中印大中型城市城鎮(zhèn)用地擴展模式分析

閔稀碧

摘要 采用分形理論來識別中印大中型城市城鎮(zhèn)用地的2種擴展模式，結(jié)果表明中國大中型城市在近一階段以邊緣式擴展為主的城市增多，而印度大中型城市在近一階段以邊緣式擴展為主的城市減少；中國城市形態(tài)在近一階段向著更為不規(guī)則不緊湊的方向發(fā)展，而印度城市在近一階段向更好的趨勢發(fā)展。

關(guān)鍵詞 中國；印度；城鎮(zhèn)用地擴展模式；分形理論

中圖分類號 S29 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-291-04

1 分形理論在城鎮(zhèn)用地擴展模式分析中的應(yīng)用

關(guān)于城鎮(zhèn)用地的擴展模式，Wilson E H et al.[1]首次將它分為3種類型：填充式（Infilling）、邊緣式（Edge-expansion）和飛地式（Outlying）。劉小平等提出了一種新的景觀指數(shù)（Landscape expansion index）[2]，結(jié)果表明該指數(shù)能夠很好地識別城鎮(zhèn)用地的這3種擴展模式。劉紀遠等采用凸殼方法識別出城鎮(zhèn)用地擴展的2種類型（填充類型和延伸類型）[3]。筆者采用分形理論來識別中印大中型城市城鎮(zhèn)用地的2種擴展模式，即邊緣式擴展和填充式擴展。

分形理論屬于復(fù)雜性科學(xué)，是美國數(shù)學(xué)家Mandelbrot于1967年在《科學(xué)》雜志上提出的概念[4]，在解釋自然界中不規(guī)則、不穩(wěn)定和具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象方面有顯著效果，近年來已被廣泛應(yīng)用在生態(tài)學(xué)空間格局分析中。分形理論目前已經(jīng)發(fā)展了各種維數(shù)，筆者采用面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)（AWMPFD）來反映中印大中型城市城鎮(zhèn)用地的形態(tài)特征，并通過它的變化來描述城鎮(zhèn)用地的擴展模式。AWMPFD的值為1～2，AWMPFD值越大表示城市城鎮(zhèn)用地的形態(tài)越復(fù)雜，邊界越不規(guī)則。在假定城市面積隨時間不斷增加的前提下，如果城市形態(tài)不規(guī)則的程度值增加，則說明在這一時期城市地域以外部擴展為主；如果城市形態(tài)的不規(guī)則程度值下降，則說明城市地域面積的增加是以建成區(qū)邊緣間的填充為主；如果城市形態(tài)的不規(guī)則程度值不變，則說明城市進入相對穩(wěn)定的發(fā)展階段[5-6]。如果AWMPFD值增加，城市形態(tài)不規(guī)則的程度值增加，說明在這一時期城市城鎮(zhèn)用地的擴展模式為邊緣式擴展為主；如果AWMPFD值減少，城市形態(tài)不規(guī)則的程度值下降，則說明在這一時期城市城鎮(zhèn)用地的擴展模式為填充式擴展為主；如果AWMPFD值沒有變化，說明邊緣式擴展和填充式擴展相對平衡。

2 中國大中型城市城鎮(zhèn)用地擴展模式分析

面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)（AWMPFD）是利用景觀分析軟件FRAGSTATS基于100 m×100 m的柵格數(shù)據(jù)來計算的。1990、2000、2010年中國18個大中型城市城鎮(zhèn)用地的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)（AWMPFD）見表1。1990年AWMPFD較大的城市是貴陽、成都和上海等，較小的是哈爾濱、呼和浩特和廣州等，AWMPFD最大差值為0.107 0；2000年AWMPFD較大的城市是成都、貴陽和昆明等，較小的是哈爾濱、呼和浩特和西安等，AWMPFD最大差值為0.190 8；2010年AWMPFD

較大的城市是成都、北京和昆明等，較小的是哈爾濱、呼和浩特和蘭州等，AWMPFD最大差值為0.153 3。貴陽、成都、昆明等城市由于處于山區(qū)或湖泊、河網(wǎng)密集地區(qū)，城市擴展受到自然環(huán)境制約，形成了城市形狀不規(guī)則、城市內(nèi)部空隙多的特點。然而，哈爾濱、呼和浩特處在平原地區(qū)，城市擴展受自然條件影響較小，城市形狀較規(guī)則，城市內(nèi)部空隙較少。

