何亞伯,周雅丹,張 浩
(武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國城鎮(zhèn)化率逐年提高,目前處于城鎮(zhèn)化率30%~70%的快速發(fā)展區(qū)間,隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn),城市人口結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化,大量外來人口向城市聚集成為必然趨勢。同時,城鎮(zhèn)化也帶來了風(fēng)險和挑戰(zhàn),研究表明,人口增加并不代表居民生活質(zhì)量和幸福感的必然提高[1],相反會對市政基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)供給帶來壓力,影響著居民對城市生活的感知。研究城鎮(zhèn)居民點的布局特征可以為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供指導(dǎo)和借鑒,科學(xué)合理地提升公共服務(wù)質(zhì)量,增強(qiáng)居民生活幸福感,也對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重大意義。
已有文獻(xiàn)對居民點空間布局特征進(jìn)行了一定的研究。如張文忠等[2]分析了北京城市內(nèi)部居住空間分布現(xiàn)狀及居民偏好,揭示了居民個人習(xí)慣對城市住房空間分布的影響。汪婧[3]研究了傳結(jié)點區(qū)域的空間發(fā)展模式,揭示了軌道交通對住房空間分布格局的影響。龐瑞秋等[4]借助反權(quán)重分析方法及GIS技術(shù)平臺對長春市新建的住房分布格局進(jìn)行了分析。劉定惠等[5]則結(jié)合空間分析方法和Hedonic模型全面系統(tǒng)分析了城市住房價格的影響因素及其空間分布特征。
上述對城市居民住房空間分布特征的研究中多采用Hedonic模型、Arcgis可視化技術(shù)等方法,甚少涉及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。而現(xiàn)實生活中很多實際情況都可以抽象為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和應(yīng)用。例如甄茂成等[6]用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究了商業(yè)銀行網(wǎng)點的布局特征,結(jié)果表明銀行網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點中心性和小世界網(wǎng)絡(luò)的特征。鄭嘯等[7]分析了公交復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本統(tǒng)計特征,表明公交網(wǎng)絡(luò)具有無標(biāo)度和小世界網(wǎng)絡(luò)的特點。還有很多學(xué)者將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于信息[8]、產(chǎn)業(yè)[9]、管理學(xué)[10]、醫(yī)學(xué)[11]、金融[12]等各方面。苑露莎[13]則運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析了農(nóng)村居民點基本布局特征,并對其進(jìn)行了優(yōu)化。但該文的研究對象、居民點影響半徑的計算方法以及選取的統(tǒng)計指標(biāo)無法直接運(yùn)用于城鎮(zhèn)居民點空間布局研究,并不能很好地對城鎮(zhèn)公共服務(wù)設(shè)施提供參考和建議。
總體來看,將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于城鎮(zhèn)居民點布局特征的研究并不多見。城鎮(zhèn)居民點數(shù)量和規(guī)模較大,且從空間布局和社會網(wǎng)絡(luò)的角度看,存在一定相互關(guān)系和影響,可以用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型對其進(jìn)行較好的刻畫。筆者運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,以城鎮(zhèn)居民點為研究對象,揭示其真實網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分析其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征和地理意義。
武漢市作為長江經(jīng)濟(jì)帶上的國家中心城市,經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展迅速,居民居住水平得到了較大的提高。將武漢市作為研究對象對分析新型發(fā)展城市居民點空間布局有著很好的代表性。
