经济欠发达地区中心城市空间拓展分析_以南充市为例

第29卷　第1期2010年1月地 理 研 究GEO GRA P HICAL RESEA RC HVol 129,No 11Jan 1,2010 收稿日期:2009208230;修订日期:2009211202 基金项目:国家科技支撑计划课题(2006BAJ 11B01);国家自然科学基金项目(40971085) 作者简介:祝昊冉(19862),男,北京人,研究生。

主要从事城市地理研究。

　3通讯作者:冯健(19752),男,副教授。

主要从事城市地理研究。

E 2mail :fengjian @pku 1edu 1cn经济欠发达地区中心城市空间拓展分析———以南充市为例祝昊冉1,冯　健23(11美国南加州大学政策、规划和发展学院洛杉矶90089;　21北京大学城市与环境学院北京100871)摘要:以四川省南充市为例,探讨了西部经济欠发达地区中心城市的空间拓展规律。

基于多时相Landsat TM 遥感数据和GIS 的定量研究方法,以城市分形理论为基础,结合对城市实体地域空间在不同方向上的拓展分析,系统探讨了南充城市空间在不同时期的形态特征。

通过人机交互的监督分类方法,提取了1988、1993、1999、2002和2007年5个年份的南充中心城市实体地域数据,在GIS 中进行了叠加。

采用半径法进行城市分形研究,发现各个时期南充城市总体上存在分形特征,但维数存在两个标度区,而且标度区之间的维数具有跳跃性,以此判断出城市在不同阶段的增长动力存在差异———从自然增长主导的扩张模式向多种增长。

在对南充城市实体地域进行分象限拓展分析后,发现南充城市在演化过程中存在明显的方向性,总体趋势为东北-西南的轴向拓展,并以此为基础建立了城市空间扩展模型。

关键词:城市形态;城市分形;空间拓展;南充;遥感文章编号:100020585(2010)01200432141　引言城市空间拓展分析是城市形态研究的一个重要组成部分。

其侧重于研究城市边界和外部形态在时间上的变化特征和模式,通过对其进行定性和定量分析揭示城市自身及城市与所处环境在时间维度上的动态关系,为城市今后发展提供现实依据。

在城市空间拓展研究中,城市分形研究是应用比较广泛的一种定量方法。

20世纪90年代以后,城市分形研究日益受到重视。

分形的基本特征是自相似性,即没有尺度或者特征规模,分形城市源于分形思想的城市形态与结构的模拟和实证研究。

Batty 在1991年发表了《作为分形的城市:模拟生长与形态》一文,标志着分形城市概念的萌芽。

在诸多研究中,Batty 等的城市生长分形模拟[1～5]、Frankhouser 的城市形态的分维实测[6～8]、White 等的城市土地利用分形图式模拟[9,10]、Benguigui 等的城市形态分形统计标准等[11,12]最为引人注目。

分形城市最初主要是研究城市形态和结构,但是,随着研究领域的扩展,逐渐向内细化到城市建筑,向外拓展了区域城市体系。

对城市形态及其演化的分形性质和分维特征研究极大地推动了城市空间拓展定量研究的发展。

在我国近年来的研究中,与城市空间拓展相关的研究很多。

这些研究部分是基于分形　地 理 研 究29卷44方法的,部分是基于分象限量化方法的。

林炳耀以二维平面形态测定方法进行了归纳,认为解决城市空间形态计量问题的思路有4种,即特征值法、数理统计方法、自相似理论和技术、模糊数学方法和突变论[13]。

杨山等在研究无锡市形态扩展的空间差异时,将无锡市区划分为8个象限,研究1970、1977、1984、1991和1998年5个年份的城市形态在8个象限内的空间扩展情况,通过计算城市形态空间扩展面积的平均值,方差和标准差,探讨8个象限空间扩展在4个时期内的差异,以反映无锡市未来城市发展的主要方向[14]。

王伟武等研究了杭州近18年来城市用地扩展的空间特征,并分析了其驱动机制[15]。

自1992年李后强、艾南山将分形理论引入城市地理研究之后,国内学者也在分形城市方面做了大量工作,其中包括不少分形城市形态的研究。

陈彦光等研究了城市形态熵与分形维数[16],并在分形城市形态模拟方面进行了理论探讨[17,18]。

一些学者用“面积-周长法”分别测算了不同时期很多中国城市的边界维数[19～21]。

冯健用网格法计算了杭州城市形态的容量维数,揭示了杭州城市1949～1996年间城市形态和土地利用结构的演化特征[22]。

赵晶等计算了1947～1996年间上海市土地利用分形维数,探讨了上海市土地利用形态演变的驱动力[23]。

张宇星运用分形理论方法研究城市和城市群形态的空间特性[24]。

王青应用分形理论,对太原市城市边缘区近40年的动态变化进行了尝试性的定量分析研究,揭示了太原市在不同历史时期的城市地域扩展方式[25]。

叶俊等运用分形理论研究城市形态与城市增长,并认为分形理论方法有助于揭示城市形态演化特征[26]。

姜世国等利用半径法对北京1984年和1999年的遥感影像图提取了分维特征,提出分形集聚的概念[27]。

在我国关于城市空间拓展的研究中,绝大多数研究对象是东部尤其是沿海发达地区的城市。

对于西部欠发达地区,如甘肃、宁夏、四川中北部、云南等地的城市研究甚少。

随着我国西部大开发战略的实施,对西部地区的关注日益提高。

在这种背景下,本研究以四川省南充市为研究对象,探讨西部欠发达地区中心城市的空间扩展特征和城市发展脉络。

2　研究方法及研究区211　研究方法21111　通过半径法测算分维　根据Batty的城市分形理论[5],设以城市中心为圆心,以r 为半径,N(r)为此圆范围内将要开发的地块面积,则有N(r)=Kr D(1) 将D定义为城市地块结构分维,可称之为土地开发度。

