酒泉市1990—2016年城市空間形態及驅動力分析

周在輝， 馬 靜， 馮曉剛

(1.西安建筑科技大學建筑學院， 西安 710055； 2.西安市城市規劃信息中心， 西安 710082)

快速城市化導致城市攤大餅式快速擴張，人口大量向城市集中，帶來的是城市無序蔓延、城市土地利用結構變化顯著、人地矛盾突出等一系列城市問題。許多歷史文化名城、歷史文化街區等功能單一，已經嚴重制約其發展。在自然生態環境、人文歷史環境、規劃管理措施等多方面因素共同制約下，城市空間形態表現為城市空間擴展和城市外部形態共同演化過程。城市空間形態是城市歷史足跡的印記，是眾多學者研究城市發展的重要切入點。通過對城市空間形態時空演化特征的綜合分析，總結提煉城市空間演化規律，為城市相關政策措施的制定提供依據。

國外城市空間形態研究是隨著形態學發展而逐漸興起。1899年，Otto發表《論城鎮平面布局》論文，標志著城市空間形態研究的開端[1]。1964年，Boyce和Clark首次定義了城市空間形態概念，并提出Boyce-Clark形狀指數[2]。1970年，Lee等[3]提出城市空間形態定量化指標。1994年，Batty等[4]基于分形視角分析了城市空間擴展和空間結構。綜合來看，國外學者多是從幾何形態、地域結構、類型形態等角度分析城市空間形態[5]。中國城市空間形態研究興起于20世紀90年代。城市空間形態主要從構成要素、演變模式、演變機制、擴展模擬、驅動力分析等方面進行分析[6-9]。分析方法則是利用分形、層次分析、系統動力學、元胞自動機、網絡拓撲、地理探測器[10-13]等定性與定量相結合的技術手段從緊湊度、均衡度、離散度等方面分析城市空間形態。綜合來看，城市空間形態研究多以大中城市為研究對象，中西部城市空間形態研究相對薄弱[14-15]。

在中國城市化進程日益加快的發展時期，城市空間形態也在發生深刻的變革，高新工業園區、產業園等都依托主城區蓬勃發展，城市由單中心向多中心發展，城市聚集能力越強表現為向集約型城市發展，城市空間表現出特有的形態特征。城市空間形態除了研究城市自身空間形態模式之外，還聚焦于城市空間動態發展過程中出現的諸如城市空間同質化、破碎化等問題。從城市空間的集聚與擴散特性方面對城市的規模、形狀、空間集聚特性[16-17]等進行量化研究與分析，以圖譜的形式探究城市空間動態演化規律，以期為新型城鎮化背景下的城市空間規劃和管理提供技術支持。

1 研究區概況

酒泉市地處甘肅省西北部，古城肅州，因“地下有泉”“泉水若酒”而得名，是甘肅省歷史文化名城。酒泉市地處甘肅省西北部河西走廊西端，自古是中原、東北通往新疆和西域的交通要塞，是絲綢之路河西走廊段重鎮，典型的綠洲型城市，自然資源和歷史文化遺產豐富。其空間形態的演化受生態環境影響較大，境內河流主要為疏勒河、黑河及其支流。酒泉城市空間形態發展除自身特性外還有一定的典型性。通過對其空間擴展形態和驅動力的分析能夠明晰其空間形態發展特征，指導構建具有地方特色的酒泉城市空間形態發展策略，同時也對類似城市的規劃發展提供借鑒意義。

2 研究數據和技術方案

以Landsat影像為基礎數據，選取酒泉市七期遙感影像，時間跨度為26 a，包含最近30 a城市空間地理信息。同時還包括相應的城市規劃圖、地形地貌、統計年鑒數據等資料。借助ArcGIS對原始資料預處理，整合多源數據并結合相關統計資料建立空間數據庫，分層管理各種數據并進行相關分析。研究過程：①預處理各種數據建立地理信息系統(geographic information system，GIS)數據庫；②利用ArcGIS軟件并結合相關模型算法，提取各時期城市邊界矢量圖(圖1)，獲得城市建成區面積、周長等相關基礎信息，分析建成區空間形態演化特征；③探究總結建成區空間擴展驅動力因素。

