空间句法与UNA在规划工作中的应用对比分析

杨阳，赵继龙，蓝天翔

（1.山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南250101；2.迪肯大学 建筑与建成环境学院，澳大利亚 墨尔本3220）

0 引言

在过去的30余年间，中国经历了城市化发展最快速的阶段，城市化率从1980年的19.39%快速增长到了2017年的58.52%，城镇化速度远高于世界平均水平［1］。随着城市化比例的提高，我国的城镇化发展目标逐渐从追求城市化速度向提升城市化质量转移。当前的城市发展阶段要求城市建设从重视增量开发转变为重视存量开发，城市更新成为规划工作中的重要环节［2］。相对于城市扩张阶段，城市更新涉及的现状情况更加复杂，要求设计者需要关注和兼顾更多层面的问题［3］。当今的城市数据研究方法，由以传统的统计年鉴、社会问卷调查和深入访谈等为主向以网络数据（特别是社交网络数据）的抓取与空间定位技术（全球定位系统、智能手机系统及定位服务系统等）的应用为主转变，数据内容呈现出大样本量、实时动态和微观详细等特征，且更加注重对研究对象地理位置信息的提取［4］。目前，借助不断发展的网络和通信技术，获取大量反映人类活动特征的数据成为可能，地理信息技术开始成为城市经济和空间规划发展不可或缺的工具［5］。将信息数据用于规划工作，引入有效的数据分析手段已经成为了迫切的需要［6］。大量针对空间特征的定量研究开始出现，龙瀛等［7］研究了公交IC卡数据在城市规划中的应用；甄峰等［8］利用微博数据分析了中国城市网络联系度；王德等［9］通过手机信令研究了用户的通勤行为。然而，这些基于不同理论基础和不同数据的研究方法，在参数体系、研究对象和有偏性上存在较大差别，无法相互对比和验证。除此之外，大数据模型的构建存在数据获取问题上的限制，在规划实践中难以获得广泛应用。针对上述问题，叶宇等［4］认为基于形态学的空间定量研究技术是研究城市形态问题的有效手段，并基于大量城市规划理论构建了基于形态学的空间研究方法，为城市空间的定量研究开辟了新的思路，此方法或许更适用于中小尺度城市更新问题的工具。此外，存量开发的发展模式对规划效果的预测评估也成为了一种现实需要［10］。建立有效的方案评估体系，能够帮助规划师明确城市现状中存在的问题，提出更新方向，也可以帮助城市管理者在多个方案中进行优选。目前比较认可的空间研究方法主要分为空间句法分析和城市空间网络分析等两类。空间分析技术主要通过指标表达结果，因此，文章主要从指标系统的对比入手，分析两种空间分析法的异同，并结合实际的规划案例应用进行对比分析，以期能够在规划工作中的空间分析和规划效果评估上起到帮助。

1 空间句法分析技术

空间句法分析是指通过拓扑关系描述空间结构的数字技术，已经在建筑学领域得到广泛认可和接受，近年引入到城市规划领域，在理论研究和规划实践中进行了探索［4］。然而，随着研究对象的空间尺度变大，空间句法的种种弊端开始显现［11］。

1.1 空间句法基本原理

空间句法的理论基础是拓扑分析，对目标空间或城市路网进行轴线化处理，按照拓扑学原理进行分析，最终获得形态分析变量，对空间的属性及联系进行量化描述。

1.2 空间句法分析指标系统

空间句法主要指标包括：（1）连接值 表示系统中某个空间相交的空间数，用于局部对象的空间区位评价；（2）控制值 表示某一空间与相邻的空间的连接值的倒数之和，“控制”可以理解为局部的中心性评价；（3）深度值 表示某一空间到达其它空间所需经过的最小连接数，是一个全局视角下的便利性评价概念；（4）集成度 表示系统中某一空间与其它空间集聚或离散的程度，集成度越高，说明该空间在全局视角下中心性越高，反之则证明该空间中心性不显著；（5）穿行度 表示系统中某一空间被其他最短路径穿行的可能性，是一个全局视角下的通过可能性评价概念［12］。从指标体系上看，空间句法的核心基础在于提取空间的拓扑关系，基于该关系对人的空间认知进行具象化表达，从而评价空间。

