韓 效，劉民岷

(1.西南交通大學(xué)建筑學(xué)院，四川成都610031； 2.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都611731)

我國(guó)城市空間形態(tài)發(fā)展及城市空間結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)證研究存在著明顯的區(qū)域性差異.東部發(fā)達(dá)城市的城市空間結(jié)構(gòu)及演進(jìn)規(guī)則研究開(kāi)始較早、較深入，如長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀地區(qū)等；對(duì)發(fā)展相對(duì)滯后的西部?jī)?nèi)陸城市空間發(fā)展的研究則較晚，數(shù)量也偏少.成都是中國(guó)傳統(tǒng)歷史名城、西部重要的中心城市，其城市空間形態(tài)具有極強(qiáng)的獨(dú)特性.千年蜀文化的積淀和歷代統(tǒng)治者對(duì)城市發(fā)展的決策，決定了成都市特殊的城市空間形態(tài).2007年6月，國(guó)務(wù)院將成渝地區(qū)確立為全國(guó)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)迅速成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第四極.對(duì)于成都大都市城市空間發(fā)展的研究有助于我們掌握成都市城市形態(tài)的發(fā)展方向，且對(duì)國(guó)內(nèi)同類型的內(nèi)陸城市發(fā)展有較大的現(xiàn)實(shí)意義［1-2］.

1 成都市發(fā)展?fàn)顟B(tài)

成都地處四川盆地西部成都平原腹地，是中國(guó)城市發(fā)展史上發(fā)展最早、繁榮時(shí)間最長(zhǎng)的城市之一.經(jīng)過(guò)國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”的大力支持，已成長(zhǎng)為中西部地區(qū)最具代表性的現(xiàn)代化大都市.

1.1 成都自然地理狀況成都市東西長(zhǎng)度192 km，南北寬度166 km，陸上面積共12 390 km2，周圍接壤的城市與地區(qū)有德陽(yáng)、眉山、雅安、資陽(yáng)、阿壩藏族羌族自治州等.成都市生態(tài)環(huán)境優(yōu)秀，氣候溫潤(rùn)，降雨豐富，自古被譽(yù)為“天府之國(guó)”.城區(qū)內(nèi)水網(wǎng)充沛，有錦江、府河、沙河，市區(qū)中部主要地區(qū)為岷江、沱江及支流沖擊而成的沖擊扇平原，面積約占成都市總面積的一半.東有龍泉山脈西有邛崍山脈，其中，邛崍山脈地區(qū)的都江堰市、大邑縣、崇州市和邛崍市海拔落差較大，自然景觀豐富.

1.2 成都市行政區(qū)劃與城市空間結(jié)構(gòu)狀況1990年之前，成都中心城區(qū)劃分為東城、西城和金牛3個(gè)區(qū)；1990年成都調(diào)整中心城區(qū)布局，形成了包括金牛、青羊、錦江、武侯和成華5個(gè)新型城區(qū)的城鄉(xiāng)一體化格局.這一階段成都城市空間發(fā)展表現(xiàn)為在近郊位置的圈層式擴(kuò)張.1991年，成都開(kāi)始規(guī)劃建設(shè)占地面積82.5 km2的高新區(qū).此后，成都城市空間發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榻M團(tuán)式發(fā)展，逐步形成了新都、青白江、龍泉驛、華陽(yáng)、東升、溫江和郫縣等7個(gè)城鎮(zhèn)組團(tuán).2001年，《國(guó)務(wù)院批復(fù)四川成都市城市總體規(guī)劃》將成都城市規(guī)劃區(qū)3 260 km2的建設(shè)用地和建設(shè)活動(dòng)納入統(tǒng)一管理，成都形成3個(gè)圈層的形態(tài):第一圈層總面積598 km2，含五城區(qū)、雙流航空港及外環(huán)路以內(nèi)的區(qū)域；第二圈層為3 260 km2規(guī)劃區(qū)以內(nèi)第一圈層以外的區(qū)域，涵蓋青白江區(qū)、龍泉驛區(qū)、新都區(qū)、郫縣、溫江和雙流北部；第三圈層總面積9 130 km2，包括都江堰市、彭州市、崇州市、邛崍市、大邑市、新津縣、金堂縣、蒲江縣區(qū)域及雙流縣南部地區(qū)［3］.

