縣域城鎮(zhèn)空間形態(tài)量化指標的尺度變化規(guī)律研究——以浙江長興縣為例

張子敬 | Zhang Zijing張夢巧 | Zhang Mengqiao劉 江 | Liu Jiang羅 濤 | Luo Tao

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，我國縣級城鎮(zhèn)實現(xiàn)了快速的發(fā)展。在這一發(fā)展進程中，部分城鎮(zhèn)由于規(guī)模較小且規(guī)劃程序相對簡單，導致發(fā)展質(zhì)量較差[1]。作為城鎮(zhèn)發(fā)展歷程的傳承和體現(xiàn)，城鎮(zhèn)空間形態(tài)從多個層面反映了城鎮(zhèn)發(fā)展的過程和質(zhì)量。因此，對城鎮(zhèn)空間形態(tài)的分析與研究也就尤為重要。隨著科學技術的發(fā)展，使用形態(tài)指標進行定量化測度和分析逐漸成為城市空間研究的重要方法，量化分析方法也逐漸到各個尺度的空間形態(tài)研究之中。然而，在多尺度的城市空間形態(tài)量化分析研究中，形態(tài)指標可能受到尺度效應影響從而對量化分析的準確性產(chǎn)生一定影響。目前我國學者對于城市空間部分指標的尺度效應已有相關研究，但主要聚焦于單個或一類指標，例如城市化水平[2]、土地利用[3]等評價指標，而對城市空間形態(tài)的多指標的系統(tǒng)研究則較少見。

因此，本研究以長興縣城市建成區(qū)為例，旨在通過選取城市空間形態(tài)相關研究和規(guī)劃設計實踐中的典型空間形態(tài)量化指標，分析其隨尺度變化而呈現(xiàn)出的規(guī)律性特征，并總結形態(tài)指標的適用尺度，從而對指標的選取與使用提出一定建議，進而提升城鎮(zhèn)空間形態(tài)量化分析的準確性與科學性。

圖1 研究區(qū)域區(qū)位條件及用地概況圖

1 多尺度的城鎮(zhèn)空間形態(tài)量化研究與指標選取

1.1 城市空間形態(tài)研究理論

城市空間形態(tài)研究是對城市建筑實體與公共空間根本問題的研究，也是對城市復雜形態(tài)現(xiàn)象的研究[4]。以往對于城市空間形態(tài)的研究可以劃分為“理論模型構建”和“現(xiàn)象學研究”兩大類，前者是指通過探索事物自然現(xiàn)象背后的隱含規(guī)律和深層運作機制；后者是指對事物所呈現(xiàn)出的外在現(xiàn)象特性和規(guī)律的認知[5]。

作為城市空間形態(tài)外在特征的重要研究方法，定量化分析是一個較為復雜的過程，而選取合適的空間形態(tài)指標進行分析更是其中的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)外有關城市空間形態(tài)指標的選取與使用的研究已經(jīng)在多個尺度上存在豐富的成果。例如，在宏觀尺度上，張治清等學者通過構建城市形態(tài)定量化研究的測度指標體系，對重慶市主城區(qū)空間形態(tài)進行了系統(tǒng)的定量分析[6]；G. Galster等從形態(tài)、功能等多個角度選取形態(tài)指標用于評價城市蔓延程度[7]。在中觀及微觀尺度上，金俊等學者從效率與舒適兩個方面選取形態(tài)指標對城市CBD步行環(huán)境質(zhì)量進行量化評價[8]；陳泳等學者提取街區(qū)空間形態(tài)變量分析其對各類步行通行活動的影響[9]。

1.2 多尺度的城鎮(zhèn)空間形態(tài)量化指標選取

在跨尺度城市空間的評價指標研究中，L.Bourdic等將各類指標的應用尺度劃分為城市、地區(qū)、社區(qū)、街區(qū)和建筑5個層次[10]。本研究參考其對空間尺度的劃分與空間形態(tài)量化指標的分類，通過對文獻的閱讀和梳理，總結了近年來我國城市空間形態(tài)的相關研究中存在應用于多個尺度的典型指標。如表1所示，土地利用混合度、容積率、開發(fā)密度、道路面積率、開放空間率、水面率和綠地率等指標是在多個尺度的城鎮(zhèn)空間形態(tài)研究中都需要關注的重點指標。