圖1 酒泉市各時期城鎮形態Fig.1 Urban morphology of Jiuquan in different periods

3 城市空間形態研究指標框架

城市空間形態指標主要包括城市空間擴展指標和城市外部形態指標，通過相關模型和公式計算分析城市空間形態特征。

3.1 城市空間擴展定量化指標

城市空間擴展是城市用地在時空上的擴展特征，定量化指標包括用地擴展速度和強度指數、用地擴展各向異性指數。

3.1.1 用地擴展速度和強度指數

用地擴展速度和強度指數描述一定時間內城市用地的擴展規模和發展趨勢。首先將土地單元的年平均擴展速度標準化處理，然后計算各個時期城市用地的可比性。

(1)

(2)

式中：M為城市用地擴展速度；I為城市用地擴展強度；ΔUij是i單元在j時刻內建成區變化量；Δtj為j時刻時間差值；Aij為i單元在j時刻內建成區總面積；Ai為i單元土地總面積。

3.1.2 用地擴展各向異性指數

各向異性指數是指城市空間擴展過程中在不同方向上體現出的擴展速度和擴展強度的差異性，具有明顯的指向性，通常用于闡釋空間擴展的方向和變化趨勢特征。

3.2 城市外部形態定量化指標

城市外部形態是城市構成要素空間分布的具體體現，定量化指標包括城市緊湊度、分形維數、重心轉移和形狀等特征值。

3.2.1 緊湊度指數

緊湊度是描述城市空間發展填充程度的重要指標。

(3)

式(3)中：B為緊湊度指數；A為城市建成區面積；P為城市建成區周長。

3.2.2 分形維數指數

通常采用面積-周長分維數描述城市邊界分維數，用于描述城市外部空間形態演化過程。

(4)

式(4)中：At為t時刻城市建成區面積；Pt為t時刻城市建成區周長；Dt為t時刻城市邊界維數。

3.2.3 重心轉移指數

重心轉移是通過計算不同時期重心坐標分析其移動距離和方向，計算過程中借用測量學定義的坐標系統，x軸正向朝北，y軸正向朝東，偏移方向利用坐標象限角計算。

重心坐標計算公式為

(5)

式(5)中：Xt、Yt為t時刻城市中心平面坐標；Ci為第i塊圖形面積；Xi、Yi為第i塊圖形幾何中心坐標。

重心轉移距離為

(6)

式(6)中：D為城市從t時刻變化到t+n時刻城市中心轉移距離；Xt+n、Yt+n為t+n時刻城市中心平面坐標。

重心轉移方向：利用測量學象限角表示轉移角度大小。

(7)

式(7)中：ΔXn、ΔYn為城市中心坐標從t時刻到t+n時刻的坐標增量；R為象限角(取值范圍為0～90°)。

3.2.4 形狀指數

形狀指數是將研究的城市形狀與標準圓比較分析計算出相對指數，常用基于半徑的測度計算，也稱半徑形狀指數。

(8)

式(8)中：S為形狀指數；ri為從城市中心到城市外圍邊界的半徑；n為等角的輻射半徑數量值。形狀指數越小代表城市緊湊度越好，空間分布越集中，聯系更便利。形狀指數越大代表城市緊湊度越差，空間分布越離散，聯系越不方便。

4 城市空間形態特征分析

4.1 城市用地擴展時空特征

4.1.1 建成區面積快速增長

通過提取城市發展邊界(圖1)得到建成區面積可知，酒泉市建成區面積1990年時為5.283 km2，1995年時增至7.769 km2，增長量為2.486 km2，年均增長率8.017%，這一時期城市在原有建成區基礎上向四周擴展；2000年建成區面積17.620 km2，增長量為1995年的1.26倍，年均增長17.796%，城市向南北兩個方向快速擴展；2005年建成區面積增至27.904 km2，較2000年增長10.284 km2，年均增長9.630%；2010年建成區面積擴大至44.321 km2，較2005年增長16.417 km2，年均增長9.696%，建成區向西靠近嘉峪關市發展；2013年建成區面積增到47.550 km2，較2010年增長3.229 km2，年均增長率2.372%；2016年建成區面積增至65.52 km2，較2013年增長17.971 km2，年均增長率11.278%，城區面積擴大，特別是與嘉峪關鄰近區域作為工業發展用地增長迅速。從1990—2016年的7個時期內，建成區面積快速增長，特別是2000年之后增長迅速，呈現外延式擴展模式，擴展方向先是向南北方向擴展，2010年后向鄰近嘉峪關市發展，并在原有的基礎上向外擴展。

