交通地理與網路科學/空間句法

引言及歷史

空間句法，或空間資料和網路的句法分析，是城市地理和地理空間科學中的一種技術，它將空間和網路的現實世界應用與底層的圖論相結合。這些技術最初是由倫敦大學學院的希利爾和漢森在 1970 年代開發的。乍一看，城市空間看起來和感覺上都是連續的，尤其是在作為行人導航時 - 人類不會根據節點和邊緣或道路之間的嚴格區分來導航周圍環境，而是將其視為連貫的路徑。此外，網路嚴格的分析通常將節點之間的差異以公制距離為單位，而人類行為通常受空間之間更復雜的關係支配；認知和視覺空間本質上是拓撲的，人類行為更多地受區域性關係而不是全域性指標的影響。我們稍後將看到，空間句法模型考慮了這種對空間之間非距離度量關係的偏好；簡而言之，空間句法透過離散化使用者可以移動的城市結構來模擬人類行為。

將給定網路的結構視為靜態的、恆定的和不變的很容易 - 但是，人類行為隨著時間的推移而塑造和塑造城市結構，反過來，空間和人之間的關係也發生了變化。這樣，社會（人類行為）和城市空間都是動態的，並且相互修改，而不是人類僅僅在預先存在的、不變的網路層之上發生行為。空間句法可以分析這些隨時間的變化，因為位置的相對重要性與周圍的網路結構相關 - 而網路結構經常透過人類行為發生改變；當一個地方的重要性發生變化時，人類行為就會受到影響。空間句法建模可以幫助確定一個地方為什麼對人們很重要，這可以透過與位置之間的距離無關的指標來確定 - 相反，可以計算周圍網路的區域性和全域性指標，並用於預測使用者行為。

網路之間的相對比較也很重要，尤其是在考慮不同絕對空間大小的網路的交通模式份額、網路結構和人類行為時。透過消除網路上兩點之間絕對距離的因素，一個尺度元素被移除，這可能會限制不同網路之間比較的有效性。空間句法建模允許進行拓撲抽象，即，將網路簡化為其最顯著的屬性（什麼與什麼相連），並消除多餘或不必要的細節級別（精確的距離指標，建築環境特徵的微小差異）。雖然抽象確實會丟失粒度級別，但獲得了網路結構比較的能力，允許對網路進行型別學分類。

空間句法技術經常在歐洲和亞洲的城市規劃和分析中使用，但在美國的使用量明顯不足。正如我們將看到的，這些技術可以立即揭示人類行為與空間和網路的不同方向和組織之間的關係。

理論及術語

空間句法分析的基礎是構建一個圖（或圖），並在該圖上計算各種指標。從抽象開始，建立了一個區域的凸面圖，作為給定任何邊界約束的最少的凸面空間集。然後，從連線所有凸面子空間的所有最長軸的集合中構建一個“軸向圖” - 這通常以迭代方式完成，從最長的軸向線開始。最後，構建一個網路圖，其中軸向圖中的每條軸向線都是圖中的一個節點，而地圖中軸向線的交點由網路圖中的連線（邊）表示。 Bafna (2003) 中的圖 1 展示了將辦公室示意圖首先對映到單個走廊拓撲結構的圖，然後對映到兩個平行走廊的圖。這將有助於說明空間句法的控制指標。

Bafna (2003) 中的圖 2 顯示了在建立軸向圖時將非凸面空間劃分為凸面空間集的重要性，以及空間句法輕鬆說明空間層次結構的能力。軸向圖通常遵循“視線”原則，也就是說，為了從起點節點到達相鄰節點，必須能夠看到目的地。嚴格來說，這表示具有彎曲的道路必須建模為許多段之間的離散化，在拐角處使用虛擬節點，但這並不總是這樣。Figueiredo 和 Amorim 首次提出，最大連續角度可以定義為角度，超過該角度，連結必須在轉彎處細分。透過構建一個“反向”圖，其中道路或行人鏈接是節點，它們的交點是邊，空間句法方法強調了空間之間的過渡，其中遍歷網路圖意味著在地理地圖上轉彎，並且不考慮空間連結的長度。然後在這個反向網路圖上計算分析指標。 McCahil & Garrick (2008) 中的圖 1 說明了空間句法框架中軸向圖和反向網路圖的構建。在這裡，很容易看到構建的網路圖中的節點和邊如何對應於地理和軸向地圖中的道路連結和交叉點。

