城市形態(tài)具有分形特征,利用多分形可以從標(biāo)度的視角揭示其結(jié)構(gòu)演化以及背后的問題�；�1986-2018年遙感數(shù)據(jù),計(jì)算鄭州市域和市轄區(qū)建設(shè)用地的多分維,并根據(jù)譜線分析鄭州城市用地近30年的演化特征。結(jié)果表明:（1）鄭州當(dāng)前用地已超過理想分維1.7,市域和市轄區(qū)的多分維譜線表現(xiàn)異常。市域和市轄區(qū)的全局譜線在低密度區(qū)快速突破嵌入空間維數(shù)2,市轄區(qū)的局部分維譜線出現(xiàn)"紐結(jié)"現(xiàn)象。（2）鄭州市域和市轄區(qū)的局部分維譜都表現(xiàn)為單峰左偏,且左端（高密度區(qū)）數(shù)值高于右端（低密度區(qū)）,城市生長(zhǎng)以向外擴(kuò)張為主。（3）鄭州市域和市轄區(qū)的建設(shè)用地分維增長(zhǎng)符合二次logistic曲線,但曲線的拐點(diǎn)位置不同。市轄區(qū)已在2017年達(dá)到用地高峰期,用地接近飽和,預(yù)留空間不足,而市域預(yù)計(jì)在2028年達(dá)到高峰。根據(jù)上述結(jié)果,可得出以下結(jié)論:（1）鄭州城市空間結(jié)構(gòu)在有序發(fā)展過程中,存在空間局部的不協(xié)調(diào)和無序擴(kuò)展的現(xiàn)象;（2）鄭州城市用地的空間集聚過程已經(jīng)結(jié)束,近年表現(xiàn)為對(duì)外擴(kuò)展為主。城市中心區(qū)填充過高,而城市邊緣無序擴(kuò)張;（3）鄭州市轄區(qū)城市用地已經(jīng)達(dá)到極限,如果今后繼續(xù)擴(kuò)張,則只能消耗市轄區(qū)以外的市域土地。 

【文章來源】：城市發(fā)展研究. 2020,27(03)北大核心CSSCICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

鄭州市域和市轄區(qū)最大外框示意圖

計(jì)算鄭州市域和市轄區(qū)建設(shè)用地的全局參數(shù)和局部參數(shù),分別得到Dq、τq、α(q)和f(α) 等譜線。具體分析時(shí),以q-Dq譜線和α-f(α)譜線為主(Chen,2016)。在分析廣義關(guān)聯(lián)維數(shù)譜線Dq之前,先要確定市域和市轄區(qū)兩個(gè)尺度下的建設(shè)用地分維是否都遵循同一個(gè)標(biāo)度率,即在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中散點(diǎn)是否呈顯著線性分布。若是,則城市形態(tài)具有自相似性,表明城市擴(kuò)張呈均衡狀態(tài)。但若散點(diǎn)圖中出現(xiàn)標(biāo)度間斷,則城市形態(tài)具有自仿射特性,表明城市朝各個(gè)方向擴(kuò)張呈不均衡狀態(tài)。通過擬合9個(gè)年份的鄭州市域與市轄區(qū)建設(shè)用地的容量維,發(fā)現(xiàn)其都有兩個(gè)標(biāo)度區(qū),呈雙分形(bi-fractals)結(jié)構(gòu)(圖 2,為節(jié)省篇幅,只展示1986、1998、2006、2018四個(gè)年份)。圖2中D0為整體擬合的容量維數(shù),D(1)為前6個(gè)點(diǎn)擬合的第一標(biāo)度區(qū)維數(shù),D(2)為后4個(gè)點(diǎn)擬合的第二標(biāo)度區(qū)維數(shù),這意味著城市向外擴(kuò)張具有自仿射性,反映出32年來鄭州城市空間擴(kuò)展都是不均衡的。但隨著城市發(fā)展,市域與市轄區(qū)的容量維整體擬合優(yōu)度不斷提高,D(1)與D(2)之間的差值逐漸減小,表明這種自仿射性正逐漸向自相似方向演化,鄭州建設(shè)用地的形態(tài)結(jié)構(gòu)日趨均衡優(yōu)化。圖3 鄭州市域和市轄區(qū)廣義關(guān)聯(lián)維q-Dq譜和局部分維α-f(α)譜

