形式和结构的复杂性,研究城市绿色空间的基于分形模型

文摘

城市绿色空间的分形性质的产物复杂的城市系统的自组织演化到一个更高的阶段,城市绿色空间有序的模式和复杂的结构往往会发展到一定阶段后清单。GF1卫星数据的基础上,2019年三分形模型的形式和结构的复杂性在大连市区绿地系统,中国进行了研究。结果表明,外形尺寸测量perimeter-scale模型是0.64 - -1.40,area-perimeter模型和边界尺寸测量的是1.79 - -1.99;这些结果表明,绿色空间边界的人为干扰程度很高,和绿地空间结构的稳定性较差。网格尺寸测量的面积比例模型是0.49 - -1.42,area-radius模型和平均半径尺寸测量的是0.35 - -0.76;这些结果表明,绿色空间的空间分布的平衡很低,和绿色空间过度集中在城市中心。通过扩展范围的比较在不同类型的绿色空间,特征范围(梯度结构)的城市绿色空间的空间分布,可反映绿地发展的成熟度和绿地布局的质量。在大连的绿色空间的梯度结构由三个梯度特征,即0 - 4000,4000 - 8000,和8000 - 16000。绿地的发展第一梯度区是最好的,和第二和第三梯度区显示潜力相对较大的改进。这些研究成果指导实践意义的绿色空间在城市规划和建设的。

1。介绍

复杂性被科学界公认为一个重要的主题,和先进的理解空间复杂性起源于研究分形城市。一个分形城市是一个研究领域,基于分形理论的模拟和模型的城市。研究分形城市在1980年代初开始在西方,在中国在1990年代早期。关于分形城市的发展迄今为止涉及以下三个层次:分形微程序级的城市建筑(1),分形的mesolevel城市形式(2),和分形在城市系统的宏观的3,4]。分形是一种优化的结构性质和一个有效的工具,描述空间复杂性(5]。研究分形城市有利于城市地理空间的有效利用6]。

城市形式和结构的分析可以揭示重要地理信息在城市空间发展和地区城市化。城市形态的分形基于分形理论吸引了广泛关注,和许多相关的研究项目已经在中国和其他国家进行的。分形的分形维数是一个有效的措施,因为它可以凝结大量地理空间数据到一个简单的数字揭示了时空信息隐藏在这个城市7]。有三种类型的分形模型,它代表不同的地理和几何意义。的外形尺寸可以测量的复杂性边界线的形式在一个城市或特定类型的土地使用(8]。半径尺寸可以描述土地利用分布的集中程度(9]。网格维数(箱尺寸)是应用最广泛的指标在不同的学科,它可以衡量城市土地利用空间分布的平衡(10]。此外,陈和刘11)发展维度基于网格维度的信息,和秦et al。12)开发了一种基于二维分形三维分形方法。通过分形模拟和分形维数的测量大量的城市,古怪的(13]发现城市的城市形态维度的经验值在1和2之间平均尺寸为1.71。陈和罗(14)提出了“平均的分形维数的理论解释价值”和说“理想城市分形维数的演化对1.71”;此外,陈和罗(14)提出,“整个城市分形维数不大于空间维度2它所在,而各种土地利用类型的分形维数不受限制。“上面的经典理论和典型的实践相关城市分形形式有重要的参考价值获得全面的了解城市空间的复杂性。

城市分形形式是有序模式和复杂的结构,在城市发展的一定阶段出现,和分形形式的某种类型的城市土地利用是城市系统的自组织演化的产物,其内部子系统到更高的阶段。城市绿色空间分形是分开城市分形形式,和城市绿色空间分形的研究已经逐渐发展成为一个新分支。城市绿地在改善热岛效应[扮演重要角色15),地表温度(16),和城市风和热环境(17- - - - - -19]。此外,城市绿色空间经济和审美价值20.)和绿色发展的一个重要组成部分,城市建设,和人类生活环境。因此,对城市绿地的研究分形空间发展的具有重要意义的绿色空间。

