[论文解读] Urban Morphometrics: Towards a Science of Urban Evolution

Jacob Dibble, Alexios Prelorendjos+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Land Use and Ecosystem Services参考文献 27被引用 13

一句话总结

本文提出了城市形态计量学（Urban Morphometrics），一种基于公共大数据的统计稳健、普适性城市肌理量化分类体系。通过对40个英国城市的形态要素进行测量，该研究应用进化生物学模型揭示了与历史城市形态相关的显著结构聚类，明确区分了二战前与二战后城市演化的不同路径。

ABSTRACT

Urban theorists, social reformists and philosophers have considered the city as a living organism since Plato. However, despite extraordinary advancements in evolutionary biology, now being used to explain social and cultural phenomena, a proper science of evolution in cities has never been established since Geddes' work at the dawn of the Town Planning discipline. Commencing in the tradition of Urban Morphology, this research develops and validates a statistically reliable and universally applicable urban taxonomy. The research solidifies existing definitions of built form at the scale of the urban fabric and identifies the constituent elements of form in 40 contemporary UK cities. Quantifiable measurements of these elements allow mathematical descriptions of their organization and mutual relationships. Further, an optimized list of indices with maximum discriminatory potential distinguishes between cases from four historically characterised categories: 1) Historical, 2) Industrial, 3) New Towns, 4) Sprawl. Finally, a dendrogram is produced that shows the tree of similarity between cases, where the great divide between pre and post WWII war urban form is demonstrated. This work shows that: a) it is conceptually sound and viable to measure urban fabric utilizing public, big-data repositories, b) the proposed urban morphometrics system accurately characterises the structure of urban form and clusters cases properly based on their historical origins, c) scientific models of biological evolution can be applied to urban analysis to understand underlying structural similarities.

研究动机与目标

• 通过将城市形态形式化为可测量、可量化的实体，建立一个类比于生物进化的科学框架，以理解城市演化。
• 解决当代城市中城市形态学缺乏标准化、统计可靠的分类体系的问题。
• 通过使用来自40个英国城市的现实世界数据验证该方法，确保其普适性和可重复性。
• 证明进化模型能够准确捕捉城市形态中的结构相似性与历史谱系。
• 根据历史发展模式区分城市形态：历史型、工业型、新城型与蔓延型。

提出的方法

• 通过识别并测量城市肌理尺度下的基本形态要素，建立系统性的城市分类体系。
• 利用公共大数据存储库（如OpenStreetMap、Ordnance Survey）提取建筑形态组件的可量化指标。
• 应用多变量统计分析，计算一组具有最大区分能力的优化形态指数。
• 采用层次聚类（树状图）可视化基于形态指数的城市之间结构相似性与差异性。
• 借鉴进化生物学原理（如系统发育分析）来建模城市形态演化与谱系关系。
• 通过测试其将城市正确聚类至历史定义类别的能力，验证该系统的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用公共大数据源系统性地量化城市形态，以实现科学分析？
• RQ2 从城市肌理中提取的形态指数在多大程度上能准确反映历史城市发展模式？
• RQ3 能否有意义地将进化模型应用于城市形态，以揭示结构相似性与谱系关系？
• RQ4 战前与战后城市形态之间是否存在统计上显著的差异？
• RQ5 能否开发出一种普适且可重复的城市形态分类体系，以区分主要城市类型？

主要发现

• 所提出的Urban Morphometrics系统能够以高统计可靠性，利用公开获取的大数据成功表征城市肌理。
• 该方法能根据形态相似性，将城市正确聚类为四种类别——历史型、工业型、新城型与蔓延型。
• 通过层次聚类（树状图）显示，战前与战后城市形态之间存在清晰的形态学分界，证实了其不同的演化谱系。
• 优化后的形态指数集合展现出最大区分能力，可实现对城市形态的精确分类。
• 将进化模型应用于城市形态，生成了类似系统发育树的相似性结构，验证了生物进化与城市演化之间的类比关系。
• 本研究证实，城市形态可被视为一个可测量、持续演化的系统，从而为城市随时间发展的科学分析提供了可能。