基于文獻計量的城市空間緊湊度研究知識圖譜分析

藍 婷,唐立娜,徐智邦,賈玉秋

1 中國科學院城市環境研究所城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021

2 中國科學院大學, 北京 100049

3 武漢大學資源與環境科學學院, 武漢 430079

4 吉林師范大學旅游與地理科學學院, 四平 136000

隨著人類生產力的發展,人口逐步從鄉村向城市轉移,這個過程被稱為城市化。城市化過程使得城市在空間上不斷擴張,其中部分城市擴張不考慮后果,其增量擴張是無計劃的,Batty[1]等將這類擴張定義為蔓延(sprawl)。城市蔓延無疑給城市發展帶來了極大挑戰,不僅破壞生態環境[2—3],蠶食動植物的生存空間[4—5],造成汽油等能源的耗費[6—7],增加公共基礎設施的花費,還可能導致城市中心的衰敗[8],甚至影響居民健康[9—10]。城市蔓延所帶來的這些問題引發了人們對于城市形態的思考,如何在一定的社會經濟和技術條件下,盡可能的節約城市用地,并同時滿足城市可持續的發展？1973年,“緊湊城市”的概念應運而生[11],并隨后受到西方學者的廣泛響應。由于與可持續發展的理念有諸多相似[12—13],“緊湊城市”至今仍舊是現代城市研究的熱點之一。

自20世紀70年代“緊湊城市”概念第一次被提出至今,在不同國家和地區都進行過相關的研究和規劃實踐。這些研究可簡單歸納為:緊湊城市的理論內涵研究[14],城市緊湊性的度量方法研究[15],緊湊城市的規劃實踐應用[16]。這三者中,理論內涵研究是前提和基礎,度量方法研究是工具和依托,規劃實踐應用是最終落腳。其中,城市緊湊性的度量方法起到承前啟后的作用,又是“緊湊城市”從抽象概念到定量模型的關鍵環節,城市形態的緊湊測度模型甚至早于“緊湊城市”概念,于20世紀60年代就出現[17]。盡管如此,半個世紀過去,關于城市緊湊性的合理判別門檻仍未達共識[18]。另一方面,自20世紀70年代美國發射第一個陸地(Landsat)系列衛星以來,包括遙感技術在內的多源數據獲取能力有了極大的發展,信息通信和計算能力也今非昔比。面對城市緊湊性度量研究亟待突破的現狀及日新月異的數據和計算環境,極有必要對城市緊湊性測度研究的演進歷史、現狀熱點進行系統的回顧和梳理,并對今后可能突破的方向進行展望和推測。本文主要關注以下科學問題:城市緊湊性度量研究呈現怎樣的演進趨勢,目前具有哪些不足,又有哪些可能的改進和完善思路。

針對上述科學問題,本文采用文獻計量分析法對城市緊湊性度量方法進行定量與定性相結合的可視化綜述。文獻計量分析法具有分析全面客觀的特點,已被用于大量研究中,如生態風險[19]、生態創新[20]等。本文使用CiteSpace和VOSviewer對20世紀70年代以來有關城市緊湊性度量的研究進行系統回顧和梳理,以回答上述科學問題。

1 數據和方法

以Web of Science數據庫的Science Citation Index Expanded (SCI-EXPANDED)和Social Sciences Citation Index (SSCI)為數據源,以主題包含關鍵詞“compactness and urban/urbanization”或者“compactness and city”為檢索條件,檢索1970—2020年的相關文獻,共得到425篇文獻,數據檢索日期為2020年7月15日。

CiteSpace和VOSviewer是常用的科學知識圖譜分析軟件。CiteSpace能夠挖掘研究領域文獻的來源地區、研究學者、研究熱點及其演變情況[21]。VOSviewer從整體上探索相關研究領域的研究主題,發掘研究前沿,可視化結果簡潔美觀,清晰詳細[22]。本文運用CiteSpace分析城市空間緊湊度研究的主要力量等基礎信息,然后運用VOSviewer探索該領域的基礎知識、研究熱點及前沿知識。

2 研究結果

2.1 發文數量和主要研究力量

根據文章發布的數量和引用次數,城市緊湊度研究大致可分為3個階段:研究萌芽階段、逐步發展階段、快速發展階段(圖1)。城市緊湊度研究萌芽階段(1961—2002年):城市緊湊度研究始于1961年,該階段關于城市緊湊度的概念被提出,測度以單指標法為主,但每年的發文量不超過5篇,且1977—1993年期間幾乎沒有相關文章；2002—2012年屬于逐步發展階段,2002年Burton[15]提出建立城市緊湊度衡量綜合指標體系,此后城市緊湊度的實證研究逐步增加,該階段多指標測度法得到發展；2013—2020年為快速發展階段,該階段發文量和引文量增速明顯,出現眾多有關緊湊城市環境效應的實證研究。研究城市緊湊度的國家主要有中國、美國、歐洲部分國家(圖1,表1)。其中美國發文量為106篇,排名第二,中心度最高為0.41,排名第一,美國較早開始城市緊湊度的研究,奠定了該領域的研究基礎,具有深遠影響；中國發文量為128篇,中心度為0.34,雖然中國關于城市緊湊度的研究起步較晚,但中國在該領域發表的文章具有重要影響力。

