武汉城市圈城市空间形态特征及其变化

武汉城市圈城市空间形态特征及其变化 武汉城市圈城市空间形态特征及其变化 武汉城市圈城市空间形态特征及其变化 余瑞林,王新生,刘承良2b (1.安庆师范学院资源环境学院,安徽安庆264011;2.湖北大学a.资源环境学院山.商学院旅游管理系,湖北武汉430062) 摘要:以国家资源环境数据库数据为基础,采用分形维,形状指数和紧凑度等指标,结合GIS分析方法,分析了1990年和2OOO 年武汉市城市圈城市空间形态特征及变化趋势.结果表明,武汉,黄石,荆州等老城市的空间形态分形维较高,形状指数大,城市空 间形状的紧凑度较差;而潜江,随州,仙桃等城市分形维相对较低,形状指数较小,城市紧凑度较好.在总体变化趋势上,武汉城市 圈城市空间形态不断扩展与蔓延,边界趋f旬于破碎,城市内部空隙逐渐增多,城市形态轮廓趋于复杂化,城市形状紧凑度逐年下降, 城市建设用地效率降低. 关键词:空间形态;分形维数;形状指数;紧凑度;变化趋势;武汉城市圈 中图分类号:F290文献标志码:A文章编号:1005—8141(2008)o6一O5O6—04 latial—temporala嘲日ges0fUrban曙董tialM0rpb蛔ofW讪衄Mela'opoli~ YuRl】i—lin1,WANGXin一8lleIl,LIU一lia】 (1.SchoolofIiI棼0?ceandFawiromaemScienceATeacher'8College,AIlqiI】g246011,China; 2.HubeiUniversitya.F~tltyofRD?andn而删功瞪I,a1Scienc~;b.Touri~a弛瑚删DEofBusin~School,Wuhan430062,Chir,a) ~:Urban印a土ialmorphologywasamaindir~ol'iforthereachafurl~0垂呐.Fraetaldimemiom,8hapeindicesandcompactratiom ofurbaaspatialmorphologyaf12citiesin7Cubanmetropolitanin1990and2OOOwerec,~pu teabyusiIlgdyIIliltl3icland—usedatafromthenadoml i"l~8Otlre,e8andenviror~entaldatabasee~tblishedbytheIGSNRR,C_AS.Theresultssho wed,fraetaldJlne~ollSand8b丑lpeindicesofurbaa叩划llflll~- phologyfor7Cuban,Huangshi,JiIlgouwerehiOlerthanothercities,butc0哪p,IcI脚rationsofeeideswerelower.Opr~y,fractaldil/~on8 andshapeindicesafurbanspatialmorphologyforQi,uliiar.g,SuizhouandXiaz~We,lt~lowe rthanother8,the伽哪levelofthesecitiesWerebet— ter.Asawhole,urbanspatialm,~pho]ogyofWul~nmetropolit~wasgr~uaUyi~q38/181orla nd印Iead,thel~rdedine8ofI】印aalmorphology trendedtobreakup,theiIIIerspace8ofinilel"一urbanWe,lt~increased,urbanspatialmo,l,hol~tendedtowardscomplication,theclxnpl~Oll levelof citieswP_,relI棚yearafteryear. Keywords:uIbaIlspat~lmorphology;fraetaldimensions;shapeindices;compactrations;ch ange~7~uhanmetropolitan 城市圈空间发展是一个复杂的社会,经济,生态与 空间耦合的自组织与被构组织过程,表现为城市圈内 在自然规律性因素支配与外在人为调控共同作用的双 重复合过程.