空间句法理论及其在GIS空间分析中的应用
陈媛媛 张 真
解放军信息工程大学测绘学院 河南郑州 450052
摘要：二十多年来，空间句法理论在分析城市形态结构方面取得了许多成功的研究成果。然而这样一套有用的分析方法还没有引起GIS界的重视。我们认为空间句法的理论可以发展成为GIS的分析方法。
本文提出了一种空间认知的方法作为空间句法的理论基础，然后用空间句法的视区分割分析几个在城市和建筑水平上的例子。接着，分析了空间句法的不同之处，并提出了相应的改进模型及其应用。
关键词：空间句法，空间分析，认知，GIS，空间分割，形态分析变量，视区
1. 引言
空间分析是GIS区别于其他计算机系统，如计算机辅助制图系统，计算机地图制图，空
间数据库和图像处理系统的主要特征之一。过去10年中，人们在研究GIS空间分析的理论
与方法，提高现有GIS分析功能方面作了大量的努力。但是现有的GIS仍然需要新的分析和
建模方法，这是由于随着GIS应用范围的扩大，对GIS的分析功能提出了更高的要求，传统
的分析功能显然不能满足日益增长的需求。如何提高和扩展GIS的分析与决策能力是GIS研
究者面临的重要课题。
过去二十年中，空间句法提出了一套计算方法来研究城市形态结构，进而研究人的空间
行为如何受空间形态的影响。空间句法广泛应用在城市人流的分析与预测，城市居民被窃的
空间分布，交通排放污染的控制和复杂城市系统中的导航上。空间句法可以集成到城市GIS
中以提供分析和预测功能，并可进一步发展成为新的空间模型。
2. 空间句法的原则
空间句法是一套进行城市形态分析的理论和工具，然而空间句法的基本原则和广泛的应
用价值还没有引起GIS界的注意，为此首先对它作简要的介绍。
2.1. 空间分割
任何一个城市系统都是由两部分组成：空间物体和自由空间。空间物体主要是建筑物，而自由空间是指物体隔开的，人可以在其中自由活动的空间。自由空间具有连续性特征，即
从任何一点可以到达空间的任何其它点。对空间句法而言，自由空间是一个非常重要的概念，有时又叫它开空间。空间句法着眼于自由空间的表示。
根据城市环境的自由空间所呈现的情况，空间句法大致有三种空间分割方法。若建筑或
建筑群比较密集，一般采用所谓的轴线方法。它的基本原则是：首先画一条最长的轴线代表
一条街道，而后画第二长的轴线与第一线相交，直至整个自由空间或者街道由一系列轴线连接，所画的轴线图称作轴线地图。
第二种空间分割办法是对开空间呈现非线性的情况，这种方法是所谓的凸多边形方法，由于实际分割中很难保证分割的唯一性，所以这种方法对城市系统而言不是很适用的方法。相反，这种方法对建筑物或者建筑群内部房间或者走道的布局却很适用。因为每一个房间或
走道都是一个凸多边形，而且边界是相对确定的。
第三种分割方法也是对开空间呈现非线性的情形，只是从可视性观点看，这种分割方法更为精确，不像第一种由一轴线来代表一段笔直的街道，这种方法是基于视区的概念。视区是一个从某一确定点可视的区域，以形式化的语言表达，即：“在一个大尺度的欧式三维空间R，其中的每一个点x，相应的视区V(x)是由所有从该点可视的点集合构成。”
2.2. 形态分析变量
基于空间分割方法，空间句法可导出相应的连接图，即将分割的每一部分作为图的结点，图的连接取决于每一部分之间是否相交或相连。如轴线图到连接图的转换只需将相应的轴线变为结点，并将相应的轴线交点变为结点之间的连线即可。
由连接图，可以导出一系列的形态分析变量。首先，连接值N(i)是与第i 个部分空间相交的其它部分空间数。在连接图上，就是与第i 个结点相连的结点数N(i)=k，其中k 是与第i 个结点直接相连的结点数。第二个形态变量是控制值C(i)，控制值表达了这样一种信息，那就是一个空间对与之相交的空间的控制程度。
其中k 是与第i 个结点直接相连的结点数，N(j)是与第j 个结点的连接值。