1.3 成都市城市空間發(fā)展階段分析通過(guò)對(duì)成都城市發(fā)展的歷史文獻(xiàn)梳理，可知成都市的城市空間演變，基本經(jīng)歷了點(diǎn)狀形成-軸向擴(kuò)展-內(nèi)向填充-圈層擴(kuò)展-再次軸向擴(kuò)展的過(guò)程.建國(guó)后，成都的城市空間形態(tài)變化經(jīng)歷了4種比較明顯的形態(tài):團(tuán)塊狀、星狀、單核圈層狀、非均衡齒輪狀，可以歸納為4個(gè)發(fā)展階段:

1)第一階段:軸向擴(kuò)展(1950—1959年):由團(tuán)塊型演變?yōu)樾切?這一階段，舊城區(qū)是城市發(fā)展的核心，功能上更偏重行政和居民生活用地；仍然保持了有千年歷史的偏心主軸城市路網(wǎng)；在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制和工業(yè)發(fā)展需要的影響下，城市周邊的城市空間結(jié)構(gòu)布置了大塊用地供工業(yè)與倉(cāng)儲(chǔ)使用［4］.

2)第二階段:軸狀延伸穩(wěn)定期(1960—1978年):星型城市形態(tài)突出.受三年自然災(zāi)害和文革等影響，城市空間幾乎擴(kuò)張速度緩慢，近20年時(shí)間建成區(qū)面積僅由原39 km2增加到58 km2，平均年增長(zhǎng)不超過(guò)1 km2.城市形態(tài)上從軸向發(fā)展過(guò)渡到向發(fā)展軸之間地區(qū)的擴(kuò)散，但擴(kuò)散速度緩慢.

3)第三階段:單核圈層期(1979—1995年):城市的擴(kuò)展由沿交通軸變?yōu)榭焖傧騼?nèi)填充，城市形態(tài)由星型轉(zhuǎn)變?yōu)閱魏巳邮?隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)比重加大，城市化進(jìn)程加速.市中心附近布置了大量工商企業(yè)和居住區(qū)，一環(huán)路與市中心的半徑為3 km，經(jīng)改造和拓寬后具有良好可達(dá)性，兩側(cè)土地極具區(qū)位優(yōu)勢(shì)，很快城市建成區(qū)就越過(guò)一環(huán)路向外呈圈層式擴(kuò)張.

1995年，成都制定了新的城市規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)了成都在西部的中心和樞紐地位，城市空間向外擴(kuò)張，開(kāi)始突破圈層模式，強(qiáng)勢(shì)方向得以優(yōu)先發(fā)展，同時(shí)城市環(huán)線附近出現(xiàn)了大量的楔形綠地.

4)第四階段:再次轉(zhuǎn)為軸向擴(kuò)張(1996年—至今):快速城鎮(zhèn)化是這個(gè)階段城市空間發(fā)展的主要特征.快速城鎮(zhèn)化形成了不規(guī)則的破碎型環(huán)狀空間結(jié)構(gòu)，在單中心圈層模式下表現(xiàn)出明顯的無(wú)序蔓延趨勢(shì).1996年成都總體規(guī)劃確定建設(shè)東部和南部?jī)蓚€(gè)城市副中心以及周邊7大衛(wèi)星城鎮(zhèn)，城市形態(tài)開(kāi)始向多中心模式演變，表現(xiàn)為以中心城為核心的軸向發(fā)展同水平圈層相結(jié)合的特征，已經(jīng)可以明顯看到周邊沿交通干線的跳躍式組團(tuán)［5］.

從圖1可以看出成都市歷年城市建成區(qū)向外擴(kuò)張的不均衡發(fā)展歷程［6-7］.

圖 1 成都市建成區(qū)形態(tài)發(fā)展示意圖Fig.1 Sketch map of urban growth in Chengdu

隨著成都政治經(jīng)濟(jì)各方面的迅速發(fā)展，成都市城市擴(kuò)張必將進(jìn)一步加速.成都市城市空間擴(kuò)張的未來(lái)模式將會(huì)如何，如何科學(xué)地對(duì)城市空間擴(kuò)張進(jìn)行有效引導(dǎo)和規(guī)劃，不僅對(duì)成都市未來(lái)發(fā)展至關(guān)重要，也是國(guó)內(nèi)內(nèi)陸大都市發(fā)展的共同話題.近年來(lái)，基于元胞自動(dòng)機(jī)的離散模型開(kāi)始出現(xiàn)并迅速得到推廣應(yīng)用.這一類離散模型充分地反應(yīng)了城市空間的自組織性，逐漸成為了城市空間心態(tài)研究的重要手段和主流方向［8］.

2 城市擴(kuò)張模型設(shè)計(jì)

城市空間擴(kuò)張是一個(gè)高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)該過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù).20世紀(jì)60年代之前，針對(duì)城市空間擴(kuò)張的研究主要集中在靜態(tài)城市模型的研究方面，其代表為城市形態(tài)結(jié)構(gòu)模型和空間相互作用模型.之后，學(xué)術(shù)界逐漸將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向了動(dòng)態(tài)城市模型的構(gòu)建和研究方面來(lái).對(duì)城市空間擴(kuò)張的研究有兩個(gè)代表性的方向，其一是基于微分方程、自上而下的城市發(fā)展動(dòng)力學(xué)模型；其二是基于元胞自動(dòng)機(jī)(CA)等新技術(shù)的自下而上的離散動(dòng)力學(xué)模型［9-13］.基于微分方程的城市發(fā)展動(dòng)態(tài)模型在一定程度上反映了城市發(fā)展的動(dòng)態(tài)特征，但是存在著明顯的不足，諸如難以反映城市擴(kuò)張過(guò)程中的微觀特征以及難以表達(dá)城市空間格局變化對(duì)城市內(nèi)部空間的影響等.

