濟南市路網結構句法特征及其對商業布局的影響

樊文平，王鴻康，張靜，王建華，單寶艷

（1.山東建筑大學測繪地理信息學院，山東 濟南 250101；2.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

城市的商業活動影響城市空間結構的變化，與城市的發展息息相關。商業設施的布局優化對滿足居民日常消費需求和城市的經濟發展具有重要的意義［1］。商業空間結構的分布特征一直是地理學、經濟學、城市規劃等多學科關注的熱點。關于商業空間布局的研究最早開始于20 世紀30 年代，許多學者基于中心地理論研究了商業空間結構。隨著空間分析技術的發展，像核密度分析［2］、標準差橢圓［3］以及莫蘭指數［4］等空間分析方法逐漸運用到商業空間分析中。何偉純等［3］運用實地調研數據，借助標準差橢圓、最近鄰聚類、多距離空間聚類（Ripley's K函數）和有序邏輯回歸等分析方法，探討開封市主城區零售商業空間布局特征及其影響因素。隨著大數據時代的發展，興趣點（Point of Interest，POI）數據［5-7］、手機信令數據［8］、位置服務大數據［9］等因具有數據量大、準確性高、覆蓋范圍廣以及時效性強等特征被廣泛應用于商業空間格局的研究中。張?。?］以上海市零售業POI數據為基礎，通過空間分析方法分析了上海零售業的空間布局特征。WANG等［6］利用商業POI 和旅游景點POI 探究歷史文化區商業服務與旅游景點之間的關系，為商業發展與歷史文化可持續保護之間的動態平衡提供參考。程仕瀚等［7］以銀川市零售商業POI數據為基礎，通過核密度估計法、最鄰近點指數分析法、相關性分析等方法，研究了城市商業網點的空間分布特征，及影響空間布局的主要因素，為銀川市的零售業空間布局優化提供參考。

城市路網結構及路網可達性是影響商業布局的重要因素。城市功能與交通的協同關系一直是學者們關注的重點［10］。當商業布局遵循路網組織規律時，可以發揮乘數效應，吸引更多的人流、車流［11］。李慧璇［12］基于ArcGIS地理信息軟件所提供的網絡分析、地理統計分析等空間分析模塊及二次開發平臺，分析了貴陽市中心城區路網可達性與大型商業建筑空間分布的發展現狀及兩者間的關系，同時對貴陽市道路和大型商業建筑的發展提出相關優化建議。徐澤潭等［13］研究了福州路網形態和零售商業空間布局之間的相關性，為城市商業功能區布局、道路規劃以及政府部門商業規劃提供支持。研究城市路網與商業布局的相關性可為合理規劃商業設施提供科學依據，有助于城市合理分配商業空間，提高居民生活便捷性和城市的商業活力，促進經濟快速發展和資源高效合理配置。

空間句法是一種對包括建筑、城市、聚落、景觀在內的人居空間結構的量化描述，是一種研究人類社會關系與空間組織之間關系的理論與方法［14］，其提供了一種探索城市規律、挖掘空間內在關系的全新視角［15］，可廣泛地應用于城市形態分析［16］、建筑設計［17］、城市交通網絡結構［18-19］等領域?？臻g句法模型考慮到人的運動規律，并將交通網絡的布局特征和人出行的運動流結合起來［19］。運用空間句法理論可以從空間使用者的角度研究城市商業功能設施的空間分布特征。闞小溪等［20］以福建廈門島為例，使用空間句法并結合地理信息系統（Geographic Information Systems，GIS）相關技術，在分析購物中心和路網形態的基礎上，通過逐步回歸方法探究路網形態對城市購物中心布局的影響。龐天宇［21］以空間句法理論為基礎，研究城市各街道形態要素如何影響商業功能的空間分布。WANG等［22］采用空間句法探究歷史變遷過程中北京的街道網絡對商業街區的影響。傳統空間句法模型多基于軸線模型進行計算，其原則是使用“長度最長、數量最少”的軸線代表城市道路網絡［23］。但軸線模型存在因建立軸線的人不同而導致模型存在誤差的問題。而線段模型與軸線模型的物理基礎是人在空間中進行視覺引導下的直線運動不同，其考慮路網偏轉角度對交通流出行的影響［24］，根據道路中線建立模型，使用道路真實的距離與旋轉角度，避免了軸線模型存在的問題。

通過分析相關研究可發現，現有研究大多采用單一類型的商業設施研究路網形態對商業中心布局的影響，鮮有研究和對比分析不同類型的商業功能設施。在使用空間句法對路網結構研究時常采用傳統的軸線模型，較少使用建立在真實道路模型基礎上的線段模型。因此，文章將利用空間句法的線段模型以及GIS空間分析方法，從局部和全局兩個尺度下探討濟南市中心城區路網結構特征與商業功能設施布局的相關性。