4.1.2 用地擴展速度和強度差異較大

用地擴展速度和擴展強度指數描述一定時間內城市用地的擴展規模和發展趨勢。由表1可知，酒泉市1990年建成區面積僅為5.283 km2，到2016年建成區面積擴展到65.521 km2，26年間建成區面積擴大了11倍。從擴展速度上看，1990—2000年建成區擴展速度較快，是城市快速擴展時期，1995—2000年城市擴展速度達到最高值；2000—2010年城市擴展速度有所降低；2010—2013年城市擴展速度降至最低；2013—2016年城市擴展速度再次加快。從擴展強度上看，1990—1995年建成區擴展強度最低，是低速發展時期；從2000年開始，擴展強度速度逐漸加快，2000—2010年是中速發展時期；2010—2013年擴展強度下降至低速發展時期；2013—2016年擴展強度加快，處于城市高速發展時期。綜合來看擴展速度最快的為1995—2000年，擴展強度最大的為2013—2016年，總體來看酒泉市城市擴展處于高速擴展階段。

表1 酒泉市城市用地擴展速度和擴展強度Table 1 Expansion speed and intensity of urban land in Jiuquan

4.1.3 用地擴展指向性明顯

采用等扇形分析法(16方位)對城市建成區空間形態進行分析。具體過程：以2016年酒泉市建成區質心為圓心，選擇恰當的半徑繪制建成區外接圓，按照22.5°將建成區等分成16個扇形，然后匯總得到建成區不同年份的扇形面積，繪制雷達圖表達歷史時期各方位的空間擴展差異(圖2)，分析城市用地不同時期的擴展強度，得出建成區不同時期的主要擴展方向。

圖2 酒泉市各方位用地擴展強度雷達圖Fig.2 Radar map of land expansion intensity in all directions of Jiuquan

由表2可知，酒泉市1990—1995年建成區各方位用地擴展強度平均值為0.007，數據具有一定的離散度，各方向擴展強度差異較小，此時期城市主要沿NEE、E 2個方向擴展，表現為向東發展。1995—2000年，建成區各方位用地擴展強度平均值為0.028，離散度進一步加大，各方向擴展強度差異較小，此時期城市主要沿SSE、N、NNW、SE 4個方向擴展，表現為向西北和東南兩個方向發展。2000—2005年，建成區各方位用地擴展強度平均值為0.029，離散度進一步升高，各方向擴展強度差異較小，此時期城市主要沿S、SE、SEE 3個方向擴展，表現為向南和東南兩個方向發展。2005—2010年，建成區各方位用地擴展強度平均值為0.046，離散度進一步擴大，各方向擴展強度差異較小，此時期城市主要沿NW、NWW、SSW、S 4個方向擴展，表現為向西北和西南兩個方向發展。2010—2013年，建成區各方位用地擴展強度平均值為0.015，離散度有所降低，各方向擴展強度差異較小，此時期城市主要沿NWW、NW 2個方向擴展，表現為向西北方向發展。2013—2016年，建成區各方位用地擴展強度平均值為0.084，離散度有所降低，各方向擴展強度差異較大，此時期城市主要沿NWW、SSE 2個方向擴展，表現為向西北和東南方向發展。綜合來看，酒泉市在不同歷史時期建成區空間擴展指向性明顯，擴展強度最大的是2005—2016年的向西發展，這一時期是城市新區和酒泉工業園的建設時期。

表2 酒泉市各時段城市擴展強度指數差異統計Table 2 Statistics of urban expansion intensity index differences in different periods of Jiuquan

酒泉市是歷史城鎮的典型代表，早期城鎮發展受限于城墻阻礙，由規整的十字形南北街道構成城鎮主框架，以填充內城和擴展關城作為主要發展模式。20世紀90年代形成以南北街為主要框架，城鎮向城南火車站、城東方向擴展趨勢明顯，工業區和城南擴展是主要發展方向。由圖3可知，近代發展則依托甘新公路過境公路，城鎮擴展方向為延續十字主街和向過境公路靠攏，同時在郊區火車站附近形成城鎮新的發展方向，并由火車站向主城靠近。2005年后在城南和城市西北建設酒泉工業園南園和北園，城西建設新城，與嘉峪關一體化趨勢明顯，城市主體架構被拉大，形成城市新的發展級。

