[論文レビュー] Scaling evidence of the homothetic nature of cities

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

Land Use and Ecosystem Services参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高分解能の土地利用および人口データを用いて、ヨーロッパの都市が都市規模に対して、土地利用構成および人口密度プロファイルにおいて同相似的スケーリングを示すことを示している。土地利用構成（例：住宅、道路）は人口の平方根に比例してスケーリングされ、人口密度プロファイルは立方根に比例することで、都市規模の違いを越えて一貫した径方向的構造が存在することを確認し、都市内構造と都市スケーリング研究の橋渡しを果たしている。

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.

研究の動機と目的

• 都市規模の違いを考慮した空間的構造の分析を通じて、都市内単中心モデルと都市間スケーリング法則の間のギャップを埋めること。
• 都市スケーリング研究における空間的統合の不足と、単中心モデルにおける十分な実証的検証の欠如に応えること。
• スケーリング行動に基づく、人口に依存しない一貫した都市領域の定義を提示すること。
• ヨーロッパの都市群の大規模サンプルにおいて、土地利用および人口密度プロファイルが都市規模に伴い体系的にスケーリングするかどうかを検証すること。
• 空間的に一貫した都市定義を確立することで、都市スケーリング法則およびジフの法則のより整合性のある分析を可能にすること。

提案手法

• 人口10万人以上の都市300都市を対象とし、5m解像度のGMES/Copernicus Urban Atlas 2006を用いて人工的土地利用をマッピングした。
• 1km解像度のGeostat人口グリッドと統合し、表面積に割合を配分するとともに、土壌封鎖度および密度クラスによる重み付けを施した。
• 都市中心（市役所）からの距離を基準として、径方向距離を主な空間変数として用い、土地利用および人口密度プロファイルを測定した。
• 全径方向プロファイルが都市総人口にどのようにスケーリングされるかを検証するため、スケーリング分析を実施した。
• 都市中心位置のずれを用いて、プロファイルの感度を評価することで、結果の頑健性をテストした。
• べき乗則スケーリング関係を用いて、土地利用構成および密度が都市人口にどのように依存するかをモデル化し、指数（例：都市面積の2/3、密度スケーリングの1/3）を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヨーロッパ都市の土地利用および人口密度プロファイルは、都市規模に伴い同相似的スケーリングするか？
• RQ2 住宅、道路、その他の人工的土地利用の径方向プロファイルは、都市人口の増加に伴いどのようにスケーリングするか？
• RQ3 ヨーロッパ都市の単中心構造は、異なる都市規模においても保持されるか？
• RQ4 土地利用および密度プロファイルのスケーリング行動から、一貫した人口に依存しない都市領域の定義を導出できるか？
• RQ5 都市中心位置の選定が、径方向プロファイルの観察されるスケーリングにどのように影響するか？

主な発見

• 特に住宅および道路の土地利用構成は、都市人口の平方根に比例してスケーリングされ、都市形態における同相似的スケーリングを示している。
• 人口密度プロファイルは都市人口の立方根に比例し、三次元的スケーリング関係を確認している。
• 都市面積は都市人口の2/3乗に比例し、以前の研究結果と整合的であるが、今回の大規模な都市サンプルで再確認された。
• 都市中心を数キロメートルずらしても、土地利用および人口密度曲線の形状が安定しており、単中心構造の頑健性を示している。
• 異なる規模の都市において、人工的土地利用および人口密度の径方向プロファイルが顕著に一貫しており、ヨーロッパ都市の同相似的性質を支持している。
• 結果は、単中心都市モデルと都市スケーリング法則の統合を支持しており、汎用的都市モデルがこれらのスケーリングパターンを明示的に組み込むべきであることを示唆している。