巴蒂和称重传感器21]最初认为绿色空间是一个“开放空间”研究的一部分土地利用结构的斯文顿,英格兰,他们的外形尺寸是按照1.08计算。赵et al。22)计算绿色空间为“土地”当研究上海的土地利用结构,和他们的外形尺寸是按照1.11计算,而半径维数计算为1.78。赵et al。23)计算,在沈阳城市绿色空间的轮廓尺寸1.32,2.64半径尺寸,网格尺寸为1.32。陈等人。24)选择“公共绿色空间”之间的绿色空间,当研究长沙市土地利用形式的分形性质,其半径尺寸是0.8 - -1.0。朱和李25]研究了土地利用结构的多尺度变换分形在辽宁省和计算绿色空间为三种类型,即“林地”,“草原”,和“耕地”;他们的边界尺寸计算在1.43和1.78之间。Yu和元26]使用一个分形模型来具体计算的空间模式在福州市“公园绿地”,和一个半径尺寸1.23,以及网格维数为1.27。Petrişor et al。27)研究的整体分形性质在罗马尼亚在14个城市“绿色基础设施”。他们把绿色基础设施分为农业景观,greenspace-forests,体育和休闲设施,和水,0.30和0.90之间的分形维数结果。京et al。28)把“休闲的绿色空间”为研究对象,计算了外形尺寸为1.49 - -1.89和半径尺寸为0.79 - -1.11。刘等人。29日)测量的整体分形维数多年来在上海市区绿地系统;外形尺寸为1.78,平均和平均半径尺寸是3.04。Versini et al。30.)计算分形维九个欧洲城市的绿色屋顶和网格尺寸0.49 - -1.35。

因为城市绿色空间的统计管径在中国和其他国家不统一,不同的绿色空间统计方法可以直接影响分形维的结果,比较不能在可用的研究。目前,对城市绿地的研究分形主要涉及一种类型的绿色空间为研究对象,分形和研究项目情况下,城市绿色空间系统很少。研究分形性质的绿地系统,纵向比较研究的数量在不同年分形维度大,但缺乏横向比较研究分形维度绿地内的多种类型的绿地系统。本研究对城市绿地系统为研究对象,在中国大连市作为一个例子。三个模型的外形尺寸,半径尺寸,网格尺寸用于调查的整体形式和结构的复杂性绿地系统和各类绿地的发展特征。本文的创新研究的价值在于使用高分辨率遥感数据,讨论绿色空间的分类和分类标准。研究比较了三种类型的分形模型和每种类型的绿色空间的分形特征,提出了城市绿地建设的科学指导和建议。

2。研究数据和方法

2.1。概述研究的区域

大连的市中心(38°47′N-39°07′N, 121°16′E - 121°45′E)位于辽东半岛的南端海岸的黄海和渤海(图1)。大连是一个重要的经济、贸易和中国的东海岸的港口城市,有四个行政区划,即中山地区,Shahekou区,西岗区,原厂址。这个区域的地貌属于丘陵和山区的半岛,它有一个温带semihumid大陆季风气候。祝福的独特的地貌和气候特征,这一领域已经成为一个国际旅游城市,著名的城市绿色空间。城市绿地系统是成熟和具有分形特性和所有类型的绿色空间,有一个代表值。

2.2。绿地分类和分类标准

在大连市区绿地系统在2019年重新分类根据GF1数据,软件的支持下,如环境、ArcGIS、Fragstasts4.3,并利用遥感解释,手工分类,和实地调查方法,按照“城市绿地分类标准”(CJJ / t85 - 2017)和《土地利用现状分类(gbt21010 - 2017);此外,重新分类的特点是由考虑绿地植被研究中区域。表中列出的结果1。

