城市化背景下中國典型城市空間結(jié)構(gòu)演變研究

城市化背景下中國典型城市空間結(jié)構(gòu)演變研究

城市空間結(jié)構(gòu)是城市空間的組織分布形式和互動形式的過程。優(yōu)化的城市空間結(jié)構(gòu)將促進城市功能協(xié)調(diào)、適合人居和社會的可持續(xù)發(fā)展,容易吸引人流,從而聚集物流、資金流乃至信息流,最終促進城市合理、健康、快速發(fā)展。對城市空間結(jié)構(gòu)演變的研究,在20世紀(jì)80年代以前,主要是對西方理論和方法的介紹和引進,改革開放以后的重點是與具體城市案例相結(jié)合的方法上的探索;從內(nèi)容上,經(jīng)歷了傳統(tǒng)城市空間結(jié)構(gòu)演變總結(jié)到影響因子等獨立領(lǐng)域的研究;從范圍上,從傳統(tǒng)的單個城市、單中心集聚到多中心結(jié)構(gòu)、郊區(qū)化、大都市、大都市連綿區(qū)研究的轉(zhuǎn)變[6~9];在方法上,主要集中在定性描述上,定性與定量相結(jié)合研究相對較少?？傮w看來,中國城市空間結(jié)構(gòu)研究還有待進一步深化。當(dāng)今,城市化作為一種全球性的社會經(jīng)濟現(xiàn)象,它是一個地區(qū)人口大量向城市轉(zhuǎn)移、農(nóng)村地域向城市地域轉(zhuǎn)化和農(nóng)業(yè)活動向非農(nóng)業(yè)活動轉(zhuǎn)變的過程,人作為城市的主體,對城市發(fā)展起到?jīng)Q定性作用。目前,中國人口城市化率已達到46%,進入城市化穩(wěn)定發(fā)展階段。隨著城市化進程的加快,城市化對城市空間結(jié)構(gòu)演變的影響越來越大。本文主要以地學(xué)信息圖譜的方法論研究中國典型城市的空間結(jié)構(gòu)演變,利用指數(shù)分析,直觀地探索城市空間演變的時空規(guī)律,以促進城市未來合理規(guī)劃和健康發(fā)展。1空間體系空間分布的垂直分布特征依據(jù)中國地域廣大,地理位置與自然條件差異大,不同地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平也各不相同。同時,中國又是一個多山的地域,中西部的山地和高原面積大,而東部的丘陵和平原占地比重相對較多。中國城市主要集中分布于海拔高度小于500m的東部的丘陵和平原地區(qū);平均海拔高度500~2000m的中部低山和中山地區(qū)分布較少;西南內(nèi)陸平均海拔2000m以上的中、高山地區(qū)城市分布更少。城市空間體系空間分布特征表現(xiàn)為空間梯度差異大、空間分布東密西疏和城市沿鐵路干線、沿江、沿海線狀集聚明顯,總體上呈“低密高疏”的垂直分異規(guī)律和“東密西疏”的水平分異規(guī)律。目前,中國的省級行政單元分別分布在華北、華中、華南、西北、東北、西南、華東7個區(qū),包括23個省、5個自治區(qū)、4個直轄市和2個特別行政區(qū)。本文研究的典型案例城市選定4個直轄市和2008年GDP位列中國7大區(qū)首位的7個城市(北京市、上海市、天津市、重慶市、石家莊市、廣州市、杭州市、武漢市、西安市、成都市、哈爾濱市),以及2個典型的港灣城市(大連市和青島市)。2學(xué)習(xí)方法2.1遙感影像圖本文數(shù)據(jù)主要來自《中國統(tǒng)計年鑒》、《中華人民共和國地圖集》、《中華人民共和國地圖集1995》和2008年遙感影像圖,以及中國統(tǒng)計信息網(wǎng)等。城市空間結(jié)構(gòu)主要影響要素有建成區(qū)范圍、土地利用結(jié)構(gòu)、交通網(wǎng)線、水系分布、地域環(huán)境特征等,通過AutoCAD和ArcIS軟件提取1980年、1995年和2008年13個城市的建成區(qū)、公路、鐵路、高速路、地鐵、水域和綠地等圖層。