基于建筑大數據的城市三維空間形態研究
——以武漢市主城區為例

文／徐靜誼 武漢工程大學土木工程與建筑學院

周 鵬 武漢工程大學土木工程與建筑學院 講 師（通訊作者）

劉雅婷 武漢工程大學土木工程與建筑學院 碩士研究生

王江徽 武漢工程大學土木工程與建筑學院

尹 瀟 武漢工程大學土木工程與建筑學院 碩士研究生

引言

過去的城市形態研究主要是在二維上，少數研究分析建筑高度，仍然缺乏大量立足于三維空間的城市形態研究與實踐，無法滿足大數據環境下城市形態三維空間多維特征研究的需要。

目前，海量大數據為形態研究提供了新數據環境，革新了城市形態的內涵；但是，針對城市立體形態研究的大數據集成融合技術的缺乏，限制了研究成果應用的準確性、時效性和廣泛性。新數據背景下城市立體形態的內涵包括多元要素的三維空間形態、功能與規劃視角的分布規律，需要利用多元大數據挖掘城市三維空間的土地利用、社會和功能分布特征，綜合測度城市立體空間的多維特征，刻畫城市立體形態。但是城市三維形態測度方法仍然存在問題。當前對大數據應用體系與測度方法體系仍缺乏系統性研究。隨著時代背景與數據環境的發展，新型大數據具備傳統數據無法比擬的優勢，海量、全面、高速與多變的大數據有助于準確刻畫城市形態及其演變規律。雖然已出現基于泛在網絡大數據的城市形態研究，但是對大數據應用體系與測度方法體系仍缺乏系統性研究，其數據類型、利用方式與測度方法單一，多停留在POI 或GPS 數據的核密度分析和空間聚類，忽略了對城市居民的情緒感知。

文章以武漢市主城區為目標，把具體的城市建筑形態抽象成三維點，以建筑高度為標尺把城市建筑分類，分析高度不一的城市建筑在二維平面及三維空間的分布特征。解讀武漢市主城區城市三維形態特征，有助于優化城市空間功能布局和指導城市規劃與設計，為城市規劃和城市設計提供參考。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

武漢作為湖北省的省會城市，面積為8494.41 平方公里。范圍內包攬了11 個城區，2個郊區；文章的研究區域主要是武漢的主城區三環以內的區域，對于范圍內的建筑基于點格局來分析，研究區面積863 平方公里，高達643 萬人口。

1.2 數據源

武漢市主城區建筑數據是使用網絡爬蟲技術從萬維網上采集相關數據，并從武漢市國土資源局申請獲得武漢市建筑數據。在Arc GIS 軟件中，對數據進行處理，將建筑數據整合后，形成樣本點，完成建筑數據轉化為建筑點。

武漢市主城區建筑數量共計488602 座。其中，低層建筑最多，有近41 萬座，占83.73%；多層建筑其次，有近7 萬座，占比14.24%；高層建筑較少，只有近萬座，占比1.99%；而超高層建筑最少，只有170 座。

1.3 分析方法

本研究從收集數據到分析數據，采用了網絡爬蟲技術、熱點分析法、趨勢面法、核密度法，對武漢市主城區的4 種不同類別的建筑數據的點格局進行分析與相關研究。

1.3.1 網絡爬蟲技術

過去的網絡爬蟲技術包括三個部分：協議處理模塊、URL 處理模塊和內容檢測模塊[1]。至今被較多使用的網頁搜索技術主要是深度優先、廣度優先、最佳優先三種[2]。

1.3.2 熱點分析法

熱點分析法剛開始是為解決全局Moran’I統計無法有效地揭示要素空間獨立性問題而開創出的新理論。它能夠明確表現出空間數據在相應區域內的高值與低值的聚集程度[3]。

