广州市形态演变特征以及中心城区用地扩张

广州市形态演变特征以及中心城区用地扩张城市形态研究一直就是城市地理学的一个重要内容城市形态是城市总体的物质形状和文化内涵双方面特征和过程的综合表现.城市空间形态那么是指各种物质要素在城市总体层次上的空间组合关系,它包括城市本身的空间布局、空间形式、空间规模等直观的物质环境表现,它的演变具有时间系列的动态过程。国外关于城市形态的研究历史悠久,形成了形态分析、环境行为分析和政治经济学的方法等许多学术流派。国内对城市形态研究虽然起步较早,但长期处于停滞状态,直到20世纪80年代初,我国城市形态研究开始兴起,90年代以来,由于城市化进程的加速,城市经历了外向的快速扩展和内部结构的频繁重组,研究成果相继涌现,研究内容的深度和广度也不断得到提高。总之,我国关于城市形态的研究主要通过借鉴国外的理念,重点对其演变特征及影响因素进行分析,应用现代技术手段研究不多,从选取的实例来看,主要集中在历史文化名城、港口城市。因此本文选取我国华南地区的交通通讯枢纽和贸易口岸重要城市广州市为例，运用现代技术手段来探讨广州市的形态特征及其中心城市用地扩张，这对深化城市化的过程和机理研究具有十分重要的意义。研究区与数据1.1研究区概况广州是广东省省会，广东省政治、经济、科技、教育和文化中心。广州地处广东省东南部，珠江三角洲北缘，范围为东经112度57分-114度3分，北纬22度26分-23度56分，濒临南海，毗邻香港和澳门，是华南地区的交通通讯枢纽和贸易口岸，是中国的“南大门〞。广州市辖十区和两个县级市，总面积7434.4平方公里，户籍总人口725.19万人，共设118个街道办事处、63个镇。T677地势和气候:广州地势东北高、西南低，北部和东北部是山区，中部是丘陵和台地，南部是珠江三角洲冲积平原。亚热带季风气候，夏无酷暑，冬无严寒，雨量充分，四季如春，繁花似锦。全年平均气温20-22摄氏度，平均相对湿度77%，市区年降雨量为1,600数据遥感影像为Landsat5TM影像，轨道号122/44，成像时间1990-10-13；Landsat7TM影像，轨道号122/44，成像时间2000-9-14；Landsat7ETM+影像，轨道号122/44，成像时间2010-10-28。在ERDAS中对2023年广州市轮廓进行裁切，然后以2023年广州市轮廓为边界，分别对其他时相的图像裁切，提取各时期功能用地边界和建成区边界,作为本次研究的主要数据来源。研究方法城市用地信息提取城市建成区的提取是研究城市扩展的重要方面，城市建设用地的遥感信息提取通常采用人机交互的手工方式，自动化程度不高，许多方法如果不做后续处理，精度无法满足要求。近年来，基于指数的建筑用地提取技术相继提出，常用的遥感指数有差值建筑覆盖指数NDBI〔杨存建等，2023〕、归一化的差值建筑覆盖指数NDBI〔Zhaetal.，2003〕、基于指数的建筑用地指数IBI〔Xu，2007〕等。本文使用的影像由于利用上述指数提取效果不明显，经屡次试验，最后对TM/ETM影像采用NDBI-NDVI的方法提取了兰州市的建设用地信息〔图1〕，可有效区分植被、土壤和建设用地信息。其中：式中，ρn为第n波段的反射率〔a〕〔b〕〔c〕图1研究区不同年份的NDBI-NDVI〔a.1990年；b.2000年；c.2023年〕(a)(b)(c)图2研究区不同年份的建设用地分布〔年；年;0年〕城市空间形态定量测度采用GIS的空间分析方法对广州城市空间形态进行定量测度,包括扩展强度指数、紧凑度指数、分维数、Boyce-Clark形状指数、等扇分析法。扩展强度指数计算城市扩展强度,比拟不同时期扩展强弱和快慢,研究广州市扩展规模特征。本文用城市年均增加面积与基年面积之比来表示扩展强度；公式为式中:AGR为城市年均扩展强度指数;和,分别代表n+i年和i年的城市面积;n是以年为单位的时间。〔2〕紧凑度指数引入紧凑度公式BCI=2/P,研究广州城市扩展的空间形态变化特征。式中:BCI表示紧凑度指数;A表示建成区面积;P指城市建成区轮廓的周长。〔3〕分维数分形维数表示一个集合在空间上的占有程度,维数越大,空间区域内含有分形单元的时机也就越大。常用的分维有:Hausdorff维数、盒维数、相似维数、信息维数、关联维数等。在城市空间形态的研究中,面积和周长是其根本度量特征,因此,采用周长面积法计算空间形态的分形特征P=K(A)对于单个正方形斑块,常数K=4,那么式中:D表示分维数;P表示斑块周长;A表示斑块面积。〔4〕形状指数SHI，计算公式为：式中：为斑块ij的周长。3城市形态演变特征3.1城市形状演化特征测度城市形状的指标很多,本文选取紧凑度、分维数和形状指数3个指标来测度广州城市形状的演化。发现广州城市的紧凑度指数在1990年比拟高，1990-2023年20年都在下降(0.66~0.34),呈下降趋势;城市用地形态分维数呈迅速下降趋势,城市形状指数下降趋势非常明显,特别是由1990年的多陡然下降到2000年的缺乏,2000年到2023的下降比拟平缓。总体来说广州城市形状比拟紧凑、稳定性较好(表1、图3~图5)表11990-2000选取紧凑度、分维数和形状指数年代紧凑度指数分维数形状指数19000.6620002023图3广州城市用地紧凑度变化图4广州城市用地形状分维数变化图5广州城市形状指数变化3.2城市形态演化各向异性选用1990、2000、2023年3年的数据，借用雷达图分析各个方向的扩展强度，将研究区域划分成16个夹角，然后在各个方向上选取建筑物所在的最大点为半径，绘制雷达图。