城市化过程中地形因素对城市空间结构演变的影响——以乌鲁木齐市为例

熊黑钢，邹桂红，崔建勇

(1.北京联合大学 应用文理学院 城市系，北京 100083;2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266003;3.中国石油大学地球资源与信息学院，山东东营 257061)

0 引言

城市的各种经济活动最终都要落实到一定的空间形式上。城市内部功能活动不断地发生重组和增长，导致城市空间结构的变化，而这种城市空间过程包括结构演化、空间扩展和土地类型格局的变化［1］。地形差异是各种景观结构和空间格局分异的重要影响因子。在人类活动占主导地位的城市景观中，地形起伏特征通常是大尺度人为干扰活动地域分布格局的基本骨架［2］。在地形起伏较大地区，地形对城市空间结构、格局演变的制约作用尤为突出。因此，城市发展到一定阶段，其空间结构必然在地形梯度上表现出规律性的分布。利用地理信息系统的空间分析功能，将数字地形模型(DTM)与城市空间结构演变有机地结合起来，可以清晰地反映出地形因素对城市发展的影响。

经济、社会、政治因素对城市空间结构影响的研究取得了较大的进展，特别是在构建城市空间扩展模型方面［3－11］。而从地形对城市空间结构影响的讨论，大多围绕地形中的单一因子和单一过程。本研究通过分析多个地形因子在城市空间结构发展中所起的综合作用，探讨作为城市发展的骨架——地形对城市空间结构发展的制约作用，为地形起伏较大的城市发展、空间结构布局变化的探讨提供科学依据。

1 研究区概况

乌鲁木齐市辖区东西约180 km，南北153 km，乌鲁木齐河从中部穿越。其三面环山，地势由南向北倾斜。地貌类型俱全，有冲积平原、山间谷地、低山丘陵、中高山地等。南部地形较狭窄、起伏大，而北部则属宽广的冲积平原地带，地势平坦，有利于城市的发展和城市建设。受地形的影响，城市建设用地主要是由南向北伸展，在北部平原又向东西两翼延伸，呈“T”字形分布。

为更好地探讨乌鲁木齐城市化发展过程中城市结构演变与地形的关系，将乌鲁木齐市区内商业、金融相对集中，人口密度较高的大十字、南门、红山、友好、铁路局作为重点研究区域。选定的工作区内，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，全区平均高程812 m，总面积185.47 km2。

2 数据与研究方法

2.1 数据的来源与处理

地形数据主要是采集1993年的1∶100 000地形图;土地利用数据来自于1970，1984和1999年3个时期的1∶100 000乌鲁木齐市土地利用图，以及各年人口、工业、农业、经济、土地利用等相关统计资料。

根据乌鲁木齐市的特点和国家《土地利用现状分类》标准，将土地利用类型细分为14个小类，由于一些类型面积较小，为了便于研究，最后将其归并为6个大类(表1)。

表1 乌鲁木齐土地利用分类系统Tab.1 Classification of land use type in Urumqi

2.2 研究方法

地形特征对城市土地利用方式产生着深刻的影响，不同土地利用对地形有不同的要求，而不同的地形则适应不同的土地利用方式，从而形成形式各异的土地利用空间结构。参照相关的景观组分在地形梯度上的研究［2］，本研究利用起伏度指数和分布比例指数两个模型，分析地形因素对城市空间结构演变的影响。

2.2.1 起伏度指数。单一高程、坡度、坡向很难全面反映出地形条件对景观分布的影响。本研究利用地理信息系统模型建模方法，以起伏度指数描述坡度、坡向、高程的综合作用，公式如下:

式中:F为起伏度指数;E及分别代表空间任意一点的高程值和该点所在区域内的平均高程值;S及分别代表空间任意一点地坡度值和该点所在区域内的平均坡度值;△A代表空间内任意一点的坡向与其相邻8个点差值之和的平均值除以180°，即:

式中:A为空间任意一点的坡向值;Ai代表与A相邻8个点之一的坡向值。

利用(1)式对地形进行转换后，使原本相互分离的3个地形属性(坡度、坡向、高程)有机地结合在一起，它综合描述了空间的起伏特征。高程、坡度、坡向变化大的地方起伏度大，反之，则小。其他组合情况的起伏度指数介于两者之间。