熱點分析（Getis-Ord Gi*）的數學公式如下：

其中：為Dab為距離矩陣；δ 為距離參數。

在GIS 中能夠直接顯示出建筑高度的空間位置，熱點分析能直觀地顯示出建筑高度在研究區內是否產生高值與低值集聚程度。

1.3.3 趨勢面分析法

趨勢面分析法是一種數學分析法。它可將建筑高度分為兩種特征的變量，來研究在空間結構上建筑高度呈現出的變化規律。如果將建筑高度變量（Z）當成因變量，把二維平面（X、Y）的地理坐標當成自變量，那么不同的建筑高度變量就會在二維平面上擬合成面，如果能發現一個面表示建筑高度總體變化趨勢，則反映建筑高度變量趨勢性變化的面就是“趨勢面”[4]。

1.3.4 核密度分析法

密度是要素在空間上的場表現，每個要素及其周邊要素在一定區域上的關聯，以各要素聚集的形式呈現。核密度估計是一種非參數檢驗方法，密度函數一般在概率問題的分析上使用[5]。核密度方法的計算公式為：

式中，f（s）表示空間上s 處的核密度函數；h 是距離衰減閾值；n 是距離s 處小于或等于h的要素數；k 函數則是空間權重函數。次公式表明，在ci位置時計算的要素密度值最大，距ci越遠則密度值越小，當與ci距離等于閾值h 時核密度值變成零[6]。

1.3.5 地理探測器分析法

地理探測器是由王勁峰等提出的用于探測空間分異性的一種方法[7]，這種方法最初用來研究美國的一種疾病與地方的關聯性，近年來，地理探測器逐漸被運用到各種領域。本文將其運用于對武漢建筑高度進行多因子探測，其模型如下[8]：

式中，PD,H值越大，則探測因子對建筑高度的影響越大。

2 武漢市主城區建筑點格局分析

2.1 熱點分析法的建筑點格局

經過熱點分析，表現出武漢市主城區呈現多中心格局，建筑高度熱點區域多分布于武漢市城市各級中心。但是，各城市中心的發展戰略地位不一，參照武漢市總體規劃可知，主城區持續其圈層式發展、組團式布局的城市格局，將主城區結構規劃為中央活動區、東湖風景名勝區和綜合組團。

在武漢市主城區的城市建設過程中，就數量最多的低層建筑而言，除卻部分名勝古跡等歷史建筑會被采取保護性修建措施外，大部分的低層建筑會被改建，這使得低層建筑區域減少而更加聚集；就多層建筑而言，大部分的多層建筑會逐漸被高層建筑甚至超高層建筑所替換掉，使得多層建筑聚集程度增大，而高層建筑數量將會相應地增加，且其分布區域也會相應地擴張，但隨著區域的擴張其聚集度反之則降低。城市化進程的加快使城市內的用地減少，地價也會隨之增高，其中一般依然以城市中心為最高。為了使土地得到最大的利用，超高層建筑會越來越多地聚集在城市中心區域及交通發達地帶[9]。

2.2 趨勢面分析的建筑點格局

仔細分析武漢市主城區建筑點群立體圖可知，武漢市主城區建筑格局總體上高低起伏，在三維立體形態中各類建筑占據不同空間，層次分明，整個研究區域城市建筑在三維空間上明顯呈現中部高四周低、西南部高于東北部的趨勢。

為全面研究各類建筑高度在三維空間的布局形態與特點，使用武漢市主城區所有建筑點數據，進行趨勢面擬合，建筑整體上表現出四周向中部遞增、西南部向東北部遞減的趨勢；低值區在研究區域外圍散亂分布，而青山區存在一個集中的低值區。

但是，近49 萬個樣本點的計算，使得圖面難以表現出建筑高度的高值區的分布情況。在選擇對比后，以近萬個大于24m 的高層及超高層建筑點數據為研究對象進行趨勢面擬合，可以明顯地看出，武漢市主城區建筑有2個主要高值區。

