城市化過程中地形因素對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)演變的影響——以烏魯木齊市為例

熊黑鋼，鄒桂紅，崔建勇

(1.北京聯(lián)合大學(xué) 應(yīng)用文理學(xué)院 城市系，北京 100083;2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266003;3.中國(guó)石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院，山東東營(yíng) 257061)

0 引言

城市的各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最終都要落實(shí)到一定的空間形式上。城市內(nèi)部功能活動(dòng)不斷地發(fā)生重組和增長(zhǎng)，導(dǎo)致城市空間結(jié)構(gòu)的變化，而這種城市空間過程包括結(jié)構(gòu)演化、空間擴(kuò)展和土地類型格局的變化［1］。地形差異是各種景觀結(jié)構(gòu)和空間格局分異的重要影響因子。在人類活動(dòng)占主導(dǎo)地位的城市景觀中，地形起伏特征通常是大尺度人為干擾活動(dòng)地域分布格局的基本骨架［2］。在地形起伏較大地區(qū)，地形對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)、格局演變的制約作用尤為突出。因此，城市發(fā)展到一定階段，其空間結(jié)構(gòu)必然在地形梯度上表現(xiàn)出規(guī)律性的分布。利用地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，將數(shù)字地形模型(DTM)與城市空間結(jié)構(gòu)演變有機(jī)地結(jié)合起來，可以清晰地反映出地形因素對(duì)城市發(fā)展的影響。

經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、政治因素對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)影響的研究取得了較大的進(jìn)展，特別是在構(gòu)建城市空間擴(kuò)展模型方面［3－11］。而從地形對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)影響的討論，大多圍繞地形中的單一因子和單一過程。本研究通過分析多個(gè)地形因子在城市空間結(jié)構(gòu)發(fā)展中所起的綜合作用，探討作為城市發(fā)展的骨架——地形對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的制約作用，為地形起伏較大的城市發(fā)展、空間結(jié)構(gòu)布局變化的探討提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市轄區(qū)東西約180 km，南北153 km，烏魯木齊河從中部穿越。其三面環(huán)山，地勢(shì)由南向北傾斜。地貌類型俱全，有沖積平原、山間谷地、低山丘陵、中高山地等。南部地形較狹窄、起伏大，而北部則屬寬廣的沖積平原地帶，地勢(shì)平坦，有利于城市的發(fā)展和城市建設(shè)。受地形的影響，城市建設(shè)用地主要是由南向北伸展，在北部平原又向東西兩翼延伸，呈“T”字形分布。

為更好地探討烏魯木齊城市化發(fā)展過程中城市結(jié)構(gòu)演變與地形的關(guān)系，將烏魯木齊市區(qū)內(nèi)商業(yè)、金融相對(duì)集中，人口密度較高的大十字、南門、紅山、友好、鐵路局作為重點(diǎn)研究區(qū)域。選定的工作區(qū)內(nèi)，南高北低。南部最高高程1 230 m，平均高程980 m，北部最低高程650 m，平均高程690 m，全區(qū)平均高程812 m，總面積185.47 km2。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的來源與處理

地形數(shù)據(jù)主要是采集1993年的1∶100 000地形圖;土地利用數(shù)據(jù)來自于1970，1984和1999年3個(gè)時(shí)期的1∶100 000烏魯木齊市土地利用圖，以及各年人口、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、土地利用等相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料。

根據(jù)烏魯木齊市的特點(diǎn)和國(guó)家《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用類型細(xì)分為14個(gè)小類，由于一些類型面積較小，為了便于研究，最后將其歸并為6個(gè)大類(表1)。

表1 烏魯木齊土地利用分類系統(tǒng)Tab.1 Classification of land use type in Urumqi

2.2 研究方法

地形特征對(duì)城市土地利用方式產(chǎn)生著深刻的影響，不同土地利用對(duì)地形有不同的要求，而不同的地形則適應(yīng)不同的土地利用方式，從而形成形式各異的土地利用空間結(jié)構(gòu)。參照相關(guān)的景觀組分在地形梯度上的研究［2］，本研究利用起伏度指數(shù)和分布比例指數(shù)兩個(gè)模型，分析地形因素對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)演變的影響。