從圖1可以看出，1990～2000年有7個城市的AWMPFD值降低，6個城市的AWMPFD增加，5個城市變化不明顯，說明這一階段中國大中型城市城鎮(zhèn)用地擴展模式?jīng)]有規(guī)律性，以邊緣式擴展為主和以填充式擴展為主的城市數(shù)量相當(dāng)。上海、北京、哈爾濱、西安、鄭州、烏魯木齊和西寧7個城市在1990～2000年城市擴展主要以填充式擴展為主，城市內(nèi)部空隙被填充，城市用地更加緊湊，說明這7個城市的建設(shè)更多受到政府規(guī)劃的控制，用地更加緊湊節(jié)約。成都、昆明、廣州在1990～2000年城市擴展速度非?？欤ǔ鞘袛U展動態(tài)度指數(shù)分別達到7.61%、7.49%和7.35%），城市建設(shè)缺乏良好的政府規(guī)劃控制，使得城市擴展主要以邊緣式擴展為主，城市形狀不規(guī)則程度增加，AWMPFD值在1990～2000年增加最多。長沙、福州、蘭州、貴陽和呼和浩特在1990～2000年城市擴展速度較慢，城市形狀變化不明顯，使得AWMPFD值變化不大。

2000～2010年有14個城市的AWMPFD值明顯增加，3個城市的AWMPFD值減少，1個城市變化不明顯，說明這一階段大部分中國大中型城市城鎮(zhèn)用地擴展以邊緣式擴展為主。2000～2010年，中國城市化水平快速提升，這一階段是我國城鎮(zhèn)用地面積擴展最多的時期。一些城市（如上海、北京、哈爾濱、西安、鄭州、烏魯木齊和西寧）由于城市內(nèi)部空隙在上一時期得到填充，在這一時期城鎮(zhèn)用地擴展主要以邊緣式擴展為主。廣州、南京、杭州、長沙、福州、蘭州和呼和浩特城市較上一時期城市擴展速度提升較快，城市建設(shè)缺乏良好的政府規(guī)劃控制，使得城市擴展主要以邊緣式擴展為主，城市形狀不規(guī)則程度增加。成都、昆明2個城市在這一時期擴展速度較上一時期有所放緩，城市擴展主要以填充式擴展為主，城市內(nèi)部空隙被填充。貴陽城區(qū)坐落在一個盆地里，四面環(huán)山，以邊緣式擴展的類型受到自然條件的制約，2000～2010年城鎮(zhèn)用地擴展以填充式擴展為主。2000～2010年

武漢的AWMPFD值變化不明顯，說明武漢邊緣式擴展和填充式擴展相對平衡。

3 印度大中型城市城鎮(zhèn)用地擴展模式分析

印度大中型城市的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)（AWMPFD）是基于100 m×100 m的柵格數(shù)據(jù)來計算的。由表2可知，1990年AWMPFD較大的城市是巴特那、金奈和浦那等，較小的是勒克瑞、德里和坎普爾等，AWMPFD最大差值為0.064 1；2000年AWMPFD較大的城市是海得拉巴、浦那和金奈等，較小的是勒克瑞、齋浦爾和班加羅爾等，AWMPFD最大差值為0.067 2；2010年AWMPFD較大的城市是海得拉巴、巴特那和博帕爾等，較小的是馬杜賴、賴布爾和齋浦爾等，AWMPFD最大差值為0.064 1。其中，巴特那城市大部分沿恒河而建，城市形狀非常狹長，城市形狀較不規(guī)則。海得拉巴位于德干高原中部，城外群山環(huán)繞，城內(nèi)穆西河流過，城市形狀不規(guī)則程度較高、城市內(nèi)部空隙較多。勒克瑞、齋浦爾等城市規(guī)劃整齊，城市形狀不規(guī)則程度較小。馬杜賴是印度教七大圣城之一，是一座在神廟前形成的城市，以幾乎正方形的米納克希神廟為中心沿神廟圍墻的環(huán)狀道路逐漸向四面擴展開來的，所以城市形狀較為規(guī)則，AWMPFD值較小。

從圖2可以看出，1990～2000年印度13個城市的AWMPFD值在增加，5個城市的AWMPFD值在減少，說明這一階段大部分印度大中型城市城鎮(zhèn)用地以邊緣式擴展為主。其中，加爾各答、艾哈邁達巴德、蘇拉特、齋浦爾和巴特那的AWMPFD值在減少，說明在這一階段這5個城市城鎮(zhèn)用地擴展主要以填充式擴展為主，城市形狀不規(guī)則程度在下降。2000～2010年有10個城市的AWMPFD值在增加，8個城市的AWMPFD值在減少，說明這一階段以填充式擴展為主的城市數(shù)量在增加，從1990～2000年的5個上升到2000～2010年的8個。

印度城鎮(zhèn)化進程幾乎完全由市場調(diào)節(jié)，地方政府的作用相當(dāng)有限[7]，這使得印度很多城市的建設(shè)缺乏良好的規(guī)劃控制，城鎮(zhèn)建設(shè)用地不緊湊，城市形態(tài)的不規(guī)則程度上升。

