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城乡路网的空间复杂性

刘承良  
【摘要】:融汇系统科学、非线性科学和复杂科学相关理论和方法,构建城乡路网系统的空间复杂性理论体系和研究范式(关系),融入地计算思想和GIS技术,引入(或改进)系列复杂网络信息挖掘模型(映射),以武汉城市圈为主研究区,从形态、结构、功能等视角实证揭示出城乡路网系统的空间复杂性规律(反演): 城乡路网系统是一开放而复杂的巨系统,具有自相似性、小世界性、无标度性和自组织性等某一或某些复杂性特征,表现为构成的多样性和高维性,形态架构的自相似性和自仿射性,结构关联的非线性和自组织性,功能组织的自主性和层次性,演化作用的协同性和突变性。 城乡路网系统形态的复杂性突出表现为整个城乡道路网以非整数维充填和渗渝空间,呈现局部一整体的自相似性和自仿射性特征。这种形态分形,一方面存在“尺度变换的标度不变性”,具有普遍性,分形发育性态不以时空变换而变化,标度变换具有良好环境包容性和阈值区间稳定性;另一方面,这种形态秩序不是一蹙即就,而是通过对称破缺一重建的矛盾运动逐步进化显现出来,需要通过一定的时空条件和尺度变换才可以“无中生有”地“突现”,从而表现出“标度变换的尺度约束性”,两个方面貌似对立,实为统一,不可须臾分离。 城乡路网系统结构的复杂性源于其构成要素的相互作用和耦合的非线性,这种结构的关联作用可以通过图论抽象成网,表现为一张微观杂乱纷陈、宏观井然有序的自组织网络。微观物理运动下城乡节点作用和分布遵循简单的规则(高斯与指数律分布),而宏观可观察的时空尺度下呈现某种结构和秩序(幂律分布):路网拓扑性质的空间分布具有异质性、内在作用具有相关性及外在干扰具有稳定性或脆弱性,因此,整个系统整体“平均”来看具有较强随机性,局部“分割”却具有一定的无标度性或小世界性,出现在混沌的边缘,呈现随机一有序矛盾运动、自组织一他组织交互作用的动态临界相变过程。 城乡路网系统功能的复杂性主要通过通达性的层次性分异和层次性的通达性效应共同载现。其中,层次性涉及系统功能组织的复杂性,而通达性则是系统功能效应的空间展现,是系统内在的等级层次性机制长时间作用的结果,往往表现出宏观时空尺度上的分异性: 一方面,从时序演化来看,通达性的空间演化遵从层次性组织“路径依赖”,即初始形成的等级层次(对称性)不断被强化,表现出空间的稳定性和初值的依赖性;同时遵循能量最小化原理,表现出空间分布的趋同性——趋中性、多心化和向异性,新的等级层次(对称性重构)不断建立,整个系统处于集聚和分散、同一和异化、对称建立和对称破坏、渐变和突变的对立统一运动过程中。 另一方面,从空间分异来看,通达性的空间分布及效应的分异程度受制于观察尺度、计量方法和研究对象,表明系统具有认识意义上的复杂性;同时,与自然—人文地理格局保持某种同构,遵循“地质构造→自然地理→(→政治规划活动)→社会经济地理→城市地理→交通地理”的作用机理,通达性格局呈现环状—星状—带状形态和整体对称性架构—局部对称性破缺的空间交织及时序交替,表明系统功能复杂性是自然—人文地理对称性秩序(层次性结构)建立和破坏的涌现。


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