2.2.1 起伏度指數(shù)。單一高程、坡度、坡向很難全面反映出地形條件對(duì)景觀分布的影響。本研究利用地理信息系統(tǒng)模型建模方法，以起伏度指數(shù)描述坡度、坡向、高程的綜合作用，公式如下:

式中:F為起伏度指數(shù);E及分別代表空間任意一點(diǎn)的高程值和該點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)的平均高程值;S及分別代表空間任意一點(diǎn)地坡度值和該點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)的平均坡度值;△A代表空間內(nèi)任意一點(diǎn)的坡向與其相鄰8個(gè)點(diǎn)差值之和的平均值除以180°，即:

式中:A為空間任意一點(diǎn)的坡向值;Ai代表與A相鄰8個(gè)點(diǎn)之一的坡向值。

利用(1)式對(duì)地形進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，使原本相互分離的3個(gè)地形屬性(坡度、坡向、高程)有機(jī)地結(jié)合在一起，它綜合描述了空間的起伏特征。高程、坡度、坡向變化大的地方起伏度大，反之，則小。其他組合情況的起伏度指數(shù)介于兩者之間。

2.2.2 分布比例指數(shù)。起伏度指數(shù)是對(duì)地形空間變化的描述。探討地形條件對(duì)城市結(jié)構(gòu)和空間格局分異的影響，還須搞清各種城市用地類型在不同起伏度上的分布狀況。即城市土地利用類型的面積在不同起伏度指數(shù)上分布比例關(guān)系。特別是同一種城市土地利用類型在不同起伏度上的分布比例以及相同起伏度空間上不同城市土地利用類型的分布比例。分布比例指數(shù)可以很好地描述這些比例和關(guān)系，并可以使結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，便于比較分析，模型如下:

式中:P為分布比例指數(shù);Ste表示t種城市土地利用類型在e種起伏度上的面積;St為整個(gè)研究區(qū)內(nèi)t種城市土地利用類型的總面積;Se為整個(gè)研究區(qū)內(nèi)e種起伏度的總面積。

分布比例指數(shù)作為一個(gè)無量綱的指數(shù)，將土地利用與地形空間的聯(lián)系緊密地結(jié)合在一起，為研究土地利用類型在地形空間上的分布規(guī)律提供了工具。若曲線比較平緩，起伏不大，則表明該種用地類型對(duì)地形的適宜性較廣;若曲線起伏較大，有明顯的峰值，表明該用地類型對(duì)地形有較強(qiáng)的偏好性，在其適宜地形上分布面積較大。同一種地形下，不同城市土地利用類型P值的差異體現(xiàn)了各土地利用類型對(duì)該種地形適宜程度的差別，P值大的地類適宜程度大，反之，則小。

3 結(jié)果及分析

3.1 起伏度指數(shù)模型與數(shù)字高程模型比較

為了證實(shí)多因子地形模型與單因子地形模型相比更能詳細(xì)直觀地表現(xiàn)地表起伏狀況，包含更加豐富的地表信息，以研究區(qū)地形圖為數(shù)據(jù)源，利用Arcgis軟件生成數(shù)字高程模型(DEM)以及起伏度指數(shù)模型，通過Arcgis的三維視圖功能得到兩者的東南—西北方向45°俯視圖(圖1a，b)。

圖1 起伏度指數(shù)模型與DEM模型三維圖Fig.1 The 3 －D maps of DEM and fluctuation index

雖然起伏度模型和DEM模型所表現(xiàn)的地形起伏總體上基本一致，但用起伏度重新描述的地形三維圖，平地基本不變，而山地、丘陵尤為突出(圖1a，b)。這是因?yàn)樵谄教归_闊地區(qū)，坡度、坡向變化不大，兩者結(jié)合得到的比例因子趨于零。而在山地、丘陵地區(qū)，高程、坡度、坡向組合的變化情況比較豐富，起伏度模型綜合地描繪出各種地形因子在不同空間位置的組合變化，證實(shí)了多因子結(jié)合反映地表起伏更加直觀形象。

