城市异速标度研究的起源、困境和复兴

作 者:

作者简介:
陈彦光,北京大学城市与环境学院,北京 100871 陈彦光(1965- ),男,河南罗山人,博士,副教授,主要从事地理分形和复杂城市系统研究,E-mail:chenyg@pku.edu.cn

原文出处:
地理研究

内容提要:

系统总结了城市异速标度研究的学术源流、量纲困境和现状特征,重点探讨了城市化异速标度分析的前景和意义。异速标度是城市研究的基本理论方法之一,该方法起源于20世纪50年代的生物学和一般系统论。由于量纲难题,城市异速分析经过一段时间的研究热潮之后趋于冷落;由于分维概念的引入,异速标度关系摆脱了量纲困境;由于相关领域的推动,城市异速分析方法复兴。异速生长和异速标度分析在城市形态、城市生态、城市性态、城市动态以及城市体系等诸多领域都有应用。如今,异速生长正在与分形和自组织网络理论相互融合,发展成为基于一般标度律的城市过程和格局的集成分析方法。由于城市化与城市形态、城市体系等方面的密切相关,异速标度分析极有前景的一个发展方向可能是城市化研究。城市化异速分析可望将不同类型的城市异速标度研究成果组织成一个完整的逻辑框架。


期刊代号:K9
分类名称:地理
复印期号:2013 年 05 期

字号:

       修订日期:2013-04-03

       1 引言

       异速标度关系最早发现于生物现象,该理论逐渐从生物学渗透到地理学、物理学、语言学、社会学、经济学、计算机科学以及自组织网络等诸多领域。如今,异速标度律被视为理解世界的普适图景(ubiquitous patterns)之一。地理学是较早引入异速生长理论的学科,城市研究则是最早应用异速定律的地理学领域。20世纪70年代城市异速分析达到第一个高峰期[1-7]。由于量纲难题,城市异速分析一度陷入理论困境;由于分形思想的引入,城市异速关系的量纲问题终于得到解决,使得城市异速问题重新受到学术界的重视。例如,城市地理学和物理学的双栖学者Benguigui及其合作者研究了以色列特拉维夫城市形态的边界与面积异速标度关系[8];著名城市理论地理学家Batty及其合作者将异速标度分析用于英国大伦敦的建筑形态研究,发现城市建筑物的平均高度、建筑面积、建筑物的边界以及体积之间服从异速标度律[9],这个发现对城市规划和城市空间优化利用具有指导意义。

       近年来,西方学者直接或者间接利用异速标度思想开展了大量有关城市的研究工作,包括城市形态(urban form)、城市生态(urban ecology)、城市性态(urbanism)和城市体系(urban system)。这些内容是城市化研究的组成部分[10]。在城市内部结构方面,有研究揭示了城市人口规模与基础设施密度之间的异速标度关系[11];还有学者发现城市小汽车拥有量、城市加油站数量与城市规模的异速标度关系[12];也有学者发现城市基础设施、人均收入与城市规模的异速标度关系[13],这些发现对城市规划也很有意义。在城市体系和交通网络方面,发现城市公路网络服从异速标度律[14];还有学者从自组织网络的角度研究了城市人口规模与网络联系度(degree)和网络强度(strength)的异速关系,以及市民月收入(monthly municipal income, MMI)与网络联系度和网络强度的关系[15]。在城市生态和性态方面,有人类比于哺乳动物的心跳频率(生物生命步伐)与生物体积之间的负幂律关系,揭示了城市居民步行的平均速度(相当于生命活动的步伐)与城市体积之间的异速标度关系[13];能量消耗(相当于生物体的新陈代谢率)、城市间人口流动的节奏(相当于生物体的脉搏速率)与城市的人口规模(相当于生物体的体积)、大城市中不同区位之间人口移动的异速标度关系也被揭示[16,17]。有一些异速标度分析不是直接针对城市,但其思想和方法可以应用于城市生态和性态研究,例如人口生殖力(用生育率测度)与人均能量消耗的异速标度关系[18]、人口规模与人口活动地域范围的异速标度关系[19],以及人类旅行的标度关系[20]。这些研究都可以推广到城市化研究。日本学者发现,日本姓氏与所在人群规模之间存在异速标度关系,而姓氏规模与该姓氏的人口位序之间则存在负幂律关系[21]——实际上是一种反异速关系。这个发现对城市生态研究具有启发意义。

       遗憾的是,上述很多地理问题的研究不是地理学家开展的工作,其研究成果也不是发表在地理期刊上。过去有许多地理问题被其他领域侵占和瓜分的教训。如果地理界不及早占领城市化的异速标度研究,有关问题或迟或早会成为其他学科的组成部分,从而地理学的理论活动空间受到进一步地挤压。到了那个时候,地理学者不得不像从相关学科“拿来”其他成果一样,又得从有关领域拿来异速标度研究成果。果真如此,地理学就很难从一门追随型的学科发展为一门创造型的学科。这种局面显然不利于地理科学的可持续发展。

       近年来,中国地理学者特别是年轻学者也开始着手城市异速生长研究,大多数学者研究城市化进程中的城市人口—城区面积异速关系及其应用[22-27],少数学者研究了城、乡人口异速关系[28]、城市体系时空演化[29]以及城市人口—产值关系[30]等。陈彦光等在城市人口—城区面积、城市化、郊区化、城市人口—产值关系、城市体系、交通网络、城市化的分叉和混沌过程等诸多领域开展了较多的异速标度分析,在理论和应用两个领域进行了拓展[31,32],主要研究成果如下:①基于量纲不对称提出了城市同测度异速标度关系,并在此基础上发展了城市体系研究的广义维数分析方法[33];②正式提出等级异速的概念[34];③揭示了城市化从分叉到混沌演化过程的异速标度关系[35];④发现城市体系与水系具有相同的等级异速特征,二者都可以采用规模—面积—数目测度刻画异速标度关系[36];⑤提出了城市自仿射生长过程中两个正交主方向上的异速标度关系[37]。西方学者从城市化角度揭示出城市专利产品、个人收入以及电缆长度与城市规模之间的正异速关系,即标度指数大于1以及城市基础设施与城市规模之间的负异速关系,即标度指数小于1,这个发现对城市优化具有重要意义[13]。其实,陈彦光等从分形和异速的角度开展过类似研究,并发现如下规律:城市产值和耗能等与人口规模之间为正异速关系,而城市用地则与城市规模之间为负异速关系[38-40]。这意味着,城市规模越大,人均收入越高,人均用地(与基础设施有关)越少,但水能消耗更多。

       问题在于,无论西方的城市异速标度研究,还是中国的城市异速生长分析,都未曾系统化,特别是直接针对城市化的研究成果迄今不多。另一方面,城市化研究的方方面面都涉及异速标度问题。前期的研究历史表明,基于城市化的异速生长研究是未来一个极具前景的方向。以城市化研究为指向,可望构建一个完整的异速分析理论和模型框架。

相关文章: