广州市形态演变特征以及中心城区用地扩张

广州市形态演变特征以及中心城区用地扩张城市形态研究一直就是城市地理学的一个重要内容城市形态是城市总体的物质形状和文化内涵双方面特征和过程的综合表现. 城市空间形态则是指各种物质要素在城市总体层次上的空间组合关系, 它包括城市本身的空间布局、空间形式、空间规模等直观的物质环境表现, 它的演变具有时间系列的动态过程。国外关于城市形态的研究历史悠久, 形成了形态分析、环境行为分析和政治经济学的方法等许多学术流派。国内对城市形态研究虽然起步较早, 但长期处于停滞状态, 直到20 世纪80 年代初, 我国城市形态研究开始兴起, 90 年代以来, 由于城市化进程的加速, 城市经历了外向的快速扩展和内部结构的频繁重组, 研究成果相继涌现, 研究内容的深度和广度也不断得到提高。总之, 我国关于城市形态的研究主要通过借鉴国外的理念, 重点对其演变特征及影响因素进行分析, 应用现代技术手段研究不多, 从选取的实例来看, 主要集中在历史文化名城、港口城市。因此本文选取我国华南地区的交通通讯枢纽和贸易口岸重要城市广州市为例，运用现代技术手段来探讨广州市的形态特征及其中心城市用地扩张，这对深化城市化的过程和机理研究具有十分重要的意义。

1研究区与数据

1.1 研究区概况

广州是广东省省会，广东省政治、经济、科技、教育和文化中心。广州地处广东省东南部，珠江三角洲北缘，范围为东经112度57 分

-114度3分，北纬22度26分-23度56分，濒临南海，毗邻香港和澳门，是华南地区的交通通讯枢纽和贸易口岸，是中国的“南大门”。广州市辖十区和两个县级市，总面积7434.4平方公里，户籍总人口725.19 万人，共设118个街道办事处、63个镇。T677

地势和气候:广州地势东北高、西南低，北部和东北部是山区，中部是丘陵和台地，南部是珠江三角洲冲积平原。亚热带季风气候，夏无酷暑，冬无严寒，雨量充沛，四季如春，繁花似锦。全年平均气温20-22摄氏度，平均相对湿度77%，市区年降雨量为1,600毫米以上。

1.2数据

遥感影像为Landsat 5 TM影像，轨道号122/44，成像时间

1990-10-13；Landsat 7TM影像，轨道号122/44，成像时间2000-9-14；Landsat 7 ETM+影像，轨道号122/44，成像时间2010-10-28。在ERDAS 中对2010年广州市轮廓进行裁切，然后以2010年广州市轮廓为边界，分别对其他时相的图像裁切，提取各时期功能用地边界和建成区边界, 作为本次研究的主要数据来源。

2研究方法

2.1城市用地信息提取

城市建成区的提取是研究城市扩展的重要方面，城市建设用地的遥感信息提取通常采用人机交互的手工方式，自动化程度不高，许多方法如果不做后续处理，精度无法满足要求。近年来，基于指数的建筑用地提取技术相继提出，常用的遥感指数有差值建筑覆盖指数

NDBI （杨存建等，2008）、归一化的差值建筑覆盖指数NDBI （Zha et al .，2003）、基于指数的建筑用地指数IBI （Xu ，2007）等。本文使用的影像由于利用上述指数提取效果不明显，经多次试验，最后对TM/ETM 影像采用NDBI-NDVI 的方法提取了兰州市的建设用地信息（图1），可有效区分植被、土壤和建设用地信息。其中： 7474NDBI ρρρρ-=+

4343NDVI ρρρρ-=+

式中，ρn 为第 n 波段的反射率

（a ） （b ） （c ）

图1 研究区不同年份的NDBI-NDVI （a.1990 年；b.2000 年；c.2010 年）

(a) (b) (c)

图2 研究区不同年份的建设用地分布（a.1990年；b.2000年;c.2010年）

2.2 城市空间形态定量测度

采用GIS 的空间分析方法对广州城市空间形态进行定量测度, 包括扩展强度指数、紧凑度指数、分维数、Boyce-Clark 形状指数、等扇分析法。

（1） 扩展强度指数 计算城市扩展强度, 比较不同时期扩展强弱和

快慢, 研究广州市扩展规模特征。本文用城市年均增加面积与基年面积之比来表示扩展强度；公式为

00100n i i i

UA UA AGR nUA +-=⨯ 式中: AGR 为城市年均扩展强度指数; n i UA +和i UA , 分别代表n+ i 年和i 年的城市面积; n 是以年为单位的时间。

（2） 紧凑度指数 引入紧凑度公式

BCI =2研究广州城市扩展的空间形态变化特征。式中: BCI 表示紧凑度指数; A 表示建成区面积; P 指城市建成区轮廓的周长。

（3） 分维数 分形维数表示一个集合在空间上的占有程度, 维数越大, 空间区域内含有分形单元的机会也就越大。常用的分维有:

Hausdorff 维数、盒维数、相似维数、信息维数、关联维数等。在城市空间形态的研究中, 面积和周长是其基本度量特征, 因此, 采用周长面积法计算空间形态的分形特征

P= K ( A)

对于单个正方形斑块, 常数K = 4, 则

/24(),2lg(/4)/lg()D p A D p A ==

式中: D 表示分维数; P 表示斑块周长; A 表示斑块面积。

（4） 形状指数SHI ，计算公式为：

min ij ij p SHI p

式中：ij p 为斑块ij 的周长。

3 城市形态演变特征

3.1 城市形状演化特征

测度城市形状的指标很多, 本文选取紧凑度、分维数和形状指数3 个指标来测度广州城市形状的演化。发现广州城市的紧凑度指数在1990年比较高，1990-2010年20年都在下降( 0.66~0.34) , 呈下降趋势; 城市用地形态分维数呈迅速下降趋势, 城市形状指数下降趋势非常明显, 特别是由1990 年的1.23 多陡然下降到2000年的不足1.19, 2000年到2010的下降比较平缓。总体来说广州城市形状比较紧凑、稳定性较好 ( 表1、图3~ 图5)

表1 1990-2000选取紧凑度、分维数和形状指数 年代

紧凑度指数 分维数 形状指数 1900

0.66 1.041 1.23 2000

0.45 1.036 1.19 2010

0.34 1.034 1.18