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天山北坡绿洲城市空间形态时空特征分析_张豫芳

第25卷第6期

2006年11月地理科学进展PROGRESSINGEOGRAPHYVol.25,No.6Nov.,2006收稿日期:2006-04;修订日期:2006-11.

基金项目:中国科学院知识创新项目“新疆近50年LUCC与绿洲和城镇化研究(KZCX3-SW-327-04)”。作者简介:张豫芳(1979-),女,新疆阿勒泰人,博士生,主要从事城市发展与区域经济研究。

E-mail:zhangyuf04@mails.gucas.ac.cn

天山北坡绿洲城市空间形态时空特征分析

张豫芳1,2,杨德刚1,张小雷1,马文红1,2,张宏远1,2

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐830011;2.中国科学院研究生院,北京100049)

摘要:借助GIS软件支持,综合遥感影像、地形图和其它空间数据,提取天山北坡8个绿洲城市

1990年和2000年建设用地图形信息,计算1990年和2000年天山北坡8个绿洲城市的平面轮

廓形状的分维数、紧凑度以及城市用地扩展类型,讨论紧凑度与分维数的关系。

研究结果表明,天山北坡绿洲城市形态总体特征表现为形状规则,结构紧凑。1990 ̄2000年,城市扩展类型主要为

外延型,城市形态分维数增加,紧凑度降低,城市外部形态趋于复杂化和不规则化,而内部结构趋

于松散化,与同时期我国大部分城市的用地扩展方式有所不同。同时,天山北坡绿洲城市形态特

征描述参数间存在着明显的幂函数关系,并且是一种线性负相关关系,即随着分维数的增加,紧

凑度呈递减的趋势。

关键词:城市空间形态;分维数;紧凑度;城市用地扩展类型;天山北坡经济带

中图分类号:P283

城市是人类政治、经济和社会活动空间集聚形成的地理实体,城市形态则是城市地理实体表现出来的具体空间物质形态。城市形态研究已成为城市地理学研究的热点领域[1,2]。城市外部空间形态即城市建成区的外部边缘,是由不同的自然环境、经济水平、社会结构,以及人们的民族心理、生活和生产力方式总体构成[3],是一种动态变化的形态表征[4,5]。城市形态的变化综合反映了城市发展过程中城市的空间布局和结构的变化以及城市的社会和经济发展水平。不同的城市形态产生的社会、经济及环境效益不同,合理的外部空间形态有利于城市组成要素及其资源环境的稳定发展[6]。因而研究城市形态变化能够分析城市的生长过程,揭示城市演化规律,是分析城市社会经济诸多问题的基础,有利于对城市未来发展进行预测和控制[7]。

纵观国内外对城市空间形态的研究,在研究方法和手段上,国内外都较重视GIS技术和计算方法。就研究内容而言,欧、美各国研究以城市景观和几何形态特征、影响城市用地布局的区位特征和政治、文化等要素异质性在城市形态中的表现为主要研究内容[8,9],而在我国则以城市区域和复杂的内部层次结构以及整体功能为主要研究内容,研究更加注重从城市形态的观察、描述中通过综合各种学科知识进行抽象和归纳,并取得了一定的成果[10 ̄12]。但是在对我国特有的历史、文化和地理环境下所形成的城市个体空间形态及演变特征的研究显得不足,尤其对形成于干旱区的绿洲城市形态的研究较少。干旱区绿洲特殊的自然地理背景

6期张豫芳等:天山北坡绿洲城市空间形态时空特征分析决定了依托于绿洲的城市宏观布局表现出“大分散、

小集聚”的特点,绿洲城市是干旱区人类活动最为集中和生态问题最为突出的区域[13],研究其形态特征不仅能够丰富城市地理学和城市科学的理论研究,而且有助于清晰掌握绿洲城市发展脉络,为绿洲城市的可持续发展提供理论基础。本文从空间图形定量分析角度,探究天山北坡绿洲城市形状特征及时空演变规律、城市用地扩展方式。主要研究目标为:(1)1990年和2000年天山北坡绿洲城市形态总体特征;(2)1990 ̄2000年天山北坡绿洲城市形态时空变化特征;(3)1990 ̄2000年天山北坡绿洲城市土地扩展类型。

