酒泉市1990—2016年城市空间形态及驱动力分析

周在辉， 马 静， 冯晓刚

(1.西安建筑科技大学建筑学院， 西安 710055； 2.西安市城市规划信息中心， 西安 710082)

快速城市化导致城市摊大饼式快速扩张，人口大量向城市集中，带来的是城市无序蔓延、城市土地利用结构变化显著、人地矛盾突出等一系列城市问题。许多历史文化名城、历史文化街区等功能单一，已经严重制约其发展。在自然生态环境、人文历史环境、规划管理措施等多方面因素共同制约下，城市空间形态表现为城市空间扩展和城市外部形态共同演化过程。城市空间形态是城市历史足迹的印记，是众多学者研究城市发展的重要切入点。通过对城市空间形态时空演化特征的综合分析，总结提炼城市空间演化规律，为城市相关政策措施的制定提供依据。

国外城市空间形态研究是随着形态学发展而逐渐兴起。1899年，Otto发表《论城镇平面布局》论文，标志着城市空间形态研究的开端[1]。1964年，Boyce和Clark首次定义了城市空间形态概念，并提出Boyce-Clark形状指数[2]。1970年，Lee等[3]提出城市空间形态定量化指标。1994年，Batty等[4]基于分形视角分析了城市空间扩展和空间结构。综合来看，国外学者多是从几何形态、地域结构、类型形态等角度分析城市空间形态[5]。中国城市空间形态研究兴起于20世纪90年代。城市空间形态主要从构成要素、演变模式、演变机制、扩展模拟、驱动力分析等方面进行分析[6-9]。分析方法则是利用分形、层次分析、系统动力学、元胞自动机、网络拓扑、地理探测器[10-13]等定性与定量相结合的技术手段从紧凑度、均衡度、离散度等方面分析城市空间形态。综合来看，城市空间形态研究多以大中城市为研究对象，中西部城市空间形态研究相对薄弱[14-15]。

在中国城市化进程日益加快的发展时期，城市空间形态也在发生深刻的变革，高新工业园区、产业园等都依托主城区蓬勃发展，城市由单中心向多中心发展，城市聚集能力越强表现为向集约型城市发展，城市空间表现出特有的形态特征。城市空间形态除了研究城市自身空间形态模式之外，还聚焦于城市空间动态发展过程中出现的诸如城市空间同质化、破碎化等问题。从城市空间的集聚与扩散特性方面对城市的规模、形状、空间集聚特性[16-17]等进行量化研究与分析，以图谱的形式探究城市空间动态演化规律，以期为新型城镇化背景下的城市空间规划和管理提供技术支持。

1 研究区概况

酒泉市地处甘肃省西北部，古城肃州，因“地下有泉”“泉水若酒”而得名，是甘肃省历史文化名城。酒泉市地处甘肃省西北部河西走廊西端，自古是中原、东北通往新疆和西域的交通要塞，是丝绸之路河西走廊段重镇，典型的绿洲型城市，自然资源和历史文化遗产丰富。其空间形态的演化受生态环境影响较大，境内河流主要为疏勒河、黑河及其支流。酒泉城市空间形态发展除自身特性外还有一定的典型性。通过对其空间扩展形态和驱动力的分析能够明晰其空间形态发展特征，指导构建具有地方特色的酒泉城市空间形态发展策略，同时也对类似城市的规划发展提供借鉴意义。

2 研究数据和技术方案

以Landsat影像为基础数据，选取酒泉市七期遥感影像，时间跨度为26 a，包含最近30 a城市空间地理信息。同时还包括相应的城市规划图、地形地貌、统计年鉴数据等资料。借助ArcGIS对原始资料预处理，整合多源数据并结合相关统计资料建立空间数据库，分层管理各种数据并进行相关分析。研究过程：①预处理各种数据建立地理信息系统(geographic information system，GIS)数据库；②利用ArcGIS软件并结合相关模型算法，提取各时期城市边界矢量图(图1)，获得城市建成区面积、周长等相关基础信息，分析建成区空间形态演化特征；③探究总结建成区空间扩展驱动力因素。