以此从空间分异的角度来研究广州市在每个方向上的扩展强度。从图6来看,广州各时段各方向扩展强度有较大差异,主导扩展方向各时期几乎一样:1990-2000年城市主要向东南、正北、西北方向扩展,2000~2023年城市也是主要在东南、西北、正北方向扩展。图61949~2007年各阶段用地扩展强度雷达图3.3城市形态演化轨迹通过定量分析怀化城市扩展的时空特征,发现其形态演化经历了2个时期，如图7带状组团式阶段〔1990-2001年〕：在城市空间结构上,确定城市主要沿珠江北岸向东至黄埔开展,采用带状组团式结构,即沿珠江分三个组团:旧城区为第一组团,是城市中心区;第二组团为天河区,以设置文教、体育和科研单位为主;第三组团为黄埔地区,将结合广州经济技术开发区的建设,大力开展工业、港口、仓库等设施,组团之间以农田和菜地分隔,防止连成一片.确定番禺的市桥镇、花都的新华镇为卫星城.特别是2000年6月番禺、花都经国务院批准撤市改区后，将大大拓展广州的城市开展空间，促进广州由目前的“Ｌ〞型带状空间开展模式向多中心、多组团、开放式、网络型的生态系统复合的城市空间开展模式转变〔2〕山、城、田、海式阶段〔2001-2023年〕：城市开展形态为南拓、北优、东进、西联,引导广州城市空间形态向更深、更广的方向拓展.南拓——指在番禺区将要建设“两城一区〞,即广州新城(用地228km2,)、大学城(45km2)、南沙经济技术开发区(50.3km2);北优——是指优化城市向北部的开展.北部从化市有广州主要的水源修养地,花都区正在建设的新白云国际机场,在保证贯彻“机场控制区〞规划的前提下,适当开展临港的“机场带动区〞建设物流中心;东进——是指以珠江新城(中央商务区)的建设拉动城市开展重心向东移,将旧城区的传统产业向黄埔区——增城市(新塘镇)集中迁移,重整东翼产业组团,利用港口条件,在东翼大组团形成密集的产业开展带.西联——旧城区和白云区以西地区,重点是进行内部结构的优化调整,保护名城,促进人口和产业的疏解.图7广州城市形态演化轨迹图4城市用地扩展以ArcGIS软件作空间叠加分析，得到1990-2023年间广州市城市扩张图〔图8〕。表2为广州市中心城区空间形态定量测度结果。表2和图8说明，广州中心城区的建设用地面积在近20年里有了大幅度的增加。建成区的空间范围从1990年的km2增加到2023年的km2，净增km2。从表2可知，广州中心城区的快速扩展主要表达在2000年以前的10年，在前10年中，1990～2000年的扩展速度小于1990～2023年，但扩展强度大于1990～2023年，说明1990～2000中心城区的扩展速度较大。分别考察三个年份的城市建成区分布及其叠加图可以看出，广州中心城区的空间扩展是以海珠区、天河区、越秀区、荔湾区为中心，向外拓展的，并经历了以下过程：①1990～1993年:城市建成区面积增加了km2。城区主要往海珠区珠江以南、越秀区以北向边缘农业区、白云区南部等地扩展。②2000～2023年：面积增加了km2，城市迅速从原来的白云区扩展到花都区与清远市接壤，并且从珠江以南扩展，同时萝岗区向北图8广州市1990-2023年城市扩张图表2研究区建设用地及其形态指标年代面积〔〕形状指数分维数紧凑度指数扩张速度〔〕扩张强度指数﹪19900.66200090.4520230.341990-20002000-20235结论与讨论受社会经济与自然因素影响,城市功能空间出现增生与演替,从而引发城市形态演化。本文运用GIS空间分析技术,对广州城市形态演化进行定量分析，揭示其形态演化特征以及演化轨迹，并研究其城市用地扩展。城市空间结构是城市结构的重要组成局部，是城市形态在空间上的物质表现形式，它对城市的集聚与扩散程度起着根底性的作用。广州的城市空间结构，经过2200多年尤其是近20多年来的演变、增长和开展，从总体上说，它是日趋合理和完善，正在努力适应广州经济社会开展的需要，但与广州建设现代化、国际化的山水生态城市的目标还不相称。广州城市空间结构的开展，典型地反映了城市—区域空间演化的传统规律，即从原来的同心圆圈层式扩展形态走向多核式分散组团和轴向开展形态，最后形成带状城市。目前，广州就是一个典型的带状城市。城市的带状开展，导致广州城市空间布局难以拉开，城市空间不开阔。广州市政府已经清醒地意识到这个问题，正在从整体上考虑和制定当前以及未来广州城市开展的总体规划，包括广州城市空间结构开展方向、开展模式、开展战略等。应该说，这种开展趋势是好的。特别是2000年６月番禺、花都经国务院批准撤市改区后，将大大拓展广州的城市开展空间，促进广州由目前的“Ｌ〞型带状空间开展模式向多中心、多组团、开放式、网络型的生态系统复合的城市空间开展模式转变；由目前的“云山珠水〞的小山小水的自然格局，真正跃升为“山城田海〞的大山大海的城市空间格局，从而使广州的城市空间布局得以调整，使广州的城市空间结构得以改善和优化广州现代城市形态，是以工业用地布局为主导，以各项用地有方案配置为特色的根本特征，其中最为突出的是按统一的根本建设方案和功能分区原那么来组织要素布局，包括城市旧城区形态、中心区形态、工业区形态、居住区形态、单位体制独立区形态