TransCAD的土地利用混合程度計算原理和詳細應(yīng)用

土地利用混合程度計算有助于量化獲得服務(wù)的機會，也可以理解為城市功能區(qū)混合程度的計算。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)的其他類型進行比較，熵度量使用0到1的值來描述各種用地類型的混合程度。在TransCAD的交通可達性分析功能簡介一文中，我們可以看到用地混合程度是可達性分析中城市形態(tài)的一種計算方式，本文進一步介紹其原理和詳細應(yīng)用。

圖1 用地混合程度展示

1、關(guān)于“熵”

熵，這個概念是由德國物理學家克勞修斯于1865年所提出，最初是用來描述“能量退化”的物理狀態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。但是在很長一段時間內(nèi)，大家雖然一直都在使用熵，卻并沒有認清熵的本質(zhì)。一直到統(tǒng)計物理、信息論等一系列科學理論的發(fā)展，熵的本質(zhì)才逐漸被解釋清楚，即：熵的本質(zhì)是一個系統(tǒng)“內(nèi)在的混亂程度”。

我們可以借助“信息熵”的概念來度量城市土地利用的多樣性和混合度。信息是個很抽象的概念。人們常常說信息很多，或者信息較少，但卻很難說清楚信息到底有多少。比如一本30萬字的中文書到底有多少信息量。直到1948年，香農(nóng)（C.E.Shannon）提出了“信息熵”的概念，才解決了對信息的量化度量問題。信息熵這個詞是香農(nóng)從熱力學中借用過來的。熱力學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)學語言闡明了概率與信息冗余度的關(guān)系。信息熵計算公式如下：

Ｈ(X)表示隨機變量X的熵; Ｐi為Ｘ取Ｘｉ的概率 。

假定城市中有兩個區(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)來比較兩個區(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)，說明區(qū)域A的用地混合程度高。

2、為什么要進行“土地利用混合程度”分析？

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

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

土地利用混合程度或熵度量廣泛用于確定可達性平衡。這里簡化的假設(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)用場景

這里我們以華盛頓州斯波坎谷市為例。斯波坎谷是一個擁有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/開放空間），以確定這些土地利用名稱與單戶住宅名稱的可達性。

為了評估“可達性”，我們使用人口普查小區(qū)組(BlockGroups，美國的人口普查小區(qū)為Block)圖層。對于此規(guī)模的社區(qū)，與人口普查統(tǒng)計區(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，可以選擇適當大小的區(qū)域圖層來進行。

雖然此場景使用的是總規(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。

4、分析數(shù)據(jù)的獲取

(1)以數(shù)字格式訪問總體規(guī)劃土地利用。這通常以可下載shape文件的形式，從當?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)具有要對其執(zhí)行可達性分析的圖層。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)計區(qū)、人口普查小區(qū)組或人口普查小區(qū)級別。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)。選擇一個適合您正在研究的區(qū)域的地理圖層，同時盡量不要過于細化或概略。

提示：缺少用地數(shù)據(jù)的時候，我們可以用POI的個數(shù)來代替（例如根據(jù)道路圍合生成面圖層，計算街坊內(nèi)POI的個數(shù)）。

5、如何運行熵分析

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，將“裁剪的”人口普查小區(qū)組圖層設(shè)置為工作圖層。

在運行“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——可達性——城市形態(tài)——熵…，您將看到以下對話框（為了便于對照，我們也給出中文界面對話框，讀者可以通過打開教程文件夾的地圖AshLanduse.map進行試驗）。

圖4 土地利用混合熵指數(shù)對話框–工業(yè)與單戶住宅



圖5 熵指數(shù)對話框中文界面

對話框的主要選項如下：

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，我們使用默認值。

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

字段…中的值：對于此示例，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：默認情況下，專題（專題地圖輸出）和3D圖形均處于選中狀態(tài)。對于此示例，它們都處于選中狀態(tài)。

單擊“確定”并運行該工具。計算機可能需要一兩分鐘來處理。

5.2輸出地圖

默認情況下，輸出地圖將使用淺紅色到深紅色色帶來顯示熵級別。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個減少到6個。

熵以0到1的值測量可達性，其中0幾乎沒有可達性，1具有相對完全的可達性。在這個例子中，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)將獲得更高的分數(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，因此熵分數(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)閱讀對象，此輸出可能很有用，可以幫助識別在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運行其他土地利用場景的熵

(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。對于鄰里商業(yè)經(jīng)文單戶住宅分析，您的對話框?qū)⑷缦滤荆?/p>

圖8 土地利用混合熵指數(shù)對話框–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，因此可以更好地進行購物。

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/開放空間

最后，我們將運行公園/娛樂/開放空間圖層的“土地利用混合”工具，相對單戶住宅分析。

您的對話框?qū)⑷缦滤尽?/p>

圖11 土地利用混合熵指數(shù)對話框–公園/娛樂/開放空間與單戶住宅。

此土地利用交互作用的輸出地圖顯示，位于公園和開放空間附近的單戶住宅指定具有較高的熵。由于公園和開放空間分散在整個社區(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入公園和開放空間，但位于I-90走廊附近的那些除外。

圖12 公園/娛樂/開放空間與單戶住宅–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/開放空間與單戶住宅–用地混合3D輸出地圖

6、結(jié)語

土地利用混合/熵是分析和衡量可達性以及根據(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（如果開發(fā)）作為公園，將為附近的住宅提供最大的可達性。這提供了一個分析工具，用于確定選址的優(yōu)先級。要將土地利用混合/熵分析提升到一個新的水平，可以添加額外的字段來測量吸引力水平（如小路，球場，游樂場等），并基于此運行模型，以更好地優(yōu)化最佳地點的分析。

審核編輯：劉清