1.3 空间句法基础方法中存在的问题

早期的空间句法主要侧重于建筑空间的分析，尺度相对较小，然而扩展到较大的空间尺度时，在很多方面存在问题［13］，主要有：（1）空间句法分析无法考虑空间中的距离、速度，其测算结果完全建立在空间形态的理论分析上，实际上，当将空间句法分析用于城市内部复杂的交通环境时，由于实际情况和空间句法默认假设的差异，会产生较大的误差。（2）较难做到严谨的空间抽象化处理，容易产生误差。空间句法分析基于对象抽象化的轴线图，而轴线图生成的原则是“最长最少”，在分析的前期工作中，轴线图的生成很难做到精确，有可能使最后的分析结果不唯一，其精确性也会受到质疑。除上述两个问题之外，还有研究指出，在空间句法分析中，空间的微小变化容易对全局产生非常大的影响，分析范围发生变化会对集成度产生非常大的影响［14］。近年来，随着对空间句法的研究和改善，引入了很多新的算法和规则，如米制分段法、角度加权法等，空间句法和传统道路分析的联系得到了进一步加强。

2 城市空间网络分析技术

随着计算机运算能力的提升和GIS等技术的普及，城市更新分析中对大量现状对象进行函数分析已经成为可能。城市空间网络分析工具UNA（Urban Network Analysis Toolbox）是一种基于ArcGIS的城市分析工具，可以对拓扑空间关系进行函数表达，并依托GIS的图—形转化能力进行更加全面的分析。

2.1 城市空间网络分析工具原理及应用场景

UNA城市空间的思路是“空间点＋道路网络”，即将空间中的建筑出入口、公交站点、公共空间等重要枢纽看作空间点，提取分析范围内的道路系统，结合“节点”和“网络”进行函数分析。UNA可以将分析目标的位置精确到出入口的位置，为城市设计尺度的网络优化提供可能。此外，UNA可以提取目标对象的特定属性，如面积、居民数、功能等，作为计算权重，使分析结果更加精确。UNA可以用来分析和模拟城市复杂情况下的建筑空间关系，根据不同的权重设置，可以分析一定城市区域内的公共服务设施布点、商业设施布局以及公共空间布置等问题。

2.2 城市空间网络分析工具的指标系统

UNA对空间的指标描述是通过内置函数运算实现的，自变量为建筑出入口的点和实际路径，可以设置搜索范围和分配权重。其指标体系如下：

（1）到达指数 给定距离内，起点可以通过交通网络到达的终点数量，或终点的空间权重加合。实际应用包括基于人口数量的公共服务设施实际服务能力测算，某建筑在给定范围中的可达性测算。到达指数（Reach）由式（1）表示为

式中：r为给定搜索半径；d［i，j］为起讫点之间的实际距离；W［j］为j点的权重；G为总体分析范围。

（2）引力指数 是对到达指数的延伸，相当于通过增加基于距离的修正参数，对人的到达愿望进行描述。在引力指数的测算中即网络中点与点之间距离越远，二者的相互影响就越小。引力指数（Gravity）由式（2）表示为

式中：β为空间递减参数。

（3）居间指数 给定距离内，起讫点OD（Origin-Destination）网络冗余路径的基础上，将各起点的权重平均分摊到所有可行路径中，最终核算网络中各个路段加合值。居间指数将计算网络中所有路段路过的步行流量。简单地说，居间指数是衡量一个点在给定范围内被经过的可能性，由式（3）表示为

式中：njk为点j与k之间最短路径的数量；njk［i］为点j和k之间的最短路径中，经过点i的数量。

（4）接近指数 评价的是搜索范围内某个建筑到其他所有建筑的距离的总和的倒数，是一种针对某个建筑的全局中心性评价。接近指数（Closeness）由式（4）表示为

（5）直达指数 给定范围内，i到j之间的最短路径与所有可能路径的比值。这个指数可以理解为评价的是某个点到可达范围内的其他点的便利程度。直达指数（Straightness）由式（5）表示为

式中：δ［i，j］为点i与j之间的欧几里得最短距离。

2.3 城市空间网络分析工具的的优势

相比基于空间句法的城市空间结构分析，基于UNA的城市空间结构分析有以下优点：（1）考虑了建筑内外交通联系的问题 建筑不是一个体块，而是被抽象具有出入口的点，道路被理解为连接“点”的“线”，城市复杂的环境被简化为“网络—节点”的形式。通过这个方法测算的距离和人在现实条件下实际行走的距离非常接近，可以达到“门到门”的精度，因此基于UNA的结果对人的行为的判断更加精确。（2）UNA交通网络的构建和实际情况更加接近 UNA的交通网络基于GIS的网格分析系统，相对于空间句法分析中引入的路网系统，能够设定更多属性，比如单行线、渠化交通等，以适应现实的交通条件。同时，UNA交通网络还可以设定以道路的长度、横截面宽度或者以道路的被通过时间作为分析权重，这也就使得基于UNA交通网络的分析更加符合城市中的实际情况，在被用于城市中复杂的交通条件下时，不会产生像空间句法分析那么大的误差。（3）增加的权重系统 UNA中，每个建筑对结果的影响力是不同的，可以通过在分析中给建筑设置权重，如建筑面积、居住人数等，使得结果更加精确和贴近实际情况。如相同建筑面积或者基底面积的商业建筑和居住建筑所带来的人流量是显著不同的，而这种不同在空间句法分析中无法得到体现，很多基于实际需求的分析在空间句法分析中无法实现，而UNA则能够通过设定相应的权重系统完成相应的分析。

