空间句法在城市形态研究中的应用综述

基于GIS的空间句法在城市形态研究中的应用
摘要：本文以城市形态研究中的空间句法为切入点，简述了该方法的概念和理论基础，并概述了空间句法与GIS的集成，分析了其原因和优势以及集成的具体方式。

最后举例说明了基于GIS的空间句法在国内的研究成果与不足。

关键词：空间句法GIS 城市形态Arcview
20世纪70年代,英国学者比尔·希列尔首次提出空间句法理论。

空间句法在研究城市空间形态、城市交通、城市犯罪空间、城市网络结构和模式的演变、复杂建筑环境下的空间认知等方面都有突出贡献。

空间句法是一种新的空间形态分析理论，对城市空间形态的定量研究正是一种技术性方法。

而这种方法基于GIS平台应用已被学者多次实践，逐渐成为完善的方法论体系。

1 空间句法
1.1 起源与基本概念
20世纪70年代末，伦敦大学巴利特学院的比尔•希列尔首次提出了空间句法理论和方法，通过对城市系统、建筑、聚落、景观等的定量化描述，表达空间结构形态与人类社会行为之间的关系。

今天，空间句法理论已经借助计算机技术，在数字平台上形成了一套日趋完善的分析技术。

该方法已被应用在行算机上以模拟实际工程和假设方案的性能，并以此作为启发与评价设计的工具。

该方法基于形态本身特有的空间内在结构逻辑理论，在建筑和城市两个层次上来描述和分析空间格局。

其研究观点是：用客观、精确的描述方法，调查研究环境如何在起作用，把社会可变因素和空间形式严密联系起来。

它研究重点是解构空间系统成的各个独立的组成部分（node），及其相互之间的联系（link）。

1.2 理论基础
空间句法中的句法表示空间之间的关系，认为城市道路网的形态布局结构产生人流移动。

空间句法的研究对象是自由空间，通过将城市大尺度空间分割为小尺度空间来提取城市形态的基本特征。

空间分割的最终目的是建立小尺度空间形态结构特征的连接图，基于图论和可视性，剖析连接图中小尺度空间之间的连接情况，计算一系列的形态变量，从而达到对整个大尺度系统的结构形态的整体认识与把握。

以下是空间句法对空间的基本观点。

1）空间二分的观点
在空间分割的过程中，首先将空间分割为两个部分——空间障碍（Spatial Obstacles）和自由空间（Free Space）。

空间障碍主要指那些限定空间的构造元素，如建筑物。

自由空间则具体为空间障碍限定山来的开放空间，如人行道，广场等。

作为空间句法的研究焦点，白由空间代表的是小尺度空间的基点，即组成部分（node）。

2）大尺度与小尺度
大尺度的空间超越了人们的心理感知，并且无法只由单一的观点或单一的地点来感知，我们在某一空间体系中移动时，体验到的仅仅是小尺度空间。

从这个意义上米说，小尺度空间是我们进一步体验大尺度空间的前提。

3）小尺度空间是连续的而非分离的
当沿着一条街道往前行走时，每一刻都可以体会到所在地点的周边环境，这是一个连续性的小尺度空间，而且不可分割。

同样，在建筑中，虽然构件会把整个建筑划分成一个个独立的小尺度空间，但是对于其中的使用者来说，对整个建筑的体验过程，也就是这些连续的小尺度空间的综合，人们总是在离开一个空间的瞬间进入下一个单元空间。

4）大尺度空间必须建立在小尺度空间之上的假设
空间句法认为人造的空间存在一个逻辑的发展过程，它起源于一个基本细胞，即由单面墙体界定的空间单元（小尺度空间），单元空间向外部发展，与其他空间发生联系从而生成了另一种大的复杂的空间系统（即大尺度空间）。