2.2.2 分布比例指数。起伏度指数是对地形空间变化的描述。探讨地形条件对城市结构和空间格局分异的影响，还须搞清各种城市用地类型在不同起伏度上的分布状况。即城市土地利用类型的面积在不同起伏度指数上分布比例关系。特别是同一种城市土地利用类型在不同起伏度上的分布比例以及相同起伏度空间上不同城市土地利用类型的分布比例。分布比例指数可以很好地描述这些比例和关系，并可以使结果标准化，便于比较分析，模型如下:

式中:P为分布比例指数;Ste表示t种城市土地利用类型在e种起伏度上的面积;St为整个研究区内t种城市土地利用类型的总面积;Se为整个研究区内e种起伏度的总面积。

分布比例指数作为一个无量纲的指数，将土地利用与地形空间的联系紧密地结合在一起，为研究土地利用类型在地形空间上的分布规律提供了工具。若曲线比较平缓，起伏不大，则表明该种用地类型对地形的适宜性较广;若曲线起伏较大，有明显的峰值，表明该用地类型对地形有较强的偏好性，在其适宜地形上分布面积较大。同一种地形下，不同城市土地利用类型P值的差异体现了各土地利用类型对该种地形适宜程度的差别，P值大的地类适宜程度大，反之，则小。

3 结果及分析

3.1 起伏度指数模型与数字高程模型比较

为了证实多因子地形模型与单因子地形模型相比更能详细直观地表现地表起伏状况，包含更加丰富的地表信息，以研究区地形图为数据源，利用Arcgis软件生成数字高程模型(DEM)以及起伏度指数模型，通过Arcgis的三维视图功能得到两者的东南—西北方向45°俯视图(图1a，b)。

图1 起伏度指数模型与DEM模型三维图Fig.1 The 3 －D maps of DEM and fluctuation index

虽然起伏度模型和DEM模型所表现的地形起伏总体上基本一致，但用起伏度重新描述的地形三维图，平地基本不变，而山地、丘陵尤为突出(图1a，b)。这是因为在平坦开阔地区，坡度、坡向变化不大，两者结合得到的比例因子趋于零。而在山地、丘陵地区，高程、坡度、坡向组合的变化情况比较丰富，起伏度模型综合地描绘出各种地形因子在不同空间位置的组合变化，证实了多因子结合反映地表起伏更加直观形象。

将DEM、起伏度指数按照数值大小分别等分为20个区段，统计分布在不同区段内具有相同地形属性斑块的数量、面积(图2a，b，c)。起伏度模型的斑块数量变化较有规律，而高程模型中，各区段内的斑块数量变化不规则、曲线起伏大、峰谷相间。起伏度模型的规律性主要由于描述地形起伏时加入坡度、坡向信息，能够区分相似地形的细微差异，使斑块数量增多，单个面积变小。同时，在各区段内起伏度模型的斑块数量是高程模型的200倍左右(图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，图形更加多样化。经过起伏度指数模型描述后的地形文件，在各区段内具有相同地形属性的斑块其总面积、平均面积变化规律基本一致(图2b，c)。而对应的数字高程模型在斑块平均面积上表现出曲线起伏大，波峰、波谷显著(图2c)，在区段总面积上曲线变化和缓(图2b)。上述研究表明，起伏度指数模型可更好地反映地形的真实状况，蕴涵的地形信息更丰富，有利于分析地形对城市空间格局的影响，并更易与其他模型(如经济、城市规划、道路建设)相结合。

图2 斑块数及面积统计图Fig.2 The statistic chart of patch and area

3.2 土地利用类型空间分布及变化规律

3.2.1 区域起伏度分布特征。将研究区内的起伏度指数分为50类，由小到大顺序排列(图3)。地形分布表现出低、中、高三段式空间分布结构。起伏度指数1～12为起伏较小的地段。这类土地地形起伏小、斑块面积大，属于优势地形，主要分布在北部冲积平原下部，占全区总面积的60.24%。起伏度指数13～24是起伏较大的中段地区，分布在中部和东部地区，斑块面积较小，地形复杂，占全区总面积的25.88%。而起伏度指数25～50的土地为丘陵或山地(图3)。