其中内在自然规律性因素支配过程的直 接表现为城市用地的扩展与蔓延,即城市的地域空间 形态.城市地域空间形态合理与否直接影响城市与周 围腹地的联系程度,交通组织以及关系到城市生产,生 活及合理发展方向,城市圈各城市间的协作组织等问 题.对城市圈城市空间形态进行研究成为城市地理, 城市与区域规划的重要内容之一.但当前的研究多为 采用定性的方法对城市圈域城市空间形态演变进行描 述和说明llJ,或者是对特定的城市进行定量分析和 比较研究l4J,这些研究将各城市视为独立的实体,较 少关注城市间空间形态的密切联系.本文以武汉城市 收稿日期:2008—04—07;修订日期;21X~一05—17 基金项目:地理信息科学教育部重点实验室开放研究基金资助项 目(编号:LGISE1VIo6o~);武汉市社科基金项目(编号:06011);湖北省社 科基金项目(编号:070~9). 第一作者简介:余瑞林(1982一),男,湖北省枝江人,硕士,助教,主 要研究方向为城市地理学及地理信息系统应用. ? 506? 圈域城市为研究对象,选取1990年和2OOO年建设用 地数据,运用GIS空间分析方法,揭示武汉城市圈域城 市的空间形态特征及时空演变规律,为武汉城市圈空 间发展战略决策提供一定的依据. 1研究范围及数据来源 1.1研究范围界定 刘承良等以经济联系强度和隶属度为主导因子, 参考空间流量,距离及通达性变化等因子,将武汉城市 圈划分为"3圈l5城":核心圈(武汉,鄂州,黄石,孝 感);中间圈(黄冈,仙桃,天门,潜江,咸宁).夕f,围圈(随 州,信阳,九江,岳阳,荆州,荆门)[9].本文由于受资料 的限制,将研究范围限定在湖北省内,即不包括信阳, 九江和岳阳. 1.2数据来源 城市空间形态包括平面轮廓形态,用地空间结构 和道路网等要素,本文选取城市平面轮廓图来分析. 所使用的数据来自中国科学院地理科学与资源研究所 建立的国家资源环境数据库,主要有2OOO年建立的反 映2000年土地利用的1:HubeiUniversitylO万土地利用 数据库,2001年建立的反映1990年土地利用的1:10 万土地利用数据库.土地利用类型包括6个一级类 型,25个二级类型].提取武汉城市圈城市建设用 地,经过图形编辑,得到1990年和2OOO年武汉城市圈 城市建成区示意图(图1). 荆 门 市 舞 篇,\市 要蕈 》綦盘举 秘禁 A眦成区扩展 图11990年和2OOO年武汉城市圈城市建成区示意图 2武汉城市圈城市空间形态的分形特征 城市有着复杂的,非线性的空间形态,这种空间形 态具有分形特征,具有内在的自组织,自相似和分形生 长的能力.城市地理学中应用最广泛的是计盒维数, 又可细分为边界维数,半径维数等.本文基于边界维 数来讨论武汉城市圈城市空间形态的分形特征. 2.1基于面积一周长关系定义的分形维数 基于面积一周长关系定义的分形维数和基于周长 一 尺度关系定义的分形维数是目前运用最广泛的两种 边界维数.这两种维数都反映了城市平面轮廓边界线 的复杂曲折程度m].线状要素的分形维只能根据周 长一尺度关系来定义,面状要素的分形维则上述2种 定义均可测定.周长一尺度关系定义的维数主要反映 边界线的复杂曲折程度即边界线所含"细节"的多寡程 度,而面积一周长关系定义的维数还有形状上的意义, 描述了城市轮廓面积一轮廓线长度关系的复杂程度, 可反映城市轮廓的复杂曲折度,用地破碎度以及城市 内部空隙多少. 鉴于此,本文采用基于面积一周长关系定义的分 形维数来探讨武汉城市圈城市空间形态的扩展.其定 义为:使用不同大小的正方形格网覆盖城市平面轮廓 图,当正方形格网边长出现变化时,覆盖城市轮廓周长 边界线的格网数目?(r)和覆盖面积的格网数目 (r)必然出现相应变化.根据分形理论建立下式: ?(,)(,){………………………………(1) 对式1两边同时取对数可得: 枷(7.):C+DlnM(7.)1……………………(2) 式(2)中,c为待定常数,D即为城市平面轮廓图 的分形维数.只需在不同大小正方形格网覆盖下获得 不同的点对((r),(r)),拟合这些点对,求得 回归方程,其斜率即为D的估计值. 