图1 酒泉市各时期城镇形态Fig.1 Urban morphology of Jiuquan in different periods

3 城市空间形态研究指标框架

城市空间形态指标主要包括城市空间扩展指标和城市外部形态指标，通过相关模型和公式计算分析城市空间形态特征。

3.1 城市空间扩展定量化指标

城市空间扩展是城市用地在时空上的扩展特征，定量化指标包括用地扩展速度和强度指数、用地扩展各向异性指数。

3.1.1 用地扩展速度和强度指数

用地扩展速度和强度指数描述一定时间内城市用地的扩展规模和发展趋势。首先将土地单元的年平均扩展速度标准化处理，然后计算各个时期城市用地的可比性。

(1)

(2)

式中：M为城市用地扩展速度；I为城市用地扩展强度；ΔUij是i单元在j时刻内建成区变化量；Δtj为j时刻时间差值；Aij为i单元在j时刻内建成区总面积；Ai为i单元土地总面积。

3.1.2 用地扩展各向异性指数

各向异性指数是指城市空间扩展过程中在不同方向上体现出的扩展速度和扩展强度的差异性，具有明显的指向性，通常用于阐释空间扩展的方向和变化趋势特征。

3.2 城市外部形态定量化指标

城市外部形态是城市构成要素空间分布的具体体现，定量化指标包括城市紧凑度、分形维数、重心转移和形状等特征值。

3.2.1 紧凑度指数

紧凑度是描述城市空间发展填充程度的重要指标。

(3)

式(3)中：B为紧凑度指数；A为城市建成区面积；P为城市建成区周长。

3.2.2 分形维数指数

通常采用面积-周长分维数描述城市边界分维数，用于描述城市外部空间形态演化过程。

(4)

式(4)中：At为t时刻城市建成区面积；Pt为t时刻城市建成区周长；Dt为t时刻城市边界维数。

3.2.3 重心转移指数

重心转移是通过计算不同时期重心坐标分析其移动距离和方向，计算过程中借用测量学定义的坐标系统，x轴正向朝北，y轴正向朝东，偏移方向利用坐标象限角计算。

重心坐标计算公式为

(5)

式(5)中：Xt、Yt为t时刻城市中心平面坐标；Ci为第i块图形面积；Xi、Yi为第i块图形几何中心坐标。

重心转移距离为

(6)

式(6)中：D为城市从t时刻变化到t+n时刻城市中心转移距离；Xt+n、Yt+n为t+n时刻城市中心平面坐标。

重心转移方向：利用测量学象限角表示转移角度大小。

(7)

式(7)中：ΔXn、ΔYn为城市中心坐标从t时刻到t+n时刻的坐标增量；R为象限角(取值范围为0～90°)。

3.2.4 形状指数

形状指数是将研究的城市形状与标准圆比较分析计算出相对指数，常用基于半径的测度计算，也称半径形状指数。

(8)

式(8)中：S为形状指数；ri为从城市中心到城市外围边界的半径；n为等角的辐射半径数量值。形状指数越小代表城市紧凑度越好，空间分布越集中，联系更便利。形状指数越大代表城市紧凑度越差，空间分布越离散，联系越不方便。

4 城市空间形态特征分析

4.1 城市用地扩展时空特征

4.1.1 建成区面积快速增长

通过提取城市发展边界(图1)得到建成区面积可知，酒泉市建成区面积1990年时为5.283 km2，1995年时增至7.769 km2，增长量为2.486 km2，年均增长率8.017%，这一时期城市在原有建成区基础上向四周扩展；2000年建成区面积17.620 km2，增长量为1995年的1.26倍，年均增长17.796%，城市向南北两个方向快速扩展；2005年建成区面积增至27.904 km2，较2000年增长10.284 km2，年均增长9.630%；2010年建成区面积扩大至44.321 km2，较2005年增长16.417 km2，年均增长9.696%，建成区向西靠近嘉峪关市发展；2013年建成区面积增到47.550 km2，较2010年增长3.229 km2，年均增长率2.372%；2016年建成区面积增至65.52 km2，较2013年增长17.971 km2，年均增长率11.278%，城区面积扩大，特别是与嘉峪关邻近区域作为工业发展用地增长迅速。从1990—2016年的7个时期内，建成区面积快速增长，特别是2000年之后增长迅速，呈现外延式扩展模式，扩展方向先是向南北方向扩展，2010年后向邻近嘉峪关市发展，并在原有的基础上向外扩展。