表1 近年來部分空間形態(tài)量化研究中指標及應用尺度一覽表

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

本研究選取浙江省長興縣城市建成區(qū)作為研究案例區(qū)。長興縣隸屬于浙江省湖州市，地處浙江省北部，長江三角洲杭嘉湖平原，太湖西南岸。長興屬亞熱帶海洋性季風氣候，氣候溫和、光照充足、降水充沛。縣域面積1430km2，全縣戶籍人口約64萬人。中心城區(qū)現(xiàn)轄畫溪、龍山、太湖和雉城4個街道。改革開放后，長興縣經(jīng)濟快速發(fā)展，逐漸完成由農(nóng)業(yè)縣向全國經(jīng)濟百強縣的轉型[18]，其城市空間形態(tài)也隨之發(fā)生了巨大變化。因此，如何識別當?shù)乜臻g特征以及科學準確地對其量化分析，最終實現(xiàn)在多尺度上發(fā)掘并延續(xù)地域特色，是長興縣城鎮(zhèn)建設中亟需解決的重要問題。

2.2 研究方法

（1）數(shù)據(jù)來源

本研究以2017年版長興縣城市總體規(guī)劃（2017—2035）的中心城區(qū)規(guī)劃邊界作為研究區(qū)邊界。參考總體規(guī)劃的規(guī)劃成果與2017年谷歌衛(wèi)星航拍圖識別現(xiàn)狀用地性質(zhì)，并結合地形圖與航拍圖在Arcgis平臺中完成對建成環(huán)境中的綠地、道路和建筑等要素進行區(qū)分以及賦值，作為空間形態(tài)量化分析的基礎。

（2）緩沖區(qū)建立

首先，結合街區(qū)形狀、功能以及分布情況，從長興縣城市建成區(qū)中篩選出12個代表性街區(qū)。然后，在代表性街區(qū)中，按照建筑的功能類型比例和建筑分類比例，選取24座樣本建筑作為圓心構建圓形緩沖區(qū)。本研究設置以下10個不同半徑的緩沖區(qū)：100m、200m、400m、600m、800m、1000m、1200m、1400m、1600m、1800m，以揭示形態(tài)指標隨尺度變化規(guī)律。

（3）空間形態(tài)指標計算

本研究選取土地利用混合度、容積率、開發(fā)密度、道路面積率、開放空間率、水面率、綠地率共7個指標在各個緩沖區(qū)中進行計算，具體方法如下。

①土地利用混合度。指在某個特定的城市街區(qū)中，擁有的與市民生活密切相關的土地功能種類所占比重的綜合組成狀況。計算公式為：

式中：Th為土地混合度，S為緩沖區(qū)內(nèi)總用地面積，bi指緩沖區(qū)內(nèi)某一用地類型的面積，n指緩沖區(qū)內(nèi)用地類型的數(shù)量。

②容積率。指單位土地面積上的建筑容量，是反映城鎮(zhèn)建設用地利用效率的一項重要指標，同時它也是評價城市土地開發(fā)利用的合理程度的重要指標。計算公式為：

式中：FAR為容積率，SC為緩沖區(qū)內(nèi)總建筑面積，S為緩沖區(qū)內(nèi)總用地面積。

③開發(fā)密度。指建設用地面積占比反映區(qū)域建設用地規(guī)模大小。在城市群等較大尺度上，可以作為區(qū)域國土空間開發(fā)密度評估的重要指標。在較小尺度上，可以作為地下空間、軌道交通開發(fā)密度分區(qū)構建的重要指標。計算公式為：

式中：D開發(fā)為開發(fā)密度，S不透水為緩沖區(qū)內(nèi)不透水面積，S為緩沖區(qū)內(nèi)總用地面積。

④道路面積率。指一定區(qū)域內(nèi)道路用地總面積與該地區(qū)用地面積之比，是評價某一地區(qū)交通狀況的常用指標之一。計算公式為：

式中：D道路為道路面積率，S路為緩沖區(qū)內(nèi)道路占地面積，S為緩沖區(qū)內(nèi)總用地面積。

⑤開放空間率。指建筑覆蓋率的反向指標，表示在一個開發(fā)基地上的開放空間總量。在街區(qū)尺度上研究較多，在城市整體的風環(huán)境、熱環(huán)境等領域研究中也都有涉及。計算公式為：

式中：D開放為開放空間率，S建為緩沖區(qū)內(nèi)建筑占地面積，S為緩沖區(qū)內(nèi)總用地面積。

⑥綠地率。指規(guī)劃地塊內(nèi)各綠化用地總面積占該塊用地面積的比例，是衡量城市綠地空間規(guī)模與總用地空間規(guī)模關系的重要指標。計算公式為：

