基于3S的潜江市城市空间形态动态演化研究

2017-11-01石婷婷李雪梅马宏君

地理空间信息 2017年10期

关键词：潜江市潜江建成区

石婷婷，李雪梅，马宏君

（1.华中科技大学，湖北武汉 430074；2.湖北省航测遥感院，湖北武汉 430074；3.潜江市测绘地理信息局，湖北潜江 433199）

基于3S的潜江市城市空间形态动态演化研究

石婷婷1,2，李雪梅2，马宏君3

（1.华中科技大学，湖北武汉 430074；2.湖北省航测遥感院，湖北武汉 430074；3.潜江市测绘地理信息局，湖北潜江 433199）

依据潜江市5个不同年代的基础地理信息资料，提出城市建成区空间形态动态演化研究的技术方法。通过对潜江市建成区的范围、面积、延伸率、形状比、紧凑度等监测指标进行统计分析，展示潜江市建成区空间形态的动态演化过程。

城市建成区；空间形态指标；城市变化监测；GIS空间分析；地理国情

随着城市经济的快速增长和城市化进程的不断加快，城市建成区的范围以及扩张变化形态都在不断变化，导致城市建成区的空间形态呈现动态演变的趋势。城市建成区的范围划定不仅要考虑自然地理、地形地貌、基层行政单位的管理界线等因素，也要考虑城市各项用地的完整性，尽可能与人口统计的地域范围相一致。城市建成区的空间形态变化是科学度量和评价城市发展的一个重要指标[1]。本文研究的城市建成区，是指城市行政区范围内经过征用的土地和实际建设发展起来的非农业生产建设地段，它包括市区集中连片的部分以及分散在近郊区与城市有着密切联系、并具有基本完善的市政公用设施的城市建设用地[2,3]。

潜江市是融入“武汉城市圈”的湖北省3个省直管市之一，位于 112°29'～113°01'E、30°04'～30°39'N，于2006年完成数字潜江地理空间框架的建设，并投入运行使用，储备了较为完善的数据资源以及信息化服务手段，加快了潜江市信息化建设的步伐。随着信息的扩张、经济的增长，潜江市建成区也在发生翻天覆地的变化。本文以潜江市建成区为例，基于潜江市多时相遥感影像，结合GIS技术处理并获取城市空间形态表征数据，以形状比、延伸率和紧凑度作为城市空间形态指标，分析潜江市60、80、90年代及2006、2012年不同年代城市扩展的特征。

1 城市建成区空间形态动态演化研究技术方法

潜江市作为数字城市地理空间框架建设的试点城市，已具备相应的基础地理信息资料，但历史地理空间数据仍是以纸质材料留存。因此，要对潜江市各个年代的城市空间形态进行分析，首先必须获取相应的数字化数据资料。整体研究技术路线如图1所示。

图1 城市建成区空间形态动态演化研究技术路线

1.1 基础数据收集与处理

根据潜江市历史数据的保存情况，收集潜江市1967、1983～1984 年、1983～1984 年、1995～1996 年的黑白航拍影像（分别代表潜江市60、80、90年代的数据），并进行扫描预处理；收集潜江市2007年制作的1∶5 000 DOM和DEM数据；收集潜江市地面分辨率为0．5 m的SWDC相机拍摄的彩色数码航空摄影。

利用 1967、1983～1984 年、1983～1984 年、1995～1996年的黑白航片影像数据，通过在已有地形图上转点进行像片纠正，在全数字摄影测量系统上进行DOM制作，输出分辨率为256灰阶、影像地面分辨率为1 m。利用2012年彩色航拍影像数据，进行像片控制测量，在全数字摄影测量系统上进行DOM制作，输出24 bit彩色影像，地面分辨率为0．5 m。

1.2 城市空间形态专题数据采集

以遥感正射影像为基础，利用收集整合的参考数据，采用人工解译的方式，参考基础地理信息、土地利用、自然资源等资料，以遥感正射影像为基础底图，开展城市要素信息判读与解译，采集、补充、更新建成区范围等要素实体，提取相关属性，并进行要素分类整理，分别按照要求形成相应的数据层。

根据《城市规划基本术语标准》对城市建成区的定义，城市行政区内实际已成片开发建设、市政公用设施和公共设施基本具备的地区，按照“连成片、没有农业景观、边界线闭合”等原则[2]，对城市建成区边界进行提取，在ArcMap环境下从潜江市规划控制区域60、80、90年代及2006、2012年遥感影像图提取研究区城市建成区边界图。

1.3 建成区空间形态动态演化GIS分析

对采集的潜江市建成区城市变化监测数据，利用GIS空间分析方法、城市形态变迁分析方法、统计学方法等多种技术手段相结合，获得各种类型的统计分析数据，从统计结果挖掘城市空间形态变化的外在表现形态和内在相关性。

由于城市建成区空间形态一般与城市建成区的形状比、紧凑度等指数之间存在密切的关系，对建成区空间形态的动态演化分析主要通过对建成区的范围、面积、延伸率、形状比、紧凑度等监测指标进行统计分析来表现[4,5]。

2 分析结果

通过对潜江市60、80、90年代及2006年和2012年5个时期的建成区进行监测，分析潜江市建成区空间形态动态演化情况。

2.1 建成区范围变迁

潜江市北枕汉江，南接长江，由于历史和经济建设等原因，其建成区呈典型的“ 中心+组团”的方式[6]分散分布，主要包括园林中心城区（含杨市）、广华副中心城区（含五七、向阳）和泽口、王场、周矶、高场（含后湖）4个独立组团。图2为潜江市建成区形态变迁图。