2.2城市空间形态的分形特征 在ARCGIS9.0的支持下,采用13种不同尺度的格 网覆盖图1中城市建成区,得到其基于面积一周长关 系定义的分形维(表1).在双对数坐标系中,所有点 对线性拟合的相关系数都在0.98以上. 裹1武汉城市圈城市199o年和2000年的面积—周长维数 I{i} l!!!竺l llnIf1I几I『].Inl『1l『]睚]?n鄂贾贾剩剂潜疆天武孝咸仙均 州冈石门州江州门汉感宁桃值 图2武汉城市圈城市1990年和2OOO年的面积—周长维数 分析图2和表1发现,在武汉城市圈12座城市 中,1990年面积一周长分形维较大的是潜江,随州和 仙桃,均超过了1.8000;分形维较低的黄石和荆州,均 低于1.6OO0,最大值与最小值差距为0.2693,分形维 均值为1.6928.而2O00年分形维最大的则是仙桃,潜 江紧随其后,两者均高于1.8000,随州市略为下降;分 形维较低的仍为黄石和荆州,其中又以荆州最低,仅为 1.5748,分形维最大值与最小值的差距略微扩大为 0.2710,分形维数的均值为1.7039.比较发现,不论是 1990年还是2000年,分形维数较大的都是潜江,随州, 仙桃等,而较小的都是荆州,黄石,武汉等.这或许是 因为武汉,黄石,荆州等城市历史较久,是省内的老工 业城市,经过多年建设发展,城市设施完善,功能明确, 定位清晰,城市空何发展战略规划贯彻得更彻底,从而 ? 507? 鄂州市 ? 研究方法?资源开发与市场ResourceDevdo~nent&Market200824( 使其空问形态相对规则,平面轮廓相对整齐.而潜江, 仙桃等都是20世纪90年代以后才逐渐发展起来的新 兴工业城市,其城市规划工作相对滞后,无法满足快速 工业化对建设用地的迫切需要,造成城市空问发展战 略模糊,定位混乱,工业园和开发区随意布局,形成大 量"岬角"和"飞地",使城市空间形态趋向于复杂和破 碎,城市内部存在大量的空隙;随州则是位于鄂北岗地 丘陵地带,受自然地理环境所限,不太可能形成较规则 的城市空间形态. 围3武汉城市圈城市1990"---2000年面积—周长维数的变化 图3和表1反映了1990--2000年间城市面积一周 长维数的变化情况,可以看出:?面积一周长维数的变 化普遍存在于武汉城市圈城市中,这是社会经济迅速 发展的必然结果;?除随州,黄冈和潜江外,其它城市 分维数都在增大.即1990---2000年,武汉城市圈域城 市空间形态变化的总体趋势为城市实体范围不断扩展 与蔓延,边界趋于破碎,城市内部空隙不但未得到有效 填充,且有扩大的迹象.从城市规划的角度考虑,这不 利于城市空间形态的优化组织与协作.?从分维数变 化的绝对数值来看,以鄂州,天门,荆门,仙桃,随州,黄 冈等城市变化幅度较大,绝对值都在0.0200以上;而 武汉,孝感,黄石,荆州等城市分维值的变化幅度较小. 这一方面可能是因为武汉,黄石等城市长期以来有完 整,系统的规划来指导其城市空问拓展;另一方面则可 能是这些城市对周边郊区农用地的保护措施相对完 善,城市空间拓展范围相对有限. 3武汉城市圈城市空间形态的形状指数与紧凑度特征 形状指数是通过计算研究对象的形状与相同面积 的圆或正方形之间的偏离程度来度量其形状复杂程 度?.最常见的形状指数有2种形式: S=P/(2~/r.A)(以圆形为参照几何形状)…… ………………………………………………… (3) S=0.25p/,/A(以正方形为参照几何形状) ……………………………………………………… (4) 式(3)和式(4)中,P为研究对象的周长,A为研究 对象的面积.显然,当研究对象为圆时,式(3)值最小, 等于1;当研究对象为正方形时,式(4)值最小,等于1. ? 508? 研究对象的形状越复杂或越扁长,|s就越大.实际上, 式(3)的形状指数在数值上是与紧凑度指标呈倒数关 系[6.8],即紧凑度c的计算公式为: c=2v/I/P=1/S…………………………(5) 式(5)符号含义同式(3).紧凑度越大,其形状越 紧凑;反之,紧凑性越差.圆的紧凑度最大,值为1. 