寧波市主城區(qū)三維空間格局分析研究

陳海珍，包 穎，井發(fā)明，申佩佩

（1. 寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042； 2. 寧波市阿拉圖數(shù)字科技中心，浙江 寧波 315042）

0 引 言

城市建筑是城市三維空間格局的重要組成部分，建筑高度對(duì)城市三維空間形態(tài)和城市三維景觀有重要的影響。合理引導(dǎo)城市范圍三維空間格局，形成良好的城市整體高度秩序，是城市規(guī)劃和建設(shè)過程中的著重關(guān)注點(diǎn)。當(dāng)前，對(duì)于城市空間格局的分析研究大多集中在二維形態(tài)的研究，對(duì)城市三維空間格局方面研究相對(duì)較少。針對(duì)城市二維形態(tài)的研究主要是通過高空間分辨率遙感影像，分析城市二維空間格局[1-2]、城市功能區(qū)劃[3]和城市景觀格局[4]；同時(shí)也有不少學(xué)者利用歷史影像和資料，追溯城市擴(kuò)張和城市二維空間和景觀演變[5-7]；對(duì)市域三維空間則側(cè)重表現(xiàn)和展示，針對(duì)城市三維形態(tài)的研究，多從規(guī)劃理論角度出發(fā)或從規(guī)劃項(xiàng)目出發(fā)，探索歷史街區(qū)天際線[8-9]、城市建筑高度控制原則等[10]，有部分學(xué)者對(duì)上海[11]和南京[11-13]等城市的三維空間進(jìn)行了探討，但目前研究相對(duì)較少。

寧波城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，目前正開展新一輪總規(guī)修編和“城市雙修”等工作，為了更好服務(wù)于寧波城市合理規(guī)劃和建設(shè)管理,本研究從較大尺度出發(fā)，探究寧波市繞城范圍主城區(qū)內(nèi)的三維空間格局。借助第一次地理國情普查豐富的數(shù)據(jù)成果和城市大比例尺地形圖數(shù)據(jù)，寧波市已獲取了豐富詳實(shí)的單體建筑及其高度數(shù)據(jù)。因此，本文通過GIS空間分析技術(shù)，利用聚合、鄰域分析等空間分析方法，對(duì)寧波市繞城高速范圍內(nèi)近500 km2的主城區(qū)約46萬幢建筑進(jìn)行研究，從而對(duì)主城區(qū)的三維空間格局進(jìn)行系統(tǒng)分析，為城市規(guī)劃與建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

寧波是副省級(jí)城市，下轄6個(gè)區(qū)和4個(gè)縣市，改革開放以來，城市化進(jìn)程速度飛快，城市二維平面擴(kuò)張和三維體量快速增長。研究區(qū)為寧波市繞城高速范圍,如圖1所示，主要覆蓋海曙、江北、鄞州、鎮(zhèn)海、北侖5個(gè)區(qū)的部分，為寧波核心主城區(qū)，總面積約為500 km2。

圖1 研究區(qū)范圍和局部建筑數(shù)據(jù)Fig.1 Study area and local buildings data

寧波市第一次地理國情普查期間，在國家和浙江省地理國情普查內(nèi)容的基礎(chǔ)上，基于高精度激光點(diǎn)云、高精度地表模型（DEM）數(shù)據(jù)、數(shù)字線劃圖、正射影像等提取建筑的高度信息[14]，完成建成區(qū)內(nèi)建筑的高度普查。為實(shí)現(xiàn)研究區(qū)全覆蓋，建成區(qū)范圍外的局部數(shù)據(jù)使用大比例尺地形圖中的建筑信息進(jìn)行補(bǔ)充，部分不含高度信息的建筑使用層數(shù)數(shù)據(jù)，并以居民樓層高3 m，工廠工業(yè)建筑層高6 m進(jìn)行模擬；同時(shí)，利用高精度DEM，將地形起伏信息也考慮在內(nèi)。最終實(shí)現(xiàn)繞城高速范圍內(nèi)462 324幢建筑數(shù)據(jù)覆蓋。

2 研究問題與方法

針對(duì)寧波城市特點(diǎn)，從城市擴(kuò)張與城市豎向生長、三維空間特征識(shí)別、立體形態(tài)發(fā)展和天際線分析4個(gè)方面，利用疊置分析、數(shù)據(jù)抽象和柵格化、空間聚合和鄰域分析、空間統(tǒng)計(jì)、天際線生成等方法進(jìn)行研究區(qū)三維空間格局分析研究。

