TransCAD的土地利用混合程度計(jì)算原理和詳細(xì)應(yīng)用

土地利用混合程度計(jì)算有助于量化獲得服務(wù)的機(jī)會(huì)，也可以理解為城市功能區(qū)混合程度的計(jì)算。TransCAD的土地利用混合程度工具可查看特定土地利用類別，并將其與同一地理區(qū)域內(nèi)的其他類型進(jìn)行比較，熵度量使用0到1的值來(lái)描述各種用地類型的混合程度。在TransCAD的交通可達(dá)性分析功能簡(jiǎn)介一文中，我們可以看到用地混合程度是可達(dá)性分析中城市形態(tài)的一種計(jì)算方式，本文進(jìn)一步介紹其原理和詳細(xì)應(yīng)用。

圖1 用地混合程度展示

1、關(guān)于“熵”

熵，這個(gè)概念是由德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯于1865年所提出，最初是用來(lái)描述“能量退化”的物理狀態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。但是在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，大家雖然一直都在使用熵，卻并沒(méi)有認(rèn)清熵的本質(zhì)。一直到統(tǒng)計(jì)物理、信息論等一系列科學(xué)理論的發(fā)展，熵的本質(zhì)才逐漸被解釋清楚，即：熵的本質(zhì)是一個(gè)系統(tǒng)“內(nèi)在的混亂程度”。

我們可以借助“信息熵”的概念來(lái)度量城市土地利用的多樣性和混合度。信息是個(gè)很抽象的概念。人們常常說(shuō)信息很多，或者信息較少，但卻很難說(shuō)清楚信息到底有多少。比如一本30萬(wàn)字的中文書(shū)到底有多少信息量。直到1948年，香農(nóng)（C.E.Shannon）提出了“信息熵”的概念，才解決了對(duì)信息的量化度量問(wèn)題。信息熵這個(gè)詞是香農(nóng)從熱力學(xué)中借用過(guò)來(lái)的。熱力學(xué)中的熱熵是表示分子狀態(tài)混亂程度的物理量。香農(nóng)用信息熵的概念來(lái)描述信源的不確定度。信息論之父克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)第一次用數(shù)學(xué)語(yǔ)言闡明了概率與信息冗余度的關(guān)系。信息熵計(jì)算公式如下：

Ｈ(X)表示隨機(jī)變量X的熵; Ｐi為Ｘ?。兀榈母怕?。

假定城市中有兩個(gè)區(qū)域：

（1）區(qū)域A：55%是居住用地，25%是商業(yè)用地，20%是工業(yè)用地；

（2）區(qū)域B：35%是商業(yè)用地，65%是居住用地。

可以用信息熵Ｈ(X)來(lái)比較兩個(gè)區(qū)域的用地混合程度：

H(A)=-0.55log0.55-0.25log0.25-0.20log0.20≈0.433

H(B)=-0.35log0.35-0.65log0.65≈0.281

熵值越高，混合度越高。H(A)＞H(B)，說(shuō)明區(qū)域A的用地混合程度高。

2、為什么要進(jìn)行“土地利用混合程度”分析？

對(duì)建成環(huán)境特征的描述有助于確定可達(dá)性，并有助于評(píng)估城市形態(tài)。確定城市形態(tài)與可達(dá)性水平的關(guān)系需要能夠描述城市環(huán)境中的對(duì)比的措施。

諸如以行人為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)，高水平的公共交通以及與目的地的可達(dá)性（例如公共服務(wù)和工作）等功能可以合理地預(yù)期會(huì)影響交通方式。此類測(cè)度還有助于生成醫(yī)療保健地理可達(dá)性報(bào)告。

土地利用混合程度或熵度量廣泛用于確定可達(dá)性平衡。這里簡(jiǎn)化的假設(shè)是，社區(qū)具有不同的土地使用（即低密度住宅，高密度住宅，商業(yè)，工業(yè)等）。

3、應(yīng)用場(chǎng)景

這里我們以華盛頓州斯波坎谷市為例。斯波坎谷是一個(gè)擁有103,000人的社區(qū)，位于斯波坎市以東。斯波坎谷市于2003年3月31日成立。本研究著眼于一些總體規(guī)劃土地利用指定（即工業(yè)，商業(yè)混合用途和公園/娛樂(lè)/開(kāi)放空間），以確定這些土地利用名稱與單戶住宅名稱的可達(dá)性。

