TransCAD的土地利用混合程度计算原理和详细应用

土地利用混合程度计算有助于量化获得服务的机会，也可以理解为城市功能区混合程度的计算。TransCAD的土地利用混合程度工具可查看特定土地利用类别，并将其与同一地理区域内的其他类型进行比较，熵度量使用0到1的值来描述各种用地类型的混合程度。在TransCAD的交通可达性分析功能简介一文中，我们可以看到用地混合程度是可达性分析中城市形态的一种计算方式，本文进一步介绍其原理和详细应用。

图1 用地混合程度展示

1、关于“熵”

熵，这个概念是由德国物理学家克劳修斯于1865年所提出，最初是用来描述“能量退化”的物理状态的物质状态参数。但是在很长一段时间内，大家虽然一直都在使用熵，却并没有认清熵的本质。一直到统计物理、信息论等一系列科学理论的发展，熵的本质才逐渐被解释清楚，即：熵的本质是一个系统“内在的混乱程度”。

我们可以借助“信息熵”的概念来度量城市土地利用的多样性和混合度。信息是个很抽象的概念。人们常常说信息很多，或者信息较少，但却很难说清楚信息到底有多少。比如一本30万字的中文书到底有多少信息量。直到1948年，香农（C.E.Shannon）提出了“信息熵”的概念，才解决了对信息的量化度量问题。信息熵这个词是香农从热力学中借用过来的。热力学中的热熵是表示分子状态混乱程度的物理量。香农用信息熵的概念来描述信源的不确定度。信息论之父克劳德·艾尔伍德·香农第一次用数学语言阐明了概率与信息冗余度的关系。信息熵计算公式如下：

Ｈ(X)表示随机变量X的熵; Ｐi为Ｘ取Ｘｉ的概率 。

假定城市中有两个区域：

（1）区域A：55%是居住用地，25%是商业用地，20%是工业用地；

（2）区域B：35%是商业用地，65%是居住用地。

可以用信息熵Ｈ(X)来比较两个区域的用地混合程度：

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)，说明区域A的用地混合程度高。

2、为什么要进行“土地利用混合程度”分析？

对建成环境特征的描述有助于确定可达性，并有助于评估城市形态。确定城市形态与可达性水平的关系需要能够描述城市环境中的对比的措施。

诸如以行人为导向的设计，高水平的公共交通以及与目的地的可达性（例如公共服务和工作）等功能可以合理地预期会影响交通方式。此类测度还有助于生成医疗保健地理可达性报告。

土地利用混合程度或熵度量广泛用于确定可达性平衡。这里简化的假设是，社区具有不同的土地使用（即低密度住宅，高密度住宅，商业，工业等）。

3、应用场景

这里我们以华盛顿州斯波坎谷市为例。斯波坎谷是一个拥有103,000人的社区，位于斯波坎市以东。斯波坎谷市于2003年3月31日成立。本研究着眼于一些总体规划土地利用指定（即工业，商业混合用途和公园/娱乐/开放空间），以确定这些土地利用名称与单户住宅名称的可达性。

为了评估“可达性”，我们使用人口普查小区组(BlockGroups，美国的人口普查小区为Block)图层。对于此规模的社区，与人口普查统计区(Tract)或普查小区(Block)相比，普查小区组(Block Groups)提供的粒度级别适合分析的规模。根据您的分析要求不同，可以选择适当大小的区域图层来进行。

虽然此场景使用的是总规土地利用规划，但这种方法可用于分区划分区域(Zoning Districts)，这些分区的面积往往较小且更详细。

4、分析数据的获取

(1)以数字格式访问总体规划土地利用。这通常以可下载shape文件的形式，从当地有关部门的网站获得。

图2 研究区域（华盛顿州斯波坎谷）土地利用名称混合

(2)具有要对其执行可达性分析的图层。这可以是格网（例如四分之一英里），也可以是其他一些定义的地理，例如人口普查统计区、人口普查小区组或人口普查小区级别。邮政编码区域通常太大，除非位于人口密度高的非常城市化的地区。选择一个适合您正在研究的区域的地理图层，同时尽量不要过于细化或概略。