式中：G代表綠地率，S綠為緩沖區(qū)內(nèi)綠地面積，S為緩沖區(qū)內(nèi)總用地面積。

（7）水面率。指承載水域功能的區(qū)域面積與區(qū)域總面積的比率。其計算公式如下：

式中：Wp代表水面率，S水為緩沖區(qū)內(nèi)水域面積，S為緩沖區(qū)內(nèi)總用地面積。

（4）統(tǒng)計分析

本研究使用箱線圖對指標數(shù)值隨緩沖區(qū)半徑變化情況進行可視化分析，并通過散點圖構建擬合曲線以及標準差系數(shù)變化來分別反映數(shù)據(jù)變化幅度與離散程度。

由于緩沖區(qū)重疊的影響，各指標的數(shù)據(jù)分布本應存在一定規(guī)律。因此，本研究通過分析指標的數(shù)值隨尺度變化是否符合以下兩個規(guī)律來判斷各指標尺度適用情況，如符合，則視為受到緩沖區(qū)范圍變化的影響相對較小，即對應形態(tài)指標在該尺度下較為適用。

①隨著緩沖區(qū)半徑的增大，各指標數(shù)據(jù)的整體變化幅度逐漸降低。以同一個建筑樣本為核心所構建的緩沖區(qū)，按半徑長度由高到低排序，其中相鄰的兩個緩沖區(qū)樣本之間的非重疊部分的占比隨著緩沖區(qū)半徑的增大而縮小（表2）。這一情況使得緩沖區(qū)樣本之間的差異逐漸縮小，整體變化幅度也隨之降低。

表2 部分相鄰半徑緩沖區(qū)占比情況一覽表

②隨著緩沖區(qū)半徑的增大，半徑長度相同的各緩沖區(qū)樣本數(shù)據(jù)離散程度逐漸降低。以不同建筑為核心所構建的緩沖區(qū)中，半徑長度相同的各個緩沖區(qū)樣本間的非重疊部分占比隨著緩沖區(qū)半徑的逐漸增大也在逐漸縮小（圖2）。這一情況使得各樣本數(shù)據(jù)之間的差異越小，離散程度也隨之降低。

圖2 200m、1000m、1800m半徑緩沖區(qū)示意圖

3 結果與分析

3.1 土地利用混合度數(shù)據(jù)變化趨勢

土地利用混合度各樣本數(shù)據(jù)整體隨緩沖區(qū)半徑變化的趨勢如圖3a所示，隨著緩沖區(qū)半徑增大，土地利用混合度呈現(xiàn)增大的趨勢，而其變化幅度和箱體長度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。以散點圖擬合曲線反映其增減趨勢，如圖3b所示，在100～1800m半徑緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)變化幅度符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大而降低的規(guī)律。同時，以標準差系數(shù)反映數(shù)據(jù)離散程度，如圖3c所示，即在100～1800m半徑緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變化情況，符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大相同半徑長度的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)離散程度逐漸降低的規(guī)律。因此，土地利用混合度指標適用于100～1800m半徑范圍的空間尺度。

圖3 土地利用混合度隨緩沖區(qū)變化圖

3.2 容積率數(shù)據(jù)變化趨勢

容積率各樣本數(shù)據(jù)整體隨緩沖區(qū)半徑變化的趨勢如圖4a所示，隨著緩沖區(qū)半徑增大，容積率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，而其變化幅度和箱體長度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。以散點圖擬合曲線反映其增減趨勢，如圖4b所示，在400～1800m半徑緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)變化幅度符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大而降低的規(guī)律。同時，以標準差系數(shù)反映數(shù)據(jù)離散程度，如圖4c所示，在600～1800m半徑緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變化情況，符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大相同半徑長度的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)離散程度逐漸降低的規(guī)律。因此，容積率指標適用于600～1800m半徑范圍的空間尺度。