城市绿地分类的技术基础是城市规划、建设、管理和统计城市绿色空间。在中国绿色空间的分类主要是基于土地利用的分类标准状态或城市绿地分类标准。土地利用分类着重于植被类型和函数本身,而城市绿地分类更关注人工绿地的功能和形式。城市中心有一个高密度的人类定居点,以及人工绿地的形式和功能更突出。因此,城市绿地分类标准被选为主要依据。然而,当分类根据城市绿地分类标准,并不是所有类型的林地可以计算,但这里的林地斑块数量无法计算研究区域太大被忽略。因此,土地利用分类标准的地位作为一个二级基础,“地区绿色空间”和“林地”结合,算作“林地。“重新分类绿地的分布图如图2。

2.3。分形模型

2.3.1。网格尺寸

网格尺寸测量计盒方法使用。使用矩形区域覆盖一个城市地理对象的映射,如城市绿色空间和矩形的一边的长度设置为r=l。这个时候,只有一个网格是被研究对象;非空的网格的数量N(l)= 1。然后,两边的矩形框架分为两个相等的部分,所以矩形分为四个全等网格。现在小矩形的一边r=l/ 2,非空的网格的数量被城市绿色空间N(l/ 2)计算。此外,每一方的四个小网格划分为两个相等的部分,因此矩形区域分为16个相等的部分,和每个小矩形的规模r=l/ 4 =l/ 2²;非空的网格的数量被城市绿色空间N(l/ 2ⁿ)。如果分形城市绿色空间,然后,根据分形理论,

这显然符合负幂函数:

如果上面的公式定义的尺度不变性是满足,D在这个公式是分形维数。如果网格规模r和非空的网格的数量N(r)遵循负指数关系,可以判断,在城市绿地存在分形。对于城市的整体分形,网格尺寸通常是≤1D≤2,但是每种类型的土地利用是不受限制。网格的地理和几何意义维度代表某种类型的土地使用的填充程度,也就是说,土地利用的平衡。更大的网格尺寸是指示性的均匀分布的城市绿色空间。相反,一个更小的网格尺寸的象征更集中的城市绿色空间的分布。

2.3.2。外形尺寸

有两种方法来定义轮廓尺寸。基于定义的分形维数perimeter-scale计盒方法可以实现的关系。根据分形理论,矩形的一边r和非空的网格的数量由绿色空间的边界线N(r)完成 在哪里C是一个常数确定并吗D外形尺寸。

基于定义的分形维数的研究想法area-perimeter关系如下。假设某种类型的城市土地利用是一个封闭的区域,其面积一个周长是P,假设的边界是一个分形线由维表示D。

利用计盒方法估计分形维数,数量的非空的网格覆盖的边界线N(r)和非空的网格覆盖的区域的数量米(r)可以写成:

定义的轮廓尺寸周边规模仅反映了绿色空间边界的复杂性和弯曲程度。更大的价值D显示出更高的复杂性的边界线,,一般来说, 。定义的轮廓尺寸面积周长可以反映出更多的信息。除了边界线的复杂性,这也反映出土地分散的程度和土地利用结构的稳定性25]。的理论价值D在1和2之间。当 ,城市绿色空间的形式往往是简单的;D= 1.50表明绿地的形式类似于布朗运动随机状态;当D> 1.5,城市绿色空间的结构更加复杂。

2.3.3。半径维数

半径维数是一个分形维数定义的基于距离衰减的规律,它代表了城市center-edge距离衰减关系,反映了城市发展特征。半径方法用于计算。假设同心圆城市中心是由圆圈和该地区的中心N(r)的某种类型的土地利用在城市内半径的圆r计算分形增长,存在以下area-radius比例关系: 在哪里代表一个常系数D是半径尺寸。半径维数代表了某种类型的相对密度衰减率的城市土地利用从中心到边缘。D> 2意味着城市绿色空间的密度增加从中心转移到边缘;D= 2意味着城市绿色空间的密度不会改变; 意味着城市绿色空间的密度减少从中心到边缘。

3所示。结果和分析

3.1。测量的网格城市绿色空间的维度

首先,它是决定是否在大连市区绿地分形特性。ArcGIS软件用于计算规模r和相应的非空的网格数N(r)。采取水平轴和作为纵轴,ln-ln坐标图的计算范围了。结果表明,线性分布范围有一个明显的趋势。方程的幂指数模型(2)是应用于符合点用最小二乘法,拟合优度系数的值R²都在0.99以上。初步,绿色空间在大连市区被认为具有分形特性。