武漢市主城區容積率核密度高值區主要分布在漢口。在整個研究區中，武昌部分建筑高度最高，但漢口部分容積率最高，說明武昌部分土地利用程度比漢口部分土地利用程度表現較弱，則武漢市主城區中央活動區的城市建設活動可以趨向武昌部分，武昌以新建為主，漢口以改建為主。而光谷附近的建筑高度高值區，容積率較低，說明光谷部分已開展城市建設，但建設力度較弱。結合光谷附近科技產業及大學城的優勢，武漢市主城區綜合組團的城市建設活動可以趨向光谷附近；其他建筑高度低值區，一般容積率也較低，定位為東西湖風景名勝區和綜合組團，也應該積極開展城市建設，加快武漢市主城區規劃結構的建設。

2.3 建筑分布格局與城市公共服務設施相關性分析

為研究武漢市主城區建筑格局，本研究采用核密度估計的方法，分析建筑分布格局與城市公共服務設施的相關性。在建筑點樣本中選取建筑高度進行核密度分析，來表現建筑高度的聚集程度。在對教育設施、基礎設施等服務設施進行核密度分析后，與建筑高度分析對比，可以分析建筑格局與公共服務設施的相關性。

2.3.1 建筑分布格局與教育設施的相關性分析

在研究區內，漢口區域幼兒園及建筑高度高密度區遠多于武昌、漢陽區域；武昌區域幼兒園、建筑高度均呈現中等密度；在光谷附近存在幼兒園、建筑高度的高密度點；小學高密度聚集于漢口區域。但是，按規劃的需求來說，在武昌、漢陽等建筑高度的熱點區域也應有高密度的小學，表明小學與建筑高度成正相關；大學高密度聚集于光谷附近，在其他區域只有較少的大學。對比樣本建筑點，中央活動區的建筑密度與大學并無明顯聯系，而在綜合組團區域，大學密集區域的建筑也呈高度密集，表明受政策影響，在大學城附近的建筑高度與大學成較強的正相關；而職業教育學院的高密度區域周邊同樣存在建筑高度的高密度區域，與建筑高度成正相關。

經過分析研究發現，教育設施對建筑建設有正相關，教育設施密集區域的建筑高度也呈現高密度聚集，建筑建設會帶動教育設施的建設，教育設施的建設也會促進周邊土地的利用效率，趨向于高層建筑的建設。

2.3.2 建筑分布格局與基礎設施的相關性分析

基礎設施完善的城市更能吸引人口的聚集并滿足人口對于生活的需求，城市職能就越能發揮積極作用。本研究中，選取了道路、公園、廣場3 種基礎設施為研究對象，逐一對比分析。

在研究區內，道路由于其交通組織作用，遍布整個研究區，其高密度也分布在各區域，但表現最明顯的在漢口江漢路附近。但是在密集最明顯的區域存在差異，但是總體上在漢口臨近兩江交匯處。表明道路對建筑高度有良好的促進作用。武漢市的城市建設應該趨向于道路高密度而建筑高度低密度的區域，提高各級城市中心的建設力度，使土地的利用最大化。

經過研究分析發現，基礎設施也對建筑建設有正相關。基礎設施的密集區域也是建筑高度的密集區域，建筑建設會帶動基礎設施的建設，在武漢市的建筑建設向光谷等次級中心轉移的同時，其相應基礎設施也要加快建設。

2.3.3 建筑分布格局與其他服務設施的相關性分析

對城市來說，公共服務設施越完善，城市職能就越齊全。在本研究中，選取了綜合醫院、集貿市場、綜合商場、大型超市4 種服務設施為研究對象，進行對比分析。

綜合醫院密集區域分布在整個研究區，基本上各區域都有密集區。醫院與建筑高度成正相關。在武漢市各次級中心建設發展的同時，也要加強綜合醫院的配建，滿足居民在健康方面的需求。其他服務設施與建筑高度成正相關。城市建設的同時帶動服務設施建設，服務設施的建設促進建筑高度的增長建設。在武漢市中央活動區已完成大部分建設，城市建設向光谷等次級城市中心轉移的同時，各類服務設施也要在次級中心加強建設，完善城市職能構成，促進城市發展。