1研究区域和数据处理

1.1研究区域

天山北坡绿洲城市群东起木垒县,西至精河县,是形成于天山北麓冲-洪积扇上的条带状绿洲城镇带(图1),凭借优越的区位条件、完备的基础设施和丰富的自然资源等优势,形成

以北疆铁路、312国道与乌-奎、

吐-乌-大高等级公路为轴线的独具干旱区特点的“临路型”城市群[14],是新疆经济最为发达,城镇分布最为密集的地区。近10年来,随着经济的快速增长,天山北坡经济带城镇用地扩展迅速,城市化过程明显[15,16]。本文选择2000年城镇非农业人口大于5万的8个绿洲城市为研究对象,包括克拉玛依、奎屯、乌苏、石河子、米泉、阜康、昌吉和乌鲁木齐。

图1天山北坡城市分布图

Fig.1CitygroupdistributionmapatthenorthernslopeoftheTianshanMountains

1.2数据来源及处理

根据天山北坡1990年和LandsatTM和2000年的ETM卫星影像,运用遥感图像处理软件ERDAS8.5对其进行几何校正和数字化处理,获得1990年和2000年天山北坡8个城市集中连片的建成区斑块信息,提取其周长和面积,生成各城市的建成区扩展图(图2)。在

研究区

新疆维吾尔自治区

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地理科学进展25卷ArcGIS9.0支持下,选取基于周长和面积的城市形态测度指标:紧凑度和分维数,描述城市外部的空间形态特征及演变规律。运用“凸壳原理”[17],确定8个城市的用地扩展类型。Array

图21990年和2000年天山北坡8个城市建成区

Fig.2Urbanbuilt-upareasmapof8citiesatthenorthfootoftheTianshanMts.in1990and2000

2研究方法

2.1城市空间形状紧凑度指标

紧凑度是衡量空间斑块完整性和聚集程度的指标,是斑块形状的特征参数,是反映城市形态的一个十分重要的概念,受到国外普遍关注[2,6,8,9]。本文采用BoyceR.R等[18]给出的空间紧凑度模型,即某一斑块的紧凑度是斑块面积与周长的比率。该模型以圆形区域作为标准度量单位,并将其视为最紧凑的特征形状,紧凑度定义为1,其它任何形状地物的紧凑度均小于1。该模型计算过程简单,便于进行同一城市不同历史时期形状的对比和不同城市间的形状对比。计算公式为:

K=2πA

!P

其中:A指斑块的面积;P指斑块的周长;K指斑块的紧凑度,K取值范围为:0<K≤1。K值越小,斑块的紧凑度越低,表明其离散程度越大,受到外界干扰越大,内部资源的稳定性差。K值越大,斑块的紧凑度越高,表明其离散程度越小,受外界干扰小,更容易保持内部资源的稳定性。

2.2城市空间形状分维数指标

分形理论是美国数学家BenoitB.Mandelbrot于1975年[19]提出的,它对解释自然界中的不规则、不稳定和具有高度复杂结构的事物有显著效果[20],研究对象的分形通常通过分维数来表征,分维数定量描述了斑块面积和周长的关系。而城市空间形状分维数指标能在一定程度上表达城市扩张的复杂性和人类对城市形态的影响程度,适合于研究城市空间形态与空

间过程,能综合反映城市发展过程中的空间布局和结构变化[7,21],是表达分形和反映图形形

态复杂程度的重要参数[22]。

分维数的计算方法多种多样,在城市空间的分析中,主要应用的是计盒法和积聚-半径

1416期张豫芳等:天山北坡绿洲城市空间形态时空特征分析

法[25 ̄27]。本文采用计盒维法进行分维数估值,衡量天山北坡8个城市的空间形态的分形特征。该方法是用尺码r为边长的小方格对研究客体进行粗视化处理,即计算小方格覆盖斑块周长的最小次数P(r)和覆盖面积的最小次数A(r)。根据分形理论有[28]:

