[论文解读] 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 5

一句话总结

本文利用高分辨率土地利用和人口数据，证明欧洲城市在城市规模上表现出土地利用和人口密度分布的相似性（同位似缩放）。研究发现，土地利用构成比例（如住宅、道路等）与人口的平方根成比例，而人口密度分布则与人口的立方根成比例，证实了城市规模之间存在一致的径向结构，从而弥合了城市内部结构与城市系统研究之间的鸿沟。

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.

研究动机与目标

• 通过分析不同城市规模下的空间结构，弥合城市内部单中心模型与城市间规模定律之间的差距。
• 解决城市规模研究中缺乏空间整合的问题，并弥补单中心模型中经验验证不足的缺陷。
• 基于缩放行为，提出一种与人口无关的一致性城市区域定义。
• 检验在大规模欧洲城市样本中，土地利用和人口密度分布是否系统性地随城市规模缩放。
• 通过建立空间一致的城市定义，促进城市规模定律与齐夫定律分析的一致性。

提出的方法

• 利用2006年GMES/Copernicus城市档案（5米分辨率）对300个居民人口超过10万的欧洲城市进行人工土地利用制图。
• 结合1公里分辨率的Geostat人口网格数据，按表面积比例分配人口，并根据土壤封蔽程度和密度等级加权。
• 以距城市中心（市政厅）的径向距离为关键空间变量，测量土地利用和人口密度分布相对于城市中心的径向剖面。
• 应用缩放分析，研究土地利用和人口密度的完整径向剖面如何随城市总人口缩放。
• 通过移动城市中心位置，检验结果的稳健性，评估剖面对中心位置变化的敏感性。
• 使用幂律缩放关系建模土地利用构成比例和密度对城市人口的依赖关系，识别指数（例如，城市面积为2/3，密度缩放为1/3）。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧洲城市的土地利用和人口密度分布是否随城市规模呈现同位似缩放？
• RQ2 随着城市人口增加，住宅、道路及其他人工土地利用的径向分布如何缩放？
• RQ3 欧洲城市的单中心结构在不同城市规模下在多大程度上保持不变？
• RQ4 能否从土地利用和密度分布的缩放行为中推导出一种一致的、与人口无关的城市区域定义？
• RQ5 城市中心位置的选择在多大程度上影响径向剖面的观测缩放关系？

主要发现

• 土地利用构成比例（尤其是住宅和道路）与城市人口的平方根成比例，表明城市形态具有同位似缩放特征。
• 人口密度分布与城市人口的立方根成比例，证实了三维缩放关系的存在。
• 城市面积与城市人口的2/3次方成比例，与早期研究结果一致，但现已被大规模城市横截面数据验证。
• 即使将城市中心移动几公里，土地利用和人口密度曲线的形状依然保持稳健，表明单中心结构具有稳定性。
• 不同规模城市的人工土地利用和人口密度的径向剖面表现出显著的一致性，支持欧洲城市具有同位似特性的结论。
• 研究结果支持单中心城市模型与城市规模定律的整合，表明通用城市模型应明确纳入这些缩放模式。