2.2城市圖譜的建立城市空間結(jié)構(gòu)作為經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和社會結(jié)構(gòu)的空間投影,其組成的要素多種多樣,地圖譜系的建立主要依托在不同要素圖層的組合上,通過不同時期圖譜時間序列和圖層要素組合來體現(xiàn)城市空間結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律,譜系共有4組,分別為各個城市不同時期輪廓圖譜、交通與城市建成區(qū)圖譜、城市建成區(qū)圖譜和綜合圖譜(建成區(qū)、公路、鐵路、高速路、地鐵、河流)。本文從城市結(jié)構(gòu)的構(gòu)成特征出發(fā),對數(shù)據(jù)進行處理,基于AutoCAD和ArcGIS等軟件建立13個城市的1980年、1995年和2008年的圖譜體系(圖1)。并計算Boyce-Clark指數(shù)(城市空間形狀指數(shù)),交通廊道密度指數(shù)和城市破碎化指數(shù)等,通過定性和定量的方法,進行13個城市的空間結(jié)構(gòu)演變的圖譜特征分析。2.2.1rkshpein-ls-cs城市空間結(jié)構(gòu)的歷史以及現(xiàn)實狀態(tài)反映了城市發(fā)展的軌跡和特征,城市空間結(jié)構(gòu)的拓展是城市發(fā)展的外在表現(xiàn)和城市結(jié)構(gòu)生命力的體現(xiàn),城市空間結(jié)構(gòu)演變在形狀上的變化表現(xiàn)得十分明顯。1964年Boyce和Clark提出Boyce-Clark指數(shù)(BoyceandClarkshapeindex),也稱為放射狀指數(shù),它是將所研究的形狀與標(biāo)準(zhǔn)圓的形狀進行比較,得出一個相對指數(shù)的方法,用于反映某一形狀變化趨勢和內(nèi)部緊湊程度,如公式(1)所示。式(1)中SBC為放射狀指數(shù),ri為形狀中心到形狀邊界的半徑長度,n為具有相等角度的輻射半徑數(shù)量,取值一般為8、16或32,對應(yīng)的相鄰半徑之間的夾角為45°、22.5°和11.25°,n越大,計算精度越高,越能體現(xiàn)變化趨勢。SBC最小值為0,越接近0,表示形狀愈接近圓,圓是規(guī)則圖形,是在人類活動的強烈干擾下形成的,因此指數(shù)越小,表示受人類干擾程度越大,同時空間內(nèi)部緊湊度越高;指數(shù)越大,表示形狀愈復(fù)雜,受人類干擾程度越小,形狀空間內(nèi)部緊湊度越低。這一指數(shù)考慮了城市中心與區(qū)內(nèi)各部分之間的聯(lián)系,能反映出形狀和內(nèi)部空間的一般特征[17~19]。本文利用放射狀指數(shù)來研究城市空間結(jié)構(gòu)演變的時空規(guī)律。2.2.2交通廊道長度l交通廊道密度(CD)是城市單位面積上的交通網(wǎng)長度:式中,L為交通廊道長度(km),A為城市總面積(km2)。城市破碎化指數(shù)(C)是城市景觀單位面積上的斑塊數(shù)量:式中,N為城市斑塊的數(shù)量,A為城市總面積(km2)。3城市空間結(jié)構(gòu)的變動性城市空間結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上是研究城市空間特征及其演變規(guī)律。從工業(yè)革命以來,城市空間結(jié)構(gòu)的變動性較大。因此,對城市空間結(jié)構(gòu)的演變分析,可以從城市的自然、經(jīng)濟、土地利用和城市交通的方面,通過對城市空間結(jié)構(gòu)特征的理解和測度來把握城市的空間結(jié)構(gòu)演變。3.1放射性指數(shù)與城市空間形狀的變化特征結(jié)合根據(jù)放射狀指數(shù)公式(1),n取值為32,計算出13個城市1980年、1995年和2008年的城市建成區(qū)放射狀指數(shù)(表1)。