1.3 分析方法
空间句法分析的流程可以简述为：空间分割——建立小尺度空间连接图——形态变量计算。

空间的划分是空间句法建模的基础。

空间句法中从人类是否能从空间的某一固定点来完全感知此空间，将空间分为大尺度空间和小尺度空间，若能则为前者，不能则为后者。

空间句法分析方法中自由空间形态分析的分解原则，主要基于两个分析元素，一个是凸状空间（Convex Space），另一个是轴线空间（Axial Line）。

依上述两分解元素分别对空间形态作分解后，可得两种小尺度单元集合的分析图，分别是“轴线地图”和“凸状空间图”。

空间句法对空间的解析重点在于通过分析系统内部空间的连接方式，判断各个子空间在系统中的地位，进一步研究系统的整体空间属性。

句法使用了深度（Depth）这个概念来评测空间连接方式所对应的空间属性。

深度即指句法空间模型中，任意两组小尺度单元空间之间的最短空间。

根据大量研究，从深度这个概念出发，空间句法又提出了更深层次的形态变量。

例如，整体集成度（Integration Value）和控制值（Control Value）是句法对空间深度格局基本评估时的两个主要特征变量。

2 GIS与空间句法的集成
2.1 目的
GIS具有强大的空间数据存储、管理、分析和可视化功能，为地理学等众多应用领域提供了丰富的分析方法和地理空间信息知识。

GIS与空间句法在很多方面是相互关联甚至是互补的。

为此，GIS与空间句法集成，将有助于对GIS内涵的扩展，增强GIS在城市形态方面的分析功能，同时大大提高城市形态方面的研究能力。

并且，我国目前部分城市的地理信息系统平台已经建立，更多的城市也在筹备，其数据库也会越来越完善。

因此，借助GIS平台进行基于空间句法原理的街道系统空间形态分析是
可行的，其强大的分析运算能力，会成为分析空间进和指导设计的有效工具。

2.2 内在关联
空间句法作为一种定量的城市形态分析方法与GIS方法比较起来具有许多独特的地方。

空间句法着眼于自由空间的表示，自由空间是相对建筑物等空间物体而言。

在自由空间，人流或车流可以自由移动。

GIS只记录在现实中存在的对象，譬如道路、建筑物等。

而这些地理目标（对象）是以栅格或者矢量形式来表示，地理对象是经过综合和抽象，通常由点、线、面等几何元素来表达。

GIS的空间分析主要是以欧式几何为基础。

与GIS相对，空间句法的空间分割只是一种中间过程，从计算处理过程来看，连接图才是真正的空间分析的基础。

从以上的分析和比较可以看出，空间句法与GIS分析方法在很多方面是互补的，一套集成在GIS中的空间句法分析工具，无论从计算还是从用户的角度出发都是十分有用的。

首先空间句法可以增强GIS 在空间分析，尤其城市形态分析方面的功能。

另一方面，GIS 丰富的地理数据、现有的空间分析功能、视觉化功能又可以反过来做城市形态方面的研究。

2.3方式
GIS与空间句法的集成是通过功能嵌入与数据交互的方式来实现的。

在功能方面，在Arcview平台下运行由“Avenue”语言二次开发并以组件的方式加载到GIS软件中的Axwoman 模块。

GIS完成图形数据的调用、轴线特征的提取与绘制、特征值数据库的生成等功能；空间句法起到指导GIS提取轴线图并计算轴线特征值的功能。

在数据方面，GIS空间分析的轴线为空间句法进行形态解析提供基础数据；空间句法计算的特征值也将输出到GIS平台上生成数据库。

空间句法功能嵌入GIS平台，两者的数据在分析过程中交换，从而实现了空间句法和GIS在功能和数据上的集成，完成空间句法在GIS平台上的解析及可视化。

具体的集成过程为：首先，在GIS平台上加载“Axwoman”空间句法模块以及分析区域的矢量数据平面图。

根据空间句法对自由空间的分割原则，利用GIS功能对区域进行空间分割并提取道路轴线图，空间句法轴线可以采用GIS矢量数据结构存储。

使用GIS中的道格拉斯算法、矢量曲线压缩算法删减冗余数据，保留网络的形态结构特征。

然后，“Axwoman”模块读取GIS中的轴线信息并采用链表数据结构存储，显示分割后小尺度空间的连接图信息，并通过对链表追踪求得空间句法的形态变量值，自动生成特征值GIS空间数据库。

将上述过程抽象为图表形式，即为图2.1。

图2.1 GIS与空间句法的集成示意图
资料来源：《GIS与空间句法的集成及空间形态结构量化分析——以南京师范大学仙林校区为例》
3 GIS与空间句法结合的研究综述
20多年来，许多学者们将空间句法研究应用到城市土地利用、交通网络可达性、城市中心分布规律、城市街道布局特征、预测系统中行人流量等诸多城市空间分析方面，取得了一系列的研究成果。

以下将回顾一些较典型的文献。

在城市土地利用、分布规律方面，段瑞兰等人基于空间句法探讨了济南城市道路结构与地价关系。

李江，郭庆胜（2003）对武汉的空间形态进行定量分析，以CBD和内环线为空间尺度划分依据，计算形态变量的数值，得出结论：从地域结构上看，武汉市属于组团式的城市形态结构，其交通网络分布密集，集成核四通八达，城市空间可达性较高。

厉旭东，赵晓琴，孙毅中（2008）在GIS平台上结合空间句法解析南京师范大学仙林校区的空间形态结构特征，分析整个校园系统结构的智能性水平，对校园空间结构的组织效果进行评价。

詹庆明，徐涛，周俊（2010）采用1945年、1960年的福州市地图，1980年、2007年福州市用地现状图以及2001年福州市遥感影像图，在ArcGIS 9.2的环境下，生成个年代的轴线图并计算形态变量，分析并总结了福州市城市形态的演变规律。

陈明星，沈非，查良松，金宝石等（2005）根据芜湖市交通旅游图，对其进行数字化，得到芜湖市交通网络图，再利用Arcview 软件建立芜湖市交通网空间数据库；利用空间句法的变量工具计算主要形态变量，对芜湖市交通网络特征进行定量化探讨。

