基于遥感影像的城市形态特征及演化规律定量分析方法研究

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基于遥感影像的 . 城市形态特征及演化规律定量分析方法研究阮红燕’黄智刚王国元。覃漉雁’ 1 .广西大学土壤学 (土地资源信息技术)5 5 0 0 0 52 .广西大学衣学院 5 5 0 0 0 5;

5 .广西北海市合浦县建设局规划设计室 5 5 6 1 O 0;

摘要诺克斯“城市化过程”理论称：城市空间形 态作为城市化的结果，其演变反映了城市化过程。探讨城市空间形态特征，使规划工作者运用“形态变化上的规律”,从实际出 发，科学的预测城市发展的趋势，指导规划 方案和建设措施。本文结合前人研究成果， 综述基于遥感的城市形态特征及演化规律定量分析法的研究。

要用于分析城市建成区域土地利用的扩展强度状态，描述不同时段内各个建成区面积扩展强弱、快慢及其扩展趋势。表达式如下：。

一

× 圳

。%

,一—

( At,×TL A)一

一

1 00%。

式中，k为城市形态紧凑度指数，A、P分别为城市面积和轮廓周长。其中，k以圆形区域作为标准度量单位，即圆形地物的紧凑度指数为k= l,其他任何形状地物紧凑度指数均为 O<k<l。一般的，紧凑度指数越大则其空间形态越紧凑；反之则紧凑性能越差，地物离散程度则越大。城市空间形态紧凑度越大则其受外界干扰越小，较容易保持其内部形态稳定陛

关键词城市形态；遥感技术；演化规律

1国内外研究现状城市形态学理论源于 1 9世纪末中欧国家历史地理学研究中的城市地形形态学，是一门综合性学科，涵盖城市规划学、城市地理学、城市社会学、城市历史学和建筑学等，尤以城市地理学、城市规划学和建筑学等学科为主。国外学者对城市形态的研究历史悠久，形成多种学术流派，各种流派的城市理论对城市空间形态的发展都做出了多方面的探究，但早期的城市形态研究多以解释性、概括 l生描述为主。 我国学者早在 2 O世纪 3 0年代初期开始对城市形态研究，如无锡、成都、重庆、北京、南京等城市都进行了城市地理学研究，其中涉及一些城市形态问题，但没有对城市形态作针

对 l生研究，且 1 9 4 0￣我国城市形态研究便长期处于停滞状态。至 1 9 9 0￣ -后，中国城市化快速发展， 促使中国城市形态剧烈演变，其演变的驱动力机制与实体环境都显示出与西方国家不同的特点，演化的复杂性和多样性对城市形态的理论研究提出更高的要求，具有更特殊的意义。2 O 世纪6 0年代，遥感技术兴起并逐步应用于各领域，9 0年代R S开始应用于土地利用研究并逐步延伸至城市区域扩展研究，此后我国学者开始利用遥感影像对城市形态特征进行叠加分析研究，并逐步引入定量分析法是城市形态研究理论更进一步，但是研究案例仍仅限于发展较快几个城市如上海、重庆… 等。目前我国学者对城市形态定量分析研究大多为城市外部空间形态 (即边界轮廓 ),且缺少相对集中详细的定量分析法体系，至2 0 0 7年储金龙出版《城市空间形态定量分析研究》进一步对定量分析法作详细介绍。

式中U 、U 分别为a时刻和b时刻某一种利用类型土地的面积，T为a时刻与b时刻之间 的研究时长，设. T以年为单位，则M1 。为该利用类型土地面积的年变化率；上式1 . 2中△UA为第j时段研究区域内建设用地扩展面积，△t为j 时段的研究跨度，T L A为现在建成区面积，则 L, 为城市用地扩展强度指数。 般的，扩展速度指数表示研究区域在整个研究时期内不同时段的面积的年增长率， 其表明在城市空间扩展的总体趋势；扩展强度指数则是其面积的年平均扩展速度的标准化处理，其目的使不同时期的城市空间扩展速度具一