圖4 容積率隨緩沖區(qū)變化圖

3.3 開發(fā)密度數(shù)據(jù)變化趨勢

開發(fā)密度各樣本數(shù)據(jù)整體隨緩沖區(qū)半徑變化的趨勢如圖5a所示，隨著緩沖區(qū)半徑增大，開發(fā)密度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，而其變化幅度也呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，而箱體長度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。以散點圖擬合曲線反映其增減趨勢，如圖5b所示，在100～1800m半徑范圍中，隨著緩沖區(qū)半徑增大，數(shù)據(jù)變化幅度基本符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大而降低的規(guī)律。同時，以標準差系數(shù)反映數(shù)據(jù)離散程度，如圖5c所示，僅在1200～1600m半徑緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變化情況，符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大相同半徑長度的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)離散程度逐漸降低的規(guī)律。因此，開發(fā)密度指標更加適用于1200～1600m半徑范圍的空間尺度。

圖5 開發(fā)密度隨緩沖區(qū)變化圖

3.4 道路面積率數(shù)據(jù)變化趨勢

道路面積率各樣本數(shù)據(jù)整體隨緩沖區(qū)半徑變化的趨勢如圖6a所示，隨著緩沖區(qū)半徑增大，道路面積率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，其變化幅度未呈現(xiàn)較為明確的趨勢，而箱體長度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。以散點圖擬合曲線反映其增減趨勢，如圖6b所示，在600～1200m半徑緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)變化幅度符合隨著緩沖區(qū)半徑增大而降低的規(guī)律。同時，以標準差系數(shù)反映數(shù)據(jù)離散程度，如圖6c所示，在100～1800m半徑緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變化情況，基本符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大相同半徑長度的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)離散程度逐漸降低的規(guī)律。因此，道路面積率更加適用于600～1200m半徑范圍的空間尺度。

圖6 道路面積率隨緩沖區(qū)變化圖

3.5 開放空間率數(shù)據(jù)變化趨勢

開放空間率各樣本數(shù)據(jù)整體隨緩沖區(qū)半徑變化的趨勢如圖7a所示，隨著緩沖區(qū)半徑增大，開放空間率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而其變化幅度和箱體長度基本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。以散點圖擬合曲線反映其增減趨勢，如圖7b所示，在400～1800m半徑緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)變化幅度符合隨著緩沖區(qū)半徑增大而降低的規(guī)律。同時，以標準差系數(shù)反映數(shù)據(jù)離散程度，如圖7c所示，在600～1800m半徑緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變化情況，符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大相同半徑長度的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)離散程度逐漸降低的規(guī)律。因此，開放空間率更加適用于600～1800m半徑范圍的空間尺度。

圖7 開放空間率隨緩沖區(qū)變化圖

3.6 水面率數(shù)據(jù)變化趨勢

水面率各樣本數(shù)據(jù)整體隨緩沖區(qū)半徑變化的趨勢，如圖8a所示，隨著緩沖區(qū)半徑增大，水面率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而其變化幅度和箱體長度基本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。以散點圖擬合曲線反映其增減趨勢，如圖8b所示，在100～1000m半徑緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)變化幅度符合隨著緩沖區(qū)半徑增大而降低的規(guī)律。同時，以標準差系數(shù)反映數(shù)據(jù)離散程度，如圖8c所示，即在100～600m半徑緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變化情況，符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大相同半徑長度的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)離散程度逐漸降低的規(guī)律。因此，水面率更加適用于100～600m半徑范圍的空間尺度。

圖8 水面率隨緩沖區(qū)變化圖

3.7 綠地率數(shù)據(jù)變化趨勢

綠地率各樣本數(shù)據(jù)整體隨緩沖區(qū)半徑變化的趨勢，如圖9a所示，隨著緩沖區(qū)半徑增大，綠地率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而其變化幅度和箱體長度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。以散點圖擬合曲線反映其增減趨勢，如圖9b所示，在100～1200m半徑緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)變化幅度符合隨著緩沖區(qū)半徑增大而降低的規(guī)律。同時，以標準差系數(shù)反映數(shù)據(jù)離散程度，如圖9c所示，即在100～1800m半徑緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變化情況，符合隨著緩沖區(qū)半徑的增大相同半徑長度的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)離散程度逐漸降低的規(guī)律。因此，綠地率更加適用于100～1200m半徑范圍的空間尺度。

圖9 綠地率隨緩沖區(qū)變化圖

4 結果與討論

4.1 空間形態(tài)量化指標隨緩沖區(qū)大小變化的規(guī)律

從整體變化趨勢來看，開發(fā)密度和容積率兩個指標的數(shù)值隨著緩沖區(qū)增大而降低。土地利用混合度、開放空間率、綠地率、水面率則隨緩沖區(qū)增大而增大。其中，土地利用混合度與開發(fā)強度類指標的所呈現(xiàn)的相反的變化趨勢，反映了長興縣域城鎮(zhèn)開發(fā)建設過程中存在土地用途單一化、功能類型同質(zhì)化的問題。而水面率和綠地率隨尺度增大而明顯上升的趨勢，則反映了長興縣域城鎮(zhèn)生態(tài)空間分布不均的問題。