DlnA(r)+C

lnP(r)=1

式中:D为城市形态的分维数,C为待定常数。D值在1 ̄2之间。人类活动影响越大,图形的分维数越小,图形形状越规则。

本文在地理信息系统软件ArcGIS9.0的支持下,运用计盒维法,选取20种不同尺度的网格(尺度下限200m×200m),对1990年和2000年各城市集中连片的建成区边界图层进行处理,获得两组20对(lnP(r),lnA(r))点对,并根据分形理论求得关于lnP(r)和lnA(r)的回归方程,其斜率为天山北坡8个城市空间形态的分维数的估计值。

2.3城市用地扩展类型

目前,城市用地空间扩展类型有多种定义和描述方法[24 ̄29],归纳起来大概有以下几类:填充型(紧凑型)、外延型、廊道型和蔓延型。填充型是指在已形成的城市区域中进行空隙填充;外延型是指用地扩展发生在城市的边缘部分;廊道型是指用地扩展沿城市主要交通线两侧向外延伸;蔓延型是指在城市外围形成新的用地块,这种地块的面积相对较小,呈发散状分布,当地块面积很大并且地块内部有独立的社会经济基础时就称其为卫星型。

对于如何识别城市用地扩展类型,刘纪远等[17]提出了“凸壳原理”用于城市用地空间扩展类型(包括填充型和外延型两种类型)的识别方法,本文应用该方法来确定城市用地的扩展类型。将包含1990年研究城市的建成区外围轮廓线的最小凸多边形作为城市用地轮廓的“凸壳”,并做出以下定义:如果1990年到2000年的扩展用地位于“凸壳”内的面积大于“凸壳”外的面积,即填充面积与城市扩展总面积的百分比大于50%,则定义该城市的用地扩展类型为填充型,否则定义为外延型;如果城市扩展总面积中填充面积和外延面积数量相当,则定义为过渡型。

2结果与讨论

2.1天山北坡1990~2000年城市形态变化的总体特征

1990 ̄2000年天山北坡绿洲城市形态紧凑度的变化明显(图3、4)。1990年紧凑度最大的城市是乌苏和阜康,2000年为克拉玛依和乌苏,而在1990年和2000年紧凑度最小的城市均为乌鲁木齐和昌吉(图3),表明在研究区域内,乌苏的城市结构最为紧凑,乌鲁木齐和昌吉的城市结构最为松散。乌鲁木齐和昌吉是乌鲁木齐大都市经济区发展的积聚点,经济较发达,城市吸引力较强,和外界物质、能量的流通性较高,因而受外界干扰最大,保持内部资源稳定性的能力也最弱,城市形态的紧凑度较小。乌苏市是1996年由乌苏县升级设立的,对外经济欠发达,城市较封闭,因而受外界干扰最小,城市形态的紧凑度较高。就紧凑度的变化幅度而言,1990 ̄2000年,天山北坡绿洲8个城市紧凑度变化幅度较大,其中克拉玛依、奎屯、乌鲁木齐和昌吉紧凑度增加,表明这些城市结构更为紧凑,用地集约程度增大,而阜康、

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地理科学进展25卷米泉、石河子和乌苏紧凑度降低,城市结构非紧凑度增强(图4)。

图31990 ̄2000年天山北坡8个城市的形状紧凑度

Fig.3Compactrationof8citiesatthenorthernslopeoftheTianshanMountainsin1990and2000

图41990 ̄2000年天山北坡8个城市的形状紧凑度变化

Fig.4Compactrationchangesfor8citiesatthenorthernslopeoftheTianshanMountainsfrom1990to20001990 ̄2000年天山北坡绿洲城市形态分维数变化明显(图5、6)。1990年和2000年,乌鲁木齐和昌吉城市形态分维数最大,而克拉玛依和乌苏城市形态的分维数较小(图5)。其原因主要是乌鲁木齐和昌吉城市发展历史较长,前期城市建设缺乏规划指导并且受到复杂的自然环境制约,导致城市周边破碎,形状不规则,而克拉玛依和乌苏城市建设多是在规划指导下进行,使得城市周边整齐、形状规则。就分维数变化幅度而言,从1990 ̄2000年,城市形态分维数的变化较大(除乌苏外)。

