基于改进Topsis法的城市活力评价——以南昌市为例_冉长鑫.pdf

收稿日期:2022 10 13;修订日期:2022 12 23作者简介:冉长鑫(1996)，男，硕士研究生，研究方向:GIS 与城市生态环境评价。基金项目:国家自然科学基金项目(41861052)。*通信作者:程朋根(1964)，男，博士，教授，研究方向:三维地理信息系统理论与应用、遥感数据处理、城市生态环境评价。E mail:pgcheng1964163 com。第 41 卷第 1 期2023 年 2 月江西科学JIANGXISCIENCEVol 41 No 1Feb 2023doi:1013990/j issn1001 3679 202301027基于改进 Topsis 法的城市活力评价 以南昌市为例冉长鑫1，程玮瑜2，吴静1，程朋根1*(1 东华理工大学测绘工程学院，330013，南昌;2 同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司建筑设计一院，200092，上海)摘要:城市活力研究对评估城市发展、建设和规划等方面有着积极的作用。使用传统的熵权法和 Topsis 法进行城市综合活力评价时，除中心城区外的近郊，不能有效区分远郊与乡村间城市活力值。采用最小累计阻力模型(Minimal Cumulative esistance Model，MCM)构建经济走廊用于距离定权，并基于加权广义马氏距离与距离定权改进 Topsis 法来进行城市综合活力评价，以南昌市综合活力评价为例开展研究。结果表明，与熵权法和传统 Topsis 法相比，改进型 Topsis 法对近郊的活力值有明显的提升作用，使近郊的评价结果更加符合实际情况。关键词:城市活力;熵权法;Topsis 法;MCM;马氏距离中图分类号:TU984文献标识码:A文章编号:1001 3679(2023)01 152 08Evaluation Method of Urban Vitality Based on MinimumAccumulated esistance Model A Case Study of Nanchang CityAN Changxin1，CHENG Weiyu2，WU Jing1，CHENG Penggen1*(1 Faculty of Geomatics，East China University of Technology，330013，Nanchang，PC;2 The First Institute of Architectural Design，Tongji University Architectural Design andesearch Institute(Group)Co Ltd，200092，Shanghai，PC)Abstract:The study of urban vitality plays a positive role in evaluating urban development，con-struction and planning When the traditional method is used to evaluate the comprehensive urban vi-tality，the difference between the suburban，exurb and rural areas is not high，and the difference isnot highlighted In this paper，Minimal Cumulative esistance Model(MCM)is adopted to con-struct economic corridor for distance weighting，and Topsis method is improved based on weightedgeneralized Markov distance and distance weighting to evaluate the comprehensive vitality of citiesTaking the comprehensive vitality evaluation of Nanchang city as an example，the research is carriedout The comparison results show that compared with the entropy weight method and the traditionalTopsis method，the improved Topsis method has a significant improvement effect on the suburban vi-tality value，which makes the suburban evaluation results more consistent with the actual situationKey words:urban vitality;entropy method;Topsis method;MCM;markov distance0引言“城市活力”即城市的生命力，城市是否具有旺盛的生命力是一个城市快速发展的保证1 2。目前我国处于中国特色社会主义建设的关键时期，城市活力作为城市空间品质的重要体现，学者们对其宏观意义及微观表现等方面开展了较为系统的研究。城市活力理论在规划、园林和地理科学等领域中得到广泛的应用，但仍处于发展阶段3。罗铮蒸以 POI 数据研究成都市城市活力空间布局4。雷舒砚从经济活力、社会活力、环境活力和文化活力 4 个方面，利用熵权法对四川省各城市的综合活力进行评价与分析5。翁世杰则使用 Topsis 法对武汉市三环以内主城区的城市活力进行评估6。