4.1.2 用地扩展速度和强度差异较大

用地扩展速度和扩展强度指数描述一定时间内城市用地的扩展规模和发展趋势。由表1可知，酒泉市1990年建成区面积仅为5.283 km2，到2016年建成区面积扩展到65.521 km2，26年间建成区面积扩大了11倍。从扩展速度上看，1990—2000年建成区扩展速度较快，是城市快速扩展时期，1995—2000年城市扩展速度达到最高值；2000—2010年城市扩展速度有所降低；2010—2013年城市扩展速度降至最低；2013—2016年城市扩展速度再次加快。从扩展强度上看，1990—1995年建成区扩展强度最低，是低速发展时期；从2000年开始，扩展强度速度逐渐加快，2000—2010年是中速发展时期；2010—2013年扩展强度下降至低速发展时期；2013—2016年扩展强度加快，处于城市高速发展时期。综合来看扩展速度最快的为1995—2000年，扩展强度最大的为2013—2016年，总体来看酒泉市城市扩展处于高速扩展阶段。

表1 酒泉市城市用地扩展速度和扩展强度Table 1 Expansion speed and intensity of urban land in Jiuquan

4.1.3 用地扩展指向性明显

采用等扇形分析法(16方位)对城市建成区空间形态进行分析。具体过程：以2016年酒泉市建成区质心为圆心，选择恰当的半径绘制建成区外接圆，按照22.5°将建成区等分成16个扇形，然后汇总得到建成区不同年份的扇形面积，绘制雷达图表达历史时期各方位的空间扩展差异(图2)，分析城市用地不同时期的扩展强度，得出建成区不同时期的主要扩展方向。

图2 酒泉市各方位用地扩展强度雷达图Fig.2 Radar map of land expansion intensity in all directions of Jiuquan

由表2可知，酒泉市1990—1995年建成区各方位用地扩展强度平均值为0.007，数据具有一定的离散度，各方向扩展强度差异较小，此时期城市主要沿NEE、E 2个方向扩展，表现为向东发展。1995—2000年，建成区各方位用地扩展强度平均值为0.028，离散度进一步加大，各方向扩展强度差异较小，此时期城市主要沿SSE、N、NNW、SE 4个方向扩展，表现为向西北和东南两个方向发展。2000—2005年，建成区各方位用地扩展强度平均值为0.029，离散度进一步升高，各方向扩展强度差异较小，此时期城市主要沿S、SE、SEE 3个方向扩展，表现为向南和东南两个方向发展。2005—2010年，建成区各方位用地扩展强度平均值为0.046，离散度进一步扩大，各方向扩展强度差异较小，此时期城市主要沿NW、NWW、SSW、S 4个方向扩展，表现为向西北和西南两个方向发展。2010—2013年，建成区各方位用地扩展强度平均值为0.015，离散度有所降低，各方向扩展强度差异较小，此时期城市主要沿NWW、NW 2个方向扩展，表现为向西北方向发展。2013—2016年，建成区各方位用地扩展强度平均值为0.084，离散度有所降低，各方向扩展强度差异较大，此时期城市主要沿NWW、SSE 2个方向扩展，表现为向西北和东南方向发展。综合来看，酒泉市在不同历史时期建成区空间扩展指向性明显，扩展强度最大的是2005—2016年的向西发展，这一时期是城市新区和酒泉工业园的建设时期。

表2 酒泉市各时段城市扩展强度指数差异统计Table 2 Statistics of urban expansion intensity index differences in different periods of Jiuquan

酒泉市是历史城镇的典型代表，早期城镇发展受限于城墙阻碍，由规整的十字形南北街道构成城镇主框架，以填充内城和扩展关城作为主要发展模式。20世纪90年代形成以南北街为主要框架，城镇向城南火车站、城东方向扩展趋势明显，工业区和城南扩展是主要发展方向。由图3可知，近代发展则依托甘新公路过境公路，城镇扩展方向为延续十字主街和向过境公路靠拢，同时在郊区火车站附近形成城镇新的发展方向，并由火车站向主城靠近。2005年后在城南和城市西北建设酒泉工业园南园和北园，城西建设新城，与嘉峪关一体化趋势明显，城市主体架构被拉大，形成城市新的发展级。

