[논문 리뷰] Scaling evidence of the homothetic nature of cities

Rémi Lemoy, Geoffrey Caruso|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 21.

Land Use and Ecosystem Services참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 토지 이용 및 인구 데이터를 사용하여 유럽 도시들이 도시 규모에 비례해 동형 비율으로 토지 이용 및 인구 밀도 프로파일을 나타냄을 보여준다. 토지 이용 비중(예: 주거, 도로)은 인구의 제곱근 비례로 증가하고, 인구 밀도 프로파일은 세제곱근 비례로 증가함을 보여, 도시 규모에 관계없이 일관된 반경 구조가 존재함을 확인하며, 내도시 및 도시 체계 연구를 연결한다.

ABSTRACT

In this paper we analyse the profile of land use and population density with respect to the distance to the city centre for the European city. In addition to providing the radial population density and soil-sealing profiles for a large set of cities, we demonstrate a remarkable constancy of the profiles across city size. Our analysis combines the GMES/Copernicus Urban Atlas 2006 land use database at 5m resolution for 300 European cities with more than 100.000 inhabitants and the Geostat population grid at 1km resolution. Population is allocated proportionally to surface and weighted by soil sealing and density classes of the Urban Atlas. We analyse the profile of each artificial land use and population with distance to the town hall. In line with earlier literature, we confirm the strong monocentricity of the European city and the negative exponential curve for population density. Moreover, we find that land use curves, in particular the share of housing and roads, scale along the two horizontal dimensions with the square root of city population, while population curves scale in three dimensions with the cubic root of city population. In short, European cities of different sizes are homothetic in terms of land use and population density. While earlier literature documented the scaling of average densities (total surface and population) with city size, we document the scaling of the whole radial distance profile with city size, thus liaising intra-urban radial analysis and systems of cities. In addition to providing a new empirical view of the European city, our scaling offers a set of practical and coherent definitions of a city, independent of its population, from which we can re-question urban scaling laws and Zipf's law for cities.

연구 동기 및 목표

• 내도시 단심모델과 도시 간 스케일링 법칙 사이의 격차를 메우기 위해 도시 규모 전반의 공간적 구조를 분석한다.
• 도시 스케일링 연구에서 공간적 통합의 부족과 단심모델에서의 부족한 실증적 검증 문제를 해결한다.
• 스케일링 행동에 기반한 일관되고 인구에 의존하지 않는 도시 영역 정의를 제공한다.
• 대규모 유럽 도시 샘플에서 토지 이용 및 인구 밀도 프로파일이 도시 규모에 따라 체계적으로 스케일링되는지 테스트한다.
• 공간적으로 일관된 도시 정의를 설정하여 도시 스케일링 법칙과 지프 법칙의 분석을 더욱 통합적으로 가능하게 한다.

제안 방법

• 10만 명 이상의 인구를 가진 300개의 유럽 도시에 대해 5m 해상도의 GMES/Copernicus 도시 지도 2006 자료를 활용하여 인공 토지 이용을 매핑하였다.
• 1km 해상도의 Geostat 인구 격자 자료와 결합하여, 표면적 비율에 따라 인구를 할당하고, 토양 봉쇄 및 밀도 등급에 따라 가중치를 적용하였다.
• 도시 중심(시장실)으로부터의 반경 거리(반경 거리)를 핵심 공간 변수로 사용하여 도시 중심으로부터의 토지 이용 및 인구 밀도 프로파일을 측정하였다.
• 전체 도시 인구에 비례하여 토지 이용 및 인구 밀도의 전체 반경 프로파일이 어떻게 스케일링되는지 분석하기 위해 스케일링 분석을 적용하였다.
• 도시 중심 위치를 이동시켜 결과의 정확도를 평가함으로써 프로파일의 민감도를 검증하였다.
• 구력 법칙 스케일링 관계를 사용하여 토지 이용 비중과 밀도가 도시 인구에 따라 어떻게 의존하는지 모델링하였으며, 지수(예: 도시 면적의 2/3, 밀도 스케일링의 1/3)를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유럽 도시의 토지 이용 및 인구 밀도 프로파일은 도시 규모에 따라 동형 비율로 스케일링되는가?
• RQ2 주거, 도로 및 기타 인공 토지 이용의 반경 프로파일은 도시 인구가 증가함에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 다양한 도시 규모에서 유럽 도시의 단심형 구조는 어느 정도 유지되는가?
• RQ4 토지 이용 및 밀도 프로파일의 스케일링 행동에서 일관되고 인구에 의존하지 않는 도시 영역 정의를 도출할 수 있는가?
• RQ5 도시 중심 위치의 선택은 관측된 반경 프로파일의 스케일링에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 특히 주거 및 도로와 같은 토지 이용 비중은 도시 인구의 제곱근 비례로 증가하여, 도시 형태에서 동형 비율 스케일링이 존재함을 나타낸다.
• 인구 밀도 프로파일은 도시 인구의 세제곱근 비례로 증가하여, 3차원적 스케일링 관계가 존재함을 확인한다.
• 도시 면적은 도시 인구의 2/3 거듭제곱 비례로 증가하며, 이는 이전 연구 결과와 일치하지만 이제는 대규모 도시 샘플 전반에서 검증되었다.
• 도시 중심을 몇 킬로미터 이동시켜도 토지 이용 및 인구 밀도 곡선의 형태가 뚜렷하게 유지되어 단심형 구조의 안정성을 보여준다.
• 다양한 규모의 도시에서 인공 토지 이용 및 인구 밀도의 반경 프로파일이 놀랄 정도로 일관되게 유지되어, 유럽 도시의 동형성 본질을 지지한다.
• 결과는 단심형 도시 모델과 도시 스케일링 법칙 간의 통합을 뒷받침하며, 일반화된 도시 모델이 이러한 스케일링 패턴을 명시적으로 통합해야 한다고 제안한다.