本文采用式(3)和式(5)即以圆为参照几何形状对武汉 城市圈城市空问形态进行分析.根据式(3)和式(5), 计算得出武汉城市圈城市1990年和2000年的形状指 数及紧凑度指数(表2,图4,图5). 裹21990年和20OO年武汉城市翻城市空闻形态 的形状指数和紧凑度夏其变化 蟪市固竺!一!竺銮 域城市形状指数紧凑度形状指数紧凑度形状指数紧凑度 0.45 O.40 0.35 0.30 骚0.25 0.20 0.15 0.10 0.05. 『11..『1I『11..r1I,厂I.『1I.r-r1If1l鄂黄贾剩剩播隧天武孝咸仙均 州冈石门州江州门汉感宁桃值 囤51990年和2000年武汉城市翻城市空闻形态的紧凑度 从表2及图4,图5可知,在形状指数方面不论是 1990年还是2000年,其值较大的都是武汉,黄石,荆州 等城市,武汉最大,分别为10.7618和10.7533;而潜 江,随州等城市形状指数较小,最小的潜江仅分别为 2.3477和2.8054.在紧凑度指数方面,由于它在数值 上与形状指数的倒数对偶关系,故武汉,黄石,荆州等 城市的紧凑度较小,而潜江,随州较大.分析发现,武 一阻一随州 一?.黄冈 一?潜江 一一荆州 一一均值 一日黄石 一瓢一成宁 一I+孝感 ,瓢,武汉 一?.仙桃 一-一荆门 一瓢?天门 一—??-一鄂州 ?mm ? 研究方法? 汉,黄石,荆州等形状指数较大而又紧凑度较小的城市 其人口和用地规模均较大,城市发展历史悠久,城市空 间形状和轮廓相对复杂和曲折,城市狭长的带状或楔 形特征以及跳跃式蔓延较为普遍,紧凑性较差,破碎度 较大,故其形状指数较大而城市轮廓的紧凑度小.潜 江,随州等城市形状指数小而紧凑度大,一方面可能是 因为其规模较小,另一方面则是受自然环境的限制. -形状指数口紧凑度 蓑 魁 z篓4 6 8 图61990年和2OO0年武汉城市圈城市空闻形 态形状指数与紧凑度的变化 图6表示了1990---2000年间各城市形状指数及 紧凑度的变化情况,综合图4和图5可见:?不论是形 状指数还是紧凑度,各城市的变化幅度均较小,形状指 数的均值仅增加了0.1201,仅占2.2136%;紧凑度的均 值减小0.0112,减少了5.0863%.这表明就平均水平 而言,武汉城市圈各城市形状轮廓在相对稳定的基础 上趋向复杂,内部空隙增多,紧凑度略有下降,这不利 于提高城市空间的利用效率及节约和统筹安排各种社 会经济活动.从长远来看,这也是与"精明增长"的城 市空间扩展理念和紧凑化趋势背道而驰的[12,13;?王 新生等也曾计算了中国31个特大城市1990年和2O00 年的紧凑度指数,其均值分别为0.225和0.231[8],本 文武汉城市圈城市分别为0.2209和0.209O.在数值 上,两者差距不大,但在变化趋势上,31个特大城市紧 凑度在增加,而武汉城市圈城市则在减小.这表明在 我国特大城市空间形状与建设用地扩展趋于优化和合 理布局的背景下,武汉城市圈城市的空间形状及扩展 未能得到有效的规划和管制,相对混乱. 4结论与讨论 综合分形维,形状指数和紧凑度等指标,分析武汉 城市圈城市1990年和2000年空间形状特征及其总体 变化趋势,城市空间形态不断扩展与蔓延,边界趋于破 碎,内部空隙逐渐增多,城市形态轮廓趋于复杂化,城 市的紧凑度逐年下降,城市建设用地使用效率降低. 城市空间形态特征是城市地理学与城市规划领域 的重要研究范畴.分形维数与形状指数及紧凑度指数 等指标都是广泛运用的测度城市空间形态的成熟指 标,但从城市建设用地扩展的角度来看,以上指标并不 能完全准确地反映城市空间形态变化的深层次特征, 如通常我们将城市用地空间扩展分为填充型和外延 型,但无论是分形维数,形状指数或紧凑度,以及三者 结合起来,仍无法明确城市建设用地的扩展到底是填 充还是外延.因此,有必要结合GIS方法深入分析,对 于更好的揭示城市空间形态变化特征,更合理的制定 城市空间发展战略具有重要意义,这也是本文进一步 研究的方向. 参考文献: [1]武进.中国城市形态:结构,特征及其演变[M].南京:江苏科技出版 社,1990. 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