選取武漢市經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的中心城區(qū)(包括硚口區(qū)、漢陽區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū)、江岸區(qū)、江漢區(qū)、武昌區(qū))中的普通住宅房地產(chǎn)項目(下稱“住房項目”)作為居民點空間布局的研究對象。住房項目在武漢各種類型房地產(chǎn)項目中具有比重大、數(shù)目多、分散范圍大的特點,可以很好地進(jìn)行樣本搜集工作。
為了使研究具有典型性,兼顧數(shù)據(jù)調(diào)研的難易程度和具體可操作性,住房項目數(shù)據(jù)來源于某大型房地產(chǎn)信息網(wǎng)站中2017年上半年在售的普通住房項目信息,包括項目名稱、裝修狀況、項目類型、地理位置、占地面積、建筑面積、容積率、綠化率、車庫情況、總戶數(shù)等指標(biāo)。最終選取信息齊全的214個住房項目作為有效樣本數(shù)據(jù)和研究對象,并利用地圖拾取坐標(biāo)系統(tǒng)功能采集各項目經(jīng)緯度坐標(biāo),完成信息搜集工作。
采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究城鎮(zhèn)居民點布局特征的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。研究的技術(shù)核心是以住房項目為點,住房項目之間的綜合影響力為半徑,如兩個住房的影響半徑有交叉的部分,則認(rèn)為住房之間存在著關(guān)系;反之,則不存在關(guān)系。通過這種關(guān)系矩陣來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其特征。
在計算住房項目影響半徑時,依據(jù)住房項目建筑面積、人均住房面積和分區(qū)人口密度建立基礎(chǔ)住房項目影響半徑,并將容積率、綠化率等消費(fèi)者選房偏好指標(biāo)納入考慮因素,對影響半徑進(jìn)行調(diào)節(jié),最終確定單個住房項目的影響半徑。
2.1.1模型的基本假設(shè)
(1)在確立基礎(chǔ)住房影響半徑后,認(rèn)為調(diào)整后的影響半徑與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的容積率成反比,與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的綠化率成正比,即消費(fèi)者偏愛容積率較小而綠化率較大的住房項目。
(2)一個住房項目前后分為幾期開發(fā),如果距離相近則合并為一個項目,即在網(wǎng)絡(luò)圖上用一個點表示。
(3)如果某兩個住房項目的影響半徑有交叉,則認(rèn)為這兩個項目是相連的(即在拓?fù)鋱D上這兩個點是相連接的),在其鄰接矩陣?yán)锩嬗洖?,否則計為0。
(4)只考慮居民剛需,而不考慮消費(fèi)者購買住宅用于投資的情況。
2.1.2基本數(shù)據(jù)計算
城鎮(zhèn)居民住房項目影響半徑的計算式為:
(1)
式中:Rij為第j(j=1,2,…,7)個行政區(qū)內(nèi)第i(i=1,2,…,214)個住房項目的影響半徑;Si為第i個住房項目的建筑面積;m為武漢市人均住房面積,為37.25 m2/人;ρi為每個行政區(qū)的人口密度(以常住人口計算),人均住房面積及人口密度數(shù)據(jù)來源于2016年武漢市統(tǒng)計年鑒;Gi和Pi分別為第i個住房項目經(jīng)過小數(shù)定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理的綠化率和容積率。
根據(jù)居民住房項目經(jīng)緯度坐標(biāo)計算兩點間的直線距離,如式(2)所示。
L=2R×
(2)
式中:a為兩點緯度之差;b為兩點經(jīng)度之差;Lat1和Lat2分別為兩個點的緯度;R=6 371 004 m,為地球半徑。
2.2.1節(jié)點的度與度分布
節(jié)點度值越大,則與該點相連接的邊數(shù)越多,意味著該節(jié)點中心性越突出。節(jié)點平均度用〈k〉表示。
(3)
式中:ki為第i個節(jié)點的度;N為總節(jié)點個數(shù)。
2.2.2平均路徑長度
路徑所包含的最少邊的數(shù)目即為兩個點間的距離dij。網(wǎng)絡(luò)中所有距離的最大值叫做網(wǎng)絡(luò)直徑,距離的平均值叫做平均路徑長度,記為〈L〉。
(4)
2.2.3聚類系數(shù)
聚類系數(shù)可以反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中節(jié)點的聚集程度,用C表示。
(5)
其中,Ci為第i個節(jié)點的聚類系數(shù)。
2.2.4核數(shù)
所有核數(shù)的最大值就是圖的核數(shù)。核數(shù)越大則凝聚力越強(qiáng),反之則越弱。
2.2.5社團(tuán)
在實際網(wǎng)絡(luò)中很多都具有社團(tuán)結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究社團(tuán)結(jié)構(gòu)可以揭示網(wǎng)絡(luò)圖的本質(zhì),可以將其剝離成相對獨立又互相聯(lián)系的幾個社團(tuán)。 其典型特點是每個群內(nèi)的節(jié)點連接十分緊密,而群彼此間的聯(lián)系卻相對較為疏散,如圖1所示。