图3 酒泉市城市空间结构Fig.3 Spatial structure of Jiuquan

4.2 城市外部形态时空特征

4.2.1 城市扩展向不稳定分散状态发展

紧凑度和分形维数反映城市空间扩展形态，在城市空间扩展中能够相互独立且都能验证其效果。紧凑度取值在0～1，值越大代表城市紧凑性越高，值越小代表城市紧凑性越低。当值接近于1，说明城市空间形状接近于圆形。分形边界维数代表城市边界的复杂程度，分维数越大，边界线的非线性越强。从几何学上来看分形维数取值在1～2，分形维数<1.5说明图形简单；分形维数=1.5说明图形处于随机选择，稳定性差；分形维数>1.5说明图形复杂。边界维数变大说明城市在向外扩展过程中空间形态愈发不规则；边界维数变小说明城市填充发展过程中空间形态愈发规则；边界维数不变说明城市空间形态处于相对稳定的过程中。

由图4可知，酒泉市紧凑度最高值为0.633，最低值为0.335，均值为0.423，城镇紧凑度较低；分形维数最高值为1.115，最低值为1.044，均值为1.090，分形维数均小于1.5，图像简单，城镇不规则程度差异较小。其紧凑度从1990—2000年快速下降的趋势，2000—2005年小幅上涨，2005—2010年再次下降至与2000年同等水平，2010年开始再次逐渐增长，2013—2016年紧凑度增幅加快。而分形维数从1990—2000年持续增大，城镇不规则程度增加，2000—2005年降低，城镇不规则程度降低，2005—2010年再次增大，城镇不规则程度增大，2010—2016年持续降低，城镇不规则程度逐渐降低。

图4 酒泉市城市用地紧凑度和分形维数Fig.4 Compactness and fractal dimension of urban land in Jiuquan

综合来看，酒泉市紧凑度总体上呈现先逐渐减小后小幅上扬的趋势，紧凑度差异较小，平均值为0.423，说明城市空间离散度加大。分形维数呈现先增大后减小再增大的循环趋势，分型维数差异较小，均小于1.5，说明城市不规则程度加大。

4.2.2 城市重心转移方向先西南后向西

城市重心位置的转移能够反映出城市空间形态扩展的特征。从重心转移情况(图5、表3)来看，1990—1995年城市重心由南偏向东，偏移量为217.194 m，偏移方向由南偏东72°50′54″。1995—2000年城市重心偏向东南，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，偏移量和偏移方向减小。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年城市重心继续向西北偏移，偏移量减小至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，偏移量达到最小值240.043 m，偏移方向南偏西13°43′13″。总体来看，酒泉市城市重心坐标表现出先西南后大幅向西偏移。

图5 酒泉市城市重心转移图Fig.5 Transfer map of urban center of gravity in Jiuquan

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

4.2.3 城市空间扩展形状变化较大

形状指数用来反映城市空间分布的离散程度，通过与标准形状的形状指数比较可以得出城市空间形态的发展变化趋势。

由图6可知，酒泉市1990—2000年形状指数持续增大，城镇空间形态分布离散，城镇处于扩张状态中，城镇空间联系不方便，城镇形状从H形复杂化到接近长条矩形。2000—2010年形状指数持续减小，城镇空间形态分布集中，城镇处于内部发展状态中，城镇空间联系方便，城镇形状从长条矩形重新简单化到接近星形。2010—2013年形状指数快速增大，说明空间形态分布离散，城镇再次处于快速扩张之中，城镇空间联系不方便。2013—2016年形状指数再次减小，城镇空间形态分布集中，城镇处于内部发展状态中，城镇空间联系方便，城镇形状从接近星形再次复杂化到接近长条矩形。酒泉市城市形状变化率较低，城镇外围边界相对简单。

