基于3S的潛江市城市空間形態(tài)動(dòng)態(tài)演化研究

石婷婷，李雪梅，馬宏君

（1.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430074；3.潛江市測繪地理信息局，湖北 潛江 433199）

基于3S的潛江市城市空間形態(tài)動(dòng)態(tài)演化研究

石婷婷1,2，李雪梅2，馬宏君3

（1.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430074；3.潛江市測繪地理信息局，湖北 潛江 433199）

依據(jù)潛江市5個(gè)不同年代的基礎(chǔ)地理信息資料，提出城市建成區(qū)空間形態(tài)動(dòng)態(tài)演化研究的技術(shù)方法。通過對(duì)潛江市建成區(qū)的范圍、面積、延伸率、形狀比、緊湊度等監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，展示潛江市建成區(qū)空間形態(tài)的動(dòng)態(tài)演化過程。

城市建成區(qū)；空間形態(tài)指標(biāo)；城市變化監(jiān)測；GIS空間分析；地理國情

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速增長和城市化進(jìn)程的不斷加快，城市建成區(qū)的范圍以及擴(kuò)張變化形態(tài)都在不斷變化，導(dǎo)致城市建成區(qū)的空間形態(tài)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)演變的趨勢。城市建成區(qū)的范圍劃定不僅要考慮自然地理、地形地貌、基層行政單位的管理界線等因素，也要考慮城市各項(xiàng)用地的完整性，盡可能與人口統(tǒng)計(jì)的地域范圍相一致。城市建成區(qū)的空間形態(tài)變化是科學(xué)度量和評(píng)價(jià)城市發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。本文研究的城市建成區(qū)，是指城市行政區(qū)范圍內(nèi)經(jīng)過征用的土地和實(shí)際建設(shè)發(fā)展起來的非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)地段，它包括市區(qū)集中連片的部分以及分散在近郊區(qū)與城市有著密切聯(lián)系、并具有基本完善的市政公用設(shè)施的城市建設(shè)用地[2,3]。

潛江市是融入“武漢城市圈”的湖北省3個(gè)省直管市之一，位于 112°29'～113°01'E、30°04'～30°39'N，于2006年完成數(shù)字潛江地理空間框架的建設(shè)，并投入運(yùn)行使用，儲(chǔ)備了較為完善的數(shù)據(jù)資源以及信息化服務(wù)手段，加快了潛江市信息化建設(shè)的步伐。隨著信息的擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)的增長，潛江市建成區(qū)也在發(fā)生翻天覆地的變化。本文以潛江市建成區(qū)為例，基于潛江市多時(shí)相遙感影像，結(jié)合GIS技術(shù)處理并獲取城市空間形態(tài)表征數(shù)據(jù)，以形狀比、延伸率和緊湊度作為城市空間形態(tài)指標(biāo)，分析潛江市60、80、90年代及2006、2012年不同年代城市擴(kuò)展的特征。

1 城市建成區(qū)空間形態(tài)動(dòng)態(tài)演化研究技術(shù)方法

潛江市作為數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)的試點(diǎn)城市，已具備相應(yīng)的基礎(chǔ)地理信息資料，但歷史地理空間數(shù)據(jù)仍是以紙質(zhì)材料留存。因此，要對(duì)潛江市各個(gè)年代的城市空間形態(tài)進(jìn)行分析，首先必須獲取相應(yīng)的數(shù)字化數(shù)據(jù)資料。整體研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 城市建成區(qū)空間形態(tài)動(dòng)態(tài)演化研究技術(shù)路線

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與處理

根據(jù)潛江市歷史數(shù)據(jù)的保存情況，收集潛江市1967、1983～1984 年、1983～1984 年、1995～1996 年 的黑白航拍影像（分別代表潛江市60、80、90年代的數(shù)據(jù)），并進(jìn)行掃描預(yù)處理；收集潛江市2007年制作的1∶5 000 DOM和DEM數(shù)據(jù)；收集潛江市地面分辨率為0．5 m的SWDC相機(jī)拍攝的彩色數(shù)碼航空攝影。

