基于3S的潛江市城市空間形態動態演化研究

石婷婷，李雪梅，馬宏君

（1.華中科技大學，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動態演化研究

石婷婷1,2，李雪梅2，馬宏君3

（1.華中科技大學，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）

依據潛江市5個不同年代的基礎地理信息資料，提出城市建成區空間形態動態演化研究的技術方法。通過對潛江市建成區的范圍、面積、延伸率、形狀比、緊湊度等監測指標進行統計分析，展示潛江市建成區空間形態的動態演化過程。

城市建成區；空間形態指標；城市變化監測；GIS空間分析；地理國情

隨著城市經濟的快速增長和城市化進程的不斷加快，城市建成區的范圍以及擴張變化形態都在不斷變化，導致城市建成區的空間形態呈現動態演變的趨勢。城市建成區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，也要考慮城市各項用地的完整性，盡可能與人口統計的地域范圍相一致。城市建成區的空間形態變化是科學度量和評價城市發展的一個重要指標[1]。本文研究的城市建成區，是指城市行政區范圍內經過征用的土地和實際建設發展起來的非農業生產建設地段，它包括市區集中連片的部分以及分散在近郊區與城市有著密切聯系、并具有基本完善的市政公用設施的城市建設用地[2,3]。

潛江市是融入“武漢城市圈”的湖北省3個省直管市之一，位于 112°29'～113°01'E、30°04'～30°39'N，于2006年完成數字潛江地理空間框架的建設，并投入運行使用，儲備了較為完善的數據資源以及信息化服務手段，加快了潛江市信息化建設的步伐。隨著信息的擴張、經濟的增長，潛江市建成區也在發生翻天覆地的變化。本文以潛江市建成區為例，基于潛江市多時相遙感影像，結合GIS技術處理并獲取城市空間形態表征數據，以形狀比、延伸率和緊湊度作為城市空間形態指標，分析潛江市60、80、90年代及2006、2012年不同年代城市擴展的特征。

1 城市建成區空間形態動態演化研究技術方法

潛江市作為數字城市地理空間框架建設的試點城市，已具備相應的基礎地理信息資料，但歷史地理空間數據仍是以紙質材料留存。因此，要對潛江市各個年代的城市空間形態進行分析，首先必須獲取相應的數字化數據資料。整體研究技術路線如圖1所示。

圖1 城市建成區空間形態動態演化研究技術路線

1.1 基礎數據收集與處理

根據潛江市歷史數據的保存情況，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年代的數據），并進行掃描預處理；收集潛江市2007年制作的1∶5 000 DOM和DEM數據；收集潛江市地面分辨率為0．5 m的SWDC相機拍攝的彩色數碼航空攝影。

利 用 1967、1983～1984 年、1983～1984 年、1995～1996年的黑白航片影像數據，通過在已有地形圖上轉點進行像片糾正，在全數字攝影測量系統上進行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年彩色航拍影像數據，進行像片控制測量，在全數字攝影測量系統上進行DOM制作，輸出24 bit彩色影像，地面分辨率為0．5 m。

1.2 城市空間形態專題數據采集

以遙感正射影像為基礎，利用收集整合的參考數據，采用人工解譯的方式，參考基礎地理信息、土地利用、自然資源等資料，以遙感正射影像為基礎底圖，開展城市要素信息判讀與解譯，采集、補充、更新建成區范圍等要素實體，提取相關屬性，并進行要素分類整理，分別按照要求形成相應的數據層。

根據《城市規劃基本術語標準》對城市建成區的定義，城市行政區內實際已成片開發建設、市政公用設施和公共設施基本具備的地區，按照“連成片、沒有農業景觀、邊界線閉合”等原則[2]，對城市建成區邊界進行提取，在ArcMap環境下從潛江市規劃控制區域60、80、90年代及2006、2012年遙感影像圖提取研究區城市建成區邊界圖。

