城市三維空間擴展的時空變化分析
——以大連市金州主城區為例

(遼寧師范大學 地理科學學院 遼寧省自然地理與空間信息科學重點實驗室,遼寧 大連 116029)

城市擴展是對城市空間擴張狀態的最直觀體現,是復雜的社會現象和發展過程[1]。城市擴展研究對有效引導和調控城市的擴張有著重要的意義[2]。隨著經濟的不斷發展,我國城市化進程不斷加快,城市外延擴展逐漸飽和,城市開始對內部用地進行重組與閑置用地開發,城市內部建筑更替速度加快,在主城區內表現得尤為明顯,城市逐漸向多維方向擴展。隨著城市垂向延伸不斷增強,基于平面分析的城市空間擴展特征難以準確描述城市的空間變化,因此從二維、三維多方向綜合研究城市空間擴展是必然趨勢。

目前國內學者多使用地理信息技術研究城市空間動態擴展,多以城市平面擴展為主,研究數據主要為城市用地且研究尺度較大[3-5],以城市建筑與城市數字高程模型為基礎數據,從微觀尺度分析城市三維空間擴展的研究較少。城市建筑是城市最顯著的特征,本文從微觀尺度(單棟建筑)計算了大連市金州主城區2005年、2010年、2015年的城市重心和城市二維、三維空間擴展測度指標,研究了10年3個時相以城市建筑為主體的城市范圍平面擴展和城市內部建筑更新的變化規律,分析了城市空間擴展的動態變化特征,探究了城市三維空間擴展的時空變化特征與演變規律,以期為城市規劃與城市結構優化提供決策參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

金州區地處遼東半島南部,位于大連市中部，西瀕渤海，東臨黃海，北靠東北腹地，地處環渤海和東北亞經濟圈。金州區屬低山丘陵區,地形由北向南,以小黑山至大黑山一線山脈為中心軸部,另以大黑山至大李家城山頭沿黃海近岸一線山脈為東部分支軸部,向兩側傾斜,構成中部高、兩翼低的階梯狀地形，分為中部低山丘陵區、東部丘陵漫崗區、沿海河流沖積小平原區3個區域。金州區屬溫帶季風氣候,兼有海洋性氣候特點,四季分明、氣候溫和。2018年，金州區土地面積1850km2,戶籍人口110萬人,轄25個街道。

大連經濟開發區位于金州區的東部,規劃管理面積為422km2,常住人口近50萬人,是我國第一個國家級經濟技術開發區,也是金州區最先發展的重點建設區域,2016年成為金普新區的四大功能區之一。大連經濟開發區是大連市經濟增長的重要引擎,綜合經濟實力在遼寧省地級以上城市中位列第四。本文選取金州區中大連經濟開發區的主城區(簡稱“金州主城區”)為研究區,包括馬橋子街道和灣里街道,見圖1。

1.2 研究數據

城市三維空間擴展研究主要以大連市金州主城區高分辨率的歷史遙感影像、資源3號衛星影像(立體像對數據)、行政區劃數據、地形數據與城市規劃用地類型數據等為數據源,并結合實地建筑高度數據采集、GPS實測地面控制點等,提取了城市建筑的輪廓與占地面積、高度、體積等數據,進而建立了2005年、2010年、2015年3個時相的金州主城區的UDEM,見圖2。

圖1 研究區遙感影像圖

圖2 大連市金州主城區2005年、2010年、2015年城市數字高程模型

2 研究方法

本文選用微觀尺度(單棟建筑)構建城市重心、城市建筑覆蓋率與城市建筑擴展強度等指數,分析大連市金州主城區近10年來城市建筑用地利用、更新和擴張的空間變化特征,進一步研究其擴展規律及其演變趨勢，以期為同類區域研究提供方法上的借鑒與參考。

2.1 城市重心模型

城市重心是描述城市在水平方向空間分布狀態的重要指標[6]。基于仿質點系的力矩重心概念,選取微觀尺度—單棟建筑物,以單棟建筑的占地面積為“重量”,構建城市重心模型。在均勻重力場下,某座城市中Ni(xi,yi)為第i個建筑的平面重心坐標,Ai為第i個建筑的占地面積,則城市重心G(X,Y)計算公式為:

(1)

第t1、t2年的城市重心移動距離D為:

(2)

為了便于分析城市重心轉移規律,構建新的城市重心移動角度θ的計算公式為:

(3)

式中,θ為從第t2年到t1年重心轉移方向從正東方向逆時針旋轉的角度。

2.2 城市空間擴展測度指標

城市擴展強度指標描述城市擴展的強度與速度,是反映城市空間擴展狀況的重要指標[7]。為了易于分析,將城市擴展強度分為城市擴展強度與城市擴展速度兩個指標。城市建筑覆蓋度是描述城市建筑分布狀態的重要指標[8]。城市空間變化包括城市在水平方向和垂直方向的整體變化,基于微觀尺度—單棟建筑,分別構建了城市二維空間擴展指標與城市三維空間擴展指標。