2.1 城市擴(kuò)張與城市豎向生長

寧波市的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，1927年設(shè)寧波市，1978年改革開放，1987年成為計(jì)劃單列市、1994年被確定為副省級(jí)城市。在漫長的城市發(fā)展歷程中，城市擴(kuò)張，既包括建成區(qū)的平面擴(kuò)張，也包括城市的豎向生長。城市豎向生長，尤其是高層建筑的建設(shè)分布情況必然與寧波市城市歷史演變有著緊密的聯(lián)系。本文將高層建筑與長時(shí)間序列（分別為60年代、1979年、1987年、1998年、2007年和2016年）建成區(qū)擴(kuò)張范圍以及歷史街區(qū)保護(hù)范圍進(jìn)行疊置分析，通過邏輯交和邏輯差等運(yùn)算，提取不同擴(kuò)張時(shí)期建成區(qū)以及歷史街區(qū)范圍內(nèi)高層建筑分布信息。

2.2 三維空間特征識(shí)別

深入了解城市整體的三維空間特征對(duì)城市高度的分區(qū)優(yōu)化管控具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本文利用詳實(shí)的建筑高度數(shù)據(jù)意欲解讀寧波城市三維空間的整體特征，但過于具象和精細(xì)的建筑底面和建筑高度信息，反而掩蓋了整體空間分布和組團(tuán)的規(guī)律[11]，需要采取一定的技術(shù)手段將具象的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚合和抽象。通過多次試驗(yàn)，本文采用結(jié)合虛擬格網(wǎng)加建筑體量特征指示以及空間聚合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抽象和柵格化。

1）首先生成研究區(qū)范圍內(nèi)100 m×100 m虛擬格網(wǎng)，利用建筑體量特征指示存儲(chǔ)每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)建筑高度信息。建筑體量特征指示是選取格網(wǎng)中建筑容積最大的建筑，將其高度作為該格網(wǎng)的建筑高度數(shù)值。相較于傳統(tǒng)的平均值、中數(shù)等采樣方法，建筑體量特征指示能夠避免建筑三維信息被過度平滑和掩蓋。

2）柵格化后的主城區(qū)建筑達(dá)到了一定的數(shù)據(jù)抽象效果，但是仍然無法達(dá)到三維空間特征識(shí)別的要求，繼續(xù)采用更大尺度的格網(wǎng)，容易以偏概全，導(dǎo)致建筑高度數(shù)據(jù)失真（尤其是超高層建筑信息丟失），故通過8×8格網(wǎng)鄰域的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)方法，采用鄰域分析來實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)提取和空間聚合。

2.3 立體形態(tài)發(fā)展階段研究

目前，寧波正在經(jīng)歷新一輪的城市總規(guī)修編，了解其城市立體形態(tài)的發(fā)展階段，對(duì)于城市發(fā)展定位、管理優(yōu)化都有一定的參考價(jià)值。城市的發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，不同的城市發(fā)育階段，城市的立體形態(tài)也有著不同的發(fā)展階段[12]。在城市發(fā)展的初期，人口自行緩慢集聚，多以低矮建筑為主，只有局部中心功能區(qū)開發(fā)強(qiáng)度較大，高層建筑呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布模式，面積占比小，城市立體形態(tài)呈現(xiàn)弱金字塔狀,如圖2a所示。隨著城市不斷發(fā)展，在人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互作用下，城市土地利用集約性增強(qiáng)，多層、高層建筑建設(shè)增加，不同建筑高度面積占比更加均衡，呈現(xiàn)均衡金字塔形,如圖2b所示。隨著城市繼續(xù)發(fā)展，體量更加龐大，人地矛盾加劇，城市橫向發(fā)展受限，豎向發(fā)展程度加劇，建筑高度和容積率增加，高層高度建筑面積占比增加，城市立體形態(tài)呈現(xiàn)穹隆頂式,如圖2c所示。

圖2 城市立體形態(tài)圖譜特征[12]Fig.2 The features of urban three-dimensional morphology diagram[12]

根據(jù)《民用建筑通則》中建筑高度的分級(jí)[15]，將建筑按照10 m以下低矮建筑；10～24 m，多層建筑；24～36 m小高層建筑；36～50 m中高層建筑；50～100 m高層建筑；大于100 m超高層建筑，分為6個(gè)等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各級(jí)建筑的占地面積，制作城市立體形態(tài)發(fā)展圖。

2.4 天際線分析

城市天際線是城市高低錯(cuò)落的建筑輪廓和城市整體格局給人的總體形象，是一個(gè)城市歷史、文化、經(jīng)濟(jì)等方面發(fā)展的空間化體現(xiàn)，反映了一定時(shí)期內(nèi)城市三維空間形態(tài)的特征[16]。優(yōu)美而獨(dú)特的天際線是城市特色的識(shí)別標(biāo)志之一,在城市形象建設(shè)過程中越來越被重視。寧波于2017年入選國家“城市雙修”試點(diǎn)，城市天際線美化也是城市修補(bǔ)的重要工作之一。