1 研究區域與數據

1.1 研究區域

濟南市是山東的省會城市，濟南都市圈的核心城市，北接京津冀，南通長三角，處于3 條國家綜合大通道的交匯處，是山東省公路交通網絡中心與高速公路交通樞紐。文章選擇濟南市中心城區作為研究區域，其中分布大量的商業設施，貫穿豐富的交通網絡，研究中心城區的路網特征及其與商業設施布局的關系，可以為整個濟南市路網規劃及商業設施合理布局提供科學借鑒。按照《濟南市城市總體規劃（2011—2020 年）》［25］，濟南市中心城區的范圍為：東到東巨野河，西至南大沙河以東，南到雙尖山等一帶山體和濟萊高速，北到濟青高速及黃河，其面積共有1 022 km2。

1.2 數據來源與處理

各類商業設施的POI 數據通過百度地圖提供的應用程序編程（Application Programming Interface，API）接口爬取，對爬取的POI 數據清洗、歸納和重分類，將商業功能設施分為購物類、美食類、酒店類、金融類、汽車服務類以及休閑娛樂類，在地理信息系統軟件ArcGIS10.2 中轉化為點的矢量數據。道路網矢量數據根據濟南市中心城區的天地圖手繪而成，數據按道路屬性分為高速公路、主干道、次級道路和三級道路，并結合遙感影像補齊中斷和缺失道路，得到濟南市中心城區交通網絡，用于后續路網形態的分析。

2 研究方法

2.1 空間句法

空間句法有凸狀模型、軸線模型以及線段模型等。傳統的軸線模型存在因建立軸線的人不同導致模型存在誤差的問題，線段模型考慮路網偏轉角度對交通流出行的影響［24］，根據道路中線建立模型，使用道路真實的距離與旋轉角度，避免了軸線模型的問題。相關句法參數有：

（1）整合度（Integration） 反映空間與空間之間聯系的緊密程度，整合度越高代表該空間聚集狀態更顯著，空間的拓撲可達性更好，便捷度更高。根據分析范圍的不同，可以分為全局和局部整合度。文章運用全局和局部尺度的整合度（I）從不同尺度反映中心城區路網的中心性和可達性，其計算公式［15］由式（1）表示為

式中s為搜索半徑內的節點總數；i為節點；n為節點個數；D（x）為x的角度全局總深度；dθ（x，i）為x和i之間角度拓撲距離。角度全局總深度表示搜索半徑內的節點x到其余節點之間拓撲距離的總和，該值越大說明節點的深度越大，拓撲可達性越低。

（2）選擇度（Choice） 反映道路疏導交通流的能力，選擇度越大表示空間被通過的概率越大，穿行性越強。角度選擇度（C）可以反映網絡中通過某一節點的最短角度拓撲距離的次數［15］。標準化角度選擇度（N）表示標準化后的角度選擇度，參數N與網絡中節點的數量無關，可用于對比分析不同結構的網絡［15］。由式（3）和（4）表示為

式中C（x）為節點x的角度選擇度；σ(i，x，j) 為通過x的i、j之間最短的角度拓撲距離。選擇度可以反映出濟南市中心城區路網疏導交通流的能力，空間被人車流穿行的概率。

（3）協同度（Intelligibility） 又稱智能度，是局部整合度與全局整合度的線性回歸擬合優度R2，協同度越高，說明空間局部和整體之間一致性越緊密。文章用協同度衡量濟南市中心城區局部和整體路網的協調程度，同時也可表征空間被人理解和認知的難易程度［17］。其計算公式［15］由式（5）表示為

2.2 核密度估計法

核密度估計是空間分析中常用的非參數密度估計方法，在ArcGIS軟件中的原理是在樣本點的周圍畫一個圓形鄰域，從中心到四周衰減到半徑為零，形成一個適合每個樣本點的平滑曲面，整個分析區域內的要素將得到的核密度值疊加，得到區域內所有輸出柵格的核密度值［26］。

2.3 最鄰近距離法

計算研究區域的要素與最鄰近要素之間距離的平均值，并比較隨機分布的平均距離與計算的平均距離，得到鄰近指數。若鄰近指數為1 則事件屬于隨機分布；若＜1 則為聚集分布；而＞1 趨于均勻分布。通過鄰近指數可以分析濟南市中心城區各類商業設施布局的離散情況。

3 結果與分析

3.1 商業功能設施空間布局

根據最鄰近距離法得到各商業功能設施的最鄰近指數，其可以反映濟南市中心城區各類商業設施布局的離散程度。最鄰近指數由小到大為金融類（0.188）、美食類（0.249）、汽車服務類（0.263）、購物類（0.271）、酒店類（0.306）、休閑娛樂類（0.414），各類型商業功能設施的最鄰近指數均＜1，且在置信度為95%的水平下通過檢驗，說明各類商業功能設施呈聚集特征分布，金融類設施聚集特征最顯著，聯系緊密，休閑娛樂設施的聚集狀態最弱，且布局較分散。