图3 研究区地形分布总体图Fig.3 The distribution map of fluctuation index in study area

研究区土地主要分布在起伏度指数5～26之间(占全部土地面积的88%)。其中，分布在起伏度指数6～8上的土地面积占全研究区的37.32%，分布在起伏度指数7上的土地所占比重最大，占14.54%。

3.2.2 土地利用类型在不同地形起伏度的空间变化。分布比例指数可以反映不同地形对各类城市土地类型的适宜性，以及土地利用类型对地形的选择性。从1970，1984，1999年研究区各类土地利用类型在起伏度地形空间上的分布特点对比可知(图4)，1970—1999年期间，各种土地利用类型在起伏度指数梯度上的分布发生了显著变化。农业用地面积快速减少，表现出逐渐从优势地形上退出的趋势;而居住用地、生产建设用地面积则快速增大，逐渐抢占较平坦地形;政府用地面积增加缓慢，有向较高地形发展的趋势;未利用地在中高地形上面积减少较为明显(图4)。

利用Arcgis软件对研究区3期土地利用数据进行起伏度空间上的叠加运算(图5)，分析各种土地利用类型从1970—1999年在不同地形起伏度的空间分布变化。

图4 土地利用空间分布图Fig.4 The spatial distribution map of land use with fluctuation index

3.2.2.1 居住用地。表现为逐年增加的趋势。1970，1984，1999年其占全研究区面积分别为17.0%，19.63%，33.15%，前14年增长速度为15.20%，后15年增长速度为68.82%，是前者的4倍多。伴随着数量增大的同时，空间分布范围也加大。居住用地在空间上一直占据着优势地形(1～12为优势地形)，并不断向高、低地形扩展。前14年居住用地的扩展主要集中在起伏度指数在4～7，15～23两个空间段上，其中以起伏度指数7为中心的地形空间上扩展速度最快(图5a)。后15年在起伏度指数2～33区间，居住用地面积增长速度都很快，以起伏度指数7～8为峰值(图5b)。

图5 土地利用类型空间分布变化图Fig.5 Land use distribution changing with fluctuation index

城市人口增长是居住用地数量及空间分布变化的主导因素。乌鲁木齐作为新疆的省会，在城市化进程中对周边地区有巨大的吸引力，人口迅速向乌鲁木齐市区聚集。历年统计数据表明，1970—1999年间乌鲁木齐市区人口平均自然增长率为7.21‰，而实际人口增长率为9.87‰，比自然增长率高出 2.66‰［12］。城市人口迅速增加必然导致居住用地面积快速扩大。

3.2.2.2 生产建设用地。经济增长是其扩张的主要驱动力。1970—1983年间工业用地面积快速增长，商业、交通用地面积增长缓慢;1984—1999年间工业用地面积开始减少，而商业、交通用地面积快速增长，其中，商业用地面积增加了7倍，增长速度高于前期工业用地增长的速度。

在空间分布上，前期生产建设用地增长主要集中在起伏度指数为6的离市中心较远的地区。后期，其面积增长主要集中在起伏度指数为7的市中心区域。这正反映了乌鲁木齐城市化过程中的离心和向心过程。工业的发展需要开阔的场地和便利的交通，同时又要避免污染，具有离心倾向。生产建设用地在前14年随着工业的发展向地势平坦、面积较大的低地形空间扩展，并将所占的市中心土地让出。后15年商业、金融快速发展，在城市中心(大十子)产生的强大向心引力又将生产建设用地(商业用地)开发的重心拉到了市中心区域。

3.2.2.3 政府用地。在起伏度指数梯度上的分布曲线形状与居住用地基本一致，分布范围略小于居住用地，升降不太明显。新增政府用地面积均匀分布在起伏度指数为6～26范围内，表明行政用地的空间分布与地形因素关系较小。教育用地增加促使政府用地面积增长，其实质是人口数量的增加，这与居住用地增长的原因一致。