將DEM、起伏度指數(shù)按照數(shù)值大小分別等分為20個(gè)區(qū)段，統(tǒng)計(jì)分布在不同區(qū)段內(nèi)具有相同地形屬性斑塊的數(shù)量、面積(圖2a，b，c)。起伏度模型的斑塊數(shù)量變化較有規(guī)律，而高程模型中，各區(qū)段內(nèi)的斑塊數(shù)量變化不規(guī)則、曲線起伏大、峰谷相間。起伏度模型的規(guī)律性主要由于描述地形起伏時(shí)加入坡度、坡向信息，能夠區(qū)分相似地形的細(xì)微差異，使斑塊數(shù)量增多，單個(gè)面積變小。同時(shí)，在各區(qū)段內(nèi)起伏度模型的斑塊數(shù)量是高程模型的200倍左右(圖2a)，表明利用起伏度模型生成的地形文件所包含的信息量大，圖形更加多樣化。經(jīng)過起伏度指數(shù)模型描述后的地形文件，在各區(qū)段內(nèi)具有相同地形屬性的斑塊其總面積、平均面積變化規(guī)律基本一致(圖2b，c)。而對(duì)應(yīng)的數(shù)字高程模型在斑塊平均面積上表現(xiàn)出曲線起伏大，波峰、波谷顯著(圖2c)，在區(qū)段總面積上曲線變化和緩(圖2b)。上述研究表明，起伏度指數(shù)模型可更好地反映地形的真實(shí)狀況，蘊(yùn)涵的地形信息更豐富，有利于分析地形對(duì)城市空間格局的影響，并更易與其他模型(如經(jīng)濟(jì)、城市規(guī)劃、道路建設(shè))相結(jié)合。

圖2 斑塊數(shù)及面積統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 The statistic chart of patch and area

3.2 土地利用類型空間分布及變化規(guī)律

3.2.1 區(qū)域起伏度分布特征。將研究區(qū)內(nèi)的起伏度指數(shù)分為50類，由小到大順序排列(圖3)。地形分布表現(xiàn)出低、中、高三段式空間分布結(jié)構(gòu)。起伏度指數(shù)1～12為起伏較小的地段。這類土地地形起伏小、斑塊面積大，屬于優(yōu)勢(shì)地形，主要分布在北部沖積平原下部，占全區(qū)總面積的60.24%。起伏度指數(shù)13～24是起伏較大的中段地區(qū)，分布在中部和東部地區(qū)，斑塊面積較小，地形復(fù)雜，占全區(qū)總面積的25.88%。而起伏度指數(shù)25～50的土地為丘陵或山地(圖3)。

圖3 研究區(qū)地形分布總體圖Fig.3 The distribution map of fluctuation index in study area

研究區(qū)土地主要分布在起伏度指數(shù)5～26之間(占全部土地面積的88%)。其中，分布在起伏度指數(shù)6～8上的土地面積占全研究區(qū)的37.32%，分布在起伏度指數(shù)7上的土地所占比重最大，占14.54%。

3.2.2 土地利用類型在不同地形起伏度的空間變化。分布比例指數(shù)可以反映不同地形對(duì)各類城市土地類型的適宜性，以及土地利用類型對(duì)地形的選擇性。從1970，1984，1999年研究區(qū)各類土地利用類型在起伏度地形空間上的分布特點(diǎn)對(duì)比可知(圖4)，1970—1999年期間，各種土地利用類型在起伏度指數(shù)梯度上的分布發(fā)生了顯著變化。農(nóng)業(yè)用地面積快速減少，表現(xiàn)出逐漸從優(yōu)勢(shì)地形上退出的趨勢(shì);而居住用地、生產(chǎn)建設(shè)用地面積則快速增大，逐漸搶占較平坦地形;政府用地面積增加緩慢，有向較高地形發(fā)展的趨勢(shì);未利用地在中高地形上面積減少較為明顯(圖4)。