如果所有地块的土地都开发了,则N(r)可用圆内所有土地面积A(r)代替,此时D应该等于2。

如果有些地块尚未开发,这些未开发地块的密度随离城市中心距离增加而增大,此时D小于2。

式(1)显然是一个幂函数模型。

陈彦光等进一步对分形与城市土地开发的关系进行了推导[18],得到一个定义城市土地利用密度的分布公式ρ(r)=dS(r)∝r D-2(2)dA(r) 式中,ρ(r)为距市中心r处城市活动的平均密度,A(r)为城市中心向外半径为r的圆域面积,S(r)为半径为r的圆环中所占有的城市建设用地面积。

当D<2时,ρ(r)∝1/r2-D,r越大,ρ(r)越小,城市土地利用密度从中心向外递减;当D=2时,ρ(r)=D k/2π,为常数,城市土地利用密度从中心到外围没有差异;当D>2时,ρ(r)∝r D-2,r越大,ρ(r)越大,城市土地利用密度从中心向外围递增[18]。

因此,半　1期祝昊冉等:经济欠发达地区中心城市空间拓展分析———以南充市为例45　径维数实际上反映了城市建设用地由中心向外递减的过程。

21112　空间拓展分析思路　城市空间拓展分析的主要目的,是从定量的角度分析城市在不同年份之间或不同发展阶段之间的主要扩展方向,以此为依据判断城市未来的发展走向和扩张速度。

因此,城市空间拓展分析是理解城市发展轨迹、研究未来发展趋势的一个十分有利的工具,也是研究城市形态演化过程必不可少的组成部分。

进行空间拓展分析,首先将研究区域划分为若干象限,并对每个象限中不同年份的建设用地数据进行提取。

其次,利用数据分析各个象限中的建设用地增长速度,得到城市增长的历史轨迹。

最后,根据历史数据建立模型,辅助预测未来城市发展趋势。

212　研究区及研究数据21211　研究范围及城市中心　进行基于半径-面积法的城市分形分析和基于象限法的城市空间拓展分析,首先要确定城市中心和城市研究范围。

图1　研究区域及城市中心的选取Fig 11　The study area and the election of city center 一般来讲,城市中心的选择要考虑到城市的几何中心点、城市的政治和商业等职能中心、市民心目中的城市中心以及城市形心等。

例如,北京的城市中心一般会选取天安门[28],杭州的城市中心选择为武林广场[29],都是综合考虑上述原则的结果。

在南充,由于人民路十字路口周围聚集了南充比较高档的商业机构,在中心地理论中可以视为最高级中心地,加之其历史悠久,历来在南充市城市商业和生活中占据重要地位,而且各类政府机构也分布在其周围,经过实地考察,确认它是较为合理的城市中心位置。

而城市范围的界定一般选择城市的行政范围,在本研究中,由于研究对象为南充城市建成区(图1),为了排除外部乡镇对分形研究的影响,城市研究范围选择2007年城市建成区的覆盖区域,即从城市中心出发最大半径为8km 的圆形范围。

21212　研究数据及其处理　主要数据来源为1988～2007年之间5个年份的Landsat 25卫星TM30m 分辨率遥感影像。

对原始图像资料进行几何纠正、监督分类提取地物数据和矢量化,原有的栅格数据格式被转化为矢量格式,在GIS 中进行后续处理。

在测算分形维数部分,由于在20世纪80年代及90年代初南充城市建成区面积较小,为了保证最终分析时的统计样本数量,同心圆之间的半径差设为100m ,共生成80个同心圆环(图2)。

通过GIS 中的布尔运算,提取出了5个年份每个圆环中的城市建成区面积。

同时,将同心圆环从里至外进行编号,最内侧编为1,依次2,3,…,最外侧编号80。

将圆环内的不同时期建成区面积与圆环编号进行一一对应,建立统计数据库。

将数据库中的各时期不同半径内的城市建成区面积和对应的圆环序列进行统计回归。

由前述理论可知,各种模型中幂函数模型的解释效力最高,因此回归模型采用了幂函数模　地 理 研 究29卷46型。

首先将1988年的各环内建设用地面积与圆环序列进行回归,得到回归函数S(N)= C・N±α。

幂函数关系等价于对数线性关系,因此一般将上述测度、尺度数据直接标绘在双对数坐标图上,只要数据点在双对数坐标图上直观地显示出直线关系能够成立,或者有限度地成立———出现无特征尺度的标度区,就可以判定分形的存在。

否则,城市还没有达图2　基于GIS的南充城市分形处理Fig12　The layout of urban f ractal data by GIS图3　南充城市建成区象限划分(市区范围)Fig13　Spatial layout of Nanchong city in sub2quadrants　1期祝昊冉等:经济欠发达地区中心城市空间拓展分析———以南充市为例47到分形状态。

判断是否有较好的直线关系,除了从直观上考察直线的拟合趋势之外,主要通过拟合优度R2来确定。

Benguigui等人曾用R2≥01996作为判断城市是否为分形的依据,这是一个较高的标准。

由于南充城市处于丘陵地带、城市发展受限因素较多,因此在判断城市是否为分形时可适当降低R2标准。