北京城市空间的扩展与空间结构演变分析

北京市城市空间的扩展与空间结构演变分析王亮加雨灵【摘要】本研究利用北京市全市域的遥感影像数据，运用GIS分析技术，对北京市近30年来的城市空间扩展与城市空间结构演变进行分析。

结果显示，北京市空间扩展有明显的阶段性和方向性特征。

而城市空间结构在2001年以前日趋紧凑，城市扩展围绕中心城近地域圈层式蔓延态势明显；2001年以后，北京的城市扩展呈现多中心集聚趋势，近地域新城开始与中心城成片连接，且空间的无序蔓延程度增加。

研究表明，常规性事件是城市空间演化的本底，演化性事件是决定北京城市扩展模式和空间结构演变方式的决定性因素，革命性事件为城市扩展创造了契机，它们共同影响了北京市城市的扩展与空间结构的演变。

【关键词】城市空间；扩展；结构；演变；北京市1．引言伴随我国城镇化进程的不断加快，城市空间扩展与空间结构演变是城市发展的必然趋势[1, 2]。

城市化是城市用地增长的主要动力[3, 4]。

目前对于城市空间扩展的研究，大多从用地变化的角度出发，对城市用地扩展的空间过程、格局、动力机制和模式等进行讨论，并以北京、上海、深圳、广州、沈阳、武汉、淮安等城市[5~11]为例开展了广泛的研究。

从研究方法看，近年来开始采用RS数据，利用GIS空间技术获取城市用地资料，计算城市用地单元在某时段内的扩展指数[12, 13]、分形指数[14]、景观指数[15]等。

本文将以遥感影像数据为基础，利用GIS空间分析技术，对北京市近30年来的城市空间扩展与城市空间结构演变进行分析。

并对空间演化背后的动力机制进行探讨。

2．数据来源与研究方法2.1 数据类型及来源以北京市全市域遥感影像为基础数据源，均从北京市城市规划设计院规划信息中心遥感影像数据库获得。

其中，1986年～2001年数据为TM遥感影像，分辨率为30米×30米；2006年～2012年数据为SPOT5遥感影像，分辨率为10米×10米。

为进行空间扩展的动态分析，需对遥感影像数据进行预处理。

借助ERDAS 软件对图像进行几何精校正，校正精度满足要求。

再对图像进行裁剪和主成分分析等相关的增强处理，利用人机交互的方式对遥感影像进行监督分类。

然后将栅格数据转换成矢量数据，再进行用地类型比较和矢量数据叠置分析、属性数据的提取和计算。

得到完整的遥感解译数据。

需要指出的是，由于缺乏建设用地类型的实地普查，无法十分准确地区分城市建设用地和农村建设用地，故在城市扩展的核算中，将两种类型加总，得到建设用地的数据。

2.2 研究方法2.2.1 等扇分析方法等扇形分析是指以研究区的中心为圆心，选取适当半径将研究区划分成若干相等的扇形区域，与各时期用地图层进行GIS叠加，通过计算不同方位的扩展指数描述用地类型的空间分异。

西方的城市一般以中央商务区（CBD）为中心。

但北京市中央商务功能的分散性相对较强，参照以往研究[14, 16]，本文以天安门广场前南北中轴线和长安街的交汇点为中心。

在ArcGIS10.0中，以天安门广场为中心，以适当长度为半径，从东偏北11.25°为起点，画出16个夹角相等的扇形，转换成面文件后，调用ArcGIS10.0软件中的Analysis Tools/Overlay/Identity工具，将主城区划分为16个扇形区域。

在ArcGIS9.3中提取不同扇形区域的面积，据此分析不同时段各个扇区的扩展强度，并以雷达图进行表现，以利直观判断各个时段不同扇区城市空间扩展强度的差异，分清不同时段城市扩展的主导方向。

由于各扇形区域的夹角相等，因此所得到的扩展强度在时间与空间上均具可比性。

2.2.2 城市空间扩展和空间结构的主要指标为了全面度量北京近30年来的城市扩展和结构演变，本研究选取了城市扩展的相关指标进行分析。

（1）扩展强度指数扩展强度指数用于分析和描述城市建成区用地扩展状态，能够比较不同时期不同方位城市扩张的强弱、快慢和趋势。

扩展强度指数的表达式为[17]：（1）式（1）中，E i表示城市扩展强度指数，U a、U b分别表示a、b时期建设用地总面积，T 表示a到b时段的时间跨度。

（2）紧凑度指数紧凑度是反映城市空间形态的一个重要指标，城市轮廓形态的紧凑度被认为是反映城市空间形态的一个十分重要的概念，城市形态紧凑度计算方法有多种，其中Cole和Batty提出的城市边界紧凑度公式[18]使用最为广泛，公式为：（2）公式中，C i代表城市边界的紧凑度指数，A i代表城区的面积，P i代表城区的周长。

C i值一般在0-1之间，值越大，城市边界形状约紧凑——即接近圆形；反之值越小，紧凑度越差。

（3）分形维数城市的分形维数概念最早由Batty和Longley提出[19]，最初用来分析城市的边界状况，后来逐渐发展到用于城市形态和空间结构的分析。

一般的计算公式为：（3）公式（3）中，S t代表城市的分形维数，A t代表城区的面积，P t代表城区的周长。

一般地，S t值在1-2之间，S t值越大表示图形形状越复杂，当S t＜1.5时，说明图形趋于简单；当S t＝1.5时，说明图形处于布朗随机运动状态，越接近该值，稳定性越差；当S t＞1.5时，表示图形趋于复杂。