天際輪廓線的生成，其實(shí)就是指從某個(gè)觀察點(diǎn)視角出發(fā)，城市三維空間在某一方向的投影。不同觀察視角和觀察距離對(duì)天際線具有較大的影響，對(duì)天際線的觀察視點(diǎn)通常有江河航道、高速公路等城市通道，高層建筑和觀光點(diǎn)等城市制高點(diǎn)，以及大型廣場(chǎng)、綠地等開闊地帶[17]。

寧波主城區(qū)內(nèi)甬江、奉化江、姚江三江交匯，呈現(xiàn)鮮明的濱江河道。故本文以三江交匯口為視點(diǎn)，向?yàn)I江北岸、濱江東南岸和濱江西岸3個(gè)方向進(jìn)行觀察，通過投影生成對(duì)應(yīng)的天際輪廓線。

3 結(jié)果與討論

3.1 城市擴(kuò)張與城市豎向生長分析

城市的發(fā)展和城市三維空間格局不是一蹴而就，而是帶著很深的時(shí)代烙印[11]，通過對(duì)寧波城市擴(kuò)張與城市豎向生長分析，得到如圖3所示的分布圖?？梢耘袛?，寧波市老城區(qū)城市高度層次格局以低層中層建筑為主。這一區(qū)域建筑空間表現(xiàn)為由連片的中低層和散點(diǎn)布局的高層建筑構(gòu)成，整體空間新舊交織。中心城區(qū)歷史街區(qū)保護(hù)范圍內(nèi)無高層建筑，在20世紀(jì)60年代至98年建成區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)的50 m以上高層建筑占地面積約為45×104m2，21世紀(jì)擴(kuò)張的新建成區(qū)范圍內(nèi)，高層建筑占地面積約為140×104m2。

圖3 寧波市主城區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展與歷史街區(qū)(a)及高層建筑分布圖(b)Fig. 3 The process of spatial development (a) and the high-rise buildings group distribution in Ningbo downtown (b)

可見，城市三維空間和城市高度格局的形成與變化必然與城市演變發(fā)展的背景和歷程有著不可分割的關(guān)系。出于溯本追源的情懷和文化保護(hù)，老城區(qū)尤其是歷史街區(qū)仍保留著原有的建筑高度秩序。加之舊城改造的成本和難度直接限制了老城區(qū)用地集約度的提高，高層建筑基本上圍繞老城區(qū)外圍呈現(xiàn)圈層式發(fā)展。由于寧波市近年來南部新城和東部新城的崛起，高層建筑在這兩個(gè)區(qū)塊的建造更加火熱，相較而言，老城區(qū)中江北區(qū)的高層建筑建設(shè)強(qiáng)度明顯低于其他地區(qū)。

3.2 三維空間特征與城市商務(wù)中心

通過三維空間特征識(shí)別得到寧波主城區(qū)建筑高度聚合圖，如圖4所示。雖然城市的商務(wù)中心不僅僅靠建筑高度來體現(xiàn)，但是建筑高度一定是城市資本實(shí)力和空間功能定位的重要表現(xiàn)[18-19]。城市的商務(wù)中心，尤其是金融中心，其建筑高度往往會(huì)格外凸顯，以“點(diǎn)團(tuán)狀”的高層和超高層單元彰顯其中心的地位[11]，這不僅是因?yàn)楣δ艿燃?jí)和集聚程度的因素所致，同時(shí)也是資本注入和中國房地產(chǎn)開發(fā)的政策與機(jī)制在其中的作用是決定性的[20-21]。

圖4 寧波主城區(qū)高層建筑聚合圖Fig. 4 Aggregation chart of high-rise buildings in Ningbo downtown

從圖4可以看出，寧波主城區(qū)三維空間呈現(xiàn)兩個(gè)高層建筑高度集聚區(qū)（東部新城和南部新城）、一個(gè)軸線集聚帶和多個(gè)次級(jí)集聚區(qū)，呈現(xiàn)“兩主+一軸+多副”的空間分布格局。土地集約利用開發(fā)重心偏中部和東南片區(qū)，北部、西部片區(qū)集約程度較低。

中山路作為寧波最重要的一條大街，歷經(jīng)千年滄桑，以商業(yè)發(fā)達(dá)聞名。在上一輪寧波市城市總規(guī)（2006～2020）中，中山路被定義為城市主軸而重點(diǎn)打造。中山路歷史悠久，貫穿寧波市老城區(qū)核心地帶，出于對(duì)歷史街區(qū)保護(hù)，也鑒于舊城改造難度，中山路城市主軸沿線的建筑高度的增長受限較多。反觀東部新城和南部新城，從無到有的全新打造，必然有破竹之勢(shì)，新城高樓林立，土地集約程度高，成為高層建筑集聚區(qū)。

3.3 城市立體形態(tài)