有可比性。

2 . 1 . 2扩张方向分析城市空间扩张方向分析主要为新增建设用地面积和方向的变化分析，通过各个方位面积增长，利用扩展速度指数和扩展强度指数等数据，以G I S的空间分析为辅助工具，动态直观分析识别扩张的方向性。

2 . 2 . 3城市空间形状指数测度空间形状的指数有很多种，但是以 B o y o ~c l a r k射线形状指数更能反映空间形状的一般性特征。形状指数于 1 9 6 4年由B o y c e￥[ i C l a r k提出 J,定义为将研究区域的形状与标准圆形状相比较得出一个相对指数。通过计算研究区域与其相同面积圆之间的

偏离程度来测度其形状的复杂程度，一般值越大则该区域的形态轮廓越复杂，空间形态分布离散越大；反之指数越小甚至趋于0时，则空间形态分布越紧凑，离散型小，越能保持内部形态稳定性。该方法以面状地物重心 (如行政区内人口集中中 心或者经济中心等 )为核心，向周围延伸若干条夹角相等的半径，计算各半径变化情况，又称半径形状指数，一般的用射线形状指数表示

2 . 2城市外部空间形态测度城市外部空间测度的定量分析指标分别为分维数、紧凑度和形状指数。2 . 2 . 1形状分形维数

式中，S B C为射线形状指数，r i为面状地物重心到标准圆形边界的半径长度，n为等夹角的半径数量 ( n取值越大则s B c精度越高 )。 2 . 3城市内部空间形态分析城市用地是城市各种生产、生活活动的载体，人是城市发展最积极的因素之一。城市各类型用地的密度分布体现了城市各要素的分布，从而反映该城市内部空间集聚与扩撒的趋势，城市人口的空间分布则更好的体现了内部结构。因此，城市内部空间形态的演变实际上是城市中的人与地之间相互影响、相互适应的过程。

为： S B C=喜 l c r/ r￣ )￣ 1 0 0 - l n O 0 l。

城市空间中各种构成要素的分布模式是复杂的、非线性的，并以其独特方式记录城市发展演变的特征，是城市实体在地上的空间投影。城市空间具有分形的特征，体现了城市内 部自组织、自相似和分形生长的能力，因此利用分维数来分析描述其复杂的边界形状是十分有意义的，也可反映了城市内部土地利用的形状变。分维数是一个面积与周长之间的关系函 数，结合景观生态学的形状指数，定义为：2 1 n ( P￣/ 4 ) I n ( A, )。

2城市形态研究的定量分析2 . 1城市空间扩展分析 2 . 1 . 1扩展强度分析城市空间扩展分析主要探讨城市用地空间扩展的时空特征。扩展速度和扩展强度指数是研究城市空间扩展强度的重要J性指标，其主

式中，s t为t时期城市斑块的分形维数， At、P t分别为t时期城市斑块的面积与周长。 其中，s t的大小表征该城市斑块边界的复杂程度，理论值一般为1~2之间，s t@大则其边界越复杂，反之越

小则边界趋于简单整齐，用地紧凑节约较好，说明该城市斑块向更好的趋势发展。

2 . 2 . 2城市空间形态紧凑度指数城市空间外部形态另一个重要表征指数是紧凑度指数。B o y c e提出的紧凑度指数公式为 k= 2

2 . 3 . 1功能用地形态特征分析功能用地形态特征分析以居住用地、工商业用地和公共基础设施用地等三大功能用地为主导，三大用地对城市内部空间形态的变化有着至关重要的作用，从以下三方面展开分析： 功能用地结构演化分析：利用软件解译提取出城市内各类型用地信息，计算用地扩展速度和扩展强度指数，分析各功能地面积增长及构成的变化关系。结合G I S叠加分析，从时间、空间上动态的描述三大功能地增加 (或减少 )及其方向异厨l生的分布特征。 功能用地空间集聚特征分析：借助G I S的下转第1 g 5页

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