1.3 建成區空間形態動態演化GIS分析

對采集的潛江市建成區城市變化監測數據，利用GIS空間分析方法、城市形態變遷分析方法、統計學方法等多種技術手段相結合，獲得各種類型的統計分析數據，從統計結果挖掘城市空間形態變化的外在表現形態和內在相關性。

由于城市建成區空間形態一般與城市建成區的形狀比、緊湊度等指數之間存在密切的關系，對建成區空間形態的動態演化分析主要通過對建成區的范圍、面積、延伸率、形狀比、緊湊度等監測指標進行統計分析來表現[4,5]。

2 分析結果

通過對潛江市60、80、90年代及2006年和2012年5個時期的建成區進行監測，分析潛江市建成區空間形態動態演化情況。

2.1 建成區范圍變遷

潛江市北枕漢江，南接長江，由于歷史和經濟建設等原因，其建成區呈典型的“ 中心+組團”的方式[6]分散分布，主要包括園林中心城區（含楊市）、廣華副中心城區（含五七、向陽）和澤口、王場、周磯、高場（含后湖）4個獨立組團。圖2為潛江市建成區形態變遷圖。

2.2 建成區規模與發展模式

在60年代，潛江只有園林中心城區以及廣華（依江漢油田而建）、澤口（依碼頭而建）和王場3個分散的組團。由于潛江城鄉經濟發展迅速，基本建設不斷增多，特別是黨的十一屆三中全會以來，潛江的城市化建設處于加速之中。發展到2012年，廣華和周邊的五七、向陽已經發展融合為副中心城區，并擴充了王場、周磯、高場（含后湖）3個新的獨立組團。

圖2 潛江市建成區變遷圖

表1 潛江市各建成區面積增長量對比圖

表2 各建成區面積增長量對比圖

從以上數據分析可以看出，潛江市建成區面積的擴大在逐年遞增。由于社會經濟的飛速發展，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律地向外圍推進。總體而言，潛江城市擴張呈現出以中心城區極化發展，副中心城區穩步擴張，新興城區組團增加、近郊城市化、遠郊近郊化和農村郊區化的趨勢。這也符合潛江目前城鄉發展規劃的基本目標，即需要采取非均衡的發展策略培育市域增長極，使其能成為市域發展的發動機，從而為潛江在更高水平實現城鄉協調發展奠定基礎。

2.3 建成區空間形態指標分析（園林中心城區）

由于潛江市建成區呈典型的“中心+組團”的方式分布，選擇其中發展最快、面積最大的園林中心城區進行相關空間形態指數的統計分析。圖3為園林中心城區不同年代的長短軸分析圖。

根據園林中心城區不同年代的范圍區域，計算其空間形態表征值：延伸率、形狀比、緊湊度。計算方法如下（計算結果見表3）：

1）延伸率。伸延率=L/L'，其中L為區域最長軸長度，L'為區域最短軸長度。該指標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為區域面積，L為區域最長軸的長度。該指標反映城市的帶狀特征。

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

圖3 園林中心城區不同年代長短軸分析圖

表3 園林中心城區空間形態變化監測指標

從園林中心城區不同時期的長軸分布圖來看，基本上都是呈南北走向，具有一定的軸向發展特征。同時，由于地理位置和經濟發展的原因，同時不斷向東擴張，即不斷靠近東荊河發展。從延伸率指標分析來看（見圖4），80年代的延伸率最大，表明城區處于一種離散擴張的狀態。90年代延伸率下降，表明城區處于以內部填充為主的發展狀態。90年代后期開始，由于園林中心城區面積不斷延伸擴張，其延伸率又有所提高，但基本趨于平穩，表明在面積擴張的同時不斷優化內部的空間結構，合理規劃布局。