然后,扩展范围确定。因为理论规律的分形不存在在现实世界中,必须有一个有限的扩展范围;严格的直线,很少形成的双对数坐标图,但直线段出现在一定的时间间隔。城市分形维数的形式采用盒方法,扩展范围通常是容易确定的。网格的尺度范围城市绿色空间的维度是这里讨论的半径与分形维数模型,如图3。

最后,分形维数测量是执行,信心的声明。绿色空间的分形维值测量的网格尺寸模型在0.59和1.42之间。两组的分维值,一个与所有点范围参与计算,另一只有点范围,在缩放范围内参与计算,列出进行比较。信心声明的关键在于结论的显著性水平和分形维数的误差范围。通过使用误差范围陈(提出的计算方法31日可以编写),计算公式如下: 在哪里代表了分形维数的上界和下界( , ), 是标准的错误,代表的阈值T统计数据,是显著性水平,n是数据点的数量范围用于分形维数的估计。在这项研究中, ,和分形维数结果和信心语句表中列出2。城市绿色空间系统G作为一个例子,结果意味着我们95%相信绿地系统的分形维数为0.59,误差范围是0.58 - -0.60。

网格尺寸代表城市绿地空间分布的平衡。从测量结果,可以看出,对于各种类型的绿地绿地系统在大连,秩序的平衡 。广场用地最高的平衡,作为大连广场而闻名。广场的土地斑块小地区,大量,和广泛的分布,从而为公共活动提供各种开放空间。防护绿地的主要部分是保护城市公路两侧绿化带,在城市交通分布的分形维数反映了平衡在一定程度上,流量分形是最接近城市分形(32]。辅助绿色空间平衡很低,可能的原因是,辅助土地集中的分布。公园的绿色空间的分形维数很低,这是多个主题公园大面积的结果,如森林公园,动物园,植物园,集中在西岗区和中山地区。林地是最低的平衡,这是符合森林植被的集中分布的特点。

3.2。测量边界城市绿色空间的维度

perimeter-scale关系和area-perimeter关系被用来测量各种类型的绿色空间的边界尺寸在大连市区。测量过程包括初步判断是否绿色空间分形,扩展范围的确定,分形维数的测量,和形成的信心声明。具体操作方法一致的网格尺寸的测量。测量结果列在表中3。

结果如下。(1)城市绿地显示明显的分形特征,和信心系数在95%的水平高。与城市边界分形相比,绿色空间的边界维度衡量perimeter-scale模型较低,而衡量area-perimeter模型太高。(2)分形维度衡量perimeter-scale模型在0.64和1.40之间,这些测量area-perimeter模型在1.79和1.99之间。这两个的区别是很大,这表明绿色空间的形式和结构更复杂。结果还证实,地理和两个模型所代表的分形维度的几何意义明显不同。(3)perimeter-scale关系模型为代表的复杂形式的绿地边界,秩序 。数据也反映了人类干扰的程度在不同类型的绿地,广场上是最高的土地和最低的林地。(4)area-perimeter关系模型不能反映边界线的复杂性在一个简单的方式,但结果是更准确的描述程度的分裂和不稳定的绿色空间结构。的D值都高于1.5,接近2,从而表明绿地结构更复杂的比随机分布状态,和订单 。在比较与其他三种类型的绿地,绿地系统的总体结构和林地相对更合理的结构。

3.3。测量半径城市绿色空间的维度

半径尺寸的测量过程如下:(1)确定城市中心的位置,(2)确定最小半径和规模、(3)同心圆集中在城市中心向外半径和尺度是决定直到覆盖整个研究领域,(4)绿地面积计算在每一个同心圆,(5)area-radius双对数坐标图是绘制初步判断是否存在分形,并装有(6)数据模型来确定扩展范围和计算半径尺寸。半径的测量维度的关键城市绿色空间位于城市中心的选择,以及最小半径的确定,规模,范围和扩展。