利 用 1967、1983～1984 年、1983～1984 年、1995～1996年的黑白航片影像數(shù)據(jù)，通過在已有地形圖上轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行像片糾正，在全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)上進(jìn)行DOM制作，輸出分辨率為256灰階、影像地面分辨率為1 m。利用2012年彩色航拍影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行像片控制測量，在全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)上進(jìn)行DOM制作，輸出24 bit彩色影像，地面分辨率為0．5 m。

1.2 城市空間形態(tài)專題數(shù)據(jù)采集

以遙感正射影像為基礎(chǔ)，利用收集整合的參考數(shù)據(jù)，采用人工解譯的方式，參考基礎(chǔ)地理信息、土地利用、自然資源等資料，以遙感正射影像為基礎(chǔ)底圖，開展城市要素信息判讀與解譯，采集、補(bǔ)充、更新建成區(qū)范圍等要素實(shí)體，提取相關(guān)屬性，并進(jìn)行要素分類整理，分別按照要求形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)層。

根據(jù)《城市規(guī)劃基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)城市建成區(qū)的定義，城市行政區(qū)內(nèi)實(shí)際已成片開發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備的地區(qū)，按照“連成片、沒有農(nóng)業(yè)景觀、邊界線閉合”等原則[2]，對(duì)城市建成區(qū)邊界進(jìn)行提取，在ArcMap環(huán)境下從潛江市規(guī)劃控制區(qū)域60、80、90年代及2006、2012年遙感影像圖提取研究區(qū)城市建成區(qū)邊界圖。

1.3 建成區(qū)空間形態(tài)動(dòng)態(tài)演化GIS分析

對(duì)采集的潛江市建成區(qū)城市變化監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用GIS空間分析方法、城市形態(tài)變遷分析方法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等多種技術(shù)手段相結(jié)合，獲得各種類型的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果挖掘城市空間形態(tài)變化的外在表現(xiàn)形態(tài)和內(nèi)在相關(guān)性。

由于城市建成區(qū)空間形態(tài)一般與城市建成區(qū)的形狀比、緊湊度等指數(shù)之間存在密切的關(guān)系，對(duì)建成區(qū)空間形態(tài)的動(dòng)態(tài)演化分析主要通過對(duì)建成區(qū)的范圍、面積、延伸率、形狀比、緊湊度等監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來表現(xiàn)[4,5]。

2 分析結(jié)果

通過對(duì)潛江市60、80、90年代及2006年和2012年5個(gè)時(shí)期的建成區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，分析潛江市建成區(qū)空間形態(tài)動(dòng)態(tài)演化情況。

2.1 建成區(qū)范圍變遷

潛江市北枕漢江，南接長江，由于歷史和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等原因，其建成區(qū)呈典型的“ 中心+組團(tuán)”的方式[6]分散分布，主要包括園林中心城區(qū)（含楊市）、廣華副中心城區(qū)（含五七、向陽）和澤口、王場、周磯、高場（含后湖）4個(gè)獨(dú)立組團(tuán)。圖2為潛江市建成區(qū)形態(tài)變遷圖。

2.2 建成區(qū)規(guī)模與發(fā)展模式

在60年代，潛江只有園林中心城區(qū)以及廣華（依江漢油田而建）、澤口（依碼頭而建）和王場3個(gè)分散的組團(tuán)。由于潛江城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，基本建設(shè)不斷增多，特別是黨的十一屆三中全會(huì)以來，潛江的城市化建設(shè)處于加速之中。發(fā)展到2012年，廣華和周邊的五七、向陽已經(jīng)發(fā)展融合為副中心城區(qū)，并擴(kuò)充了王場、周磯、高場（含后湖）3個(gè)新的獨(dú)立組團(tuán)。