以下是空間句法框架中使用的術語和分析指標列表

• 網路深度：定義為連線任何兩個節點的最少頂點數。從空間句法網路圖轉換到實際網路，這是連線任何兩個不同道路或連結的最少道路或連結數。
• 節點的總深度：該節點（道路連結）與所有其他節點（道路連結）之間的網路深度的總和。
• 平均深度：節點的總深度除以節點的總數。
• 整合：也稱為相對不對稱，描述了從系統中的其他節點訪問給定節點的難易程度。 $I=2(MD-1)/(k-2)$ 是整合如何在網路中計算的一個例子，其中 MD 是如上所述的平均深度，k 是節點數。
• 介數中心性：一種中心性形式，描述了某個地方在其他地方之間有多“中間” - 也就是說，在從其他起點和目的地之間旅行時，某個地方被穿越的頻率。
• 角度段分析：對原始空間句法方法的改進，透過角度解決了轉彎的可變值和成本。
• 連通性：衡量給定位置與周圍節點的連線程度；另外，連線到給定連結的連結數量。連線更好的位置具有更高的入度和出度，並且通常從其他節點具有更低的深度。
• 可理解性：尤其是在人類行為和空間心理學中，衡量使用者在空間內導航和定向的難易程度。
• 不對稱性：兩個位置之間深度或連通性的差異將產生層次結構或位置重要性的比較不對稱。
• 控制：衡量給定連結在訪問其相鄰連結方面的重要性。如果其相鄰連結僅由所討論的連結提供服務，則它具有高度的控制，而冗餘連結則有助於降低層次結構和控制。
• 環路：網路中環路的存在將有助於降低控制和層次結構，以及平均深度。
• 鏈條：網路中鏈條的存在將有助於增加控制和層次結構，平均深度，並降低整合。

整合度描述了一個地方在一個網路中的整合程度或交織程度，更高的整合度與更低的節點深度相關（從其他節點到達該節點所需的移動次數更少）。但是，整合度指標側重於目的地的吸引力，而不考慮到達或透過某個地方的路線選擇。與整合度指標相比，介數中心性指標考慮了路線選擇行為，並描繪了連結的重要性，不僅包括起源和目的地的周圍區域，也包括路線樹的中間部分。介數中心性是一個流行的指標，也是下面列出的幾個案例研究中選擇的指標。

值得注意的是，最初的空間句法框架在構建軸向圖時將所有轉彎歸為一類 - 即，所有道路彎曲都平等對待，無論角度如何，導致轉彎帶來的行程成本效應一致。如上所述，角度段分析修改了框架，為較小的轉彎分配較低的成本，為更尖銳的角度轉彎分配更高的成本。這使得空間句法框架能夠以更加流暢和真實的的方式表示道路網路，拓撲方向的變化較少。此外，使用角度分析可以利用道路中心線地圖（通常很容易獲得）作為近似的軸向圖；這是因為使用漸進的轉彎懲罰角度分析建立的軸向圖的拓撲結構更加真實。

案例研究

在新城市主義和郊區社群的步行

空間句法分析還可以非常清楚地說明城市形態的特徵變化和差異如何影響人類步行行為。直觀地說，我們知道，一個不太友好的步行網路或空間可能會有較低的步行出行份額，並且休閒或通勤目的的步行出行量會較低。然而，空間句法網路分析可以根據底層網路特徵量化步行出行量。Baran 等人（2008 年）的這項研究考察了步行行為及其在新城市主義社群和郊區社群之間的變化，並使用空間句法分析評估了物理環境差異。這裡分析的句法變數是控制、區域性整合和全域性整合，並根據它們對新城市主義和郊區環境中休閒和功利主義步行行為的解釋能力進行評估。

圖 1 到 4 顯示了新城市主義社群中句法變數控制、區域性整合和全域性整合的方差。總的來說，可以明顯看出，沒有很多完全斷開的連結（死衚衕），並且連結和道路的層次結構不太明顯。網路中控制程度最高的道路是那些如果停運會導致最多連線斷開的道路，而控制程度最低的道路是那些停運不會造成任何後果的道路。區域性和全域性整合最大值的點可能不同，具體取決於超過截止閾值的連結對整合的重要性。在郊區社群的軸向圖中，可以明顯看出，大量的連結是高度隔離和/或分層的，並且網路非常像樹狀結構。

圖 1：顯示了新城市主義社群中句法變數“控制”的方差。

圖 2：顯示了新城市主義社群中句法變數“區域性整合”的方差。

圖 3：顯示了新城市主義社群中句法變數“全域性整合”的方差。

圖 4：顯示了郊區社群中句法變數“全域性整合”的方差。

作者發現步行與平均全域性整合（在 p < 0.01 時顯著）和平均區域性整合（在 p < 0.01 時顯著）之間存在正相關關係。沒有發現平均控制與步行顯著相關。在新城市主義社群中，區域性和全域性整合的平均變數係數更高。軸線長度通常在新城市主義社群中遠低於郊區社群。