3 空间句法分析和UNA的对比

3.1 方法分析对比

从前期的准备工作来看，空间句法分析需要限定分析路径，绘制轴线图。UNA相比于空间句法，除了限定每个建筑的出入口位置，如果进行比较精确的公共服务设施服务范围等测算，还要对人口或者其他权重数据进行估测，这会带来比较高的时间和调研成本。但在使用空间句法分析比较大的或者相对复杂的地块时，计算机自动生成轴线图的时间和硬件要求会大大提升，手工绘制轴线又很容易产生误差，影响结果精度。在这一点上，UNA的基础资料录入过程相对简单和易于把控。

从分析对象来看，UNA更着眼于建筑与交通之间的关系，而空间句法更关注空间和交通的关系。规划师应该根据具体实际工作中的需要选取更加适宜的分析方法。如以城市外部空间为研究对象时，空间句法更易展示各个位置相应空间的属性，而以建筑或者城市居民的行为为研究就对象时，空间句法的分析就很难做到全面和精确，这种情况下宜采用UNA进行分析。

从技术平台来看，UNA是基于GIS技术，易与GIS结合进行多种分析，而空间句法分析大多基于Depthmap等软件，输出结果并不具备类似于GIS技术的兼容性。实际情况中，影响分析的因素是多种多样的，既有空间结构因素，也可能有社会人文、景观、微气候或者经济因素等等。在这种情况下，无论基于UNA的分析还是基于空间句法的分析都很难完美地纳入所有的影响因素。从这个角度来看，分析方法的兼容性就显得比较重要，UNA的优势进一步得到体现。当然，研究者或者规划师可以根据基础资料的丰富程度，以及是否需要进一步分析来选择合适的分析方法。

从分析成果来看，空间句法分析和UNA都能够对最终成果进行可视化，二者的成果都能够易于解读。但是基于函数分析的UNA能够从更多角度进行分析和展示成果，如通过计算方差判断整体样本离散度等等，在一些情况下更易说明问题。空间句法分析与UNA对比见表1。

表1 空间句法分析与城市空间网络分析对比表

3.2 空间句法分析指标和UNA指标的异同

除了上述区别，同样作为空间结构分析的手段，空间句法分析和UNA在很多方面具有一定的统一性，二者的基本参数所代表的空间关系存在很大的相关性，其对应关系如图1所示。

在讨论之前应明确，此处的对应关系是空间句法分析与UNA对各自主体描述方面上的对应，并不是简单的互换关系，二者是从不同方面对某一范围的结构进行表达和评价，由于分析的主体对象不同，对同一范围的分析可能会完全不同。（1）连接值和到达指数的关系，另一个是描述与目标空间相邻的空间数量，一个是描述目标建筑距离其他建筑的距离之和，其都可以形容各自主体在某一特定范围中的便利性。不同点在于连接值是一个局部的概念，而到达指数根据搜索范围和选取分析主体的不同，可以描述全局也可以描述局部。（2）控制值和引力指数都可以描述某一主体在特定范围内的中心性。与连接值和到达指数的关系类似，控制值是一个相对动态的局部概念，而引力指数根据搜索范围和选取分析主体的不同，可以描述全局也可以描述局部。（3）集成度值是空间句法中最常用的值，描述主体在全局视角下的中心性。在这一点上，UNA中的到达指数、引力指数和接近指数都可以各自在一定程度上描述搜索范围中所有主体的中心性。（4）深度值通过主体之间的步数描述主体在全局视角下的便捷性，UNA中的直达指数以转弯次数为自变量同样可以测算。除此之外，到达指数和直达指数还可以以距离为自变量进行测算，进行基于距离的便捷性描述。（5）穿行度值和居间指数是最为接近的一组对应，都是描述搜索范围内主题被经过的机会，而且二者的测算方法也基本一致，都是以通过某点为条件语句的全局筛选方法。

图1 空间句法分析与UNA的指标对应关系图

4 空间句法与UNA的规划案例分析

昙华林是位于武昌老城北侧古城墙内的一条老街，街区整体呈东西走向，目前已成为武汉文化艺术中心之一。但是由于昙华林街区采用以商业开发为主的改造模式，靠近主街的历史建筑得到了更新改造和利用，而主街外的大部分历史建筑很少得到人们的关注且没有得到足够保护，街区内出现了历史资源的发展和利用不平衡的现实问题［15］。如何正确合理地梳理与分析历史资源及空间结构，并科学合理地规划保护方案及路线，是昙华林地区更新改造中的重要问题。文章通过武汉市规划局官网获取相关案例数据，分别使用Depthmap和ArcGIS两个软件对目标地块进行分析，选取描述区位条件最为直接的集成度值和到达指数等指标，对比空间句法和UNA技术在处理复杂空间问题上的能力。

