郑州城市用地格局时空演化的多分形分析
发布时间：2021-08-21 08:09
城市形态具有分形特征,利用多分形可以从标度的视角揭示其结构演化以及背后的问题。基于1986-2018年遥感数据,计算郑州市域和市辖区建设用地的多分维,并根据谱线分析郑州城市用地近30年的演化特征。结果表明:（1）郑州当前用地已超过理想分维1.7,市域和市辖区的多分维谱线表现异常。市域和市辖区的全局谱线在低密度区快速突破嵌入空间维数2,市辖区的局部分维谱线出现"纽结"现象。（2）郑州市域和市辖区的局部分维谱都表现为单峰左偏,且左端（高密度区）数值高于右端（低密度区）,城市生长以向外扩张为主。（3）郑州市域和市辖区的建设用地分维增长符合二次logistic曲线,但曲线的拐点位置不同。市辖区已在2017年达到用地高峰期,用地接近饱和,预留空间不足,而市域预计在2028年达到高峰。根据上述结果,可得出以下结论:（1）郑州城市空间结构在有序发展过程中,存在空间局部的不协调和无序扩展的现象;（2）郑州城市用地的空间集聚过程已经结束,近年表现为对外扩展为主。城市中心区填充过高,而城市边缘无序扩张;（3）郑州市辖区城市用地已经达到极限,如果今后继续扩张,则只能消耗市辖区以外的市域土地。
【文章来源】：城市发展研究. 2020,27(03)北大核心CSSCICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
郑州市域和市辖区最大外框示意图
计算郑州市域和市辖区建设用地的全局参数和局部参数,分别得到Dq、τq、α(q)和f(α) 等谱线。具体分析时,以q-Dq谱线和α-f(α)谱线为主(Chen,2016)。在分析广义关联维数谱线Dq之前,先要确定市域和市辖区两个尺度下的建设用地分维是否都遵循同一个标度率,即在双对数坐标图中散点是否呈显著线性分布。若是,则城市形态具有自相似性,表明城市扩张呈均衡状态。但若散点图中出现标度间断,则城市形态具有自仿射特性,表明城市朝各个方向扩张呈不均衡状态。通过拟合9个年份的郑州市域与市辖区建设用地的容量维,发现其都有两个标度区,呈双分形(bi-fractals)结构(图 2,为节省篇幅,只展示1986、1998、2006、2018四个年份)。图2中D0为整体拟合的容量维数,D(1)为前6个点拟合的第一标度区维数,D(2)为后4个点拟合的第二标度区维数,这意味着城市向外扩张具有自仿射性,反映出32年来郑州城市空间扩展都是不均衡的。但随着城市发展,市域与市辖区的容量维整体拟合优度不断提高,D(1)与D(2)之间的差值逐渐减小,表明这种自仿射性正逐渐向自相似方向演化,郑州建设用地的形态结构日趋均衡优化。图3 郑州市域和市辖区广义关联维q-Dq谱和局部分维α-f(α)谱
图2 郑州市域和市辖区建设用地的容量维D0估算双对数图观察多分维谱线,可看出32年来不同尺度下郑州建设用地的空间结构特征和演化趋势(图 3)。首先从全局参数出发,郑州市域和市辖区建设用地的q-Dq谱线(图3a,3b)有如下特征:第一,多分维谱线上移,反映郑州城市用地的扩张趋势。不论是郑州市域还是市辖区,9个年份的多分维谱线都分异明显,且市辖区甚于市域,随着时间的发展,谱线都有上移的趋势。这表明1986-2018年间,两个尺度下的郑州建设用地结构变化都十分显著,相较于市域尺度,市辖区尺度下的城市空间扩展表现更为强烈;第二,多分维谱线在中心区和边缘区两个方面平移速度不同,反映郑州城市用地的中心与边缘变化的不同步性和阶段性。在多分维谱线中,矩次q>0,反映的是高密度区的信息,投射到地理空间中,则表示城市中心区的变化特征;q<0,反映低密度区的信息,在城市中则表示城市边缘、郊区到乡村的空间变化特征。从郑州市域q-Dq谱线中(图3a),可看出当q<-2时,9个年份的曲线分异显著。2002至2018年,曲线明显抬升,尤其是2014、2018两个年份的曲线都居于高处,表明这些年城市边缘区向外扩张显著,特别是2014年后表现尤为突出。当q>1时,相较于低密度区,在高密度区的各年份曲线出现分异,但不明显。其中1986-2006年期间,变化较小,而2010、2014、2018三个年份的曲线略有分开,表明这8年里,郑州市域的中心区建设用地迅速增加。其次从郑州市辖区的q-Dq谱线中(图3b),可看出在q<-3时,9个年份的谱线在低密度区出现明显变化。其中2006-2018年间变化差异最大,其次是1998-2006年,而1986-1998年变化差异最小,反映了不同阶段,市辖区建设用地的空间扩展有强有弱。当q>0时,市辖区建设用地在高密度区的曲线分异变化不突出,唯有2018年的曲线要略高于其他年份,说明市辖区的中心部分在2014-2018年中内部填充强度大。