圖4 潛江市園林中心城區空間形態指標分析圖

緊湊城市是在一定的社會經濟和技術條件下，充分節約用地并為其居民提供可持續福利的城市[7]。城市的緊湊度越低，即空間布局越分散，其城市內部的人口流動、經濟活動和社會聯系的成本越高，資源利用效率越低；而城市空間分布的“趨圓型”越高，其人口、產業、交通設施和資金的密度越大，出行交通成本越低，對資源的利用效率也越高。同時，緊湊城市使得不同的產業以及大量的人流、物流、信息流更加集中；不同的企業之間由于相互的協作溝通而產生積聚效益。因此，城市的緊湊度能從宏觀上指導城市的發展戰略。

由圖4可知，從1967～1995年，園林中心城區的緊湊度和形狀比逐漸提高，城市的空間布局密度相對提高；在1995年，園林中心城區分布的離散程度最小，緊湊度最高。但由于經濟快速發展、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展，到2006年其緊湊度和形狀比下降，城區分布離散程度增大。發展到2012年，其緊湊度和形狀比又略有上升，說明園林中心城區已在合理規劃其城市空間結構。未來迫切需要根據本地的地域特征和價值觀念，規劃潛江市的緊湊發展路線，優化區域景觀空間結構，使之在城市可持續發展與生態環境保護中達到平衡。

2.4 建成區優化發展分析

從以上對潛江市建成區空間形態指標的分析得知，潛江市呈典型的多中心式、多組團式的城市格局，這一模式是把中心城市的規模限制在規劃的最優規模內，把城市新發展的部分分散到城市周圍的地區組團中去。這種城市發展模式具有以下優勢：①有利于分散過分擁擠的中心城區，做到既分散又集中，為城市發展留有余地；②城鄉交錯，有利于城市生態平衡；③大型生活服務設施多中心布局，生產、生活分片配套建設，有利于形成較小的、有良好設施、周圍由開闊綠地系統包圍起來的城市單元，從而有效地限制中心城區的規模。潛江需重點建設較集中的強大的園林中心城區和廣華副中心城區，帶動位于中心位置的周磯區的發展，圍繞中心組團生長，拉動外圍的王場區、高場區和澤口區等獨立組團的發展，將中心和各組團有機聯系在一起，形成“兩心、多組團”的規劃結構。

3 結 語

從城市建成區空間形態變化的角度出發，研究利用遙感技術和GIS空間分析技術，提取潛江市建成區空間形態的主要表征值，通過分析各表征值的變化趨勢以及與其相關的影響因素的關系，可以看出潛江市建成區正呈現著一種不斷優化擴張的發展模式，同時也為認識城市建成區建設飽和度提供了有效的佐證。

本研究方法從城市空間形態監測指標上定量描述了城市建成區的空間形態變化，提供了一種清晰鮮明的監測和評價城市擴展的方法，并為城市規劃的空間發展政策提供有效依據；同時，城市形態變遷監測可作為地理國情監測中的一個專題內容，為地理國情普查提供了可行的技術方法。

[1] 蔡博峰,張增祥,劉斌,等． 基于遙感和GIS的天津城市空間形態變化分析[J]．地球信息科學, 2007,5(9):89-92

[2] GB/T 50280-98 城市規劃基本術語標準（附條文說明）[S]．

[3] 李國棟,盛紅亞,張永彬,等． 唐山市城市空間形態分析[J]．礦山測量,2012,8(4):11-15

[4] 林炳耀． 城市空間形態的計量方法及其評價[J]．城市規劃匯刊,1998(3):42-46

[5] 牟風云,張增詳．城市空間形態定量化研究進展[J]．水土保持研究,2009,16(5):273-277

[6] 周榮,馮嫻．城市空間形態相關研究進展[J]．中山大學報論叢,2007,27(12):295-298

[7] 趙景柱,宋瑜,石龍宇,等．城市空間形態緊湊度模型構建方法研究[J]．生態學報,2011,31(21):6 338-6 342

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，主要研究方向為地理信息系統及數字城市地理空間框架。