可持续城市建成形态的局部化时空动态

《Sustainability》：Localized Spatio-Temporal Dynamics of Sustainable Urban Built Morphology

　　

在大都市范围内评估可持续城市建成形态（SUBM）模式会掩盖城市形态在空间和时间上的局部趋势。研究人员引入发展形态单元（DMUs）作为微观尺度分析概念，用于研究城市形态体制内精细的时空动态。基于1990年至2023年在美国北卡罗来纳州梅克伦堡县观测到的5844个开发地块，本研究对五个先前识别的形态体制分别应用基于噪声的时空密度空间聚类（ST-DBSCAN）方法。这些DMU进一步通过时间位置、时间跨度、空间足迹和空间移动四个描述符进行表征。结果检测到DMU在时空增长模式上存在显著异质性。外围和传统郊区体制占全县开发地块的很大比例，但其DMU形成比率有限，大多数地块未被聚类，而识别出的DMU主要是小规模、局部化和短期的。另一方面，可达性导向的体制表现出凝聚的DMU结构，包含持续且空间稳定的形态单元。在中间体制中，大多数DMU具有局部化和偶发性的增长特征，同时存在少量大规模单元。此外，该县可持续性表现最高的体制展现出近期、短期、空间局部化和静止的单元。在所有体制中，形态增长模式主要代表有限的空间移动，表明具有相似形态特征的开发倾向于锚定在先前建立的区域。这些模式与演化城市主义一致，表明可持续性导向的城市形态是通过局部化、累积的过程而非空间随机扩张而演化的。识别出的DMU表明，局部化城市形态模式在空间和时间上以独特方式演化。研究结果通过追踪局部层面上可持续性导向城市形态的动态，为城市可持续性实践提供信息。

**研究背景、问题与意义**
城市形态对可持续性具有重要影响，但现有研究多聚焦于大都市尺度，忽略了局部时空动态。可持续城市建成形态（SUBM）框架虽已提出，但缺乏对微观尺度下开发组织方式的系统分析。演化城市主义和复杂性理论强调城市作为复杂适应系统，其增长具有路径依赖和局部化特征，然而传统方法（如聚类和热点分析）难以捕捉具有相似形态特征的开发如何在空间和时间上形成局部单元。为解决这一空白，本研究引入发展形态单元（DMU）概念，旨在揭示同一形态体制内开发的局部时空异质性，为可持续城市形态的精细化管理提供依据。论文发表在《Sustainability》。

**关键技术与方法**
本研究基于美国北卡罗来纳州梅克伦堡县1990–2023年的5844个开发地块数据，利用K-means聚类预先识别出五个可持续性导向的形态体制（外围低密度、传统郊区、过渡形态、走廊可达性导向、高密度城市核心）。随后，在每个体制内分别应用时空密度空间聚类（ST-DBSCAN）算法，通过空间邻域（ε1）、时间邻域（ε2）和最小点数（minPts）三个参数提取DMU，并采用K近邻诊断和敏感性分析优化参数。最后，使用时间位置、时间跨度、空间足迹和空间移动四个描述符对DMU进行表征，并基于Jenks自然断点法进行解释性分类。

**研究结果**
- **7.1 总体聚类结果**：ST-DBSCAN识别出多个DMU，各体制间聚类凝聚力差异显著。外围和郊区体制（Regime A和B）的噪声比例最高，而可达性导向体制（Regime D）的聚类凝聚性最强（90%地块被聚类）。
- **7.2 Regime A：外围DMU的分散与偶发模式**：低可持续性形态的Regime A中，仅17%地块形成8个DMU，多数为短期、小范围、空间稳定的单元，仅少数具有较大空间足迹和动态。
- **7.3 Regime B：局部化与锚定DMU结构**：传统郊区体制（Regime B）含16个DMU，数量最多，多数为局部化、偶发且空间动态有限，但后期DMU（如B13）显示更大空间足迹和持久性。
- **7.4 Regime C：空间动态与局部化DMU**：过渡形态体制（Regime C）中，多数DMU为局部化、静止单元，但存在两个大规模、持久且空间漂移的DMU（C1和C14）。
- **7.5 Regime D：持久走廊导向DMU**：仅两个DMU覆盖90%地块，均具有长期时间跨度（13–14年）和极小空间移动，围绕城市核心和现有交通走廊形成稳定单元。
- **7.6 Regime E：空间稳定的城市核心DMU**：最高可持续性体制（Regime E）包含两个近期、短期、空间局部化且静止的DMU，集中于城市核心和交通走廊。
- **7.7 总体局部时空模式**：各体制在聚类凝聚力、时间持久性、空间范围和移动上差异显著，表明形态相似的地块可形成差异化的时空结构。

**讨论与结论**
讨论部分指出，DMU框架揭示了体制内部异质性：同一形态体制的地块并非均匀分布，而是形成具有不同时空特征的局部单元。噪声观测暗示分散的发展模式，而Regime D的高度凝聚性与扩散-聚并理论一致。可持续性表现与局部凝聚性之间不存在线性关系，表明高可持续性形态的复制需要大量资本投资。多数DMU呈现低空间移动性，符合路径依赖视角。研究结论强调，DMU作为分析层级，连接了微观开发与宏观城市形态，为可持续城市规划提供了精细工具：通过监测DMU的时空特征，可识别发展协调性、评估政策效果并优化资源配置。研究局限性包括单一案例区域、仅使用四个描述符以及未探讨因果机制，未来研究需验证框架在其他城市环境的可转移性，并纳入更多属性。