通過表1可知:1980年城市的放射狀指數(shù)變化范圍為14.587~67.163,最小和最大城市分別是成都市和大連市;1995年的變化范圍為13.574~83.062,放射狀指數(shù)最小和最大的城市分別是成都市和大連市;2008年變化范圍為11.087~26.225,放射狀指數(shù)最小和最大的城市分別是北京市和武漢市。1980年、1995年和2008年城市的放射狀指數(shù)平均值分別是28.488,30.012和16.862,總體呈減小的趨勢,說明從1980年到2008年的28a間,城市的形狀從原來向四周延伸擴展的分散非緊湊向緊湊轉(zhuǎn)變。城市形狀基本趨于矩形,城市空間形狀逐漸由復(fù)雜向單一轉(zhuǎn)變,說明在城市化過程中,隨著經(jīng)濟的快速增長,人口大量向城市轉(zhuǎn)移,人類對城市空間結(jié)構(gòu)演變影響越來越大。城市空間結(jié)構(gòu)一方面范圍不斷向外蔓延擴展,另一方面受城市建設(shè)用地控制增強的影響,城市內(nèi)部由散亂向緊湊發(fā)展。3.1.1城市空間形狀城市空間結(jié)構(gòu)是人類活動與自然、經(jīng)濟、社會等因素相互作用的結(jié)果在城市地域內(nèi)的綜合反映,影響城市空間結(jié)構(gòu)的自然因素主要有地形、水系等因素。城市空間結(jié)構(gòu)是人類根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、地形、水系等自然環(huán)境基礎(chǔ)進行開發(fā)建設(shè)和發(fā)展的結(jié)果。自然環(huán)境的本底質(zhì)是城市的空間結(jié)構(gòu)特征決定性的影響因素。從地形上看,北京市、上海市、天津市、成都市、石家莊市和西安市地處平原,在1980年到2008年的28a之間,放射狀指數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(圖2),尤其是北京市和上海市這兩個國際特大都市,形狀指數(shù)在1995年到2008年間呈迅速減小的勢態(tài),減小率達42.8%和31.5%,城市的形狀從具有多尖角、觸角的不規(guī)則多邊形向團狀、矩形狀轉(zhuǎn)化。說明受地形條件限制較小的平原城市的城市空間結(jié)構(gòu)的變化,主要受人類的干擾和控制,以城市為中心向四周較均勻地擴張,成“攤大餅”式的發(fā)展模式,不斷填補城市形狀中的碎部,城市的形狀趨于緊湊的發(fā)展,城市空間結(jié)構(gòu)的破碎度減小。從水系對城市的結(jié)構(gòu)影響看,廣州市、武漢市、重慶市、大連市分別分布在珠江、長江、嘉陵江和海灣沿岸,這些城市雖然在城市化過程中,受人類活動影響,城市空間形狀也向矩形演變,然而放射狀指數(shù)比較大。說明受人類干擾控制程度相對較小,早期城市擴張主要沿河流方向進行,城市發(fā)展到一定階段時向兩側(cè)擴張,如武漢市三期放射狀指數(shù)分別為55.646、62.117和26.225,城市形狀由H形向矩形轉(zhuǎn)變;沿海港灣城市則以港口為中心向腹地擴張,如大連市三期放射狀指數(shù)分別為67.163、83.062和20.737,城市形狀由X形向矩形轉(zhuǎn)變,建設(shè)用地向大連灣和黃海海岸線擴張。哈爾濱市受松花江的影響,其沿江一側(cè)的外輪廓,形成沿江光滑的邊緣,而破碎的邊緣不斷地擴張和整合,最終形成一個近矩形的整體。杭州市和青島市分別分布在東海和膠州灣沿岸,從杭州市和青島市的三期輪廓變化圖(圖1),可以看出,填海造地的現(xiàn)象較普遍,沿海一帶破碎的邊緣不斷的整合,最終沿東海和膠州灣的形成較光滑的邊緣帶。