基于城市dem的城市三维形态量化分析

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1、基于城市DEM的城市三维形态量化分析1，21，21葛珊珊汤国安张姗琪（南京师范大学地理科学学院，南京210046）（南京师范大学地理虚拟环境教育部重点实验室，南京210046）Email:lisa5466@tom.comTel:13584006892摘要：本文以城市建筑实体所构成的城市三维形态为研究对象，借助UrbanDEM和GIS的分析方法，分别对其规模特征、密度特征以及空间分布的聚集与分散特征等，并提出了定量化描述指标，以南京市中心城区为研究对象，对上述提出的城市三维形态指标进行了量化分析，实验结果显示本文提出的指标在一定程度上能够反映城市

2、的三维形态特征，对于城市三维形态的研究具有借鉴意义。关键词：城市形态，三维，UrbanDEM，量化指标1.引言城市形态是城市实体、实体环境及各类活动的空间结构，构成城市所表现的发展变化着的空间形态特征，这种变化是城市这个有机体内外的结果。以往的城市形态的数值研究集中在对城市边界和城市空间形态计量指标[1-2]，对影响城市形态演变因素的研究[3-5]，及利用分形理论、CA模型等模拟城市形态的演化[6-12]。以上研究着眼于城市形态的平面特征，然而随着城市的快速发展，城市中的大量的人工构筑物不断的改变这城市三维形态，城市三维形态决定着城市物质、能量

3、的流动，是城市结构的体现。然而，目前关于城市三维形态研究较少。本文的目标在于，以建筑实体所构成的城市三维形态为案例，借助UrbanDEM，分别从城市建筑实体的规模、密度、分布的均匀程度、城市实体的聚集程度四个角度提出量化指标，挖掘城市三维形态特征。2城市三维形态分析方法数字高程模型在在地理科学邻域运用的已经相当广泛和成功，但是运用到城市区域的研究却刚刚展开。本研究借助UrbanDEM，及采用GIS栅格数据的聚类分析、聚合分析、复合分析、窗口分析、采用比较分析、理论分析和实验验证的方法，分别从城市建筑实体的规模、密度、分布的均匀程度、城市实体的聚

4、集程度四个角度分别提出指标，量化城市三维形态，如表1所示。表1形态描述特征及指标表描述特征及其指数规模（以建筑体积表示）小规模大规模密度（以占空度表示）低密度高密度247均匀程度（以香农多样性指数表示）分布均匀分布多样聚集程度（以莫兰指数表示）分散分布聚集分布2.1规模指数街区作为统计单位，以区域内的规模为建筑实体的体积之和衡量其规模。图2的a,b和c分别为南京中心城区的三个不同类型的街区，由于发挥着不同的功能，这些街区建筑的密度、排列等也各不相同，其中A为商业区中的街区，主要由高层建筑构成，其建筑实体的体积之和为1416546m3，C为居住区

5、，主要由整齐排列的中层建筑和底层建筑构成，其实体的体积之和为55007m3，B为商业-居住混合区，主要由中层建筑构成，其实体的体积之和为468093m3。虽然街区B的平均高度大于街区C，由于街区C的建筑实体为紧密排列，从而其街区规模高于街区B。图1不同形态的街区规模指数图2.2密度指数以占空度度量统计区域内的密度特征，占空度定义为为局部区域内，城市建筑实体的体积与该区域面积之比。图2中，处于商业区的A具有最高的占空度，其值为11.30，明显高于其他区域。作为居民区的C其占空度最低，仅有4.34。占空度作为反映区域内建筑实体体积的分布密度特征，不

6、但描述了区域内建筑实体对空间占有的强度，同时还反映了区域开发强弱程度和开发潜力。图2不同形态的街区密度指数图2482.3均匀度指数以香农多样性描述建筑分布的均匀程度，计算公式如下所示：N−∑[(PLnPii)]i=1（式1）其中，Pi为各实体类型占实体总面积的比例。多样性用于描述建筑实体分布的均匀程度，其值的大小取决于两个因素，即实体类型的数目和实体类型面积组合。对于同一研究区来说，若实体类型相同，面积比率分布越均匀多样性越大，若二者规整度相同，类型越多，多样性越大。由于本研究是对实体高度加以分类，因此多样性反映了区域内各种高度实体类型的多少和

7、各类型建筑所占的比例的变化。从图3可以看出，街区A到C，其多样性分别为0.31,0.64和0.21。街区A主要由各种类型的高层建筑组成，建筑实体的占地面积也多变，街区C虽然建筑实体占地面积差别不大，但是其高度类别少，因此这两种类型街区的多样性较小。街区B则由各种不同类型建筑实体构成，且分布较为均匀。因此街区B的多样性最大。图3不同形态街区的均匀度图2.4聚集度指数nm∑∑()xi−xm()xj−xmi==11jI=（式2）n∑()2x−ximi=1xi、xj分别是在位置i、j的值；xm是在所有i、j位置点的均值；n是所有点的数目。图4不同形态街

8、区的聚集度图249莫兰指数描述的是建筑实体聚集的程度，值越大，说明实体的分布越聚集，反之则越离散。在图4中，街区A和B的莫兰指数明显高于C，说明在商业