為了評(píng)估“可達(dá)性”，我們使用人口普查小區(qū)組(BlockGroups，美國(guó)的人口普查小區(qū)為Block)圖層。對(duì)于此規(guī)模的社區(qū)，與人口普查統(tǒng)計(jì)區(qū)(Tract)或普查小區(qū)(Block)相比，普查小區(qū)組(Block Groups)提供的粒度級(jí)別適合分析的規(guī)模。根據(jù)您的分析要求不同，可以選擇適當(dāng)大小的區(qū)域圖層來(lái)進(jìn)行。

雖然此場(chǎng)景使用的是總規(guī)土地利用規(guī)劃，但這種方法可用于分區(qū)劃分區(qū)域(Zoning Districts)，這些分區(qū)的面積往往較小且更詳細(xì)。

4、分析數(shù)據(jù)的獲取

(1)以數(shù)字格式訪問(wèn)總體規(guī)劃土地利用。這通常以可下載shape文件的形式，從當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門的網(wǎng)站獲得。

圖2 研究區(qū)域（華盛頓州斯波坎谷）土地利用名稱混合

(2)具有要對(duì)其執(zhí)行可達(dá)性分析的圖層。這可以是格網(wǎng)（例如四分之一英里），也可以是其他一些定義的地理，例如人口普查統(tǒng)計(jì)區(qū)、人口普查小區(qū)組或人口普查小區(qū)級(jí)別。郵政編碼區(qū)域通常太大，除非位于人口密度高的非常城市化的地區(qū)。選擇一個(gè)適合您正在研究的區(qū)域的地理圖層，同時(shí)盡量不要過(guò)于細(xì)化或概略。

提示：缺少用地?cái)?shù)據(jù)的時(shí)候，我們可以用POI的個(gè)數(shù)來(lái)代替（例如根據(jù)道路圍合生成面圖層，計(jì)算街坊內(nèi)POI的個(gè)數(shù)）。

5、如何運(yùn)行熵分析

5.1工業(yè)與單戶住宅

引入總規(guī)土地利用圖層后，下一步是將分析地理圖層限制為（“裁剪”）與土地利用相同的地理位置。在此示例中，我們裁剪了人口普查小區(qū)組圖層。

接下來(lái)，將“裁剪的”人口普查小區(qū)組圖層設(shè)置為工作圖層。

在運(yùn)行“土地利用組合”工具之前，您的屏幕應(yīng)如下所示（圖3），其中包含土地利用和分析圖層。

圖3 土地利用混合和人口普查小區(qū)組。

在TransCAD中選擇菜單：規(guī)劃模型——可達(dá)性——城市形態(tài)——熵…，您將看到以下對(duì)話框（為了便于對(duì)照，我們也給出中文界面對(duì)話框，讀者可以通過(guò)打開(kāi)教程文件夾的地圖AshLanduse.map進(jìn)行試驗(yàn)）。

圖4 土地利用混合熵指數(shù)對(duì)話框–工業(yè)與單戶住宅



圖5 熵指數(shù)對(duì)話框中文界面

對(duì)話框的主要選項(xiàng)如下：

分區(qū)：這是分析的結(jié)果圖層。在本例中，我們使用的是“人口普查小區(qū)組”圖層。

土地利用（多樣性/混合/熵）：具有土地利用或分區(qū)區(qū)域的圖層。

記錄：這應(yīng)該顯示“所有要素”，盡管您可以為特定子區(qū)域或較小的地理區(qū)域設(shè)置選擇集。在本例中，我們使用默認(rèn)值。

字段：您的土地利用圖層中很可能有多個(gè)字段。在這種情況下，我們使用的是“指定”字段

字段…中的值：對(duì)于此示例，將是工業(yè)和單戶住宅。在您自己的分析中根據(jù)需要添加或刪除字段。

顯示選項(xiàng)：默認(rèn)情況下，專題（專題地圖輸出）和3D圖形均處于選中狀態(tài)。對(duì)于此示例，它們都處于選中狀態(tài)。

單擊“確定”并運(yùn)行該工具。計(jì)算機(jī)可能需要一兩分鐘來(lái)處理。

5.2輸出地圖

默認(rèn)情況下，輸出地圖將使用淺紅色到深紅色色帶來(lái)顯示熵級(jí)別。我們將輸出顏色專更改為紅色到紫色的色帶，并將間隔從10個(gè)減少到6個(gè)。