根據(jù)不同時期的城市形狀指數(shù)(圖3),這些城市的形狀指數(shù)多是先增大后減小的發(fā)展趨勢,前期主要是由于江河和港灣等自然環(huán)境的限制,人類的生產(chǎn)和生活受水系和地形等的影響較大,城市的空間布局是依地形、依水而建,比較分散,城市的緊湊度較低。隨著城市化的快速發(fā)展,經(jīng)濟和人口的迅速增加,人地矛盾加劇,人們以填湖、填海造地的方式,使城市沿江河向兩側(cè)不斷擴張,促進城市空間形狀向矩形發(fā)展,城市的緊湊度增加,形狀指數(shù)減小,城市空間結(jié)構(gòu)的破碎化減小。3.1.2耦合過程分析在地形和水系等自然條件一定的情況下,城市的空間結(jié)構(gòu)的演變與人口、經(jīng)濟有著密切的關(guān)系,人口空間結(jié)構(gòu)的變化引導(dǎo)著城市空間結(jié)構(gòu)的演變,經(jīng)濟則是通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化來影響城市空間結(jié)構(gòu)的演變。因此,合理的城市空間、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人口規(guī)模對一個城市的發(fā)展尤為重要。本文選取人口數(shù)量、人均GDP與城市空間形狀指數(shù)進行耦合分析,利用公式(4)進行耦合度計算,結(jié)果如表2所示。式中,C為耦合度,ui為子系統(tǒng)對總系統(tǒng)有序度的貢獻,n為耦合子系統(tǒng)的個數(shù)。一般認(rèn)為,當(dāng)C=0時,耦合度極小,系統(tǒng)處于無關(guān)狀態(tài);0<C≤0.3,低強度耦合;0.3<C≤0.5,中強度耦合;0.5<C≤0.8高強度耦合;0.8<C≤1,極度耦合。從表2可知:人口、經(jīng)濟和城市空間結(jié)構(gòu)的耦合處于中強度和高強度的耦合,而且很多城市隨著時間的推移,耦合度不斷增加。說明在自然環(huán)境一定的條件下,人口和經(jīng)濟是影響城市空間結(jié)構(gòu)的主要因素。城市的空間結(jié)構(gòu)不斷地趨向于緊湊化和規(guī)則化,能有更高的城市交通效率、能源效率和方便的生產(chǎn)生活,滿足經(jīng)濟發(fā)展和人口的發(fā)展需求,如北京市、成都市、天津市、上海市等大城市。中國龐大的人口基數(shù)和城市化的快速發(fā)展,城市的空間結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足人口和經(jīng)濟發(fā)展的需求,尤其是城市的交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成上。因此,在這個發(fā)展階段上,應(yīng)規(guī)劃整合城市功能的空間布局,促進城市空間結(jié)構(gòu)的合理化,以便更好地促進經(jīng)濟和人口的發(fā)展需求。3.2城市土地利用的實際用地類型城市的土地利用類型展現(xiàn)了城市的不同空間結(jié)構(gòu),它是城市的土地使用性質(zhì)與開發(fā)強度的體現(xiàn)。城市土地利用格局決定城市交通的結(jié)構(gòu),它對交通運輸?shù)淖饔弥饕w現(xiàn)在城市用地功能布局上,其利用模式?jīng)Q定城市空間結(jié)構(gòu)。根據(jù)各大城市土地利用的特征,將城市用地分為交通用地(地鐵、高速路、道路、鐵路等)、建筑用地、綠地、水域等類型。計算各時期各大城市土地利用的結(jié)構(gòu)(表3)。從城市的土地利用類型上看,城市的主要用地是建筑用地和水域,其中建筑用地所占比例呈逐年迅速增加的趨勢,到2008年占50%左右。而水域面積大多逐年減少的趨勢,尤其是杭州市、廣州市、上海市等城市,年遞減率達1.5%以上。