城市中心的选择和决定的最小半径和规模进行如下。圆的中心位置直接影响分形维数的结果。圆圈的中心通常是选择在三个方面,即研究领域的重心,重心的城市绿色空间和城市的行政中心和商业中心。只有适当的规模选择可以有效估算的结果与相应的测量尺度分形维度。以下两种类型的尺度通常是选择:算术规模和几何尺度。圆圈的中心,规模最小半径,确定最终目标的实现最优覆盖的分形维数测量。三个选择方案的比较和分析,如图4图中,计划(c)在本研究中被确定为最优选择。

有效点的数量范围内不同类型的绿色空间获得的计算方案(a)和(b)在图4太小了,而计划(c)提供更有效的点也取得了相对更好的覆盖范围。每种类型的绿色空间的双对数图得到的方案(c)如图5。结果表明,除了广场用地,有多个直线段,也就是说,扩展范围,在双对数坐标。它可以初步判断,在大连市区的绿色空间分形特征。

扩展范围的确定进行了如下。计盒方法的比较,确定扩展范围时,分形维数由半径测量方法更加困难。目前,没有客观、普遍的方法来确定比例范围。当self-radioactivity和多尺度分形属性同时存在,很难给一个明确的尺度范围半径的方法。因此,扩展范围只能通过拟合优度R²多种配件,数据点的范围范围不断改变。其他指标还包括分形维数的值D和 ,合适的系数值R²,标准误差 ,和公差范围。具体操作方法一致的网格尺寸的测量。扩展范围,分形维数结果,和信心的声明表列出每种类型的绿色空间4。

结果如下。(1)除了广场用地,其他类型的绿色空间都有显著的分形特征。辅助绿色空间和林地显示单一分形特征,与城市绿地系统和公园绿地显示双分形特征;与此同时,防护绿地显示多重分形特征,这表明防护绿地的空间结构是最复杂的。(2)扩展范围的数量和范围有一个特征的意义。从扩展范围的比较在不同类型的绿地,城市绿地系统的整体密度分布显示“特征范围,”,被称为“梯度结构”的研究。第一个梯度区是0 - 4000,第一个扩展范围的G,第一个扩展范围的G1,G4表现出分形特征。第二个梯度区是4000 - 8000,第二个扩展范围的G,第一个扩展范围的G2,第二个扩展范围的G1,G5表现出分形特征。第三梯度区是8000 - 16000,第二个扩展范围的G2,第三扩展范围G1,G5表现出分形特征。由于错误估计的扩展范围使用半径方法,梯度带的范围只代表一个粗略的估计。提出的梯度结构的值比准确更重要的价值观。当城市分形研究,Zhang et al。33描述,第一个扩展范围表示城市化区域,和第二个扩展范围代表了区域可能在未来城市化。梯度结构所描述的扩展范围可以反映城市绿地发展的成熟度和绿地布局的质量。扩展范围的长度和位置可以反映绿色空间的有序分布模式的范围。可以看出的总体分布格局在大连市区绿地系统是有序的,而且只有西部和东北地区的原没有有序的特征。绿色空间的扩展范围的长度为公园和辅助绿色空间是最短的,从而表明改进潜力大。(3)从分形维数的结果,可以看出,平均的分维值不同类型的绿地在0.35和0.76之间,和半径尺寸都小于2,从而表明城市绿地的减少速率从中心到边缘快速,绿地集中在城市中心。绿色空间的分形维数为公园增加了0.93的两个扩展范围,这意味着对公园绿地的分布过于集中在第一个扩展范围。保护绿色空间的分形维数降低,然后增加的三个扩展范围,这是有关防护绿地本身的功能特性。有大面积的交通防护绿地在第一个扩展范围和大面积的公共卫生防护绿地在第三扩展范围。