圖2 潛江市建成區(qū)變遷圖

表1 潛江市各建成區(qū)面積增長量對(duì)比圖

表2 各建成區(qū)面積增長量對(duì)比圖

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，潛江市建成區(qū)面積的擴(kuò)大在逐年遞增。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，潛江城市化過程加速，各用地類型在空間上的分布呈一定規(guī)律地向外圍推進(jìn)?？傮w而言，潛江城市擴(kuò)張呈現(xiàn)出以中心城區(qū)極化發(fā)展，副中心城區(qū)穩(wěn)步擴(kuò)張，新興城區(qū)組團(tuán)增加、近郊城市化、遠(yuǎn)郊近郊化和農(nóng)村郊區(qū)化的趨勢。這也符合潛江目前城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃的基本目標(biāo)，即需要采取非均衡的發(fā)展策略培育市域增長極，使其能成為市域發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而為潛江在更高水平實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2.3 建成區(qū)空間形態(tài)指標(biāo)分析（園林中心城區(qū)）

由于潛江市建成區(qū)呈典型的“中心+組團(tuán)”的方式分布，選擇其中發(fā)展最快、面積最大的園林中心城區(qū)進(jìn)行相關(guān)空間形態(tài)指數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析。圖3為園林中心城區(qū)不同年代的長短軸分析圖。

根據(jù)園林中心城區(qū)不同年代的范圍區(qū)域，計(jì)算其空間形態(tài)表征值：延伸率、形狀比、緊湊度。計(jì)算方法如下（計(jì)算結(jié)果見表3）：

1）延伸率。伸延率=L/L'，其中L為區(qū)域最長軸長度，L'為區(qū)域最短軸長度。該指標(biāo)反映城市的帶狀延伸程度及離散程度。

2） 形狀比。形狀比=A/L2，其中A為區(qū)域面積，L為區(qū)域最長軸的長度。該指標(biāo)反映城市的帶狀特征。

3）緊湊度。緊湊度=A/A'，其中A為區(qū)域面積，A'為該區(qū)域最小外接圓面積。該指標(biāo)反映城市的緊湊程度，其中圓形區(qū)域被定義為最緊湊，其緊湊度為1。

圖3 園林中心城區(qū)不同年代長短軸分析圖

表3 園林中心城區(qū)空間形態(tài)變化監(jiān)測指標(biāo)

從園林中心城區(qū)不同時(shí)期的長軸分布圖來看，基本上都是呈南北走向，具有一定的軸向發(fā)展特征。同時(shí)，由于地理位置和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原因，同時(shí)不斷向東擴(kuò)張，即不斷靠近東荊河發(fā)展。從延伸率指標(biāo)分析來看（見圖4），80年代的延伸率最大，表明城區(qū)處于一種離散擴(kuò)張的狀態(tài)。90年代延伸率下降，表明城區(qū)處于以內(nèi)部填充為主的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。90年代后期開始，由于園林中心城區(qū)面積不斷延伸擴(kuò)張，其延伸率又有所提高，但基本趨于平穩(wěn)，表明在面積擴(kuò)張的同時(shí)不斷優(yōu)化內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃布局。

圖4 潛江市園林中心城區(qū)空間形態(tài)指標(biāo)分析圖

緊湊城市是在一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，充分節(jié)約用地并為其居民提供可持續(xù)福利的城市[7]。城市的緊湊度越低，即空間布局越分散，其城市內(nèi)部的人口流動(dòng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)聯(lián)系的成本越高，資源利用效率越低；而城市空間分布的“趨圓型”越高，其人口、產(chǎn)業(yè)、交通設(shè)施和資金的密度越大，出行交通成本越低，對(duì)資源的利用效率也越高。同時(shí)，緊湊城市使得不同的產(chǎn)業(yè)以及大量的人流、物流、信息流更加集中；不同的企業(yè)之間由于相互的協(xié)作溝通而產(chǎn)生積聚效益。因此，城市的緊湊度能從宏觀上指導(dǎo)城市的發(fā)展戰(zhàn)略。