3.2.2.4 农业用地。面积不断减少，而且减少的速度非常快，平均每年减少1km2。1970—1999年间农业用地面积共减少24.34 km2，相当于1999年农业用地总面积的1.27倍。农业用地在起伏度指数梯度上的分布范围由原来的1～27缩小到3～24，减少了5个单位。在起伏度指数5，6，7上农业用地面积比例减小最快，平均每年减少3.5%。这些过去是农业用地分布的优势空间范围，现在以居住用地、生产建设用地增长比例最大。农业用地在数量和空间上的变化特征反映出城市化过程中，城镇建设用地大量侵占农田这一必然趋势。在农业用地的转变过程中，首先是工业用地的侵入，然后是居住用地逐渐将前两者替代。

3.2.2.5 未利用地。未利用地主要分布于起伏度指数24～50之间。这一区域地形起伏大、地势较高，大多为丘陵或山地，土地开发难度较大，只有24～30区段内的未利用地被开发。此区域虽然高程大，但相对平坦，有一定的利用价值，大多被转化为绿地、公园。

4 结论与讨论

(1)建立起伏度指数模型，比传统方法更能反映地形变化的细节信息。分布比例指数模型可以准确地反映不同土地利用类型在地形空间的分布情况。两类模型多年相关数据变化的比较能反映城市空间结构的演变过程。

(2)各种土地利用类型在起伏度指数梯度上分布的整体变化，反映出乌鲁木齐市的空间结构发生了显著改变。总体上表现为城市重心向低地形空间转移。

(3)乌鲁木齐市经济、政治中心(大十字)以及其他两个经济中心(友好路、铁路局)位于起伏度指数为7～8的地形空间上。它们对新建的居住用地都具有较强的吸引力，因此，1970—1984年间居住用地的增长区主要集中在此。1984—1999年间适宜开发的土地越来越少，居住用地开始向起伏较大区域发展，表现为其分布在起伏度指数上的区间扩大了9个单位。

(4)由于经济的快速发展，生产建设用地始终在不断地扩大。工业、商业的发展使生产建设用地表现出向外扩张和向内收缩两个变化过程。扩张的方向指向低地形地区，收缩则向金融商业中心。

(5)城市周围的农田在城市快速发展中迅速减少，起伏度低的地区减少快，而高地形区减少慢。市区内的低矮丘陵等未利用地多被开发为公共绿地或公园。未利用地分布区域表现出逐渐向高地形空间萎缩的态势。

(6)20世纪80年代中期以来的快速城市化过程是研究区各种土地利用类型空间分布出现剧烈变化的主要原因，但从转变过程反映出大地形特征仍然是城市空间结构的发展框架。

［1］刘彦随.山地土地类型的结构分析与优化利用［J］.地理学报，2001，56(4):426 －436.

［2］喻红，曾辉，江子瀛，等.快速城市化地区景观组分在地形梯度上的分布特征研究［J］.地理科学，2001，21(1):64－69.

［3］叶嘉安.中国城市用地开发方式与城市空间结构演变［C］//姚士谋.中国大都市的空间扩展.合肥:中国科学技术大学出版社，1998:38－47.

［4］谢守红，宁越敏.广州城市空间结构特征及优化模式研究［J］.现代城市研究，2004(10):15－17.

［5］孙斌栋，潘鑫.城市空间结构对交通出行影响研究的进展——单中心与多中心的论争［J］.城市问题，2008(1):35－37.

［6］潘海啸.城市空间结构的解释［J］.城市规划汇刊，1999(4):18－24.

［7］王铮，邓悦，宁秀坤，等.上海城市空间结构的复杂性分析［J］.地理科学进展，2001，20(4):331 －340.

［8］顾朝林，甄峰，张京祥.集聚与扩散——城市空间结构新论［M］.南京:东南大学出版社，2000:125－137.

［9］张京样，崔功豪.城市空间结构增长原理［J］.人文地理，2000，15(2):15 －18.

［10］石菘.城市空间结构演变的动力机制分析［J］.城市规划汇刊，2004(1):50－52.

［11］朱顺娟，陈群元，游胜景.城市空间扩展模型及对长沙市的模拟研究［J］.地域研究与开发，2011，30(1):64－68.

［12］谢香方.乌鲁木齐区域开发与整治［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，1993:63－74.