圖1 一個小型的具有社團(tuán)性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)示意圖
社團(tuán)劃分質(zhì)量用模塊度Q來描述,Q的值越大,代表網(wǎng)絡(luò)圖中社團(tuán)結(jié)構(gòu)的劃分越好,質(zhì)量越高。Q的最大值是1,其值越接近于1,表明此拓?fù)鋱D的社團(tuán)結(jié)構(gòu)越明顯。
以武漢市中心城區(qū)所搜集到的214個居民住房項目為有效樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建,然后利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基本統(tǒng)計特征對其布局特征進(jìn)行研究探索。
根據(jù)式(1)和式(2)分別計算各住房項目影響半徑Rij和兩點間直線距離L,若兩個住房項目影響半徑之和大于兩者之間的直線距離,則在鄰接矩陣中記為1,反之為0,完成鄰接矩陣的構(gòu)建。
用編程軟件計算各兩個住房項目之間的關(guān)聯(lián)性,用式(6)表達(dá):
(6)
在模型構(gòu)建過程中使用的軟件是UCINET和Netdraw,先用UCINET軟件將EXCEL鄰接矩陣文件轉(zhuǎn)換為**.##h文件,然后啟動Netdraw軟件,打開轉(zhuǎn)換過的鄰接矩陣文件**.##h,軟件的工作區(qū)會按照文件中的數(shù)據(jù)描述自動繪制成一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,并且可以根據(jù)需要對該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的布局進(jìn)行節(jié)點大小、色彩和布局等做調(diào)整。武漢市中心城區(qū)居民點網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。
圖2 武漢市中心城區(qū)居民點網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
在完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的構(gòu)建后,依據(jù)原始鄰接矩陣EXCEL文件,用網(wǎng)絡(luò)分析軟件UCINET進(jìn)行平均路徑長度、網(wǎng)絡(luò)直徑的計算,用Matlab編程計算節(jié)點度、聚類系數(shù)、核數(shù)及社團(tuán)等統(tǒng)計特征。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、居民住房項目的具體情況以及度與度分布、核數(shù)、社團(tuán)結(jié)構(gòu)等統(tǒng)計特征的計算結(jié)果進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征分析和地理特征分析。
3.2.1復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征
(1)居民點網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的集中性和節(jié)點中心性特征,網(wǎng)絡(luò)凝聚力較強(qiáng)。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點的核數(shù)值越大則在網(wǎng)絡(luò)中越突出,凝聚力越強(qiáng)。住房網(wǎng)絡(luò)的最大k-核是10-核,包括16個節(jié)點,5-核以上的節(jié)點有82個,占比為38%,網(wǎng)絡(luò)的凝聚力較強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)核數(shù)直方圖如圖3所示。
圖3 網(wǎng)絡(luò)核數(shù)直方圖
累積分布通常被用來描述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點度的分布狀況,節(jié)點的聯(lián)系性強(qiáng)弱、中心性和重要程度均與這個節(jié)點的度的大小成正比。節(jié)點度越大就代表該節(jié)點與周圍節(jié)點的聯(lián)系性越強(qiáng),中心性越明顯,在該網(wǎng)絡(luò)中越關(guān)鍵。武漢市中心城區(qū)居民點復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)度的平均值為6.84,說明一個居民點平均與7個居民點有關(guān)聯(lián),連接數(shù)較為合適,有利于各居民點之間服務(wù)區(qū)域的資源共享,利用共同的相關(guān)基礎(chǔ)配套設(shè)施,如商業(yè)配套、健身器材等政府資源配套。節(jié)點度的概率分布圖如圖4所示,可以看出節(jié)點度的概率在度值大于4時,基本隨著度值的增大而減??;節(jié)點的最大度值為35,說明該點與周圍35個居民點之間都會相互影響,該點影響力很強(qiáng)。