由圖4可知，從1967～1995年，園林中心城區(qū)的緊湊度和形狀比逐漸提高，城市的空間布局密度相對(duì)提高；在1995年，園林中心城區(qū)分布的離散程度最小，緊湊度最高。但由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、地理位置等因素的影響，在90年代已開始向南和向東軸向發(fā)展，到2006年其緊湊度和形狀比下降，城區(qū)分布離散程度增大。發(fā)展到2012年，其緊湊度和形狀比又略有上升，說明園林中心城區(qū)已在合理規(guī)劃其城市空間結(jié)構(gòu)。未來迫切需要根據(jù)本地的地域特征和價(jià)值觀念，規(guī)劃潛江市的緊湊發(fā)展路線，優(yōu)化區(qū)域景觀空間結(jié)構(gòu)，使之在城市可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)中達(dá)到平衡。

2.4 建成區(qū)優(yōu)化發(fā)展分析

從以上對(duì)潛江市建成區(qū)空間形態(tài)指標(biāo)的分析得知，潛江市呈典型的多中心式、多組團(tuán)式的城市格局，這一模式是把中心城市的規(guī)模限制在規(guī)劃的最優(yōu)規(guī)模內(nèi)，把城市新發(fā)展的部分分散到城市周圍的地區(qū)組團(tuán)中去。這種城市發(fā)展模式具有以下優(yōu)勢：①有利于分散過分擁擠的中心城區(qū)，做到既分散又集中，為城市發(fā)展留有余地；②城鄉(xiāng)交錯(cuò)，有利于城市生態(tài)平衡；③大型生活服務(wù)設(shè)施多中心布局，生產(chǎn)、生活分片配套建設(shè)，有利于形成較小的、有良好設(shè)施、周圍由開闊綠地系統(tǒng)包圍起來的城市單元，從而有效地限制中心城區(qū)的規(guī)模。潛江需重點(diǎn)建設(shè)較集中的強(qiáng)大的園林中心城區(qū)和廣華副中心城區(qū)，帶動(dòng)位于中心位置的周磯區(qū)的發(fā)展，圍繞中心組團(tuán)生長，拉動(dòng)外圍的王場區(qū)、高場區(qū)和澤口區(qū)等獨(dú)立組團(tuán)的發(fā)展，將中心和各組團(tuán)有機(jī)聯(lián)系在一起，形成“兩心、多組團(tuán)”的規(guī)劃結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 語

從城市建成區(qū)空間形態(tài)變化的角度出發(fā)，研究利用遙感技術(shù)和GIS空間分析技術(shù)，提取潛江市建成區(qū)空間形態(tài)的主要表征值，通過分析各表征值的變化趨勢以及與其相關(guān)的影響因素的關(guān)系，可以看出潛江市建成區(qū)正呈現(xiàn)著一種不斷優(yōu)化擴(kuò)張的發(fā)展模式，同時(shí)也為認(rèn)識(shí)城市建成區(qū)建設(shè)飽和度提供了有效的佐證。

本研究方法從城市空間形態(tài)監(jiān)測指標(biāo)上定量描述了城市建成區(qū)的空間形態(tài)變化，提供了一種清晰鮮明的監(jiān)測和評(píng)價(jià)城市擴(kuò)展的方法，并為城市規(guī)劃的空間發(fā)展政策提供有效依據(jù)；同時(shí)，城市形態(tài)變遷監(jiān)測可作為地理國情監(jiān)測中的一個(gè)專題內(nèi)容，為地理國情普查提供了可行的技術(shù)方法。

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P208

B

1672-4623（2017）10-0057-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.10.018

2015-08-20。

石婷婷，博士，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)及數(shù)字城市地理空間框架。