)行核密度分析，來表現(xiàn)建筑高度的聚集程度。在對教育設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施等服務(wù)設(shè)施進(jìn)行核密度分析后，與建筑高度分析對比，可以分析建筑格局與公共服務(wù)設(shè)施的相關(guān)性。

2.3.1 建筑分布格局與教育設(shè)施的相關(guān)性分析

在研究區(qū)內(nèi)，漢口區(qū)域幼兒園及建筑高度高密度區(qū)遠(yuǎn)多于武昌、漢陽區(qū)域；武昌區(qū)域幼兒園、建筑高度均呈現(xiàn)中等密度；在光谷附近存在幼兒園、建筑高度的高密度點；小學(xué)高密度聚集于漢口區(qū)域。但是，按規(guī)劃的需求來說，在武昌、漢陽等建筑高度的熱點區(qū)域也應(yīng)有高密度的小學(xué)，表明小學(xué)與建筑高度成正相關(guān)；大學(xué)高密度聚集于光谷附近，在其他區(qū)域只有較少的大學(xué)。對比樣本建筑點，中央活動區(qū)的建筑密度與大學(xué)并無明顯聯(lián)系，而在綜合組團區(qū)域，大學(xué)密集區(qū)域的建筑也呈高度密集，表明受政策影響，在大學(xué)城附近的建筑高度與大學(xué)成較強的正相關(guān)；而職業(yè)教育學(xué)院的高密度區(qū)域周邊同樣存在建筑高度的高密度區(qū)域，與建筑高度成正相關(guān)。

經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，教育設(shè)施對建筑建設(shè)有正相關(guān)，教育設(shè)施密集區(qū)域的建筑高度也呈現(xiàn)高密度聚集，建筑建設(shè)會帶動教育設(shè)施的建設(shè)，教育設(shè)施的建設(shè)也會促進(jìn)周邊土地的利用效率，趨向于高層建筑的建設(shè)。

2.3.2 建筑分布格局與基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)性分析

基礎(chǔ)設(shè)施完善的城市更能吸引人口的聚集并滿足人口對于生活的需求，城市職能就越能發(fā)揮積極作用。本研究中，選取了道路、公園、廣場3 種基礎(chǔ)設(shè)施為研究對象，逐一對比分析。

在研究區(qū)內(nèi)，道路由于其交通組織作用，遍布整個研究區(qū)，其高密度也分布在各區(qū)域，但表現(xiàn)最明顯的在漢口江漢路附近。但是在密集最明顯的區(qū)域存在差異，但是總體上在漢口臨近兩江交匯處。表明道路對建筑高度有良好的促進(jìn)作用。武漢市的城市建設(shè)應(yīng)該趨向于道路高密度而建筑高度低密度的區(qū)域，提高各級城市中心的建設(shè)力度，使土地的利用最大化。

經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)設(shè)施也對建筑建設(shè)有正相關(guān)。基礎(chǔ)設(shè)施的密集區(qū)域也是建筑高度的密集區(qū)域，建筑建設(shè)會帶動基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在武漢市的建筑建設(shè)向光谷等次級中心轉(zhuǎn)移的同時，其相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施也要加快建設(shè)。

2.3.3 建筑分布格局與其他服務(wù)設(shè)施的相關(guān)性分析

對城市來說，公共服務(wù)設(shè)施越完善，城市職能就越齊全。在本研究中，選取了綜合醫(yī)院、集貿(mào)市場、綜合商場、大型超市4 種服務(wù)設(shè)施為研究對象，進(jìn)行對比分析。

綜合醫(yī)院密集區(qū)域分布在整個研究區(qū)，基本上各區(qū)域都有密集區(qū)。醫(yī)院與建筑高度成正相關(guān)。在武漢市各次級中心建設(shè)發(fā)展的同時，也要加強綜合醫(yī)院的配建，滿足居民在健康方面的需求。其他服務(wù)設(shè)施與建筑高度成正相關(guān)。城市建設(shè)的同時帶動服務(wù)設(shè)施建設(shè)，服務(wù)設(shè)施的建設(shè)促進(jìn)建筑高度的增長建設(shè)。在武漢市中央活動區(qū)已完成大部分建設(shè)，城市建設(shè)向光谷等次級城市中心轉(zhuǎn)移的同時，各類服務(wù)設(shè)施也要在次級中心加強建設(shè)，完善城市職能構(gòu)成，促進(jìn)城市發(fā)展。

2.3.4 建筑分布格局與各項設(shè)施的地理探測器分析

為進(jìn)一步研究各影響因子對武漢市主城區(qū)建筑格局的差異性，并對城市建設(shè)分區(qū)管控提出較為針對性的建議，文章引用地理探測器對武漢建筑高度進(jìn)行多因子探測。