提示：缺少用地数据的时候，我们可以用POI的个数来代替（例如根据道路围合生成面图层，计算街坊内POI的个数）。

5、如何运行熵分析

5.1工业与单户住宅

引入总规土地利用图层后，下一步是将分析地理图层限制为（“裁剪”）与土地利用相同的地理位置。在此示例中，我们裁剪了人口普查小区组图层。

接下来，将“裁剪的”人口普查小区组图层设置为工作图层。

在运行“土地利用组合”工具之前，您的屏幕应如下所示（图3），其中包含土地利用和分析图层。

图3 土地利用混合和人口普查小区组。

在TransCAD中选择菜单：规划模型——可达性——城市形态——熵…，您将看到以下对话框（为了便于对照，我们也给出中文界面对话框，读者可以通过打开教程文件夹的地图AshLanduse.map进行试验）。

图4 土地利用混合熵指数对话框–工业与单户住宅



图5 熵指数对话框中文界面

对话框的主要选项如下：

分区：这是分析的结果图层。在本例中，我们使用的是“人口普查小区组”图层。

土地利用（多样性/混合/熵）：具有土地利用或分区区域的图层。

记录：这应该显示“所有要素”，尽管您可以为特定子区域或较小的地理区域设置选择集。在本例中，我们使用默认值。

字段：您的土地利用图层中很可能有多个字段。在这种情况下，我们使用的是“指定”字段

字段…中的值：对于此示例，将是工业和单户住宅。在您自己的分析中根据需要添加或删除字段。

显示选项：默认情况下，专题（专题地图输出）和3D图形均处于选中状态。对于此示例，它们都处于选中状态。

单击“确定”并运行该工具。计算机可能需要一两分钟来处理。

5.2输出地图

默认情况下，输出地图将使用浅红色到深红色色带来显示熵级别。我们将输出颜色专更改为红色到紫色的色带，并将间隔从10个减少到6个。

熵以0到1的值测量可达性，其中0几乎没有可达性，1具有相对完全的可达性。在这个例子中，与单户住宅的其他地区相邻的单户住宅的大多数区域对工业的可达性较低，并且得分较低（即0.20），并且低于其他地区的工业就业岗位。

更接近工业区或紧邻工业用地用途的单户住宅区将获得更高的分数。在此示例中，位于斯波坎谷北侧的单户住宅区在地理上更接近工业用地，因此熵分数在0.30和0.90之间。

图6 工业与单户住宅–用地混合输出地图(人口普查小区组图层熵值)

或者，专题输出地图也可以显示为图表，以3D显示相同的信息。根据阅读对象，此输出可能很有用，可以帮助识别在2D地图中不明显的异常值。

图7 工业与单户住宅–用地混合3D输出地图

5.3运行其他土地利用场景的熵

(1)邻里商业与单户住宅

同样，将“普查小区组”设为您的工作层。对于邻里商业经文单户住宅分析，您的对话框将如下所示：

图8 土地利用混合熵指数对话框–邻里商业与单户住宅

此土地利用交互作用的输出地图显示，位于斯波坎谷中心附近的单户住宅的熵较高，其中一些邻里商业土地利用指定位于斯普拉格大道走廊沿线，因此可以更好地进行购物。

图9 邻里商业与单户住宅–用地混合输出地图(人口普查小区组图层熵值)



图10 邻里商业与单户住宅–用地混合3D输出地图

(2)公园/娱乐/开放空间

最后，我们将运行公园/娱乐/开放空间图层的“土地利用混合”工具，相对单户住宅分析。

您的对话框将如下所示。

图11 土地利用混合熵指数对话框–公园/娱乐/开放空间与单户住宅。

此土地利用交互作用的输出地图显示，位于公园和开放空间附近的单户住宅指定具有较高的熵。由于公园和开放空间分散在整个社区中，因此熵输出是最多样化的，表明许多单户住宅土地使用都可以进入公园和开放空间，但位于I-90走廊附近的那些除外。

图12 公园/娱乐/开放空间与单户住宅–用地混合输出地图(人口普查小区组图层熵值)

 

图13 公园/娱乐/开放空间与单户住宅–用地混合3D输出地图

6、结语

土地利用混合/熵是分析和衡量可达性以及根据各种基本假设探索变化的非常有用的工具。例如，假设您的社区中有三块空置土地，您想看看哪一块（如果开发）作为公园，将为附近的住宅提供最大的可达性。这提供了一个分析工具，用于确定选址的优先级。要将土地利用混合/熵分析提升到一个新的水平，可以添加额外的字段来测量吸引力水平（如小路，球场，游乐场等），并基于此运行模型，以更好地优化最佳地点的分析。

审核编辑：刘清