城市形態(tài)具有分形特征,利用多分形可以從標度的視角揭示其結(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)）,城市生長以向外擴張為主。（3）鄭州市域和市轄區(qū)的建設(shè)用地分維增長符合二次logistic曲線,但曲線的拐點位置不同。市轄區(qū)已在2017年達到用地高峰期,用地接近飽和,預(yù)留空間不足,而市域預(yù)計在2028年達到高峰。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)為對外擴展為主。城市中心區(qū)填充過高,而城市邊緣無序擴張;（3）鄭州市轄區(qū)城市用地已經(jīng)達到極限,如果今后繼續(xù)擴張,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

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

鄭州市域和市轄區(qū)最大外框示意圖

計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,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)兩個尺度下的建設(shè)用地分維是否都遵循同一個標度率,即在雙對數(shù)坐標圖中散點是否呈顯著線性分布。若是,則城市形態(tài)具有自相似性,表明城市擴張呈均衡狀態(tài)。但若散點圖中出現(xiàn)標度間斷,則城市形態(tài)具有自仿射特性,表明城市朝各個方向擴張呈不均衡狀態(tài)。通過擬合9個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)其都有兩個標度區(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、2018四個年份)。圖2中D0為整體擬合的容量維數(shù),D(1)為前6個點擬合的第一標度區(qū)維數(shù),D(2)為后4個點擬合的第二標度區(qū)維數(shù),這意味著城市向外擴張具有自仿射性,反映出32年來鄭州城市空間擴展都是不均衡的。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(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張趨勢。不論是鄭州市域還是市轄區(qū),9個年份的多分維譜線都分異明顯,且市轄區(qū)甚于市域,隨著時間的發(fā)展,譜線都有上移的趨勢。這表明1986-2018年間,兩個尺度下的鄭州建設(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展表現(xiàn)更為強烈;第二,多分維譜線在中心區(qū)和邊緣區(qū)兩個方面平移速度不同,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q<-2時,9個年份的曲線分異顯著。2002至2018年,曲線明顯抬升,尤其是2014、2018兩個年份的曲線都居于高處,表明這些年城市邊緣區(qū)向外擴張顯著,特別是2014年后表現(xiàn)尤為突出。當q>1時,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,9個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)用地的空間擴展有強有弱。當q>0時,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,市域和市轄區(qū)的分維都在逐步增長,容量維、信息維和關(guān)聯(lián)維都呈上升趨勢(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,但若分維達到1.8后,城市會通過郊區(qū)化或者有機疏散來降低維數(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展呈無序狀態(tài)。計算城市分維時,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)低于這個上限。但在市域與市轄區(qū)的q-Dq譜線中,當q<-1時,9個年份的分維就已經(jīng)迅速破2,市域的維數(shù)高達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)部存在很多細小斑塊;二是1986-2018年間鄭州市域和市轄區(qū)兩個尺度下的城市邊緣向外擴張都呈無序狀態(tài),尤其是市轄區(qū)向外無序擴張更為顯著,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)用地無序擴張的問題。

【參考文獻】：
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本文編號：3355220