文章通過各類型商業設施的核密度分析探究商業功能設施的布局特征。為確定核密度分析最合適的搜索半徑，以美食類商業設施為例，進行多次不同搜索半徑的核密度分析，對比得出當搜索半徑為1 500 m時，生成的密度曲面較平滑，可以較為清晰地反映商業設施的布局特征和聚集核心。各類型商業功能設施核密度分析結果如圖1所示。

圖1 各類型商業功能設施核密度分析結果

根據圖1可看出，各類商業功能設施呈多中心聚集分布狀態。購物類設施主要在西市場商圈、英雄山商圈以及泉城廣場商圈形成聚集核心。酒店類的商業設施主要聚集在濟南火車站、泉城路、山東大學以及長清大學城處，在槐蔭區綠地中央廣場和高新區萬達廣場處形成次核心，這些區域人流量大且有較強的住宿需求，故各類酒店設施多分布于此。汽車服務類主要集中在中心城區的邊緣，此類設施占地面積較大，中心城區邊緣房租相對較低，因此在二環西路形成聚集核心，在工業北路等地形成多個次核心。金融類商業設施在市中區形成較大范圍的金融類設施的聚集核心，在周圍形成多個次核心。由圖1（e）可知，美食類商業設施主要集中在主城區，在世貿廣場—恒隆廣場—芙蓉街—泉城廣場處形成大面積的聚集核心。此外，山東大學、高新萬達廣場—國際會展中心、英雄山、長清大學城以及英才學院處形成美食類商業功能設施的聚集核心，在周圍形成多個次級核心。休閑娛樂類商業設施主要聚集在和諧廣場、世茂國際廣場、大明湖、萬達廣場以及長清區的大學城。綜合來看，除了汽車服務類主要分布在中心城區的外圍，所有商業功能設施均在中心城區的主城區形成大面積的聚集核心，且主要分布在生活居住區、商業圈、旅游景點和大學附近。

3.2 濟南市中心城區路網形態特征

不同搜索半徑可以反映不同尺度路網的空間結構，參考相關研究［19］并結合出行規律，選擇步行30 min或自行車15 min的出行距離2 500 m作為局部尺度的搜索半徑，選擇n作為全局尺度的搜索半徑。為方便表達，以I2500 和N2500 分別表示搜索半徑為2 500 m的局部整合度和局部標準化角度選擇度，以In和Nn分別表示搜索半徑為n（無限遠）的全局接近度和全局標準化角度選擇度。將在ArcGIS10.2中處理好的路網數據導出為.DXF 格式，導入到DepthMapX 軟件中，將矢量數據轉換成線段模型，隨后選擇Run Angular Segment Analysis命令設置合適參數，計算中心城區路網整合度與選擇度，采用Scatter Plot生成中心城區的協同度散點圖。再利用ArcGIS10.2自然間斷點法（Jenks）將整合度與選擇度的結果分為7級（如圖2所示），藍色為最低、紅色表示最高，以此來分析中心城區路網結構特征。

圖2 不同尺度下整合度與選擇度

在局部尺度下，濟南市北園高架—青島路—淄博路—臘山河東路—臘山河西路、高新開發區的工業南路—奧體中路—天辰路—奧體西路、龍奧北路—舜華南路以及長清區的經十西路處有較高的整合度，路網的可達性較強，對應區域的空間資源利用較高，是城市的核心區域；高值選擇度貫穿整個濟南中心城區，但主城區高穿行性的路網密度更大，東、西部城區較小，說明在局部尺度下，主城區內承載高交通流的路網的數量更多。在全局尺度下，中心城區整體空間形成沿經十西路—經十路—經十東路和北園高架—工業北路兩條東西向高值整合度和選擇度的軸線，這兩條軸線貫穿整個濟南市中心城區，較好地溝通了主城區與東、西新城區；主城區形成以二環東路、二環西路、山大路等南北向的高值全局整合度路網，相對應空間具有較高可達性和便捷性。