圖2 鄭州市域和市轄區(qū)建設(shè)用地的容量維D0估算雙對(duì)數(shù)圖觀察多分維譜線,可看出32年來不同尺度下鄭州建設(shè)用地的空間結(jié)構(gòu)特征和演化趨勢(shì)(圖 3)。首先從全局參數(shù)出發(fā),鄭州市域和市轄區(qū)建設(shè)用地的q-Dq譜線(圖3a,3b)有如下特征:第一,多分維譜線上移,反映鄭州城市用地的擴(kuò)張趨勢(shì)。不論是鄭州市域還是市轄區(qū),9個(gè)年份的多分維譜線都分異明顯,且市轄區(qū)甚于市域,隨著時(shí)間的發(fā)展,譜線都有上移的趨勢(shì)。這表明1986-2018年間,兩個(gè)尺度下的鄭州建設(shè)用地結(jié)構(gòu)變化都十分顯著,相較于市域尺度,市轄區(qū)尺度下的城市空間擴(kuò)展表現(xiàn)更為強(qiáng)烈;第二,多分維譜線在中心區(qū)和邊緣區(qū)兩個(gè)方面平移速度不同,反映鄭州城市用地的中心與邊緣變化的不同步性和階段性。在多分維譜線中,矩次q>0,反映的是高密度區(qū)的信息,投射到地理空間中,則表示城市中心區(qū)的變化特征;q<0,反映低密度區(qū)的信息,在城市中則表示城市邊緣、郊區(qū)到鄉(xiāng)村的空間變化特征。從鄭州市域q-Dq譜線中(圖3a),可看出當(dāng)q<-2時(shí),9個(gè)年份的曲線分異顯著。2002至2018年,曲線明顯抬升,尤其是2014、2018兩個(gè)年份的曲線都居于高處,表明這些年城市邊緣區(qū)向外擴(kuò)張顯著,特別是2014年后表現(xiàn)尤為突出。當(dāng)q>1時(shí),相較于低密度區(qū),在高密度區(qū)的各年份曲線出現(xiàn)分異,但不明顯。其中1986-2006年期間,變化較小,而2010、2014、2018三個(gè)年份的曲線略有分開,表明這8年里,鄭州市域的中心區(qū)建設(shè)用地迅速增加。其次從鄭州市轄區(qū)的q-Dq譜線中(圖3b),可看出在q<-3時(shí),9個(gè)年份的譜線在低密度區(qū)出現(xiàn)明顯變化。其中2006-2018年間變化差異最大,其次是1998-2006年,而1986-1998年變化差異最小,反映了不同階段,市轄區(qū)建設(shè)用地的空間擴(kuò)展有強(qiáng)有弱。當(dāng)q>0時(shí),市轄區(qū)建設(shè)用地在高密度區(qū)的曲線分異變化不突出,唯有2018年的曲線要略高于其他年份,說明市轄區(qū)的中心部分在2014-2018年中內(nèi)部填充強(qiáng)度大。因此,不管是市域還是市轄區(qū)尺度下的城市中心與邊緣的變化都呈現(xiàn)出不同步性和階段性。此外,在q=1附近時(shí),市域和市轄區(qū)的分維都在逐步增長(zhǎng),容量維、信息維和關(guān)聯(lián)維都呈上升趨勢(shì)(表 1),分維越高,城市空間填充度就越高,城市土地利用的程度就越大。其中信息維與容量維的比值D1/D0值也在逐年提升(表 1),暗示鄭州城市土地利用形態(tài)的差異正逐漸減少。根據(jù)Batty等人的模擬分析,城市形態(tài)的理想分維在1.7左右,但若分維達(dá)到1.8后,城市會(huì)通過郊區(qū)化或者有機(jī)疏散來降低維數(shù)。鄭州市域與市轄區(qū)的用地分維在2018年就已超過1.7,若是未來繼續(xù)大規(guī)模增加建設(shè)用地,將會(huì)帶來城市土地利用效率降低、生態(tài)環(huán)境惡化等問題,還會(huì)加大舊城改造難度,從而降低城市的宜居性。第三,多分維譜線在高端突破理論上限,表明鄭州在用地小尺度的城市邊緣擴(kuò)展呈無序狀態(tài)。計(jì)算城市分維時(shí),我們是將其定義在2維嵌入空間中,理論上,維數(shù)2已經(jīng)是全局維數(shù)的上限,局部維數(shù)更應(yīng)低于這個(gè)上限。但在市域與市轄區(qū)的q-Dq譜線中,當(dāng)q<-1時(shí),9個(gè)年份的分維就已經(jīng)迅速破2,市域的維數(shù)高達(dá)4,市轄區(qū)的分維更是接近于5。顯然,鄭州建設(shè)用地分維遠(yuǎn)超2.5,是不正常的。排除算法出現(xiàn)較大誤差的可能性外,出現(xiàn)這種情況的原因:一是在提取建設(shè)用地的過程中沒有區(qū)分城鎮(zhèn)建設(shè)用地和鄉(xiāng)村建設(shè)用地,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)部存在很多細(xì)小斑塊;二是1986-2018年間鄭州市域和市轄區(qū)兩個(gè)尺度下的城市邊緣向外擴(kuò)張都呈無序狀態(tài),尤其是市轄區(qū)向外無序擴(kuò)張更為顯著,可能造成城市空間結(jié)構(gòu)存在某種缺陷。因此,鄭州在今后的城市建設(shè)中需多關(guān)注城市邊緣至鄉(xiāng)村的建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張的問題。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3355220