倫敦的腳踏車路線選擇

路線選擇是空間句法框架的常見應用，因為它本質上可以預測網路中最常使用的連結段。在確定從起點到終點的可能路線時，可以將更高的連結使用機率分配給在空間句法分析中被確定為更重要的連結。此外，路線選擇對於高度容易受到安全性和連續性因素影響的模式（例如腳踏車）尤其重要。 Raford、Chiaradia 和 Gil 的圖 1 顯示了倫敦的研究區域，包括泰晤士河南北兩側的區域。作者分析了兩個獨立的資料集，以測試倫敦街道網路的空間句法指標的顯著性和解釋能力 - 一組 423 個腳踏車出行日記，用於測試對單個腳踏車騎行者而言重要的因素，以及倫敦特定區域的彙總腳踏車數量。

Raford、Chiaradia 和 Gil 的圖 5 顯示了對單個腳踏車出行進行的疊加分析型別，以測試空間句法指標是否與單個腳踏車路線選擇相關。發現單個出行非常難以預測，單個出行級別的路線選擇與最短路徑或最快的認知路線（角度最小化）的相關性不高，因為這兩方面因素在實際的腳踏車路線選擇中都沒有絕對重要性。然而，將腳踏車騎行者的行為聚合到人口級別，可以使一些湧現性質顯現。如果某個特定的道路段對腳踏車友好，單個腳踏車騎行者可能會選擇該段，也可能不選擇，這取決於起點和終點以及其他因素，但總體而言，腳踏車騎行者群體將在更重要的路線上有更高的使用量。事實上，事實證明確實如此 - 全域性平均角度深度（空間句法分析的一個統計量）與腳踏車數量高度相關。

劍橋市腳踏車設施規劃，馬薩諸塞州

McCahil & Garrick (2008) 在馬薩諸塞州劍橋市調查了空間句法分析框架和技術與腳踏車設施分析之間的關係。這代表了另一個實際且突出的例子，說明了空間句法建模在根據不同網路配置的湧現出行模式評估交通網路方面的強大功能。由於空間句法本身不依賴於建造環境的特徵，僅依賴於網路特徵，因此可以不進行廣泛且繁瑣的起點-終點研究來進行模式出行需求建模。McCahil & Garrick 使用空間句法“選擇”引數（路線是否包含給定的道路段）對馬薩諸塞州劍橋市的腳踏車騎行者行為進行了建模。如 McCahil & Garrick (2008) 的圖 4 所示，空間句法框架預測了許多實際確實經歷了高腳踏車交通量的路段（透過計數獲得）具有很高的重要性（選擇引數）。

在構建的多層模型中，作者除了空間句法指標之外，還將人口和工人密度作為起點和終點生成器的代理。他們發現，人口和工人密度解釋了收集的腳踏車數量資料的很大一部分，而空間句法指標的顯著性在解釋能力方面明顯較低。作者援引了所使用的腳踏車計數型別作為空間句法指標未能更全面地解釋計數的原因之一，包括必須從交叉路口計數中推斷出連結（或“門”）計數。交叉路口計數，尤其是腳踏車，因為某些路線可能明顯更安全且更完善，無法在連結級別顯示粒度，而這正是空間句法發揮作用的地方。

侷限性

空間句法分析可以成為預測網路使用和使用者行為的強大工具，因為它僅依賴於底層網路結構，無需進行大量的起點-終點行程研究。這種方法具有可擴充套件性，並且透過消除基於距離的指標，可以輕鬆地在不同的但類別相似的城市區域之間進行結果比較。空間句法分析有助於預測使用者行為，而不涉及對建成環境的考慮；然而，在評估行人交通的重要性時不考慮建成環境因素也是該方法的弱點之一。空間句法不考慮開放空間的形狀（這些形狀部分由周圍建築物的形狀勾勒出來），而這些形狀會影響行人是否願意在那裡行走。“等視角”是凸形空間，代表觀察者從靜止位置可以觀察到的整個空間子空間。等視角的大小、形狀和配置對於使用者體驗和享受空間非常重要，而空間句法沒有考慮這些細節。

空間句法本身可能不考慮建成環境的元素，但當它的網路統計資料與建成環境元素結合使用時，在行人和騎腳踏車者的情況下，可以實現強大的預測模型，並具有很高的預測能力。