圖3 酒泉市城市空間結構Fig.3 Spatial structure of Jiuquan

4.2 城市外部形態時空特征

4.2.1 城市擴展向不穩定分散狀態發展

緊湊度和分形維數反映城市空間擴展形態，在城市空間擴展中能夠相互獨立且都能驗證其效果。緊湊度取值在0～1，值越大代表城市緊湊性越高，值越小代表城市緊湊性越低。當值接近于1，說明城市空間形狀接近于圓形。分形邊界維數代表城市邊界的復雜程度，分維數越大，邊界線的非線性越強。從幾何學上來看分形維數取值在1～2，分形維數<1.5說明圖形簡單；分形維數=1.5說明圖形處于隨機選擇，穩定性差；分形維數>1.5說明圖形復雜。邊界維數變大說明城市在向外擴展過程中空間形態愈發不規則；邊界維數變小說明城市填充發展過程中空間形態愈發規則；邊界維數不變說明城市空間形態處于相對穩定的過程中。

由圖4可知，酒泉市緊湊度最高值為0.633，最低值為0.335，均值為0.423，城鎮緊湊度較低；分形維數最高值為1.115，最低值為1.044，均值為1.090，分形維數均小于1.5，圖像簡單，城鎮不規則程度差異較小。其緊湊度從1990—2000年快速下降的趨勢，2000—2005年小幅上漲，2005—2010年再次下降至與2000年同等水平，2010年開始再次逐漸增長，2013—2016年緊湊度增幅加快。而分形維數從1990—2000年持續增大，城鎮不規則程度增加，2000—2005年降低，城鎮不規則程度降低，2005—2010年再次增大，城鎮不規則程度增大，2010—2016年持續降低，城鎮不規則程度逐漸降低。

圖4 酒泉市城市用地緊湊度和分形維數Fig.4 Compactness and fractal dimension of urban land in Jiuquan

綜合來看，酒泉市緊湊度總體上呈現先逐漸減小后小幅上揚的趨勢，緊湊度差異較小，平均值為0.423，說明城市空間離散度加大。分形維數呈現先增大后減小再增大的循環趨勢，分型維數差異較小，均小于1.5，說明城市不規則程度加大。

4.2.2 城市重心轉移方向先西南后向西

城市重心位置的轉移能夠反映出城市空間形態擴展的特征。從重心轉移情況(圖5、表3)來看，1990—1995年城市重心由南偏向東，偏移量為217.194 m，偏移方向由南偏東72°50′54″。1995—2000年城市重心偏向東南，偏移量值增大至1 063.167 m，偏移方向南偏西46°31′08″。2000—2005年城市重心偏向南，偏移量和偏移方向減小。2005—2010年城市重心偏向西，偏移量最大至1 348.387 m，偏移方向北偏西86°20′49″。2010—2013年城市重心繼續向西北偏移，偏移量減小至582.281 m，偏移方向北偏西60°37′48″。2013—2016年城市重心方向再次向西南方向偏移，偏移量達到最小值240.043 m，偏移方向南偏西13°43′13″。總體來看，酒泉市城市重心坐標表現出先西南后大幅向西偏移。

圖5 酒泉市城市重心轉移圖Fig.5 Transfer map of urban center of gravity in Jiuquan

表3 酒泉市城市重心轉移Table 3 Transfer of urban center of gravity in Jiuquan

4.2.3 城市空間擴展形狀變化較大

形狀指數用來反映城市空間分布的離散程度，通過與標準形狀的形狀指數比較可以得出城市空間形態的發展變化趨勢。

由圖6可知，酒泉市1990—2000年形狀指數持續增大，城鎮空間形態分布離散，城鎮處于擴張狀態中，城鎮空間聯系不方便，城鎮形狀從H形復雜化到接近長條矩形。2000—2010年形狀指數持續減小，城鎮空間形態分布集中，城鎮處于內部發展狀態中，城鎮空間聯系方便，城鎮形狀從長條矩形重新簡單化到接近星形。2010—2013年形狀指數快速增大，說明空間形態分布離散，城鎮再次處于快速擴張之中，城鎮空間聯系不方便。2013—2016年形狀指數再次減小，城鎮空間形態分布集中，城鎮處于內部發展狀態中，城鎮空間聯系方便，城鎮形狀從接近星形再次復雜化到接近長條矩形。酒泉市城市形狀變化率較低，城鎮外圍邊界相對簡單。