3．北京市城市空间扩展与空间结构的演变特征3.1 城市规模的变化1986年以来，北京市城市空间拓展的规模变化呈现出较为明显的阶段性特征。

其中，1986年至2001年，北京城市空间表现为平稳增长的态势，全市建设用地规模从1986年的1202.79平方公里增加至2001年的1638.14平方公里。

随着建立国际城市目标的确立和申办奥运会成功，2001年以来，北京市迎来了一轮快速建设的高潮，并为城市扩张注入了新的动力。

2001年至2006年期间，全市建设用地规模从1638.14平方公里快速拓展至2682.35平方公里，同时中心城地区范围内建设用地也快速蔓延。

第三个阶段是2006年至2011年。

奥运会后，城市空间进入了一个相对稳定的时期，北京市中心城拓展放缓，建设用地拓展向远郊和新城转移。

表1 1986年-2011年北京市建设用地规模拓展情况单位：平方公里资料来源：根据各时期遥感影像解译数据核算。

3.2 北京市城市空间扩展的演变特征3.2.1 城市空间扩展方向的差异性为分析城市空间扩展的各向异性，采用等扇分析法，在ARCGIS中，通过提取城市空间在不同时段不同扇形区域的扩展面积，计算不同时期各个方位空间扩展的强度指数。

并借助EXCEL绘制雷达图，以直观形式表达出不同时间各个方位空间扩展的情况，如图1、2所示。

从发展阶段上来看，1991年至1996年、2001年至2006年全市和中心城空间扩展强度的均值最大，这表明这两个时段是北京全市和中心城建设高峰时期，如图1-6、1-6所示。

表2 1986年-2011年北京市各空间扩展方向统计分析图1 1986年-2011年北京市全市域不同方位空间扩展强度示意图 资料来源：根据各时期遥感影像解译数据核算。

从全市域来看，1986年至1991年，城市空间缓慢扩展，各方向扩展强度的变异系数高达0.97，拓展方向呈现典型的轴向型扩展。

如图1-1所示，扩展方向集中在SE 、E 和N 三个方向。

1991年至1996年，城市空间呈现多翼状加速扩展，各方向扩展变异系数仅为0.38，城市呈现相对均衡式的蔓延，但城市的NNW-N-NNE 、SSW 、NWW 、SE 等方向扩展相对显著。

1996年至2001年，城市扩展速度有所下降，但是方向上的离散程度更为突出，城市主要沿着SSW 、N 两个轴向扩展。

而2001年至2006年，空间扩展强度的均值快速提升至0.13，城市又迎来一个快速扩展的高潮，并且变异系数降至0.21，离散程度低，呈现出均衡的圈层式扩展，如图1-4所示，其中N 方向上扩展强度值最高，为0.17。

2006年至2011年，城市扩展速度相对下降，扩展强度均值仅为0.01，呈现出NNW-N-NNE-NE 、SE-SSE-S-SSW 两个扇翼缓慢扩展的趋势。

1-1 1-2 1-3 1-4 1-5表3 1986年-2011年北京市城市空间扩展趋势与主要轴向2-4图2 1986年-2011年北京市中心城地区不同方位空间扩展强度示意图中心城地区的扩展过程与全市域较为相似，但是各时段扩展强度的变异系数均较高，扩展的方向较为离散。

1986年-1991年，扩展强度的变异系数最高，为1.20，集中在SE-SSE和N两个方向上进行扩展。

1991年至1996年，扩展强度均值提升至0.063，中心城在SW-SSW、SE两个轴向上快速蔓延。

1996年至2001年，中心城扩展强度放缓，仅在N-NNW方向上显著扩张。

2001年至2006年，中心城又迎来了快速扩展的时期，在NNE-NE-NEE、SEE、NWW方向上扩张十分显著。

2006年至2011年，中心城扩展强度又一次放缓，仅在N-NNE-NE、E-SEE、SSW方向上相对显著。

表4 1986年-2011年北京市中心城各空间拓展方向统计分析表5 1986年-2011年北京市中心城城市空间扩展趋势与主要轴向3.2.2 不同圈层上城市空间的扩展全市不同圈层上的空间拓展差异也十分显著。

如图3所示。

图3 1986年-2011年北京市各圈层城市空间扩展强度变化情况1986年至1991年，城市各圈层均在缓慢扩展。

1991年至1996年这一时段，各圈层内均迎来一个建设高峰，但集中在三环路至六环路之间。

1996年至2001年，城市持续在五环以内扩张，三环路内逐步填满，建设也逐渐放缓。

2001年以后，随着奥运会申办成功，北京市又迎来一个建设高峰，多个功能区在全市范围内布局，导致二环内、四环和五环之间、五环和六环之间继续扩展，同时城市快速向中心城以外地区扩张。

2006年以后，全市各圈层均进入了缓慢发展的阶段。

3.3 北京市城市空间结构的演变特征3.3.1 城市空间紧凑度的演变根据Batty的紧凑度公式，计算北京市全市域各时期的紧凑度指数，如图4所示。

从变化趋势上来说，1986年至2001年，北京全市域和中心城的紧凑度在缓慢提升，其中2001年紧凑度最高，全市域为0.0110，中心城为0.0370。

而2001年以来，全市域和中心城的紧凑度均呈现逐步下降的趋势，2011年紧凑度最低，全市域为0.00487，中心城则降至0.0273。

从变化幅度来看，2001年至2006年这一时期的紧凑度下降最快，特别是全市域的空间紧凑度变化显著大于中心城地区。

图4 1986年-2011年北京市城市空间紧凑度的演变3.3.2 城市空间的分维特征根据城市边界分形模型，计算北京市全市域和中心城地区6个时间截面的分形维数，如图5所示。

从结果可以看出，两个圈层的分形维数保持在1.24至1.42之间，小于1.5。