由表1 給出的探測結(jié)果可知：從整體看，各影響因子p 值均小于0.05，表明滿足分層條件下變量Y 呈聚集分布的假設(shè)，則可通過地理探測器解釋這些因子與建筑高度的相關(guān)性。

表1 建筑高度全局探測結(jié)果（表格來源：作者自繪）

從類型上來看，武漢市建筑高度受教育設(shè)施分布影響最為大，基礎(chǔ)設(shè)施和其他服務(wù)設(shè)施類型次之。從單因子來看，對武漢市建筑高度貢獻(xiàn)值較大的影響因子分別是幼兒園、大型超市、道路和職業(yè)學(xué)院，貢獻(xiàn)值次之的影響因子分別為小學(xué)、大學(xué)、集貿(mào)市場、綜合醫(yī)院，貢獻(xiàn)值較小的影響因子分別為綜合商場、公路和廣場。綜合來看，其探測結(jié)果與和密度分析結(jié)果基本符合，11 個影響因子對建筑高度均有影響，且各影響因子對其貢獻(xiàn)值有一定的差異性。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

建筑是城市三維形態(tài)最基礎(chǔ)的構(gòu)成要素，建筑形態(tài)與布局對城市的三維形態(tài)有重要影響，直接地表現(xiàn)出建筑群體錯亂無序的特點，無法說明城市的三維形態(tài)特征是由城市建筑群體構(gòu)成的特點[10]。因此，本研究把武漢市主城區(qū)城市建筑的點數(shù)據(jù)三維化，利用熱點、趨勢面等進(jìn)行點格局分析，深入研究城市建筑高度的空間布局形式，解讀武漢市主城區(qū)城市三維形態(tài)。研究結(jié)論具體如下：

（1）武漢市主城區(qū)大體上呈多中心聚集分布格局。高值點的聚集區(qū)域（熱點區(qū)域）不僅建筑高度高，而且建筑聚集程度較高。

（2）武漢市主城區(qū)建筑格局呈中部高四周低、西南部高于東北部的趨勢?？傮w上高低起伏，在三維立體形態(tài)中各類建筑占據(jù)不同空間層次分明，整個研究區(qū)建筑在三維空間上明顯呈現(xiàn)中部高四周低、西南部普遍高于東北部。

（3）建筑高度與大部分公共服務(wù)設(shè)施成正相關(guān)。建筑分布格局與城市公共服務(wù)設(shè)施成正相關(guān)。聚集區(qū)域與建筑高度密集區(qū)域大體上重合，高密度區(qū)域也大致上重合，對建筑建設(shè)活動有積極影響，建筑建設(shè)也會帶動這些設(shè)施的建設(shè)。

（4）建筑高度與大部分公共服務(wù)設(shè)施呈正相關(guān)。建筑分布格局與城市公共服務(wù)設(shè)施呈正相關(guān)。這些設(shè)施對建筑建設(shè)活動有積極影響，建筑建設(shè)也會帶動這些設(shè)施的建設(shè)。

（5）在研究區(qū)內(nèi)，各服務(wù)設(shè)施與建筑分布格局成正相關(guān)，其聚集區(qū)域與建筑高度密集區(qū)域大體上重合。但各影響因子對建筑高度的貢獻(xiàn)值有一定的差異性，武漢市建筑高度受教育設(shè)施分布影響最大，基礎(chǔ)設(shè)施和其他服務(wù)設(shè)施類型次之，其中，幼兒園對其貢獻(xiàn)值最大。

3.2 討論

本文根據(jù)武漢市主城區(qū)城市三維形態(tài)的研究結(jié)論，對武漢市主城區(qū)的城市開發(fā)與空間布局提出相應(yīng)的政策建議。建議武漢市的規(guī)劃建設(shè)，城市建設(shè)活動可以趨向武昌區(qū)域的城市次級中心部分，武昌以新建為主，漢口、漢陽以改建為主。對眾多底層、多層建筑的漢口、漢陽的周邊區(qū)域，以舊城改造建設(shè)活動為主；在武昌區(qū)域，以多層、高層建筑建設(shè)為主，在中心地帶及交通發(fā)達(dá)地帶興建超高層建筑，提高土地利用率，緩解人地沖突。在建筑建設(shè)的同時，配建相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施、教育設(shè)施等，完善各次級中心的城市職能，促進(jìn)城市發(fā)展。

但是，本研究應(yīng)當(dāng)深入研究城市建筑與自然環(huán)境的聯(lián)系，全方面研究城市三維形態(tài)，并對不同時期的建筑基于模型建立。城市三維形態(tài)與社會經(jīng)濟發(fā)展，以及城市氣候、自然地形、物理因素等對城市形態(tài)的影響，都有待今后深入研究。