圖1 城市緊湊度的主要研究國家及發文量

表1 發文量前十的國家

2.2 知識基礎識別

文獻共被引分析可以探究相關領域基礎知識。本研究檢索文章425篇,引文共16718篇,將最少共被引次數設為10,滿足條件的共有67篇文獻。圖2中共有67個節點,每個節點代表一篇文獻,節點越大,被引次數越高,節點之間的距離代表文獻的相似度,文獻越相似,節點越接近。不同顏色代表不同集群,共4個集群,集群1和集群2為理論基礎類,集群3緊湊度測度方法類,集群4環境效應類(圖2,表2)。

表2 文獻共被引信息

圖2 文獻共被引網絡可視化

2.2.1緊湊城市理論基礎研究

集群1為緊湊城市理論研究:城市緊湊性度量研究是緊湊城市研究的工具和依托,其量理論植根于緊湊城市的理論中。集群1主要從緊湊城市的概念、特征角度回答了什么樣的城市是緊湊城市,并著重界定了緊湊與蔓延的區別。緊湊城市概念最早由Dantzig和Saaty于1973年提出[11]。1990年歐共體委員會批判了城市蔓延,并強調緊湊發展的重要性,緊湊城市這一理念才開始受到大量關注。Elkin[46]認為緊湊城市的空間尺度應適合人們步行、騎行并擁有高效的公共交通。Gordon[26]認為緊湊城市是高密度的單中心城市。Anderson[47]認為單中心和多中心的城市形態均可稱為緊湊城市。Breheny[14]、Ewing[24]、Burton[33]認為緊湊城市應該是高密度的、用地功能混合的。Galster[23]認為單位面積上城市空間所占面積比例越高,城市越緊湊。目前對于緊湊城市的概念及特征并未統一,但學者們普遍認為緊湊城市是在充分節約用地并為居民提供可持續福利的城市,具有適度高密度(包括人口、建筑),用地功能混合,交通高效等特征。

集群2也是緊湊城市理論研究,但側重點和集群1有所不同。該集群主要在可持續發展框架下,討論緊湊發展是否是實現城市可持續發展的有效途徑。Jabareen[31]認為可持續發展的城市形態是高密度、多樣化、緊湊、交通可持續、綠色發展的城市形態,可持續發展的最終目的是減少能源耗費、環境污染、機動車的使用,保護開放空間和生態系統。Jenks等[35]對緊湊的城市形態是否是可持續的城市形態這一問題從理論、社會經濟問題、環境與資源、評價與檢測、緊湊城市的實施等五個部分進行了探討,認為盡管緊湊城市仍存在爭論,但緊湊發展有利于實現城市可持續發展。Chen等[37]研究了快速城市化背景下,緊湊發展對中國城市可持續發展的適用性,研究表明在某些特定條件下,緊湊發展確實有益于城市環境,從而有利于城市可持續發展?？偟膩碚f,目前學者們普遍認同緊湊發展是實現城市可持續發展的有效途徑之一。

2.2.2緊湊性測度方法研究

集群3為城市緊湊度的定量評價方法類,包含不同尺度下,運用不同模型、不同數據源,從不同角度進行緊湊度測算的研究。從模型方法看,對城市空間緊湊度的測度包括城市空間形態緊湊度的測度和城市空間功能緊湊度的測度。早期對于城市空間形態特征測度一般從城市空間形態的幾何特征入手(表3),大致可概括為三類:①測度城市外部輪廓特征[48—50]；②測度城市斑塊與特定位置的關系[51]；③測度城市內部地塊之間的關聯程度[52]。

表3 單指標形態緊湊度測度模型

2000年左右,多指標的緊湊度測度方法被提出。多指標的測度是指對城市不同維度(形態、功能、人口、經濟等)基于系統理論和統計原理進行統計分析。表4為一些代表性運用多指標評估城市緊湊度的研究。形態維度指標包括城市大小、密度、城市外部輪廓特征、城市斑塊與特定位置關系、城市內部地塊關聯程度、城市景觀格局指數、建設用地連續性、建設用地集中度等形態指標；功能維度包括土地利用混合度、交通可達性、人為活動強度、工作-人口平衡度等非形態指標；人口維度包括人口密度、人口總量等非形態指標；經濟維度包括人均GDP等非形態指標。