4所示。讨论和结论

分形维度可以测量分形直观和有效的分形研究不同的方法构成一个不可避免的科学问题。西方学者擅长测量分形维度通过使用计算机模拟的方法,而中国学者更加关注数学模型。理论上,当测量结果的三种分形模型,更接近城市分形更简单。与城市系统相比,城市绿色空间系统表现出更复杂的分形特征。例如,边界分形维的结果衡量area-perimeter模型和perimeter-scale模型可以有很大区别;此外,分形维数结果衡量area-perimeter模型,面积比例模型,area-radius模型远小于城市分形维数(1.71)13),而分形维数测量perimeter-scale模型远远大于城市分形维数。

分形维数测量的技术问题,在分形研究分形判断困难。规模、扩展范围、标准误差拟合优度和信心的声明都是关键参数。半径尺寸模型措施从下到上,和测量结果严重依赖于选择圈的中心。因此,•弗兰克浩瑟和萨德勒(9)称它为当地的分形。其他人也讨论了圆圈的中心的重要性(31日,34,35]。在这项研究中,在研究城市绿地的半径尺寸,发现圆的中心,规模最小半径,是三个重要的参数,彼此相互作用,共同影响了分形维数的结果。不同类型的绿色空间的复杂性体现了各自的不同位置的重力中心。因此,几种类型的绿色空间必须被排除在外。广场没有显示的绿色空间分形特征的选择方案,并没有因为广场用地本身没有自然分形;相反,发现是相关的技术限制半径尺寸测量。

基于2019年GF1数据和三分形模型、形式和结构的复杂性的绿地系统和各种类型的绿色空间在大连市区进行了研究。结果表明,网格尺寸是0.49 - -1.42,perimeter-scale模型的外形尺寸测量是0.64 - -1.40,area-perimeter模型的外形尺寸测量是1.79 - -1.99,平均半径尺寸是0.35 - -0.76。这些数据表明,绿地系统的空间形式和结构在大连有很高的复杂性,所体现的事实绿地边界曲折度较低和高程度的人为干扰,较低的绿色空间结构平衡和稳定性差,和绿色空间分布过于集中在城市中心。特征范围(梯度结构)的空间分布,提出了城市绿地系统的扩展范围,可以反映城市绿地发展的成熟度和绿地布局的质量。在大连的梯度结构绿地被发现如下:第一个梯度区是0 - 4000,第二个梯度区是4000 - 8000,第三梯度区是8000 - 16000。

这项研究的结果的实际意义是提高建设和服务标准的各种类型的城市绿色空间。的具体建议在大连绿地系统的规划和建设是改善平衡公园和绿地的辅助绿色空间和集成防护绿地,广场的土地,和辅助的绿色空间,以减少绿地斑块的破碎。对公园绿地的面积和数量超过7000的城市中心和辅助绿地的面积和数量超过5000的城市中心应该增加,可以提高服务水平。绿地开发一个圆形区域内的4000城市中心相对有序。半径的圆形区域4000 - 8000米的关键领域最近的绿地开发建设,和圆形区域的半径8000 - 16000 m是长期绿地发展的关键领域。

此外,平均价值和理想值的演化过程的绿色空间分形维尚未研究。因此,有必要进行持续研究城市绿色空间的分形性质。以大量的城市为例,多年的高分辨率遥感数据的平均值与进化研究各种类型的绿色空间的分形维度将是一个新的研究方向在未来城市绿色空间分形。

数据可用性

数据要求通讯作者。

信息披露

的资金来源没有参与研究设计、数据收集、分析或解释,或者写的手稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Yilu龚导致这项工作的所有方面。他刘进行了实验和分析数据。陈雪明交给李和丛修订。所有作者回顾了手稿。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号41671158),教育部人文社会科学研究项目(批准号18 yjczh035)、辽宁社会科学规划基金项目(批准号L18CGL002),辽宁教育部科研项目(批准号J2020060),大连科技创新基金项目(批准号2020 jj26gx039)。此外,作者要感谢Editage (https://www.editage.cn)英语编辑。

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