熵以0到1的值測(cè)量可達(dá)性，其中0幾乎沒(méi)有可達(dá)性，1具有相對(duì)完全的可達(dá)性。在這個(gè)例子中，與單戶住宅的其他地區(qū)相鄰的單戶住宅的大多數(shù)區(qū)域?qū)I(yè)的可達(dá)性較低，并且得分較低（即0.20），并且低于其他地區(qū)的工業(yè)就業(yè)崗位。

更接近工業(yè)區(qū)或緊鄰工業(yè)用地用途的單戶住宅區(qū)將獲得更高的分?jǐn)?shù)。在此示例中，位于斯波坎谷北側(cè)的單戶住宅區(qū)在地理上更接近工業(yè)用地，因此熵分?jǐn)?shù)在0.30和0.90之間。

圖6 工業(yè)與單戶住宅–用地混合輸出地圖(人口普查小區(qū)組圖層熵值)

或者，專題輸出地圖也可以顯示為圖表，以3D顯示相同的信息。根據(jù)閱讀對(duì)象，此輸出可能很有用，可以幫助識(shí)別在2D地圖中不明顯的異常值。

圖7 工業(yè)與單戶住宅–用地混合3D輸出地圖

5.3運(yùn)行其他土地利用場(chǎng)景的熵

(1)鄰里商業(yè)與單戶住宅

同樣，將“普查小區(qū)組”設(shè)為您的工作層。對(duì)于鄰里商業(yè)經(jīng)文單戶住宅分析，您的對(duì)話框?qū)⑷缦滤荆?/p>

圖8 土地利用混合熵指數(shù)對(duì)話框–鄰里商業(yè)與單戶住宅

此土地利用交互作用的輸出地圖顯示，位于斯波坎谷中心附近的單戶住宅的熵較高，其中一些鄰里商業(yè)土地利用指定位于斯普拉格大道走廊沿線，因此可以更好地進(jìn)行購(gòu)物。

圖9 鄰里商業(yè)與單戶住宅–用地混合輸出地圖(人口普查小區(qū)組圖層熵值)



圖10 鄰里商業(yè)與單戶住宅–用地混合3D輸出地圖

(2)公園/娛樂(lè)/開(kāi)放空間

最后，我們將運(yùn)行公園/娛樂(lè)/開(kāi)放空間圖層的“土地利用混合”工具，相對(duì)單戶住宅分析。

您的對(duì)話框?qū)⑷缦滤尽?/p>

圖11 土地利用混合熵指數(shù)對(duì)話框–公園/娛樂(lè)/開(kāi)放空間與單戶住宅。

此土地利用交互作用的輸出地圖顯示，位于公園和開(kāi)放空間附近的單戶住宅指定具有較高的熵。由于公園和開(kāi)放空間分散在整個(gè)社區(qū)中，因此熵輸出是最多樣化的，表明許多單戶住宅土地使用都可以進(jìn)入公園和開(kāi)放空間，但位于I-90走廊附近的那些除外。

圖12 公園/娛樂(lè)/開(kāi)放空間與單戶住宅–用地混合輸出地圖(人口普查小區(qū)組圖層熵值)

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圖13 公園/娛樂(lè)/開(kāi)放空間與單戶住宅–用地混合3D輸出地圖

6、結(jié)語(yǔ)

土地利用混合/熵是分析和衡量可達(dá)性以及根據(jù)各種基本假設(shè)探索變化的非常有用的工具。例如，假設(shè)您的社區(qū)中有三塊空置土地，您想看看哪一塊（如果開(kāi)發(fā)）作為公園，將為附近的住宅提供最大的可達(dá)性。這提供了一個(gè)分析工具，用于確定選址的優(yōu)先級(jí)。要將土地利用混合/熵分析提升到一個(gè)新的水平，可以添加額外的字段來(lái)測(cè)量吸引力水平（如小路，球場(chǎng)，游樂(lè)場(chǎng)等），并基于此運(yùn)行模型，以更好地優(yōu)化最佳地點(diǎn)的分析。

審核編輯：劉清