因此,不管是市域还是市辖区尺度下的城市中心与边缘的变化都呈现出不同步性和阶段性。此外,在q=1附近时,市域和市辖区的分维都在逐步增长,容量维、信息维和关联维都呈上升趋势(表 1),分维越高,城市空间填充度就越高,城市土地利用的程度就越大。其中信息维与容量维的比值D1/D0值也在逐年提升(表 1),暗示郑州城市土地利用形态的差异正逐渐减少。根据Batty等人的模拟分析,城市形态的理想分维在1.7左右,但若分维达到1.8后,城市会通过郊区化或者有机疏散来降低维数。郑州市域与市辖区的用地分维在2018年就已超过1.7,若是未来继续大规模增加建设用地,将会带来城市土地利用效率降低、生态环境恶化等问题,还会加大旧城改造难度,从而降低城市的宜居性。第三,多分维谱线在高端突破理论上限,表明郑州在用地小尺度的城市边缘扩展呈无序状态。计算城市分维时,我们是将其定义在2维嵌入空间中,理论上,维数2已经是全局维数的上限,局部维数更应低于这个上限。但在市域与市辖区的q-Dq谱线中,当q<-1时,9个年份的分维就已经迅速破2,市域的维数高达4,市辖区的分维更是接近于5。显然,郑州建设用地分维远超2.5,是不正常的。排除算法出现较大误差的可能性外,出现这种情况的原因:一是在提取建设用地的过程中没有区分城镇建设用地和乡村建设用地,导致区域内部存在很多细小斑块;二是1986-2018年间郑州市域和市辖区两个尺度下的城市边缘向外扩张都呈无序状态,尤其是市辖区向外无序扩张更为显著,可能造成城市空间结构存在某种缺陷。因此,郑州在今后的城市建设中需多关注城市边缘至乡村的建设用地无序扩张的问题。
【参考文献】：
期刊论文
[1]城市地理研究中的单分形、多分形和自仿射分形[J]. 陈彦光. 地理科学进展. 2019(01)
[2]京津冀城镇用地空间结构的多分维谱分析[J]. 黄琳珊,陈彦光,李双成. 地理科学进展. 2019(01)
[3]京津冀城市生长和形态的径向维数分析[J]. 张凤,陈彦光,李晓松. 地理科学进展. 2019(01)
[4]京津冀城市用地形态的双分形特征及其演化[J]. 赵静湉,陈彦光,李双成. 地理科学进展. 2019(01)
[5]信阳城市人口—城区用地异速生长分析[J]. 陈彦光,张莉. 地理科学进展. 2014(08)
[6]中国城市空间结构研究评述[J]. 周春山,叶昌东. 地理科学进展. 2013(07)
[7]城市用地扩张及驱动力研究进展[J]. 刘涛,曹广忠. 地理科学进展. 2010(08)
[8]北京城市形态的分形集聚特征及其实践意义[J]. 姜世国,周一星. 地理研究. 2006(02)
[9]河南省城镇体系空间结构的多分形特征及其与水系分布的关系探讨[J]. 刘继生,陈彦光. 地理科学. 2003(06)
[10]城市空间形态的计量方法及其评价[J]. 林炳耀. 城市规划汇刊. 1998(03)
本文编号：3355220
【文章来源】：城市发展研究. 2020,27(03)北大核心CSSCICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
郑州市域和市辖区最大外框示意图
计算郑州市域和市辖区建设用地的全局参数和局部参数,分别得到Dq、τq、α(q)和f(α) 等谱线。具体分析时,以q-Dq谱线和α-f(α)谱线为主(Chen,2016)。在分析广义关联维数谱线Dq之前,先要确定市域和市辖区两个尺度下的建设用地分维是否都遵循同一个标度率,即在双对数坐标图中散点是否呈显著线性分布。若是,则城市形态具有自相似性,表明城市扩张呈均衡状态。但若散点图中出现标度间断,则城市形态具有自仿射特性,表明城市朝各个方向扩张呈不均衡状态。通过拟合9个年份的郑州市域与市辖区建设用地的容量维,发现其都有两个标度区,呈双分形(bi-fractals)结构(图 2,为节省篇幅,只展示1986、1998、2006、2018四个年份)。图2中D0为整体拟合的容量维数,D(1)为前6个点拟合的第一标度区维数,D(2)为后4个点拟合的第二标度区维数,这意味着城市向外扩张具有自仿射性,反映出32年来郑州城市空间扩展都是不均衡的。但随着城市发展,市域与市辖区的容量维整体拟合优度不断提高,D(1)与D(2)之间的差值逐渐减小,表明这种自仿射性正逐渐向自相似方向演化,郑州建设用地的形态结构日趋均衡优化。图3 郑州市域和市辖区广义关联维q-Dq谱和局部分维α-f(α)谱