2.3.4 建筑分布格局與各項設施的地理探測器分析

為進一步研究各影響因子對武漢市主城區建筑格局的差異性，并對城市建設分區管控提出較為針對性的建議，文章引用地理探測器對武漢建筑高度進行多因子探測。

由表1 給出的探測結果可知：從整體看，各影響因子p 值均小于0.05，表明滿足分層條件下變量Y 呈聚集分布的假設，則可通過地理探測器解釋這些因子與建筑高度的相關性。

表1 建筑高度全局探測結果（表格來源：作者自繪）

從類型上來看，武漢市建筑高度受教育設施分布影響最為大，基礎設施和其他服務設施類型次之。從單因子來看，對武漢市建筑高度貢獻值較大的影響因子分別是幼兒園、大型超市、道路和職業學院，貢獻值次之的影響因子分別為小學、大學、集貿市場、綜合醫院，貢獻值較小的影響因子分別為綜合商場、公路和廣場。綜合來看，其探測結果與和密度分析結果基本符合，11 個影響因子對建筑高度均有影響，且各影響因子對其貢獻值有一定的差異性。

3 結論與討論

3.1 結論

建筑是城市三維形態最基礎的構成要素，建筑形態與布局對城市的三維形態有重要影響，直接地表現出建筑群體錯亂無序的特點，無法說明城市的三維形態特征是由城市建筑群體構成的特點[10]。因此，本研究把武漢市主城區城市建筑的點數據三維化，利用熱點、趨勢面等進行點格局分析，深入研究城市建筑高度的空間布局形式，解讀武漢市主城區城市三維形態。研究結論具體如下：

（1）武漢市主城區大體上呈多中心聚集分布格局。高值點的聚集區域（熱點區域）不僅建筑高度高，而且建筑聚集程度較高。

（2）武漢市主城區建筑格局呈中部高四周低、西南部高于東北部的趨勢。總體上高低起伏，在三維立體形態中各類建筑占據不同空間層次分明，整個研究區建筑在三維空間上明顯呈現中部高四周低、西南部普遍高于東北部。

（3）建筑高度與大部分公共服務設施成正相關。建筑分布格局與城市公共服務設施成正相關。聚集區域與建筑高度密集區域大體上重合，高密度區域也大致上重合，對建筑建設活動有積極影響，建筑建設也會帶動這些設施的建設。

（4）建筑高度與大部分公共服務設施呈正相關。建筑分布格局與城市公共服務設施呈正相關。這些設施對建筑建設活動有積極影響，建筑建設也會帶動這些設施的建設。

（5）在研究區內，各服務設施與建筑分布格局成正相關，其聚集區域與建筑高度密集區域大體上重合。但各影響因子對建筑高度的貢獻值有一定的差異性，武漢市建筑高度受教育設施分布影響最大，基礎設施和其他服務設施類型次之，其中，幼兒園對其貢獻值最大。

3.2 討論

本文根據武漢市主城區城市三維形態的研究結論，對武漢市主城區的城市開發與空間布局提出相應的政策建議。建議武漢市的規劃建設，城市建設活動可以趨向武昌區域的城市次級中心部分，武昌以新建為主，漢口、漢陽以改建為主。對眾多底層、多層建筑的漢口、漢陽的周邊區域，以舊城改造建設活動為主；在武昌區域，以多層、高層建筑建設為主，在中心地帶及交通發達地帶興建超高層建筑，提高土地利用率，緩解人地沖突。在建筑建設的同時，配建相應的基礎設施、教育設施等，完善各次級中心的城市職能，促進城市發展。

但是，本研究應當深入研究城市建筑與自然環境的聯系，全方面研究城市三維形態，并對不同時期的建筑基于模型建立。城市三維形態與社會經濟發展，以及城市氣候、自然地形、物理因素等對城市形態的影響，都有待今后深入研究。