表4 城市空間緊湊度多指標測度模型

Burton[15]最先提出建立城市緊湊度衡量綜合指標體系,從高密度型城市、功能混合型城市和增強型城市3個角度評價城市緊湊度。Ewing等[54]從密度、土地利用混合利用、中心性和道路可達性角度提出了界定城市蔓延的指數。Tsai[38]基于都市區層面從城市規模、密度、均衡分布度、集聚程度提出緊湊度指標體系。Kasanko等[41]從城市建成區面積、居住用地、城市擴張用地、人口密度和城市密度5個方面構建指標體系。Angel等[43]用10個使圓成為最緊湊形態的指標用于測度城市形態緊湊度。Mubareka等[55]將核心單元覆蓋率、核心區面積比率、連接區占建成區比例、分支區占建成區比例4個獨立的形態指標整合成一個綜合指數評價城市緊湊度。雖然使用的具體緊湊度指標存在差異,但本質上都是對于城市形態、功能、人口或者經濟等維度緊湊度的測度。

多指標測度方法使用指標眾多,指標之間往往存在相關關系,過多指標收集費時費力。Schwarz[42]用相關性分析和因子分析確定了描述城市形態的最小指標集:城市不連續區域面積、邊緣密度、平均斑塊面積、斑塊數量、最大斑塊指數、人口數量、人口密度。Jia等[56]分析了標準緊湊度指數NCI、標準離散度指數NDIS、15個景觀格局指數的相關性,篩選出NCI、NDIS和5個景觀格局指數評價城市的空間形態。上述研究減少了多指標測度過程中指標選取的盲目性和節省了采集數據的時間和精力。

數據源上由的統計數據、問卷調查數據等擴展為高分辨率遙感數據[57—58]、中分辨率遙感數據[39,56,59—64]、低分辨率的遙感數據[65—68]、雷達數據[57]。近年來,部分學者從空間垂直維度測度城市緊湊度[69]。此外,隨著移動智能終端的廣泛應用,POI等眾源地理數據也被用于城市緊湊度評估[18]。

2.2.3緊湊城市環境效應研究

集群4是緊湊城市的應用類研究:該集群主要探討緊湊城市的環境效應,即不同緊湊度下對應的環境效應指標的變化。緊湊城市所產生的環境效應主要體現在資源能源消耗、環境污染和生態影響兩方面。

(1)資源能源消耗

1989年,Newman和Kenworthy[45]對全球32個樣本城市人均汽油消耗量和人口密度對比發現美國的人均汽油消耗量是澳大利亞城市的兩倍、歐洲城市的四倍、亞洲城市的10倍。作者認為人口密度越高,城市越緊湊,人均汽油的耗費量越少。2006年,Newman等[70]研究發現全球大城市密度越低能源耗費量越高,而密度越高越能依靠完善的交通系統產生更加經濟的能耗。他們認為當居住和就業者密度達到35人/hm2時,可有效改善交通以減少居民的通勤時間,但此標準對于大多數亞洲國家明顯偏低[71]。Pucher等[72]研究了歐洲和北美的城市交通危機,提出城市密度越高,機動車平均出行需求越低,機動車平均出行距離也越短,越是節約能源。Jia等[56]研究了中國146個城市的城市空間形態緊湊性的環境效應,發現城市空間越緊湊、形狀復雜度越低,資源環境越是節約。

(2)環境污染和生態影響

Borrego等對三種理想城市形態下大氣污染模擬研究,證明城市空間結構對城市可持續發展的重要性,功能混合發展的緊湊城市較之低密度的分散化城市和沿交通線的網絡城市具有更好的空氣質量[73]。Glaeser等[74]對碳排放量和美國各地新建筑地區之間的關系定量研究,發現土地開發強度越大,土地混合利用程度越高,居民由于交通出行所產生的人均碳排放量越少。Williams等和聯合國人類住區規劃署[75—76]也發現城市人口密度和溫室氣體的排放呈負相關關系。Stone等[77]研究了美國53個大城市1956—2005年間城市形態與極端高溫天氣之間的關系,研究結果表明具有蔓延特征的城市極端高溫天氣出現的頻率是緊湊城市的兩倍。Geurs等[78]認為如果荷蘭沒有采用緊湊發展的策略,荷蘭的城市蔓延現象將更嚴重,汽車使用量將更多,住宅區附近的噪音將更大,野生動物棲息地的破碎度也會更高。Tannier等[5]研究法國不同城市形態與生境連通性之間的關系,發現在不考慮動物短途遷移的情況下,緊湊發展對于生境連通度的影響更小。