主要是由于城市化的快速發(fā)展,城市用地緊張,使許多城市填湖、圍海造地,大大縮小了水域用地面積。從1980~2008年,各個城市的綠地數(shù)量都呈增加的趨勢,綠地斑塊密度呈上升的發(fā)展趨勢。綠地斑塊的增加,首先它反映了城市結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性,斑塊密度增大,城市的結(jié)構(gòu)中孔隙性越高,其次,可以反映城市景觀的破碎化程度。城市的綠地密度越大,有利于綠地系統(tǒng)對城市環(huán)境的調(diào)節(jié)和改善,并對污染源斑塊進行隔離。而交通用地是城市土地利用中一種重要的用地類型。城市空間結(jié)構(gòu)演變是土地利用與城市交通網(wǎng)絡(luò)在城市空間地域上相互制約和相互協(xié)調(diào)形成的[22~24]。土地開發(fā)利用會增加人們出行對交通的需求,而交通的改善也促進了土地利用的通達性,吸引地區(qū)經(jīng)濟活動到交通廊道上,影響城市及各種社會活動的選址,改變城市空間格局,促使城市土地利用沿交通軸線發(fā)展,并且再次刺激土地開發(fā)利用。因此,土地利用與交通建設(shè)的互饋作用,構(gòu)筑了城市的空間結(jié)構(gòu)和格局,使城市的結(jié)構(gòu)從單中心、同心圓等發(fā)展模式向軸線、多中心等發(fā)展模式演變。3.3交通廊道密度與城市破碎化指數(shù)的比較一個城市的形成和發(fā)展離不開它的交通,如果脫離城市交通,城市將不可能繼續(xù)擴大它的規(guī)模、范圍和生產(chǎn)力。城市交通是城市之間,包括城市內(nèi)部人流、物資、信息互動交流的前提,同時也是人們?nèi)粘Ｉ钆c社會生產(chǎn)的基礎(chǔ)。一個城市的發(fā)展只有與交通建立起相互促進和相互適應(yīng),才能保證城市經(jīng)濟、社會和環(huán)境健康、協(xié)調(diào)、有序的發(fā)展。當(dāng)城市擴張到一定階段時,城市內(nèi)外部距離不斷增大,為了減少城市內(nèi)部空間交通的壓力,環(huán)城高速、軌道交通等應(yīng)運而生,軸帶發(fā)展模式明顯。城市空間結(jié)構(gòu)的演變是人類基于自然環(huán)境的基礎(chǔ)上改造的結(jié)果。而交通做為人類改造自然的一種重要的表現(xiàn)形式,它的結(jié)構(gòu)特征已經(jīng)深刻體現(xiàn)了地質(zhì)、地形和水系等自然環(huán)境對其的影響。交通網(wǎng)絡(luò)作為城市空間結(jié)構(gòu)的廊道,利用交通廊道密度指數(shù)和城市破碎化指數(shù)來表征城市空間結(jié)構(gòu),有利于分析城市道路交通的通暢程度及反映城市空間的破碎程度。通過公式(2)和(3)計算得出各典型城市的交通廊道密度指數(shù)和城市破碎化指數(shù)(表4)。根據(jù)圖1的系列圖譜及表4的數(shù)據(jù)的比較分析可得出:1)受地形等自然條件影響較小的平原城市的交通結(jié)構(gòu),主要呈現(xiàn)出軸環(huán)圈層的發(fā)展結(jié)構(gòu)。平原城市(如北京市、上海市、天津市、成都市、石家莊市、西安市)的道路發(fā)展在人類影響下逐漸向矩形演變。而軸環(huán)“蜘蛛網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的交通結(jié)構(gòu),除了作為物流和能量流的通道,是城市空間結(jié)構(gòu)中的重要組成要素外,在功能上還載負(fù)著城市的“經(jīng)濟物流”,構(gòu)成了城市經(jīng)濟和生產(chǎn)體系的命脈,而發(fā)達的交通網(wǎng)絡(luò)也是分割城市景觀、造成城市景觀破碎化程度加深的動因。