度在7以下的節(jié)點數(shù)共有146個,占總節(jié)點數(shù)的68.22%,度在10以下的節(jié)點數(shù)共有170個,占總數(shù)量的79.44%,而網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點度為35,說明整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布不均衡。度為1的居民點影響半徑均在300 m以下,居民點自身建筑面積很小,可容納人口數(shù)量少,相關(guān)配套難免不足,不利于資源共享,難以形成群落效應(yīng),競爭優(yōu)勢相對較差。而度和核數(shù)較大節(jié)點的附近相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施較為完善,居民家庭生活也較為方便。
圖4 節(jié)點度的概率分布圖
(2)居民點網(wǎng)絡(luò)具有小世界網(wǎng)絡(luò)的特征。居民點網(wǎng)絡(luò)模型統(tǒng)計指標(biāo)如表1所示,可以看出居民點網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度為6.07,節(jié)點的最大路徑長度為17.00。雖然該居民點網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點較多,規(guī)模較大,但網(wǎng)絡(luò)的平均距離卻較小。網(wǎng)絡(luò)中盡管大部分節(jié)點不直接相聯(lián)系,但通過少數(shù)6個節(jié)點就可以互相連接。
表1 居民點網(wǎng)絡(luò)模型統(tǒng)計指標(biāo)
網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)是對整個居民點稠密程度的反映。武漢市中心城區(qū)居民點復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)為0.601,說明各節(jié)點之間有較高的集聚程度,網(wǎng)絡(luò)較為密集。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度為6.07,聚類系數(shù)為0.601,這契合了小世界網(wǎng)絡(luò)的聚集系數(shù)較大、而平均路徑較小的特點,這種網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的彼此作用較強(qiáng),信息、物質(zhì)的交換較為便捷。
(3)居民點網(wǎng)絡(luò)具有明顯的社團(tuán)結(jié)構(gòu)。居民點網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)最優(yōu)可劃分為4個社團(tuán),與之相對應(yīng)的最大模塊度Qmax=0.7,而在許多網(wǎng)絡(luò)中,該值通常在0.3~0.7之間,表明該網(wǎng)絡(luò)具有非常明顯的社團(tuán)結(jié)構(gòu)劃分,Matlab計算的社團(tuán)劃分結(jié)果如圖5所示。其中范圍最大的社團(tuán)包括72個節(jié)點,最小的則有24個節(jié)點。
圖5 社團(tuán)劃分結(jié)果
3.2.2地理特征
通過百度地圖將搜集的小區(qū)地理信息在空間上表達(dá)出來,分析武漢市中心城區(qū)住房項目布局的地理特征。
(1)中心性強(qiáng)的節(jié)點聚集分布,且主要圍繞在公路干線旁或地鐵線附近。k-核大于等于8的中心節(jié)點呈現(xiàn)聚集分布的特點,主要分布在漢陽區(qū),有少量節(jié)點分布在洪山區(qū),漢陽區(qū)節(jié)點的凝聚力高于其他地區(qū)。且漢陽區(qū)k值較高的節(jié)點主要位于江城大道、四新北路、四新大道和地鐵線附近。軌道交通的發(fā)展給城市居民住房項目的空間分布帶來了很大的影響,目前城市居住空間主要沿交通線路發(fā)展,很多新開發(fā)的小區(qū)均聚集在地鐵線路附近。
(2)社團(tuán)結(jié)構(gòu)分布與地理位置密切相關(guān)。居民點主要分成4個社團(tuán),同一種形狀的點代表位于同一個社團(tuán),如圖6所示。社團(tuán)結(jié)構(gòu)分布與地理位置有著緊密的聯(lián)系,位于同一片區(qū)的居民點基本位于同一社團(tuán),只有個別的節(jié)點會距離該社團(tuán)核心較遠(yuǎn)。其中由武昌區(qū)和洪山區(qū)居民點構(gòu)成的社團(tuán)結(jié)構(gòu)最大,包括節(jié)點72個,占總節(jié)點數(shù)的34%。社團(tuán)的分布情況基本與武漢三鎮(zhèn)的地理位置相吻合,分別是武昌、漢口、漢陽三鎮(zhèn)(武昌包含今青山區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū),漢口包含今江漢區(qū)、硚口區(qū)、江岸區(qū),漢陽包含今漢陽區(qū)),三鎮(zhèn)發(fā)展的路徑和重點各有不同,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度也不盡相同。漢口是武漢市的經(jīng)濟(jì)中心,漢陽是工業(yè)中心,而武昌則以教育為主,雖然三鎮(zhèn)隨著歷史的發(fā)展慢慢合并,但彼此的發(fā)展方式并沒有發(fā)生太多改變。同樣的歷史發(fā)展軌跡和行政功能分工必然導(dǎo)致各分區(qū)內(nèi)部物質(zhì)信息交流較多,而分區(qū)之間信息交換則相對較少,這與社團(tuán)的典型特點一致。