深度值是指某一结点距其它所有结点的最短距离。因此，一个结点深是指该结点距离其它所有结点远，而一个结点浅则是指该结点距离其它所有结点近。深度值不是一个独立的形态变量，可它是计算集成度的一个中间变量。假设d ij 是连接图上任何两点i 和j 之间的连接距离，那么，
总深度值是： ， 平均深度值是： 第三个形态变量是集成度。如果说连接性控制值表达的是一个空间和与之相交的其它空间的关系，那么，集成度表达的则是一个和其他更多空间的关系。根据所考虑的结点情况，集成度分全局集成度和局部集成度。全局集成度表达的是一个空间与其它所有空间的关系。所以所有结点都在计算考虑之中，而局部集成度则是一个空间与其它几步（即最短距离）之内的空间关系，所以不是所有结点在计算考虑之中。集成度有下面的ID（i）和RID（i）来表达，
n 是一个连接图的总
n D 是用来标准化集成度值。 以上形态变量可以用来描述空间在不同水平上的结构特征。连接值，控制值，局部集成度描述局部水平上的结构特征，全局集成度是整体水平上的结构特征。这样可以区分两类形
1
n ij j d =∑
态变量：局部和全局。通常这两类变量之间存在相关性，即局部上连续性好的空间，在整体上集成度也高。这样一种关系是空间句法的又一变量,即所谓的智能值，它用来表达结构意义上的局部和整体关系。如果对一个局部区域，局部与全局变量的相关关系值大于其所在的整体区域的局部与整体变量的相关关系值，则该局部区域是智能的，相反则是非智能的。
2.3. 大尺度和小尺度空间概念
从认知观点出发，空间可以分成两种基本类型，即大尺度空间和小尺度空间。大尺度空间是超过个体的定点感知能力，即不可能只从一点上来感知，除非这一地理空间被缩小，例如被表示成地图（或遥感影像）的形式，所以要感知地理空间，需要借助地图等，或者亲临该空间，就像到一个全新的地方旅游一样。此外，当我们在地理空间导航时，在每一点或每一时刻所感知的是一个小尺度空间。对许多小尺度空间的感知形成了对相应的大尺度空间的感知。
空间句法所采用的办法就是将大尺度的城市环境分割成有限数目的小尺度空间，然后根据可视性判断这些小尺度空间是否在空间上相交，从而形成一个小尺度空间的连接图。基于这个连接图，可以导出一系列的空间形态变量。譬如，每一个小尺度空间与多少其它小尺度空间直线相交，每一个小尺度空间与其它小尺度空间的间接相交的程度如何。
2.4. 特征点代替轴线
轴线地图的生产过程计算复杂性是非常高的。而且有效的空间句法分析应用必须建立在最少数目的轴线地图上，否则分析结果不会有意义。因为不是最少数目组成的轴线地图不具有城市结构的代表性。到目前为止，还没自动的生成方法，在实际应用上还有一定的困难。
第二个实际问题是空间句法依赖于空间分割。而任何一种空间分割方法作为一种中间表达过程与现有的GIS数据库并不相容。这种不相容性是空间句法集成到GIS中的又一障碍。尽管空间句法方法可以无缝地集成到GIS中，可是在数据分析和表达上与GIS并不相容。
第三个实际问题时空间句法对环形路的处理，其连接性和集成度都很好；而它被分割成数条轴线时，每一条的连接性和集成度就会很小，到底采用哪一种方案更符合实际情况？空间句法对此没有一个圆满的解释。
建立在上述对空间句法方法的深入观察基础上，这里提出另一种空间表示的方法。这种方法是基于一组特征点，这些特征点可以从相应的城市地图中获得，包括道路的转弯点，道路的交接点。这些点能够代表道路的结果特征，对人的空间行为起决定性作用，因为人流和车流在到达这些点时需要做出导航决策。譬如当一个人来到一个十字路口，他有三种选择：继续向前，左拐，右拐。从形态观点出发，每一个点与其它店的可视性决定了一个连接图。基于这一连接图，从一个点出发需要多少步遍历任一其它点就决定了该点的集成度。下面结合例子来解释这种方法。