城市二維、三維空間擴展測度指標公式與意義見表1、表2。

表1 城市二維空間擴展測度指標公式與意義

表2 城市三維空間擴展測度指標公式與意義

3 空間測度指標求取與變化規律分析

3.1 城市重心轉移規律分析

本文根據重心模型,計算了2005年、2010年、2015年的金州主城區城市重心,探究其變化規律。金州主城區3個時相的城市重心位置、移動距離、轉移角度和擴張方向見表3，城市重心位置變化見圖3。

表3 金州主城區城市重心移動距離與方向

圖3 金州主城區城市重心位置變化

從表3、圖3可見,2010年和2015年的金州主城區城市重心均向2005年的東北方向偏移;2010年城市重心移動距離比2015年遠,但轉移角度小;2010年城市重心向東北方向移動較多,2015年往回遷移與2005年城市重心靠近;2015年城市重心在2010年的西南側,移動距離為168m。可見，金州主城區在這10年里城市重心位置變化不大,移動距離較短,先向外移動后向內遷移,城市重心總體向東北移動,變化趨勢與金州主城區近10年的建筑增加方向相符。

3.2 城市空間擴展測度指標分析

本文計算了大連市金州主城區2005年、2010年、2015年3個時相的城市二維空間、三維空間變化測度指標,分析其變化特征及規律,指標計算結果見表4、表5。

表4 金州主城區城市二維空間擴展測度指標計算結果

表5 金州主城區城市三維空間擴展測度指數計算結果

從表4可見,金州主城區2005—2015年的城市建筑平面擴展強度低于2005—2010年,2010—2015年的城市建筑平面擴展強度減弱;2005—2010年的城市建筑平面擴展速度較快,2010—2015年的城市建筑平面擴展速度減緩;城市建筑平面覆蓋率在這10年間不斷增加,但增加幅度減小。

從表5可見,金州主城區2005—2015年的城市建筑三維空間擴展強度高于2005—2010年,2010—2015年的城市建筑三維空間擴展強度增加;2005—2015年的城市建筑三維空間擴展速度高于2005—2010年,2010—2015年的城市三維建筑空間擴展速度加快;城市建筑三維空間覆蓋率在這10年間不斷增加,增加幅度增大。

4 結論與討論

4.1 結論

本文根據2005年、2010年和2015年3個時相的城市重心與城市二維空間、三維空間擴展測度指標的計算結果,分析了大連市金州主城區的城市三維空間擴展特征及規律。

根據分析指標可知:①大連市金州主城區的城市重心總體向東北方向偏移,呈現先往外再往回遷移的趨勢。②城市建筑用地開發受到自然因素的約束和城市建筑用地規劃的限制,金州主城區的建筑用地面積逐漸飽和,城市建筑的平面擴展強度與速度逐漸減小,但三維空間擴展強度與速度逐漸增加。③金州主城區的建筑覆蓋率逐年增加,但是建筑平面覆蓋率增加幅度減小,建筑三維空間覆蓋率增加幅度增大。④金州主城區建筑從不斷向外增加逐漸轉變為城市內部建筑更新,城市建筑高度持續增加,城市建筑空間不斷往垂向延伸。⑤分析金州主城區建筑空間變化特征可知,金州主城區在東北部發展較快,其平面擴展強度逐年減小,逐步轉變為城市內部三維空間擴展,城市在垂直方向的擴展逐年增強,城市三維空間處于持續擴展狀態。⑥從微觀尺度研究城市建筑為主體的城市三維空間擴展,準確地揭示了金州主城區空間擴展的時空變化規律,較以往大尺度研究能更精準地體現城市空間擴展規律,在研究時間跨度較小的情況下仍能明顯地突出城市空間變化特征。⑦隨著城市化發展的不斷加深,城市空間呈現向多維擴展趨勢,城市二維空間擴展測度指標越來越難以測度城市空間擴展情況。而城市三維空間擴展測度指標主要測度城市垂向擴展情況,難以準確測度城市在水平方向的擴展情況。因此,從二維空間、三維空間多角度綜合研究城市三維空間擴展比單方向的城市空間研究能更加準確和全面地描述城市的空間擴展特征。

4.2 討論

本文通過對大連金州主城區建筑的擴展分析,在一定程度上揭示了金州主城區三維空間擴展的形態特征,但由于只采用了4種指標來描述城市三維空間擴展的特征，因此還存在著一定的不足。今后應進行多指標、多時序的深入分析，以探求城市三維空間擴展特征與規律。