图2 郑州市域和市辖区建设用地的容量维D0估算双对数图观察多分维谱线,可看出32年来不同尺度下郑州建设用地的空间结构特征和演化趋势(图 3)。首先从全局参数出发,郑州市域和市辖区建设用地的q-Dq谱线(图3a,3b)有如下特征:第一,多分维谱线上移,反映郑州城市用地的扩张趋势。不论是郑州市域还是市辖区,9个年份的多分维谱线都分异明显,且市辖区甚于市域,随着时间的发展,谱线都有上移的趋势。这表明1986-2018年间,两个尺度下的郑州建设用地结构变化都十分显著,相较于市域尺度,市辖区尺度下的城市空间扩展表现更为强烈;第二,多分维谱线在中心区和边缘区两个方面平移速度不同,反映郑州城市用地的中心与边缘变化的不同步性和阶段性。在多分维谱线中,矩次q>0,反映的是高密度区的信息,投射到地理空间中,则表示城市中心区的变化特征;q<0,反映低密度区的信息,在城市中则表示城市边缘、郊区到乡村的空间变化特征。从郑州市域q-Dq谱线中(图3a),可看出当q<-2时,9个年份的曲线分异显著。2002至2018年,曲线明显抬升,尤其是2014、2018两个年份的曲线都居于高处,表明这些年城市边缘区向外扩张显著,特别是2014年后表现尤为突出。当q>1时,相较于低密度区,在高密度区的各年份曲线出现分异,但不明显。其中1986-2006年期间,变化较小,而2010、2014、2018三个年份的曲线略有分开,表明这8年里,郑州市域的中心区建设用地迅速增加。其次从郑州市辖区的q-Dq谱线中(图3b),可看出在q<-3时,9个年份的谱线在低密度区出现明显变化。其中2006-2018年间变化差异最大,其次是1998-2006年,而1986-1998年变化差异最小,反映了不同阶段,市辖区建设用地的空间扩展有强有弱。当q>0时,市辖区建设用地在高密度区的曲线分异变化不突出,唯有2018年的曲线要略高于其他年份,说明市辖区的中心部分在2014-2018年中内部填充强度大。因此,不管是市域还是市辖区尺度下的城市中心与边缘的变化都呈现出不同步性和阶段性。此外,在q=1附近时,市域和市辖区的分维都在逐步增长,容量维、信息维和关联维都呈上升趋势(表 1),分维越高,城市空间填充度就越高,城市土地利用的程度就越大。其中信息维与容量维的比值D1/D0值也在逐年提升(表 1),暗示郑州城市土地利用形态的差异正逐渐减少。根据Batty等人的模拟分析,城市形态的理想分维在1.7左右,但若分维达到1.8后,城市会通过郊区化或者有机疏散来降低维数。郑州市域与市辖区的用地分维在2018年就已超过1.7,若是未来继续大规模增加建设用地,将会带来城市土地利用效率降低、生态环境恶化等问题,还会加大旧城改造难度,从而降低城市的宜居性。第三,多分维谱线在高端突破理论上限,表明郑州在用地小尺度的城市边缘扩展呈无序状态。计算城市分维时,我们是将其定义在2维嵌入空间中,理论上,维数2已经是全局维数的上限,局部维数更应低于这个上限。但在市域与市辖区的q-Dq谱线中,当q<-1时,9个年份的分维就已经迅速破2,市域的维数高达4,市辖区的分维更是接近于5。显然,郑州建设用地分维远超2.5,是不正常的。排除算法出现较大误差的可能性外,出现这种情况的原因:一是在提取建设用地的过程中没有区分城镇建设用地和乡村建设用地,导致区域内部存在很多细小斑块;二是1986-2018年间郑州市域和市辖区两个尺度下的城市边缘向外扩张都呈无序状态,尤其是市辖区向外无序扩张更为显著,可能造成城市空间结构存在某种缺陷。因此,郑州在今后的城市建设中需多关注城市边缘至乡村的建设用地无序扩张的问题。
【参考文献】：
期刊论文
[1]城市地理研究中的单分形、多分形和自仿射分形[J]. 陈彦光. 地理科学进展. 2019(01)
[2]京津冀城镇用地空间结构的多分维谱分析[J]. 黄琳珊,陈彦光,李双成. 地理科学进展. 2019(01)
[3]京津冀城市生长和形态的径向维数分析[J]. 张凤,陈彦光,李晓松. 地理科学进展. 2019(01)
[4]京津冀城市用地形态的双分形特征及其演化[J]. 赵静湉,陈彦光,李双成. 地理科学进展. 2019(01)
[5]信阳城市人口—城区用地异速生长分析[J]. 陈彦光,张莉. 地理科学进展. 2014(08)
[6]中国城市空间结构研究评述[J]. 周春山,叶昌东. 地理科学进展. 2013(07)
[7]城市用地扩张及驱动力研究进展[J]. 刘涛,曹广忠. 地理科学进展. 2010(08)
[8]北京城市形态的分形集聚特征及其实践意义[J]. 姜世国,周一星. 地理研究. 2006(02)
[9]河南省城镇体系空间结构的多分形特征及其与水系分布的关系探讨[J]. 刘继生,陈彦光. 地理科学. 2003(06)
[10]城市空间形态的计量方法及其评价[J]. 林炳耀. 城市规划汇刊. 1998(03)
本文编号：3355220
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