（1）从相应的城市地图中获取特征点，道路交换点可以直接从道路网中识别；拐弯点可以有一个简单的算法来完成，在道路两端点连一直线，与此直线的距离大于某一阈值的点即为拐弯点，这一步相对比较容易，而且完全可以有计算机自动生成。
（2）基于特征点，由计算机自动地决定每一点是否与其它点可视，这样就形成了一个可视性决定的连接图。然后可以计算出一系列空间句法的变量，譬如根据可视性可以得到每一点的连接值，集成度值等。不难发现，这一方法与前面介绍的视区方法有很大的雷同，每
一个特征点可以看作是视区方法中的视点，最后，基于每一点的形态变量值，我们可以形成一个连接的表面，来表达形态结构的空间分布。
与已有的空间句法方法相比，这种方法显示了许多优点。
（1）这种基于点的表示方法可以形成一个空间形态的连续表面，相对来说将形态变量赋于一条或者一段街道不是很合逻辑，因为一条空间上延伸的街道不应该有同一个“易达性”，相反我们认为，基于点的易达性更具有合理性。
（2）基于点的关系相对精确，所有自动识别这些点是完全有可能的，而不像轴线地图。
（3）这种方法可认为是前面介绍的视区方法在城市水平上的应用，因为这种方法可看成是简单的视区方法。上述以点代替轴线的方法可以很好的与现有GIS的栅格数据结构相容。
3. 空间句法与GIS的集成
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。
4. 空间句法在GIS分析中的应用
空间句法在GIS中的应用主要集中在城市尺度和建筑水平方面。
4.1. 空间句法在城市环境系统尺度上的应用
空间句法的重要应用是分析和预测城市系统中的行人流量，基本的假想是局部集成度可以用来分析行人流量的空间分布，这对城市规划和设计有很高的指导价值，即设计者可以根据形态结构的分析来预测未来交通量的情况。集成度值可以用来预测人流的空间分布，也许预测结果不如由重力模型来得精确。但是空间句法非常简便易行。另外，空间句法有一个很重要的科学含义，那就是城市的形态产生了运动，并吸引商店，超市到集成度高的街道，这样我们可以得出结论，商店和超市不是产生人流的主要原因，这也意味着，可以根据道路的结果来预测土地的使用价值。
4.2. 空间句法在建筑水平上的应用
下面举例说明空间句法在建筑水平上的应用。取大楼的某一层，将每个房间或走道表示成多边形，房间之间有门连接，并有一轴线表示，这里有些空间表示成凹多变形。根据这样的空间分割，使用空间句法分析，集成度最高的是中间的长街道。从实地来看，这个大楼是一个教学楼，那条狭长的走到有很多人的活动，包括学生和老师，学生可以在走道的长椅上进行小组讨论和作业，走道的一边是学生教室和实验室，而另一边是教师办公室。学生和教师的交互是通过这条长街道进行的，所以它的集成度最高。另一方面，办公室的集成度最低，即办公室处在最稀疏的空间，同时教师办公室的中间有一个集成度相对较高的空间供教师日
常活动使用。计算分析后得出结论：功能和形态相适应。通过这样的分析，可以决定每个房间的功能。譬如，集成度高的房间用作聚会，集成度低的用作办公室。另外，保密文档不宜存放在集成度高的房间。在建筑环境研究中，有一项工作是研究能量或热量在建筑环境内的流动，我们认为形态特征是一大考虑因素，或许这是空间句法的又一个应用领域。
5. 结束语
在现有大量实验研究的基础上，空间句法提供了一种全新的对城市系统的空间表示，或者说是更精确地对城市形态结构的表示。空间句法分析工具已经被集成于现有的GIS中。但是，为了使空间句法真正成为GIS中一种空间表示和分析方法，还有更多理论和模型上的问题需要探讨，主要问题包括为什么采用不同的空间表示方法，用轴线表示空间存在哪些问题，有没有改善的办法等。因此，今后的研究应注重在分析工具的实现和实验研究上。
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