陈鑫，张斌（2010）以GIS平台对利川市在1986年、1999年、2009年三个时间段的城市空间形态与其周围自然山水格局所构成的图底关系进行分析，通过空间句法的参数分析，总结了利川市的发展规律。

赖清华等（2011）运用空间句法，对1960年到2009年徐州的城市空间形态特征和演变过程进行研究。

朱东风（2006）通过对苏州城市中心功能吸引子分布与空间句法集成核的相关对应关系分析，总结了城市中心性与句法空间集成核的协同发展特征。

在交通可达性方面，贺娟，邓卫，刘志明，杨明等（2010）以居民OD出行调查中形成的交通中区为分析对象，通过借鉴空间句法理论的思想，以GlS 软件Arcview中的空间句法分析模块为工具，分别对2003年和2007年扬州市道路网络与居民出行分布的关系进行了实证研究。

在对句法理论与道路网关系的解析基础上，绘制了扬州市的轴线地图并运用Arcview软件得到空间句法分析变量，随后利用SPSS软件对各中区轴线句法指标的平均值与交通中区发生吸引量进行了相关性分析，结果发现二者具有较高相关
性。

在街道布局特征研究方面，顾频捷（2004）基于GIS系统利用空间句法对南京夫子庙地区的街道形态进行了定型和定量的研究，并用句法解析了南京旧城街道系统演变历程。

程昌秀，张文尝，陈洁，蔡俊等（2007）结合乘坐北京市地铁更关心转换次数的特点，采用空间句法中平均深度值的形态分析变量，对2008年北京市各地铁线路、各起始站、各换乘站的可达性做了数量化的评价。

目前研究中仍存在一些问题有待进一步探讨，如如何更加有效的实现指标值的算法研究，对城市交通网络所包含信息的知识挖掘，对人类的行为动态模拟、交通轴线上人流、车流等的模拟。

由于空间句法本身存在有待改进之处，比如轴线图的生成存在着较大的主观因素，没有考虑地铁、立交桥等交通因素，也使得研究结论不够完备。

目前，空间句法与GIS的集成研究仅停留在软件平台的应用上，两者在理论上的结合点以及如何在分析应用中具体地将GIS强大的分析功能集成到空间句法当中还有待深入研究。

参考文献：
[1]Bill Hiller，赵兵，空间句法——城市新见，1985(01)
[2]顾频捷，“空间句法”在旧城街道空间形态研究中的应用初探——以南京旧城为例，东
南大学硕士论文，2004
[3]李江，郭庆胜，基于句法分析的城市空间形态定量研究，武汉大学学报（工学版），2003，
36(2)
[4]厉旭东，赵晓琴，孙毅中，GIS与空间句法的集成及空间形态结构量化分析——以南京
师范大学仙林校区为例，南京师大学报（自然科学版），2008，31(4)
[5]詹庆明，徐涛，周俊，基于分形理论和空间句法的城市形态演变研究——以福州市为例，
华中建筑，2010，28(4)
[6]郑莘，林琳，1990年以来国内城市形态研究述评，城市规划，2002（26）
[7]陈明星，沈非，查良松，金宝石，基于空间句法的城市交通网络特征研究——以安徽省
芜湖市为例，地理与地理信息科学，2005，21(2)
[8]贺娟，邓卫，刘志明，杨明，基于空间句法的道路布局与居民出行相关性研究——以扬
州为例，交通运输工程与信息学报，2010，8(1)
[9]陈鑫，张斌，浅谈山水格局下的城市空间形态发展的拓扑分析——以利川市为例，华中
建筑，2010，28(9)
[10]陈媛媛，张真，空间句法理论及其在GIS空间分析中的应用
[11]赖清华，马晓冬，谢新杰，谢思超，陈丙林，基于空间句法的徐州城市空间形态特征研
究，规划师，2011，第6期
[12]易增林，李本新，肖高铭，余伟平，空间句法在城市形态分析中的作用，测绘通报，2008
（2）
[13]余瑞林，空间句法及其研究进展[J].地理空间信息，2006(8):37-39.
[14]陈仲光，徐建刚，蒋海兵，基于空问句法的历史街区多尺度空间分析研究——以福州三
坊七巷历史街区为例[J]，规划师，2009(8):92-96
[15]王静文，毛其智，党安荣，北京城市的演变模型—基于句法的城市空间与功能模式演进
的探讨[j]，城市规划学刊，2008(3):82-88
[16]朱东风，基于空间句法（Spacesyntax）分析的城市内部中心性研究——以苏州为例，现
代城市研究，2006（12）
[17]刘青昊，城市形态的生态机制，城市规划，1995: 20- 22.
[18]阎亚宁，中国地方城市形态研究的新思维，重庆建筑大学学报( 社科版) ，2001 (6) : 60-
65.
[19]段进，城市空间发展论，南京，江苏科学技术出版社，1999.
[20]武进，中国城市形态：结构、特征及其演变，南京，江苏科学技术出版社，1990.
[21]程昌秀，张文尝，陈洁，蔡俊，基于空间句法的地铁可达性评价分析——以2008年北
京地铁规划图为例，地球信息科学，2007,9(6)。