對各句法參數進行核密度分析，并通過自然間斷點法（Jenks）將結果分級，由綠色到紅色密度值逐漸增大，不同尺度下整合度與選擇度的核密度分析結果如圖3所示。通過各句法參數的核密度結果圖可以直觀地顯示路網的整合度與選擇度的空間分布情況，整合度和選擇度分布越集聚，說明相對應空間的路網在區域中發揮著越重要的作用。根據圖3可以看出濟南市中心城區的中部和東、西部路網存在顯著差異，高整合度和選擇度的路網主要分布在中部的主城區，東、西新城區較弱。東、西部新城發展相對較晚，路網等基礎設施不夠完善，中心性和穿行性都相對較小。在局部尺度上，整合度在經緯路交界處、工業南路—奧體中路、北園高架—臘山河東路—臘山河西路周圍分別形成高中心性的路網聚集核心，在外圍形成多個次級核心；選擇度在主城區、西部經十西路—清河街、東部港西立交處形成多個聚集核心，這些區域內的路網一般承載較高的交通流，是城市的交通樞紐。路網的全局選擇度與局部選擇度的分布特征相似，說明濟南中心城區路網分布的局部穿行性和全局穿行性存在一定的相似性和連續性。全局整合度在主城區形成了更大面積的高值路網聚集，整個主城區發揮較好的整合作用，路網具有強可達性和中心性；東、西城區僅在港西立交橋—經十東路、清河街—經十西路處形成高可達性和強承載力的路網聚集，大部分路網對區域的整合能力較差。

圖3 不同尺度下整合度與選擇度的核密度分析結果圖

在線段模型下分別求全局整合度和局部整合度的相關系數，即路網的協同度（如圖4所示）。比爾·希列爾將協同度分為極低（R2＜0.2）、一般（0.2＜R2＜0.4）、較高（0.4＜R2＜0.7）、極高（R2＞0.7）4個等級［27］，中心城區的協同度為0.319，局部空間與全局空間的協同度一般。

圖4 濟南市中心城區路網協同度圖

3.3 路網結構與商業功能設施布局的相關性

在N2500、I2500、Nn、In的基礎上進一步計算N2500＋I2500、Nn＋In、N2500＋Nn和I2500＋In，其中N2500＋I2500 為局部尺度的路網特征；Nn＋In為全局尺度下路網可達性和穿行性特征；N2500＋Nn為全局和局部兩個尺度路網的交通承載能力；I2500＋In為全局和局部尺度路網的可達性。計算這些句法參數與各類商業設施的相關性，探究不同類型的商業設施與路網結構特征的關系。各類商業設施與句法參數的相關性系數見表1。

表1 各類商業設施與句法參數的相關性系數表

根據表1可看出中心城區的路網形態與商業設施的布局具有相關性，路網特征與不同類型的商業設施布局的關系存在顯著的差異。（1）汽車服務類設施與各句法參數的相關系數在0.28 ～0.37，其值均＜0.5，汽車服務類設施多分布在城區邊緣，對區域內路網的中心性和交通流量要求較低，因此汽車服務類與路網布局的相關性較??；其余所有商業功能設施與路網特征的相關系數均＞0.5，說明購物類、美食類、酒店類、金融類以及休閑娛樂類的商業設施的布局與路網的可達性和吸引力的相關性較大，傾向于分布在有較強的吸引力和高人流量的地方；美食類設施與各句法參數的相關性系數均＞0.7，是所有類別商業設施中與路網特征的相關性最大的設施，對路網的依賴性最強。（2）購物類、美食類、酒店類、金融類、休閑娛樂類與路網特征的局部相關系數比全局大，對于此類商業設施而言，周圍路網的可達性、交通流量更重要，注重塑造局部的空間結構；而汽車服務類設施相反，其與句法參數在全局尺度的相關性系數比局部大，布局更在意整體大范圍路網的便捷程度。（3）各類商業設施與I2500＋In的相關性均高于N2500＋Nn，說明相比于交通承載力強的位置，各類型商業設施更傾向于分布在高可達性和中心性的路網附近，人們日常出行方便，可節約時間成本的區域是商業功能設施規劃的最佳位置。

4 結論

文章采用空間句法線段模型、核密度分析、最鄰近距離分析等技術方法，從全局和局部兩個尺度研究了濟南市中心城區路網形態與商業設施布局之間的關系，得到主要結論如下：

（1）濟南市中心城區的商業功能設施呈現多核心聚集分布狀態，除汽車服務類設施分布在中心城區的外圍，其余商業功能設施大多在主城區形成較大面積的聚集核心，東、西部新城區商業功能設施少且分布較為分散。

（2）濟南市中心城區的中部和東、西部的路網特征存在顯著差異，高中心性和強承載力的路網主要分布在中部的主城區；路網的交通承載能力在局部和全局呈現相似性和連續性，而路網的中心性存在一定的差別。東、西部新城缺少對城市局部空間的整合和滲透的能力；中心城區道路的線性結構較為單一，空間的可理解性相對較差，局部與全局的協同性一般。

（3）濟南市中心城區的路網形態與商業設施的布局具有相關性。美食類設施對路網依賴性最強，汽車類設施布局與路網特征的相關性小，更注重全局尺度的路網形態；各類商業設施更傾向于分布在強中心性和可達性的路網附近。