從數(shù)據(jù)分布情況來看，容積率、開發(fā)密度、開放空間率等3個指標的數(shù)據(jù)分布情況在400m半徑的緩沖區(qū)中出現(xiàn)了明顯突變，開發(fā)密度在800m半徑的緩沖區(qū)中也發(fā)生明顯突變。考慮到研究區(qū)街區(qū)的規(guī)模大小，道路用地可能是部分指標在400m半徑緩沖區(qū)中出現(xiàn)突變的重要原因。城市道路在不同尺度的城鎮(zhèn)空間形態(tài)研究中的定位也有所差異，例如，城市道路用地在較小尺度作為街區(qū)邊緣的噪音成分，而道路網(wǎng)在較大尺度中則作為片區(qū)乃至整個城市的結構性成分。因此在小尺度的城鎮(zhèn)空間形態(tài)研究當中，應注意道路用地占比對形態(tài)指標的影響。

4.2 空間形態(tài)量化指標適宜尺度探討

根據(jù)研究區(qū)建成環(huán)境的實際情況和以往研究中的劃分方法，本研究將空間尺度從小到大進一步劃分為街區(qū)尺度、社區(qū)尺度和城市片區(qū)尺度。具體劃分如下。

街區(qū)尺度：參考既往研究中將建設情況較好的城市街區(qū)尺度歸納到250m×250m規(guī)模的觀點[19]，并結合研究區(qū)街區(qū)平均規(guī)模約為2 7 h m2的實際情況，本研究中取100～600m半徑的緩沖區(qū)范圍作為街區(qū)尺度的研究范圍。

社區(qū)尺度：社區(qū)在研究與實踐中可以將其等同于市民一般步行可承受的15min來界定基本規(guī)模，即15min步行時間，1000m的步行距離內(nèi)可到達[20]。因此，結合研究區(qū)實際情況，本研究中取600～1200m半徑的緩沖區(qū)范圍作為社區(qū)尺度的研究范圍

城市片區(qū)尺度：由于我國城鎮(zhèn)的建成區(qū)域規(guī)模差異較大，本研究以研究區(qū)實際情況為基礎，采用1200～1800m半徑的區(qū)間作為城市片區(qū)尺度的研究范圍。

綜上，本研究所選取的典型城鎮(zhèn)空間形態(tài)指標在縣域城鎮(zhèn)對應的適宜尺度參看表3。

表3 典型城鎮(zhèn)空間形態(tài)指標縣域適宜尺度一覽表

結語

本研究分析并總結了土地利用混合度、容積率、開發(fā)密度、道路面積率、開放空間率、水面率和綠地率共7個典型城鎮(zhèn)空間形態(tài)量化指標在100～1800m半徑緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變化規(guī)律。其中，土地利用混合度、開放空間率、水面率和綠地率呈現(xiàn)隨尺度增大而增長趨勢，容積率和開發(fā)密度呈現(xiàn)隨尺度增大而降低的趨勢，道路面積率隨尺度增大則呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其變化趨勢與城鎮(zhèn)空間形態(tài)特征存在一定的聯(lián)系。結合數(shù)據(jù)分布規(guī)律進行分析，本研究得出在城鎮(zhèn)空間形態(tài)研究中各指標的適用尺度。其中，土地利用混合度適用于100～1800m半徑范圍尺度，容積率適用于社區(qū)及城市片區(qū)尺度（半徑600～1800m），開發(fā)密度更適用于城市片區(qū)尺度（半徑1200～1600m），道路面積率適用于社區(qū)尺度（半徑600～1200m），開放空間率適用于社區(qū)及城市片區(qū)尺度（半徑600～1800m），水面率更適用于街區(qū)尺度（半徑100～600m），綠地率適用于街區(qū)尺度及社區(qū)尺度（半徑100～1200m）。本研究對于城鎮(zhèn)多尺度下空間形態(tài)量化指標的選取與計算的研究，以及指標在跨尺度使用時的適用性問題有一定的理論參考意義。

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文中圖表均為作者自繪。