城市景觀的破碎化使城市的結(jié)構(gòu)功能由單一、均質(zhì)趨向于復(fù)雜和異質(zhì),使城市結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,功能多樣化。2)城市交通的空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出多種空間發(fā)展結(jié)構(gòu),如同心圓帶狀結(jié)構(gòu)、扇形結(jié)構(gòu)等。北京市、天津市、成都市呈現(xiàn)出較明顯的同心圓帶狀結(jié)構(gòu),有一個明顯的核心。上海市和哈爾濱市呈現(xiàn)出扇形的發(fā)展模式,其道路線呈現(xiàn)出與城市的輪廓線平行延伸,并與放射狀道路線呈交叉狀網(wǎng)格格局。西安市和杭州市呈現(xiàn)出較明顯的棋盤式的發(fā)展模式。其余的城市的城市道路網(wǎng)多由兩種以上的空間發(fā)展模式組成,或者是由于城市的破碎化而呈現(xiàn)出密集的網(wǎng)格格局。3)隨著建成區(qū)面積的擴大,交通廊道密度呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。從表4可以看出:1980~1995年,這些典型城市(除上海市外)的交通網(wǎng)密度的變化幅度較小,變化量在0.057hm/hm2以下,到2008年,這些典型城市的交通網(wǎng)密度呈迅速上升的趨勢,增加量多為0.1~0.3hm/hm2。說明近15a來,各大城市的交通網(wǎng)絡(luò)隨著城市化的加速發(fā)展,人口大量涌入,城市范圍的急劇擴大,人民的生活水平的提高,交通工具發(fā)生了巨大的變化,從原來的以步行、自行車為主向摩托車、小轎車等轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)了環(huán)城高速、軌道交通等現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò),交通網(wǎng)絡(luò)越趨于復(fù)雜化。發(fā)達的交通網(wǎng)絡(luò)是一個城市快速發(fā)展和人們生產(chǎn)生活的基礎(chǔ),但發(fā)達的交通網(wǎng)也是造成城市景觀破碎的重要成因。城市交通通過縱橫交錯的交通網(wǎng)絡(luò)使城市土地形成眾多的斑塊。從表4可以清楚地看出,交通廊道密度越大,則城市的破碎化指數(shù)就越高,二者成正比關(guān)系。良好的城市交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個城市得以正常運轉(zhuǎn)的前提,尤其是環(huán)城高速和軌道交通的出現(xiàn),縮短了城市內(nèi)部與郊區(qū)的出行成本,提高貨物周轉(zhuǎn)效率,圈層結(jié)構(gòu)明顯。在快速城市化的今天,一個城市經(jīng)濟快速發(fā)展離不開高效的交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。城市空間交通網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出多種空間發(fā)展結(jié)構(gòu),促進了區(qū)域交通的便利。4影響城市空間演變的因素城市化作為一種全球性的經(jīng)濟現(xiàn)象,人口大量向城市轉(zhuǎn)移給城市空間發(fā)展注入了新的活力,以圖譜的方式研究中國典型的13個經(jīng)濟發(fā)達城市空間結(jié)構(gòu)演變,結(jié)合放射狀指數(shù)、廊道密度指數(shù)和破碎化指數(shù)等的定量分析研究表明:1)受城市化過程中人口大量向城市轉(zhuǎn)移的影響,人類對城市空間結(jié)構(gòu)演變的干擾程度總體上呈增大的趨勢,城市空間形狀逐漸由復(fù)雜的自然形狀向規(guī)