利用Arcgis軟件對(duì)研究區(qū)3期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行起伏度空間上的疊加運(yùn)算(圖5)，分析各種土地利用類型從1970—1999年在不同地形起伏度的空間分布變化。

圖4 土地利用空間分布圖Fig.4 The spatial distribution map of land use with fluctuation index

3.2.2.1 居住用地。表現(xiàn)為逐年增加的趨勢(shì)。1970，1984，1999年其占全研究區(qū)面積分別為17.0%，19.63%，33.15%，前14年增長(zhǎng)速度為15.20%，后15年增長(zhǎng)速度為68.82%，是前者的4倍多。伴隨著數(shù)量增大的同時(shí)，空間分布范圍也加大。居住用地在空間上一直占據(jù)著優(yōu)勢(shì)地形(1～12為優(yōu)勢(shì)地形)，并不斷向高、低地形擴(kuò)展。前14年居住用地的擴(kuò)展主要集中在起伏度指數(shù)在4～7，15～23兩個(gè)空間段上，其中以起伏度指數(shù)7為中心的地形空間上擴(kuò)展速度最快(圖5a)。后15年在起伏度指數(shù)2～33區(qū)間，居住用地面積增長(zhǎng)速度都很快，以起伏度指數(shù)7～8為峰值(圖5b)。

圖5 土地利用類型空間分布變化圖Fig.5 Land use distribution changing with fluctuation index

城市人口增長(zhǎng)是居住用地?cái)?shù)量及空間分布變化的主導(dǎo)因素。烏魯木齊作為新疆的省會(huì)，在城市化進(jìn)程中對(duì)周邊地區(qū)有巨大的吸引力，人口迅速向?yàn)豸斈君R市區(qū)聚集。歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，1970—1999年間烏魯木齊市區(qū)人口平均自然增長(zhǎng)率為7.21‰，而實(shí)際人口增長(zhǎng)率為9.87‰，比自然增長(zhǎng)率高出 2.66‰［12］。城市人口迅速增加必然導(dǎo)致居住用地面積快速擴(kuò)大。

3.2.2.2 生產(chǎn)建設(shè)用地。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是其擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)力。1970—1983年間工業(yè)用地面積快速增長(zhǎng)，商業(yè)、交通用地面積增長(zhǎng)緩慢;1984—1999年間工業(yè)用地面積開始減少，而商業(yè)、交通用地面積快速增長(zhǎng)，其中，商業(yè)用地面積增加了7倍，增長(zhǎng)速度高于前期工業(yè)用地增長(zhǎng)的速度。

在空間分布上，前期生產(chǎn)建設(shè)用地增長(zhǎng)主要集中在起伏度指數(shù)為6的離市中心較遠(yuǎn)的地區(qū)。后期，其面積增長(zhǎng)主要集中在起伏度指數(shù)為7的市中心區(qū)域。這正反映了烏魯木齊城市化過程中的離心和向心過程。工業(yè)的發(fā)展需要開闊的場(chǎng)地和便利的交通，同時(shí)又要避免污染，具有離心傾向。生產(chǎn)建設(shè)用地在前14年隨著工業(yè)的發(fā)展向地勢(shì)平坦、面積較大的低地形空間擴(kuò)展，并將所占的市中心土地讓出。后15年商業(yè)、金融快速發(fā)展，在城市中心(大十子)產(chǎn)生的強(qiáng)大向心引力又將生產(chǎn)建設(shè)用地(商業(yè)用地)開發(fā)的重心拉到了市中心區(qū)域。

3.2.2.3 政府用地。在起伏度指數(shù)梯度上的分布曲線形狀與居住用地基本一致，分布范圍略小于居住用地，升降不太明顯。新增政府用地面積均勻分布在起伏度指數(shù)為6～26范圍內(nèi)，表明行政用地的空間分布與地形因素關(guān)系較小。教育用地增加促使政府用地面積增長(zhǎng)，其實(shí)質(zhì)是人口數(shù)量的增加，這與居住用地增長(zhǎng)的原因一致。