图51990 ̄2000年天山北坡8个城市的形状分维数

Fig.5Fractaldimensionsof8citiesatthenorthernslopeoftheTianshanMountainsin1990and2000

1436期张豫芳等:天山北坡绿洲城市空间形态时空特征分析

分维数增加幅度较大的城市有石河子、阜康、米泉(图6),其中米泉、阜康位于乌鲁木齐周边地区,成为乌鲁木齐特大城市人口、产业转移的接受地,经济增长幅度高于全疆其它城市[29],城市产业规模扩大和产业结构调整,导致城市迅速向外延伸和膨胀,城市空间形态复杂,分维数增加显著;分维数减少幅度较大的是克拉玛依和乌鲁木齐,其原因为城市发展处于较成熟阶段,城市建设更多的受到规划控制,城市空间形状的规则度增加。Array

图61990 ̄2000年天山北坡8个城市的形状分维数变化

Fig.6Fractaldimensionschangesfor8citiesatthenorthernslopeoftheTianshanMountainsfrom1990to2000王新生等[1]研究显示,1990年和2000年我国31个大城市紧凑度平均值(分别为0.225和0.231)呈现增加趋势,分维数平均值(分别为1.483和1.454)呈减少趋势,城市结构趋于紧凑、规则。而天山北坡绿洲城市形态紧凑度平均值从1990年的0.541降低为2000年的0.525,分维数平均值由1.240增加到1.25,表明城市结构总体形态紧凑、规则,但是形态有松散化和复杂化的趋势。从耗散结构理论的角度出发,当城市处于发展时期,人类活动的有序状态和无序状态同时并存,在发展早期,无序状态占主导单位,城市结构变得越来越复杂,城市形态的分维数将随之增大。由此从城市形态角度证实了天山北坡绿洲城市群处于发展初期的结论。1990年前,干旱区绿洲的封闭性和分散性的宏观布局决定了依托其发展的绿洲城市经济发展带有“小而全”的自我封闭特征,与中国其它城市相比自给自足的自然经济色彩较浓[30]。城市发展速度缓慢,城市内部土地利用结构单一,因此城市内部结构紧凑,分维数小。但是,1990年后,随着现代交通业的迅猛发展,绿洲城市间的封闭程度有所改变,绿洲城市经济快速发展。经济的快速发展使得城市对土地资源需求量增大,土地利用结构复杂化,故而形状变化呈现松散化、不规则化趋势。城市形态的不同产生的效益不同,尽管学者们对紧凑与非紧凑的褒贬各异[31],但是对于经济并不发达、属于中小城市类型的天山北坡绿洲城市而言,由于匮乏的水资源和土地资源,紧凑形态相对比松散形态更具有优势,更有利于城市的可持续发展。因此在今后对天山北坡绿洲城市进行城市空间规划时,应努力使城市的形态趋于紧凑,提高土地利用率,提高公共设施的共用率,减少耕地的占用,减少由于距离带来

的能源消耗。

2.2天山北坡1990~2000年城市扩展类型

按照刘纪远等[17]提出的识别城市用地扩展类型的方法,得出1990 ̄2000年天山北坡8个绿洲城市的用地扩展类型(表1)。1990 ̄2000年,乌苏、奎屯、石河子、阜康、米泉、昌吉和