雖然已有較多研究對證明了緊湊城市有利于減少資源能源消耗,具有較好的環境績效,但仍有部分研究對緊湊城市提出了質疑,Gordon認為密集的城市會導致交通壓力過重,出行時間過長,進而影響空氣質量[26]。Neuman[32]認為能源危機存在其他深層次原因,減少機動車出行不一定能節約能源。Wang等[67]在研究中發現緊湊的城市形態會導致CO2排放量的增加。因此緊湊城市的環境效應目前還存在一定爭議。

2.3 研究熱點及趨勢

借助關鍵詞的詞頻信息分析,進一步識別了緊湊城市研究領域內的知識關聯。VOSviewer疊加可視化將時間因素加入到關鍵詞共現網絡中,能進一步幫助我們了解緊湊城市的研究熱點及演化過程。本研究對關鍵詞進行清洗后,選擇最小共現次數大于8的關鍵詞,最終共得到63個有效關鍵詞。關鍵詞疊加可視化圖中,圓的大小可以反映研究熱點,圓越大,研究越熱門；圓的顏色可以反映研究趨勢,越接近黃色研究主題越新(圖3)。

圖3 關鍵詞疊加可視化

研究熱點可以概括為3類:緊湊度模型構建類,城市形態評估類,城市環境效應類。緊湊度模型的構建是定量評價城市形態及其環境效應的前提,也是主要研究熱點之一,在2.2.2小節中已經有詳細描述,在此不再贅述；城市形態評估類中,城市化過程中城市形態演變趨向蔓延還是緊湊是研究的焦點[79—81],部分學者在此基礎上進一步探究了城市空間結構緊湊性的影響因素[18]及城市形態演變的驅動力[82],GIS和RS作為重要空間分析手段及數據源也被廣泛使用[52,59]。此外,中國作為最大的發展中國家,城市類型豐富,為城市可持續形態的探索提供了豐富的案例[18,37,59]；城市形態的環境效應也是研究熱點之一,包括探索城市形態與能源耗費[83]、氣候變化[67]、空氣污染[73]等的關系,請參考2.2.3小節。

近3年的研究熱點可以概括為兩大類。一類是在城市可持續發展背景下探索城市形態緊湊或蔓延發展的驅動力[82],從而根據驅動力反推控制城市形態變化的關鍵點。一類是緊湊城市的環境效應,如城市形態與空氣質量的關系[84—85]、城市形態與能源耗費的關系[86]。其中尤為重要的是城市形態與CO2排放的關系[87—88],這是在最新的全球議程“聯合國2030可持續發展目標13:氣候行動”背景下迫切需要解決的問題之一,即什么樣的城市形態更有助于碳中和目標的實現。

3 討論與結論

本文基于Web of Science檢索了1970—2020年與城市緊湊度研究相關的文獻,借助CiteSpace和VOSviewer進行文獻計量分析,發現緊湊度發展可劃分為研究萌芽、逐步發展和快速發展3個階段,中國、美國是主要研究力量,美國奠定了研究基礎,中國正逐漸占據主導地位。對城市緊湊度研究的基礎知識、研究熱點及趨勢進一步梳理得到以下結論:

(1)緊湊度度量指標的研究基本遵循由粗略到詳細,由外部到內部,由形態到功能,由靜態到動態,由二維到三維的認知過程。城市緊湊度測度至少包括形態和功能兩個維度,城市形態緊湊度的研究較豐富,但由于功能數據難以獲取等原因,城市功能緊湊度研究相對不足。

(2)未來指標的構建可關注以下3方面:需要探索和形態度量指標相對應并可聯合計算的功能度量指標；指標構建要以兼顧公平和效率為目標同時統籌微觀和總體;數據來源多樣性和現勢性需要加強，可嘗試將遙感數據與新興眾源地理數據結合分析以彌補遙感數據無法獲取地塊功能屬性的缺點。

(3)在“聯合國2030可持續發展目標13:氣候行動”背景下,探索城市空間緊湊性與碳排放的關系是重要的研究方向。此外,根據城市空間緊湊度與城市環境效應之間的關系,探索適宜的緊湊度區間也是亟待解決的重要問題。

對中國的城市緊湊性研究而言,需要充分考慮中國和其他國家在地理條件、文化背景等國情上的差異,切忌機械的遷移和照搬,在規劃和管理過程中努力探尋適合中國特色的緊湊城市發展路徑。本文不免存在一些不足,例如僅使用了Web of Science上的SCI和SSCI核心數據庫作為原始數據,缺少對中文文獻的歸納和總結。國內對城市緊湊性的研究時間相對國外較短,始于20世紀末期。已有研究以城市形態緊湊性度量方法[53,89]和城市或城市群尺度的測度分析實踐[17,71,90—91]為代表,都對快速城鎮化背景下的中國城市發展決策產生了積極意義。筆者未來也將進一步追蹤國內的城市緊湊性研究,以期幫助探索具有中國特色的緊湊城市發展路徑。