4.1 空间句法分析结果

利用空间句法得到的昙华林地区的集成度结果如图2所示。道路颜色偏红说明集成度高，也就是与其他空间聚集程度高，而道路颜色偏蓝说明集成度相对较低，与其他空间相对较离散。通过空间句法分析，可以明显地发现昙华林地区整个街区只有一条道路呈比较深的红色，说明该道路是整个街区最重要的中心道路，可以判断该道路由于缺少分流，存在较大的交通压力。街区中存在大量橙色和黄色的道路，说明次级道路分级比较混乱，大部分道路属于这个层级。同时，街区内部存在很多蓝色的道路，说明很多空间交通不畅，街区内部的道路可达性较低。通过整体分析可知，昙华林街区存在空间布局不合理、路网结构比较杂乱、层级不明显的问题。

4.2 城市空间网络分析结果

利用UNA得到的昙华林地区不限定权重、不限定搜索半径的到达指数结果如图3所示。红色表示到达指数较高的建筑，代表该建筑到其他建筑的距离比较短，相对便捷；绿色代表到达指数偏低的建筑，说明该建筑到其他建筑的距离较长，交通条件相对较差。结果显示，在昙华林街区中，沿主街的建筑到达指数较高，大部分红色集中在主要街道路口的地区，位于地块内部的部分建筑存在可达性较差的问题。从到达指数分布上来看，相对较为混乱、没有明显的规律、层次不明显。

图2 基于空间句法的昙华林地区集成度图

图3 基于UNA的昙华林地区到达指数图

4.3 空间句法和UNA结果的对比分析

结合两个分析，可以发现空间句法和UNA的结果从图面上和从结论上都存在很大程度的相似性，将两张图叠合在一起，这种相似性就会更加明显，如图4所示。空间句法分析结果中偏蓝色低值的道路周边，UNA的建筑也大多呈绿色低值；而空间句法分析结果中偏红色高值的道路周边，UNA的建筑同样大多呈红色高值。说明二者在一定的限定条件下，分析结果高度一致。但是，UNA是基于GIS平台的函数关系分析软件，其分析方法更加灵活多样。不同限定条件下，基于UNA的分析可产生不同结果。50、200、800m搜索半径下的UNA结果如图5所示，分别表示在视觉范围内、感知范围内和步行范围内，人对街区的整体感知。随搜索半径的扩大，道路对建筑可达性的影响增大，各建筑点间的相互影响程度升高，并且被经过的可能性增加。基于此，可根据实际需求限定不同场景条件下的变量，使分析更加准确。

除了上述分析之外，UNA可以依托GIS的数—形转化能力，从统计学角度分析问题。昙华林街区中存在大量历史建筑，通过比较历史建筑与所有建筑的到达指数的平均数和标准差（如图6所示），可以综合评价历史建筑在街区中的分布特征和区位条件。全部建筑的到达指数平均值高于历史建筑，说明历史建筑的可达性整体水平较差，大多数在街区中不存在区位优势；而通过对比标准差可知，全部建筑的标准差与历史建筑的标准差差距较小，说明目前昙华林街区中对历史建筑的开发和利用存在不均衡的问题。此外，有少部分历史建筑位于空间环境最优越的区位，充分认识和开发的机会相对较大，而可达性在整个地块中处于最低部分的历史建筑，可能存在被忽视的情况。

图5 不同搜索半径下昙华林地区的UNA主要指标图

图6 昙华林街区建筑的到达指数平均值和标准差图

5 结语

基于空间句法和基于UNA的空间分析都是适用于当前数据环境和规划工作重点的形态学研究工具，两者虽然在很多方面有所差别，但本质上都是帮助规划者更好地认识现状或者评价规划成果的技术手段，如何合理地运用这些技术会成为数字化时代的重要课题。在资料充足、条件允许的前提下，对两者进行结合或相互验证，也就是建筑为主体的分析结合空间为主体的分析，能够对目标区域的空间特征达到全方位的认识。空间句法的核心是分析空间与空间之间的关系，而UNA是先对人的行为进行模拟和预测，进而对建筑之间的关系进行评价和分析。基于函数的UNA在平台和表达模式方面，更具有灵活性。无论是基于UNA还是空间句法的分析，都只是技术手段，是帮助规划师的工具，脱离了规划的本质，就是无源之水、无本之木。所以在规划技术研究中还应遵循规划师占主体地位的原则，使技术工具仅作为辅助规划的方法而不是目的，从而确保规划工作研究的健康发展。