4 面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)對粒度變化的響應(yīng)

將解譯得到的印度18個大中型城市的矢量數(shù)據(jù)重采樣為30 m×30 m、60 m×60 m、100 m×100 m、150 m×150 m和250 m×250 m的5種不同大小的柵格數(shù)據(jù)，分別計算各種粒度下的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)（AWMPFD），分析AWMPFD隨粒度的變化趨勢。從圖3可以看出，隨著粒度的增加，每個年份的AWMPFD值均呈下降的趨勢，且下降的幅度不大，說明在30～250 m粒度范圍內(nèi)AWMPFD值隨空間粒度的變粗而減少。根據(jù)申衛(wèi)軍等的研究[8]，AWMPFD隨空間粒度的變粗呈單調(diào)減小的趨勢，表現(xiàn)出比較明確而單一的尺度效應(yīng)關(guān)系，可預(yù)測性較強。從各個粒度不同年份的AWMPFD值的變化情況來看，每個粒度在3個年份的AWMPFD值的變化情況是一致的。AWMPFD粒度效應(yīng)曲線形狀受空間格局特征的影響不大，說明在100 m×100 m的柵格數(shù)據(jù)下利用AWMPFD值的變化情況來分析城鎮(zhèn)用地的擴展模式是合適的。

5 結(jié)論與討論

通過比較不同粒度條件下印度18個大中型城市的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)在30～250 m粒度范圍內(nèi)AWMPFD值變化幅度不大。但是，隨著空間分辨率的降低，AWMPFD值均呈下降的趨勢。AWMPFD的粒度效應(yīng)受分析景觀格局特征的影響較小，并且可預(yù)測性較強，粒度效應(yīng)關(guān)系明確而單一。在100 m×100 m的柵格數(shù)據(jù)下計算AWMPFD值，通過分析其變化情況來判斷城鎮(zhèn)用地的擴展模式是有效的方法。

1990～2000年，中國大中型城市城鎮(zhèn)用地擴展模式?jīng)]有規(guī)律性，邊緣式擴展為主和以填充式擴展為主的城市數(shù)量相當(dāng)，僅一部分城市受到政府規(guī)劃控制以填充式擴展為主；2000～2010年，中國大部分大中型城市城鎮(zhèn)用地的分維數(shù)在增加，說明這一期間大部分中國大中型城市城鎮(zhèn)用地以邊緣式擴展為主。在1990～2000年和2000～2010年2個階段，大部分印度大中型城市城鎮(zhèn)用地均以邊緣式擴展為主，但是印度以填充式擴展為主的城市數(shù)量在增加。

一般而言，分維減少是一種更好的趨勢，說明城市建設(shè)更多地受到規(guī)劃控制，城區(qū)邊界更加整齊規(guī)則，城市用地更加緊湊節(jié)約[9]。通過比較發(fā)現(xiàn)，中國城市形態(tài)在近一階段向著更為不規(guī)則不緊湊的方向發(fā)展，而印度城市在近一階段向更好的趨勢發(fā)展。

參考文獻

[1] WILSON E H，HURD J D，CIVCO D L，et al.Development of a geospatial model to quantify，describe and map urban growth[J].Remote Sensing of Environment，2003，86：273-285.

[2] 劉小平， 黎夏， 陳逸敏， 等.景觀擴張指數(shù)及其在城市擴展分析中的應(yīng)用[J].地理學(xué)報，2009， 64（12）：1430-1438.

[3] 劉紀遠， 王新生， 莊大方， 等.凸殼原理用于城市用地空間擴展類型識別[J].地理學(xué)報，2003，58（6）：885-892.

[4] MANDELBROT B B.How long is the coast of Britain？ Statistical self-similarity and fractional dimension[J].Science，1967， 156：636-638.

[5] 王青.城市形態(tài)空間演變定量研究初探——以太原市為例[J].經(jīng)濟地理，2002，22（3）：339-341.

[6] 匡文慧，張樹文，張養(yǎng)貞，等.1900年以來長春市土地利用空間擴張機理分析[J].地理學(xué)報，2005，60（5）：841-850.

[7] 郭斌，李偉.日本和印度的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式探析[J].首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)學(xué)報，2011（5）：23-27.

[8] 申衛(wèi)軍， 鄔建國， 林永標(biāo)，等.空間粒度變化對景觀格局分析的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2003，23（12）：2506-2519.

[9] 王新生， 劉紀遠， 莊大方， 等.中國特大城市空間形態(tài)變化的時空特征[J].地理學(xué)報，2005，60（3）：392-400.