在使用传统的熵权法、Topsis 法对南昌市综合城市活力进行评价时，发现近郊城市活力值与远郊城市活力值均属于低水平，根据南昌市实际情况来看，近郊与远郊应属于中等或较低活力值区域，评价结果不能很好地反映实际情况。鉴于此，对 Topsis 法进行改进，以期适应南昌市城市综合活力评价。本文利用夜光遥感数据、POI 数据以及人口密度数据，构建经济、社会和文化 3 个方面活力指标，融合加权广义马氏距离与最小累计阻力模型(MCM)改进 Topsis 法，对南昌市综合活力值进行评价，使其相较传统方法的结果更加符合南昌市的实际情况。1城市综合活力指标构建与评价方法1 1研究思路首先使用夜间灯光数据(Nighttime Light，NTL)、POI 数据和人口数据计算城市各区域的经济活力、社会活力与文化活力指标。其次利用 3类活力指标得到基于熵权法的城市综合活力值与基于传统 Topsis 法的城市综合活力值。其次是选择 3 类指标中极大值的乡镇作为源点，使用 DEM数据、土地利用数据、遥感生态指数(isk Screening Environmental Indicators，SEI)数 据、OSM 道路数据，基于 MCM 构建描述人类活动途径的经济走廊，得到源到各乡镇的距离值，用于距离加权。最后利用加权广义马氏距离与距离加权改进 Topsis 法，计算城市综合活力。具体技术路线如图 1 所示。图 1技术路线1 2活力指标构建综合考虑现有城市活力测度研究成果7 10，本研究采用社会活力、经济活力以及文化活力作为城市活力的评价指标。1)社会活力与城市居民的活动密切相关，一般城市人口密度越高的区域具有越高的社会活力，采用乡镇人口密度 Di表征社会活力，如式(1)所示:Di=ai NA Si(1)式中:Di为乡镇 i 的人口密度，ai为乡镇 i 内的建筑面积，A 为乡镇 i 所属区县内的建筑面积，N 为乡镇 i 所属区县的人口数，Si为乡镇 i 的行政区划面积。2)采用 NTL 数据与 POI 数据带宽为 500 m的核密度加权叠加得到的结果来表征城市的经济活力11，其目的是纠正夜间灯光数据中工地、机场、工业园区等地灯光值偏高的现象，各类指标及对应权值如表 1，计算公式如式(2)、式(3)所示:F(s)=1nhni=1k(si sh)(2)351第 1 期冉长鑫 等:基于改进 Topsis 法的城市活力评价X=F(3)式中:F(s)为空间s 处的核密度函数，h 为带宽，n为在s的带宽范围内的样本的数量，si s为样本si到 s 的距离，k 为核函数;X 为经济活力，F 为 POI数据核密度及NTL数据，为各数据对应的权值。相比核函数，带宽的选择对核密度的影响更大。本文带宽根据相关研究成果，选择为 500 m12。表 1经济活力各指标权重指标说明权值NTL夜间灯光数据0 274 2商业金融类POI 核密度公司企业、金 融 保 险 服务、汽车销售0 324 6生活配套类POI 核密度餐饮服务、生活服务、汽车服务、购物服务、住宿服务0 230 9休闲娱乐类POI 核密度体育休闲服务、风景名胜0 170 33)文化活力主要反映城市中文化活动和文化事件发生的活跃程度，包括文化设施数量与人流量，选用科教文化类 POI 数据带宽设置为 500 m的核密度，来表征城市的文化活力，如式(2)所示。1 3评价方法13 1熵权法熵权法是通过度量数据中所含有的有效信息来确定权重的一种客观确权方法，当各数据的差异较大时所含有的信息量就越大，权重就越大，反之权重就越小13。城市活力值的计算是通过各类指标加权叠加得到，第 j 类指标权重 Wj的计算见式(4)式(6):pij=XijMi=1Xij(4)Hj=kMi=1pijlnpij(5)Wj=1 Hjnj=1(1 Hj)(6)式中:Wj为第j类指标权重，并且0Wj1。pij为第 i 个区域的第 j 个指标比重，Xij为第 i 个区域的第 j 个指标归一化值，k=1lnN，N 为样本数量，本文中即为乡镇的数量。1 3 2传统 Topsis 法传统 Topsis(Techniquefor Order Preference by Similarity to an Ideal Solu-tion)法，即逼近理想解排序法14。是通过计算样本与最优解和最劣解的距离来评价样本的一种评价方法，常用的距离值如欧式距离。其具体评价步骤有:1)指标归一化，确定最优与最劣解;2)计算样本与最优方案与最劣方案的距离;3)计算综合评价值。1 3 3改进 Topsis 法的城市活力评价改进的Topsis 评价方法的基本思路就是采用加权广义马氏距离替代欧氏距离，其目的是为了消除指标之间的相关性。加权广义马氏距离的计算见式(7)式(9):D+mi=(Xi X+)TWT+W(Xi X+)(7)Dmi=(Xi X)TWT+W(Xi X)(8)Ci=DmiD+mi+Dmi，(i=1，2，n)(9)式中:Xi为第 i 个区域指标向量值，X+与 X分别为对应指标的最优解与最劣解，W=diag(Wij)，Wij为各指标的权重，+为乡镇各指标间协方差矩阵的伪逆矩阵。D+mi、Dmi分别为对应最优解、最劣解的加权广义马氏距离。Ci为第 i 个样本的综合评价值，0 Ci 1，Ci越接近 1 表示该样本越好，反之越差。计算各指标的权重值，通常只考虑样本的属性，实际上城市活力不仅取决于区域本身属性，还与周围区域的影响有关，因此采用距离确权法来确定各样本对应指标的权重值，第 i 个样本区域在 j 指标下的权值 Wij的计算见式(10)、式(11):Dij=dijni=1dij(10)Wij=max(Dij)Dij(11)式中:dij为第i个样本区域到j指标理想解即最优解的距离。dij值采用最小累计阻力模型 MCM 计算。通常 dij采用的是直线距离，但现实生活中，人类主要沿着经济走廊进行联系并互相影响，即不同区域的城市活力沿着经济走廊互相作用，因此可借鉴构建生态走廊的经验15，采用最小累计阻力模型 MCM 求解各区域与理想解之间在经济走廊上的距离值来定权。构建经济走廊时，选用 DEM、坡度、土地利用数据、SEI