世界各地的城市每周都在吸收一百万新增人口——到2030年，它们可能会额外消耗150万平方公里的土地，大约相当于法国、德国和西班牙的总面积。这些城市发展的最佳方式是什么？一项新的研究考察了在城市规划师出现之前，一群意大利村庄如何演变成今天米兰郊外的郊区。这样的研究最终可能有助于规划者优化未来的发展。
“我们对城市如何自然发展知之甚少，”瑞士洛桑联邦理工学院研究城市地理学的博士候选人、该研究的作者Emanuele Strano说。“城市规划者认为，通过法规，我们可以控制城市的发展。问题是，如果我们不真正了解一个事物的行为方式，我们如何控制它？”
这项新的研究朝着这种基本的理解迈出了一步。Strano和他的同事——一组计算机科学家、数学家、物理学家和城市学者——联手提供了对未经规划的街道网络如何随时间演变的首次定量分析。他们的研究结果于3月1日发表在《自然》的“科学报告”中。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
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“从历史上看，很多这些分析都没有使用如此重要的定量基础，”伦敦大学学院（U.C.L.）的城市理论家Stephen Marshall说，他没有参与这项研究。“在我熟悉的领域，人们可能会制作一张城市地图，并在更定性的基础上比较和对比两张地图。” Marshall还表示，这项工作标志着首次有人研究这些属性如何随时间变化。
Strano和他的同事研究了意大利米兰郊外Groane地区的增长。研究人员使用最早可追溯到1833年的地图，模拟了Groane从农业用地发展成住宅和工业区，然后变成米兰大都市的后工业郊区的城市扩张过程。在1833年至2007年之间的七个时间点，研究人员使用地理空间数据和编程脚本构建了数字地图（如上图所示），将街道系统视为链接（街道）和节点（交叉路口）的网络。
对数字化地图进行的网络分析显示，尽管Groane从未进行过大规模的规划工作，但街道网络演变得在规模和密度上更加均匀，其主要形状从三角形转变为矩形。作者说，矩形街道网络可能会自然形成，仅仅是因为它们提供了更有效的路径，并允许更合理的土地细分。
该研究还确定了城市增长的两个过程：一个是探索，新的街道延伸到农村地区；另一个是密集化，新的街道填补了现有网络中的空白。共同作者、法国原子能委员会的理论物理学家Marc Barthelemy解释说，尽管该小组已经确定了一些控制密集化过程（倾向于使网格更加有序和方形）的规则，但探索的预测性较差。他说，他团队未来的研究将更仔细地研究探索过程，以了解是什么驱动了城市扩张。“我们应该理解它，因为它可能会提供一些关于如何减缓它的提示。”
尽管在1833年至2007年之间，交通方式发生了巨大变化，但最初的道路布局仍然基本完好无损。事实上，研究人员发现，在现代，较老的街道往往是更中心的街道——2007年Groane最互联的道路中，有90%在1833年就已经存在。Barthelemy说，由于连通性更高的街道往往具有更高的交通流量，城市规划者可以计算现有或拟议街道网络的连通性，以了解人们将如何使用该空间。（一些规划者——例如伦敦的空间句法和斯特拉斯克莱德大学的城市设计研究组，Strano是其成员之一——已经在衡量连通性以优化城市设计。）
规划者已经怀疑了该研究的许多发现，但该研究为这些理论提供了经验支持，并表明自然规则可能指导城市的自组织。“我怀疑其中一些规则在任何地方都适用，因为城市始终是人造物体，”Strano说。
Marshall警告说，“要获得完整的图景，我们需要将这种网络分析方法与对地面上发生的事情的理解相结合——人类的行为是什么？” Marshall认为，文化设计偏好、建筑物的形状和小规模的规划工作等因素可能微妙地影响了Groane的街道网络。增长模式也可能在城市中心而不是在Groane所在的城市边缘有所不同。该研究的作者同意这一观点，他们表示，答案有待于进一步研究不同规模和地理位置以及不同经济历史的城市的街道网络演变。
其影响是重要的：相关研究表明，街道模式可能会影响当地经济、身体活动水平、公共交通使用、犯罪率和社会不平等。
“城市是非常复杂的结构，”U.C.L.的空间分析师Michael Batty说。“当你干预一个复杂的系统时，你会得到各种各样的副作用。”他说，像Strano这样的定量研究可能会引导规划者加强有机增长，而不是阻止它——从而帮助规划者建设更好的城市并防止失控的扩张。