圖6 酒泉市形狀指數Fig.6 Shape index of Jiuquan

5 城市空間擴展驅動力分析

城市空間發展受多種因素的影響，包括自然資源條件、經濟社會發展狀況、人口增長趨勢、交通發展現狀、政府調控行為等。多種因素相互作用影響城市空間形態發展，根據酒泉市城市空間擴展及建設用地面板數據建立計量模型，選取影城市空間擴展的顯著因素，構建影響建成區用地空間擴展的指標體系。

以建成區用地面積作為因變量Y，以人口發展[市域人口(X1)、城鎮人口(X2)、城鎮化率(X3)]，經濟發展[GDP(X4)、財政收入(X5)、財政支出(X6)]，產業結構[第一產業產值(X7)、第二產業產值(X8)、第三產業產值(X9)、規模以上工業增加值(X10)]，建設投資[全社會固定投資總額(X11)、房地產開發投資總額(X12)]，消費水平[全社會商品零售總額(X13)、批發零售業年產值(X14)、餐飲住宿業年產值(X15)]，生活水平[人均GDP(X16)、在崗職工平均工資(X17)、恩格爾系數(X18)、城鎮人均可支配收入(X19)、城鎮人均消費性支出(X20)]作為因變量。借助DPS軟件利用灰色關聯方法對酒泉市2007—2016年城市建設用地擴展影響因素進行定量分析。

由表4可知，酒泉市建設用地擴展的主要因素為經濟發展和建設投資，其次為消費水平和產業結構，人口發展和生活水平貢獻度最低。其中關聯性最高的因子包括：財政收入(X5)、全社會固定投資總額(X11)、財政支出(X6)、第三產業產值(X9)。說明酒泉城市發展還需要依靠財政投入和投資拉動，第三產業服務業占有重要的地位，農業、建筑業、工業發展滯后，規模以上工業表現薄弱，城市經濟發展缺乏后勁，產業結構不合理亟需升級換代，消費水平亟需提高，需要減少本地人口外流，吸引外來人口加入，提高居民生活水平和生活質量。

表4 酒泉市建設用地空間擴展灰色關聯度系數(2007—2016)Table 4 Grey correlation coefficient of spatial expansion of construction land in Jiuquan (2007—2016)

6 結論

利用多時相遙感影像并借助GIS和遙感技術，提取城市不同歷史時期空間發展邊界用于城市空間形態的定量研究，成為城市空間形態研究重要的技術手段。綜合相關經濟社會發展統計資料，利用灰色關聯分析方法對影響城市空間擴展的要素進行定量化分析，能夠準確掌握城市空間擴展規律。通過對酒泉市空間形態定量化分析得出如下結論。

(1)城市空間擴展呈現外延快速擴展，受政策影響明顯。城鎮發展速度較快的是2000—2010年。2000年是經過市場化改革和宏觀調控之后的大發展時期，是經濟發展10年黃金時期的開端。2010年是金融危機之后國家陸續出臺十大產業振興計劃、加大科技投入、改善民生，促進消費等多項政策促進經濟穩定發展。

(2)受限于地形地貌條件影響，城市發展區別于平原地區攤大餅式發展，只能沿著道路和綠洲發展。空間擴展和速度差異較大且階段性明顯，總體上呈現向西靠近嘉峪關方向發展，逐漸從前期粗放式發展過渡到集約式發展。

(3)外部形態呈現不穩定的分散狀態，緊湊度較接近說明城市發展緊湊程度差異化較小，分形維數接近于圓形說明城市空間形狀趨于簡單，城市重心轉移方向呈現向西南和西發展的趨勢，城市空間擴展的形狀差異較大且城市發展速度不均衡。

城市建設用地擴展的主要因素為經濟發展和建設投資，其次為消費水平和產業結構，人口發展和生活水平貢獻度最低。其中關聯性最高的因子包括財政收入(X5)、全社會固定投資總額(X11)、財政支出(X6)、第三產業產值(X9)。

通過系統分析城市空間形態研究趨勢，構建定量化城市空間形態測算指標體系和框架，對酒泉城市建設用地擴展速度與強度、擴展方向、緊湊度、分形維數、重心轉移方向等進行詳細分析，但受制于作者、時間、資料成本的限制。今后要從以下方面深入研究：①延長研究時間序列；②加強非物質要素研究。