3.2.2.4 農(nóng)業(yè)用地。面積不斷減少，而且減少的速度非?？?，平均每年減少1km2。1970—1999年間農(nóng)業(yè)用地面積共減少24.34 km2，相當(dāng)于1999年農(nóng)業(yè)用地總面積的1.27倍。農(nóng)業(yè)用地在起伏度指數(shù)梯度上的分布范圍由原來的1～27縮小到3～24，減少了5個(gè)單位。在起伏度指數(shù)5，6，7上農(nóng)業(yè)用地面積比例減小最快，平均每年減少3.5%。這些過去是農(nóng)業(yè)用地分布的優(yōu)勢(shì)空間范圍，現(xiàn)在以居住用地、生產(chǎn)建設(shè)用地增長(zhǎng)比例最大。農(nóng)業(yè)用地在數(shù)量和空間上的變化特征反映出城市化過程中，城鎮(zhèn)建設(shè)用地大量侵占農(nóng)田這一必然趨勢(shì)。在農(nóng)業(yè)用地的轉(zhuǎn)變過程中，首先是工業(yè)用地的侵入，然后是居住用地逐漸將前兩者替代。

3.2.2.5 未利用地。未利用地主要分布于起伏度指數(shù)24～50之間。這一區(qū)域地形起伏大、地勢(shì)較高，大多為丘陵或山地，土地開發(fā)難度較大，只有24～30區(qū)段內(nèi)的未利用地被開發(fā)。此區(qū)域雖然高程大，但相對(duì)平坦，有一定的利用價(jià)值，大多被轉(zhuǎn)化為綠地、公園。

4 結(jié)論與討論

(1)建立起伏度指數(shù)模型，比傳統(tǒng)方法更能反映地形變化的細(xì)節(jié)信息。分布比例指數(shù)模型可以準(zhǔn)確地反映不同土地利用類型在地形空間的分布情況。兩類模型多年相關(guān)數(shù)據(jù)變化的比較能反映城市空間結(jié)構(gòu)的演變過程。

(2)各種土地利用類型在起伏度指數(shù)梯度上分布的整體變化，反映出烏魯木齊市的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著改變?？傮w上表現(xiàn)為城市重心向低地形空間轉(zhuǎn)移。

(3)烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)、政治中心(大十字)以及其他兩個(gè)經(jīng)濟(jì)中心(友好路、鐵路局)位于起伏度指數(shù)為7～8的地形空間上。它們對(duì)新建的居住用地都具有較強(qiáng)的吸引力，因此，1970—1984年間居住用地的增長(zhǎng)區(qū)主要集中在此。1984—1999年間適宜開發(fā)的土地越來越少，居住用地開始向起伏較大區(qū)域發(fā)展，表現(xiàn)為其分布在起伏度指數(shù)上的區(qū)間擴(kuò)大了9個(gè)單位。

(4)由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)建設(shè)用地始終在不斷地?cái)U(kuò)大。工業(yè)、商業(yè)的發(fā)展使生產(chǎn)建設(shè)用地表現(xiàn)出向外擴(kuò)張和向內(nèi)收縮兩個(gè)變化過程。擴(kuò)張的方向指向低地形地區(qū)，收縮則向金融商業(yè)中心。

(5)城市周圍的農(nóng)田在城市快速發(fā)展中迅速減少，起伏度低的地區(qū)減少快，而高地形區(qū)減少慢。市區(qū)內(nèi)的低矮丘陵等未利用地多被開發(fā)為公共綠地或公園。未利用地分布區(qū)域表現(xiàn)出逐漸向高地形空間萎縮的態(tài)勢(shì)。

(6)20世紀(jì)80年代中期以來的快速城市化過程是研究區(qū)各種土地利用類型空間分布出現(xiàn)劇烈變化的主要原因，但從轉(zhuǎn)變過程反映出大地形特征仍然是城市空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展框架。

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