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地理科学进展25卷乌鲁木齐城市扩展类型为外延型,这些城市大多位于河流下游地势开阔的冲积平原上(除乌鲁木齐外),城市用地扩展受地形制约小,自由度较大。而乌鲁木齐是新疆唯一的特大城市,发育于天山山前凹陷带中,受两山相夹的河谷地形的限制,城市形态呈北宽南窄的“T”字形,1990年城市建成区主要集中在南部,1990 ̄2000年城市经济发展迅速,用地需求大,建成区北部的冲积平原成为城市扩展的主要方向。1990 ̄2000年,克拉玛依城市扩展类型为填充型,该城市是一座发育于天山北麓与古尔班通古特沙漠之间的戈壁上典型的资源型城市,前期城市多以厂矿企业为发展轴,导致城市内部留有空隙,随着城市的进一步发展,在地形和水资源的制约下城市扩展方式以填充为主。

表11990 ̄2000年天山北坡8个城市的用地扩展类型

Tab.1Typesofurbanlandexpansionof8citiesfrom1990to2000atthenorthernslopeof

theTianshanMountains

实际上,在1990年以后,中国大部分城市用地扩展方式已经由沿交通线路延伸的外延型,逐渐转变为开发城市内部空隙土地的填充型[32]。但由于新疆经济发展相对滞后、城市化起步较晚,因而1990 ̄2000年天山北坡城市用地主要扩展类型仍为外延型。

2.3城市用地扩展类型与空间形态特征的关系

城市空间形态的变化是城市用地扩展的外在表现,城市形态特征与用地扩展类型关系密切。研究显示[17],在城市面积不断增加的前提下,填充型城市的外围轮廓形态趋于紧凑,图形复杂性降低,紧凑度增加,分维数减小;而外延型城市的外围轮廓形态趋于松散,图形复杂性增大,紧凑度较低,分维数增加。在本文研究区内的8个绿洲城市中,克拉玛依、乌苏、石河子、米泉和阜康城市形态特征与用地扩展类型符合以上研究结果,但奎屯、昌吉和乌鲁木齐与其不同(表2),主要原因在于奎屯、昌吉和乌鲁木齐在1990年城市形态十分破碎,而1990 ̄2000年间,城市的扩展引起建成区图斑的周长和面积迅速增加,面积增加数量要远远高于周长增加的,原有的破碎边缘趋于规则化,导致城市分维数减小,紧凑度增加。由此可以看出,外延型的土地扩展类型不一定导致城市形状复杂化、结构松散化,这要具体问题具体分析。

城市形态特征描述参数(紧凑度和分维数)间存在很强的相关性。图7为1990年和

6期张豫芳等:天山北坡绿洲城市空间形态时空特征分析2000年分维数和紧凑度的相关曲线图,图中显示二者之间存在着明显的幂函数关系,并且是一种线性负相关关系,即随着分维数的增加,紧凑度呈现递减的趋势。表21990 ̄2000年天山北坡8个城市空间形态的变化特点

Tab.2Changesofurbanspatialmorphologyof8citiesfrom1990to2000atthenorthernslopeofthe

TianshanMountains

图71990年和2000年天山北坡城市形状的分维数与紧凑度的关系

Fig.7Relationshipbetweenfractaldimensionsandcompactrationsof8citiesatthenorthernslope

oftheTianshanMountainsin1990and2000

3结论

综合城市形态测度指标,1990 ̄2000年,天山北坡绿洲城市形态的总体特征是:城市内

部结构较紧凑,形状较规则。

其中乌鲁木齐和昌吉城市形态最为复杂,结构较为松散;克拉玛依和乌苏城市形态较为规则,结构较为紧凑。

从1990 ̄2000年,天山北坡绿洲8个城市紧凑度变化幅度较大,其中克拉玛依、奎屯、乌鲁木齐和昌吉紧凑度增加,说明这些城市结构更为紧凑,用地集约程度增大,而阜康、米泉、石河子和乌苏紧凑度降低,城市结构非紧凑度增强。从1990 ̄2000年,城市形态分维数的变化较大(除乌苏外),其中增加幅度较大的为石河子、阜康、米泉。1990年 ̄2000年,天山紧凑度