2.2 建成区规模与发展模式

在60年代，潜江只有园林中心城区以及广华（依江汉油田而建）、泽口（依码头而建）和王场3个分散的组团。由于潜江城乡经济发展迅速，基本建设不断增多，特别是党的十一届三中全会以来，潜江的城市化建设处于加速之中。发展到2012年，广华和周边的五七、向阳已经发展融合为副中心城区，并扩充了王场、周矶、高场（含后湖）3个新的独立组团。

图2 潜江市建成区变迁图

表1 潜江市各建成区面积增长量对比图

表2 各建成区面积增长量对比图

从以上数据分析可以看出，潜江市建成区面积的扩大在逐年递增。由于社会经济的飞速发展，潜江城市化过程加速，各用地类型在空间上的分布呈一定规律地向外围推进。总体而言，潜江城市扩张呈现出以中心城区极化发展，副中心城区稳步扩张，新兴城区组团增加、近郊城市化、远郊近郊化和农村郊区化的趋势。这也符合潜江目前城乡发展规划的基本目标，即需要采取非均衡的发展策略培育市域增长极，使其能成为市域发展的发动机，从而为潜江在更高水平实现城乡协调发展奠定基础。

2.3 建成区空间形态指标分析（园林中心城区）

由于潜江市建成区呈典型的“中心+组团”的方式分布，选择其中发展最快、面积最大的园林中心城区进行相关空间形态指数的统计分析。图3为园林中心城区不同年代的长短轴分析图。

根据园林中心城区不同年代的范围区域，计算其空间形态表征值：延伸率、形状比、紧凑度。计算方法如下（计算结果见表3）：

1）延伸率。伸延率=L/L'，其中L为区域最长轴长度，L'为区域最短轴长度。该指标反映城市的带状延伸程度及离散程度。

2）形状比。形状比=A/L2，其中A为区域面积，L为区域最长轴的长度。该指标反映城市的带状特征。

3）紧凑度。紧凑度=A/A'，其中A为区域面积，A'为该区域最小外接圆面积。该指标反映城市的紧凑程度，其中圆形区域被定义为最紧凑，其紧凑度为1。

图3 园林中心城区不同年代长短轴分析图

表3 园林中心城区空间形态变化监测指标

从园林中心城区不同时期的长轴分布图来看，基本上都是呈南北走向，具有一定的轴向发展特征。同时，由于地理位置和经济发展的原因，同时不断向东扩张，即不断靠近东荆河发展。从延伸率指标分析来看（见图4），80年代的延伸率最大，表明城区处于一种离散扩张的状态。90年代延伸率下降，表明城区处于以内部填充为主的发展状态。90年代后期开始，由于园林中心城区面积不断延伸扩张，其延伸率又有所提高，但基本趋于平稳，表明在面积扩张的同时不断优化内部的空间结构，合理规划布局。

图4 潜江市园林中心城区空间形态指标分析图

紧凑城市是在一定的社会经济和技术条件下，充分节约用地并为其居民提供可持续福利的城市[7]。城市的紧凑度越低，即空间布局越分散，其城市内部的人口流动、经济活动和社会联系的成本越高，资源利用效率越低；而城市空间分布的“趋圆型”越高，其人口、产业、交通设施和资金的密度越大，出行交通成本越低，对资源的利用效率也越高。同时，紧凑城市使得不同的产业以及大量的人流、物流、信息流更加集中；不同的企业之间由于相互的协作沟通而产生积聚效益。因此，城市的紧凑度能从宏观上指导城市的发展战略。

由图4可知，从1967～1995年，园林中心城区的紧凑度和形状比逐渐提高，城市的空间布局密度相对提高；在1995年，园林中心城区分布的离散程度最小，紧凑度最高。但由于经济快速发展、地理位置等因素的影响，在90年代已开始向南和向东轴向发展，到2006年其紧凑度和形状比下降，城区分布离散程度增大。发展到2012年，其紧凑度和形状比又略有上升，说明园林中心城区已在合理规划其城市空间结构。未来迫切需要根据本地的地域特征和价值观念，规划潜江市的紧凑发展路线，优化区域景观空间结构，使之在城市可持续发展与生态环境保护中达到平衡。

2.4 建成区优化发展分析

从以上对潜江市建成区空间形态指标的分析得知，潜江市呈典型的多中心式、多组团式的城市格局，这一模式是把中心城市的规模限制在规划的最优规模内，把城市新发展的部分分散到城市周围的地区组团中去。这种城市发展模式具有以下优势：①有利于分散过分拥挤的中心城区，做到既分散又集中，为城市发展留有余地；②城乡交错，有利于城市生态平衡；③大型生活服务设施多中心布局，生产、生活分片配套建设，有利于形成较小的、有良好设施、周围由开阔绿地系统包围起来的城市单元，从而有效地限制中心城区的规模。潜江需重点建设较集中的强大的园林中心城区和广华副中心城区，带动位于中心位置的周矶区的发展，围绕中心组团生长，拉动外围的王场区、高场区和泽口区等独立组团的发展，将中心和各组团有机联系在一起，形成“两心、多组团”的规划结构。