圖6 社團(tuán)地理位置分布圖
通過對武漢市居民點網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行探索,得出一系列結(jié)論。并根據(jù)相關(guān)結(jié)論為武漢市未來城市規(guī)劃以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面提供幾點借鑒和建議。
(1)武漢市中心城區(qū)居民點網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的集中性和節(jié)點中心性特征,網(wǎng)絡(luò)的凝聚力較強(qiáng)。k-核較大的中心節(jié)點呈現(xiàn)聚集分布的特點,且主要分布在漢陽區(qū),有少量節(jié)點分布在洪山區(qū)。
(2)居民點網(wǎng)絡(luò)具有小世界網(wǎng)絡(luò)的特點,這種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點信息、物質(zhì)的交換較為便捷,網(wǎng)絡(luò)度的平均值為6.84,有利于各居民點之間服務(wù)區(qū)域的資源共享。政府在改善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時,應(yīng)優(yōu)先考慮節(jié)點度較大、中心性突出的住房項目周邊,這些節(jié)點影響力大,可以帶來更好的社會效益,使市民享受更好的城市服務(wù),從而吸引外部人口不斷涌入城區(qū),增大消費(fèi)者數(shù)量,促進(jìn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級、消費(fèi)水平持續(xù)提高。消費(fèi)能力的增加也會拉動城鎮(zhèn)對于公眾服務(wù)設(shè)施和居民住房建設(shè)等的龐大投資需求。
(3)居民點網(wǎng)絡(luò)具有社團(tuán)結(jié)構(gòu)性質(zhì),最優(yōu)劃分為4個社團(tuán),社團(tuán)結(jié)構(gòu)分布與地理位置密切相關(guān),位于同一片區(qū)的居民點基本位于同一社團(tuán)。社團(tuán)的分布狀況與武漢三鎮(zhèn)分布大致吻合,由于社團(tuán)具有每個群內(nèi)節(jié)點間的聯(lián)系非常頻繁緊密,而群與群之間的交流聯(lián)系卻相對比較疏散的特點,為了改變漢陽區(qū)發(fā)展相對落后的現(xiàn)狀,政府應(yīng)該增強(qiáng)漢陽與漢口、武昌之間的溝通聯(lián)系,增加物質(zhì)信息交換。如可通過大力發(fā)展公共交通或設(shè)立從漢陽到漢口與武昌的公交專線,以方便出行。同時漢陽地區(qū)知音文化資源豐富,政府可以知音文化為特色,將漢陽建設(shè)成為武漢的藝術(shù)中心,以標(biāo)簽化吸引人才,促進(jìn)漢陽與其他分區(qū)的交流。
(4)居民點網(wǎng)絡(luò)是一個較為復(fù)雜的真實網(wǎng)絡(luò),但城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃是一個更加復(fù)雜的問題,運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建住房項目網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可在一定程度上揭示其網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)和地理意義,通過研究居民點的分布特征來解決為人民服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問題,為其提供一定的參考意義和借鑒價值。但同時也應(yīng)該意識到基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃問題是一個綜合的、多因素的復(fù)雜性問題,需要考慮的因素還有很多。此外,在對網(wǎng)絡(luò)基本統(tǒng)計性質(zhì)進(jìn)行分析時首次引入了社團(tuán)性質(zhì),網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)非常明顯,對于研究居民點布局特征有很好的分析價值。但研究的住房項目數(shù)據(jù)僅限制在中心城區(qū)且無存量房,在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型時僅考慮現(xiàn)在已有的狀態(tài),而沒有考慮居民點網(wǎng)絡(luò)隨時間的變動狀態(tài),缺少動態(tài)特征研究。今后的工作中會對上述問題進(jìn)行改進(jìn)和深入的研究。
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