紧凑度

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地理科学进展25卷北坡绿洲城市空间形态的总体变化趋势是,城市外部形态的分维数增加,紧凑度降低,形态趋于复杂、不规则化,而内部结构趋于松散,城市用地空间扩展以外延型为主。城市形态特征与用地扩展类型关系密切,一般来说,如果城市用地扩展属于填充型,由于城市内部空隙逐渐被填充,城市边缘的凹凸性将变小,这样城市外部形态趋于紧凑,而如果城市用地扩展属于外延型,常会导致城市形态趋于非紧凑。然而,外延型城市用地扩展类型不一定导致城市结构松散化,如乌鲁木齐、昌吉和奎屯,这要具体问题具体分析。城市形态特征描述参数间也存在很强的相关性。通过对1990和2000年的两组数据处理发现,二者之间存在着明显的幂函数关系,并且是一种线性负相关关系,即随着分维数的增加,紧凑度呈现递减的关系。

天山北坡绿洲城市空间形态总体变化过程表明天山北坡绿洲城市体系处于发展初期阶段,城市形态趋于非紧凑型。考虑到天山北坡目前的经济和自然状况,本文认为对于经济不是十分发达的、属于中小城市类型的天山北坡绿洲城市而言,由于匮乏的水资源和土地资源,紧凑形态更有利于城市的可持续发展。建议在今后对天山北坡绿洲城市进行城市空间规划时,应尽可能的使城市的形态趋于紧凑,提高土地利用率,提高公共设施的共用率,减少耕地的占用。

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ZHANGYufang1,2,YANGDegang1,ZHANGXiaolei1,MAWenhong1,2,ZHANGHongyuan1,2(1.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,CAS,Urumqi,Xinjiang830011,China;

2.GraduateSchool,CAS,Beijing100039,China)

Abstract:Urbanspatialmorphologyisanimportantaspectinthehugeandcomplexurbansys-tem.Theessentialruleofurbandevelopmentandchangecannotbeunderstoodviaqualitativedescription,soquantitativelyresearchingurbanspatialcharacteristichassignificantpracticemeaningforurbanmanagementandplanning.Basedonremotesensing,GISandLandsatTM/ETMdigitalimages,thispaperanalyzesthespatial-temporalchangesofurbanspatialmorphol-ogyatthenorthernslopeoftheTianshanMountainsinXinjiangduringtheperiodfromthelate1980stothelate1990sbycomputingcompactrationsandfractaldimensionsoftheurbanformaswellasthetypesofurbanlandexpansion.Theresultsareasfollows:

(1)Thespatial-temporalchangesofurbanspatialmorphologyatthenorthernslopeoftheTianshanMountainsbelongmostlytocompactandregularones.(2)Theaveragecompactrationsare0.541and0.525,andthemeanfractaldimensionsare1.2399and1.25respectivelyfor1990and2000.Thetypeofurbanlandexpansionof7citiesoutofthe8inthestudyareais‘extension’from1990to2000.Itwasfoundthattheshapesofcitiesinthestudyareatendedtobelesscompactandmorefragmentized.Generally,amorecompactcityhasmoreadvantagesthanalessone;sochangesintheformsofthestudyareaareconsideredbeinginabadway.Shapesofseveralcitieshavebeendrasticallychangedduringtheperiodfrom1990to2000.Fukang,MiquanandShiheziarecitieswithhighincrementinfractaldimensionsandhighde-creaseincompactrations.Urbanspatialmorphologyofthemismorecompactandregular.How-ever,itisanothercaseinKelamayi,KuytunandUrumqi.And(3)Anotherimportantfindingisthatthereisapowerfunctionrelationshipbetweenthecompactandthefractaldimensionofur-banspatialmorphology,whichisonlyaqualitativedeductionbefore.

Keywords:urbanspatialmorphology;fractaldimension;compactratio;typeofurbanlandexpansion;thenorthernslopeoftheTianshanMountains

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