图6 酒泉市形状指数Fig.6 Shape index of Jiuquan

5 城市空间扩展驱动力分析

城市空间发展受多种因素的影响，包括自然资源条件、经济社会发展状况、人口增长趋势、交通发展现状、政府调控行为等。多种因素相互作用影响城市空间形态发展，根据酒泉市城市空间扩展及建设用地面板数据建立计量模型，选取影城市空间扩展的显著因素，构建影响建成区用地空间扩展的指标体系。

以建成区用地面积作为因变量Y，以人口发展[市域人口(X1)、城镇人口(X2)、城镇化率(X3)]，经济发展[GDP(X4)、财政收入(X5)、财政支出(X6)]，产业结构[第一产业产值(X7)、第二产业产值(X8)、第三产业产值(X9)、规模以上工业增加值(X10)]，建设投资[全社会固定投资总额(X11)、房地产开发投资总额(X12)]，消费水平[全社会商品零售总额(X13)、批发零售业年产值(X14)、餐饮住宿业年产值(X15)]，生活水平[人均GDP(X16)、在岗职工平均工资(X17)、恩格尔系数(X18)、城镇人均可支配收入(X19)、城镇人均消费性支出(X20)]作为因变量。借助DPS软件利用灰色关联方法对酒泉市2007—2016年城市建设用地扩展影响因素进行定量分析。

由表4可知，酒泉市建设用地扩展的主要因素为经济发展和建设投资，其次为消费水平和产业结构，人口发展和生活水平贡献度最低。其中关联性最高的因子包括：财政收入(X5)、全社会固定投资总额(X11)、财政支出(X6)、第三产业产值(X9)。说明酒泉城市发展还需要依靠财政投入和投资拉动，第三产业服务业占有重要的地位，农业、建筑业、工业发展滞后，规模以上工业表现薄弱，城市经济发展缺乏后劲，产业结构不合理亟需升级换代，消费水平亟需提高，需要减少本地人口外流，吸引外来人口加入，提高居民生活水平和生活质量。

表4 酒泉市建设用地空间扩展灰色关联度系数(2007—2016)Table 4 Grey correlation coefficient of spatial expansion of construction land in Jiuquan (2007—2016)

6 结论

利用多时相遥感影像并借助GIS和遥感技术，提取城市不同历史时期空间发展边界用于城市空间形态的定量研究，成为城市空间形态研究重要的技术手段。综合相关经济社会发展统计资料，利用灰色关联分析方法对影响城市空间扩展的要素进行定量化分析，能够准确掌握城市空间扩展规律。通过对酒泉市空间形态定量化分析得出如下结论。

(1)城市空间扩展呈现外延快速扩展，受政策影响明显。城镇发展速度较快的是2000—2010年。2000年是经过市场化改革和宏观调控之后的大发展时期，是经济发展10年黄金时期的开端。2010年是金融危机之后国家陆续出台十大产业振兴计划、加大科技投入、改善民生，促进消费等多项政策促进经济稳定发展。

(2)受限于地形地貌条件影响，城市发展区别于平原地区摊大饼式发展，只能沿着道路和绿洲发展。空间扩展和速度差异较大且阶段性明显，总体上呈现向西靠近嘉峪关方向发展，逐渐从前期粗放式发展过渡到集约式发展。

(3)外部形态呈现不稳定的分散状态，紧凑度较接近说明城市发展紧凑程度差异化较小，分形维数接近于圆形说明城市空间形状趋于简单，城市重心转移方向呈现向西南和西发展的趋势，城市空间扩展的形状差异较大且城市发展速度不均衡。

城市建设用地扩展的主要因素为经济发展和建设投资，其次为消费水平和产业结构，人口发展和生活水平贡献度最低。其中关联性最高的因子包括财政收入(X5)、全社会固定投资总额(X11)、财政支出(X6)、第三产业产值(X9)。

通过系统分析城市空间形态研究趋势，构建定量化城市空间形态测算指标体系和框架，对酒泉城市建设用地扩展速度与强度、扩展方向、紧凑度、分形维数、重心转移方向等进行详细分析，但受制于作者、时间、资料成本的限制。今后要从以下方面深入研究：①延长研究时间序列；②加强非物质要素研究。