通過立體形態(tài)發(fā)展階段研究可以看出，寧波市主城區(qū)的城市立體形態(tài)呈現(xiàn)弱金字塔模式，如圖5a所示，高層以上建筑的分布比較有限，多為低矮建筑，主城區(qū)發(fā)育階段還屬初級(jí)階段?？梢娎@城高速范圍內(nèi)城市發(fā)育不完全。寧波市于2017年4月進(jìn)行商品房限購，并在主城區(qū)核心區(qū)域劃定了限購區(qū)，以限購區(qū)為邊界，進(jìn)行城市立體形態(tài)研究，呈現(xiàn)出均勻金字塔結(jié)構(gòu)，如圖5b所示，可見限購區(qū)內(nèi)，城市立體形態(tài)發(fā)育較完全。

3.4 天際線分析

利用天際線研究方法，生成寧波市濱江西岸、濱江東南岸和濱江北岸3個(gè)方向的天際線，寧波市主城區(qū)天際線起伏較為明顯，如圖6所示。濱江西岸城市天際線形態(tài)呈現(xiàn)“中部隆起”流線型格局，天一、鼓樓片區(qū)的天際輪廓線突出，伴有兩幢超高層地標(biāo)建筑，如圖6a所示。濱江東南岸城市天際線綿延，視野中建筑高度普遍較高，呈現(xiàn)“兩高三峰”格局，東部新城和南部新城高層建筑密集且伴有多幢超高層地標(biāo)建筑，中部的三江口南岸亦伴有兩個(gè)超高層地標(biāo)建筑，如圖6b所示。濱江北岸方向天際線呈現(xiàn)“整體平緩”格局，僅有鎮(zhèn)海大廈單峰聳立，以低矮建筑為主，天際輪廓線缺乏辨識(shí)度，如圖6c所示。

圖5 建筑占地面積與建筑高度的關(guān)系圖Fig. 5 Floor area-building height diagram

圖6 寧波市主城區(qū)濱江西岸、濱江東南岸和濱江北岸城市天際線示意圖Fig. 6 Urban skyline of western, southeastern and northern bank of Binjiang in downtown of Ningbo

城市天際線是對(duì)城市三維輪廓的整體認(rèn)知，其形成也是城市政治、經(jīng)濟(jì)、文化等要素共同作用的結(jié)果，體現(xiàn)了城市資本力量和文化底蘊(yùn)。規(guī)劃合理的天際線能給人美的享受，是一張靚麗的“城市明信片”。在城市的設(shè)計(jì)建設(shè)中，既要追求建筑高度和容積率，也要考慮各方面的限高因素，還要考慮建筑群體合在一起是否協(xié)調(diào)，以滿足人們審美的精神要求[16]。

4 結(jié)束語

本研究采用寧波市第一次地理國情普查數(shù)據(jù)，通過多角度空間分析，挖掘以城市建筑高度為主導(dǎo)的主城區(qū)三維空間格局，揭示了主城區(qū)三維形態(tài)的宏觀規(guī)律，得到的結(jié)論為：

1）寧波市繞城高速范圍內(nèi)的主城區(qū)建筑以低矮建筑和多層建筑為主，城市立體形態(tài)發(fā)育不完全，還處于弱金字塔階段，高層建筑占地面積占比較低，城市的土地集約利用程度較弱。寧波市限購區(qū)內(nèi)城市立體形態(tài)發(fā)育程度較高，呈現(xiàn)均勻金字塔模式。

（2）寧波主城區(qū)三維空間呈現(xiàn)兩個(gè)高層建筑高度集聚區(qū)（東部新城和南部新城）、一個(gè)軸線集聚帶和多個(gè)次級(jí)集聚區(qū)，呈現(xiàn)“兩主+一軸+多副”的空間分布格局。

3）高層建筑多分布在21世紀(jì)后擴(kuò)展的建成區(qū)，老城區(qū)新建高層建筑面積占比較小，分布多集中在三江沿岸。

4）通過對(duì)濱江西岸、東南岸和北岸天際線的分析，濱江西岸天際線形態(tài)呈現(xiàn)“中部隆起”流線型格局；濱江東南岸城市天際線綿延，呈現(xiàn)“兩高三峰”格局；濱江北岸天際線呈現(xiàn)“整體平緩”格局，天際線景觀特點(diǎn)還不夠鮮明。

本文從4個(gè)方向，分析了寧波市主城區(qū)城市建筑高度和城市三維空間格局，為城市高度秩序的引導(dǎo)，城市天際線的打造提供了重要的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)城市合理規(guī)劃和建設(shè)具有重要的意義。目前使用的是單一年份的建筑數(shù)據(jù)和較為基礎(chǔ)的地理信息空間分析方法，在下一步的研究中，通過收集多年地形圖、影像圖和三維模型數(shù)據(jù)，結(jié)合多種方法手段，研究城市三維空間格局演變歷程。