元胞自動(dòng)機(jī)在城市發(fā)展及規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用催生了一個(gè)重要的方向—城市元胞自動(dòng)機(jī).城市元胞自動(dòng)機(jī)作為一種離散動(dòng)力學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)了城市空間微觀上的相互作用，充分地反應(yīng)了城市發(fā)展的自組織特征，但沒(méi)有考慮城市居民、政府等主體對(duì)城市發(fā)展的影響.而實(shí)際上，政府規(guī)劃導(dǎo)向及居民居住地選擇都對(duì)城市擴(kuò)張產(chǎn)生著重要的引導(dǎo)作用.因此，將規(guī)劃因素和城市居民主體居住選擇引入到模型當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)城市元胞自動(dòng)機(jī)的優(yōu)化，提高模型的精度和準(zhǔn)確度.以GIS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出了一種新的改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)模型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.系統(tǒng)以GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、城市用地信息庫(kù)和專家知識(shí)庫(kù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；在GIS平臺(tái)上進(jìn)行柵格劃分，定義城市元胞、元胞狀態(tài)和鄰域關(guān)系；并在綜合考慮基礎(chǔ)元胞和城市主體的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換規(guī)則.

圖 2 改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Improved cellular automata model structure

在城市元胞模型中，元胞的狀態(tài)即為其所代表的區(qū)域的用地性質(zhì)，為簡(jiǎn)化模型，定義元胞的狀態(tài)只有2種:建設(shè)用地和非建設(shè)用地，用狀態(tài)集可表示為{0，1}.元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換受到自然因素、政策和居民主體的共同影響.定義自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、人口密度、土地價(jià)格、交通狀況、政策因素以及居民選擇7個(gè)影響因子，這7個(gè)影響因子共同決定了元胞在下一個(gè)時(shí)刻的狀態(tài).首先對(duì)前6個(gè)影響因子進(jìn)行定義和取值討論，如表1所示.

表1 影響因子定義及取值范圍Table 1 Definition and value range of impact factors

由于元胞的狀態(tài)只有城市用地和非城市用地2種，而其狀態(tài)變化受到上述6個(gè)因子的影響，因此可以使用邏輯回歸預(yù)測(cè)模型來(lái)表達(dá)上述因子對(duì)元胞狀態(tài)變化的影響度.定義自然條件影響因子F為

其中，T1、T2、T3、T4、T5、T6分別為自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、人口密度、土地價(jià)格、交通狀況和政策因素等6個(gè)因子的回歸系數(shù)，該值根據(jù)目標(biāo)城市的數(shù)據(jù)樣本計(jì)算確定.

自然條件及政策因子對(duì)城市元胞i狀態(tài)轉(zhuǎn)換的影響度可用邏輯回歸方程表示為

其中，表示元胞i在t+1時(shí)刻轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的概率；Li為約束因子，如果元胞i的用地性質(zhì)無(wú)法轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，則該值取0，否則取1；為t時(shí)刻元胞i的鄰居影響因子，用元胞i的鄰居中城市元胞所占比例來(lái)表示，模型采用Moore鄰域，元胞的鄰居數(shù)量為8，該因子的計(jì)算方法為

城市居民進(jìn)行居住地選擇的時(shí)候通常會(huì)考慮房?jī)r(jià)、交通條件、教育環(huán)境、醫(yī)療環(huán)境、自然環(huán)境等幾項(xiàng)因素.城市元胞對(duì)居民的吸引力會(huì)導(dǎo)致居民向目標(biāo)居住地遷移，而居民的遷移最終將導(dǎo)致用地性質(zhì)的轉(zhuǎn)變.為了簡(jiǎn)化運(yùn)算邏輯，設(shè)一個(gè)元胞內(nèi)有一個(gè)居民主體.假設(shè)有i(0＜i＜N)個(gè)可選居住地，j(0＜j＜M)個(gè)居民主體，則第i個(gè)可選居住地對(duì)第j個(gè)居民主體的吸引力可表示為

式中，k表示居民進(jìn)行居住地選擇時(shí)考慮的房?jī)r(jià)、交通、教育等若干條件；Sj為居民主體j所在區(qū)域的面積，Nk為該區(qū)域所擁有的條件k的數(shù)量，其比值表示居民主體對(duì)不同目標(biāo)條件的偏好因子.居民體在選擇目標(biāo)居住地時(shí)，往往選擇目前居住地稀缺的資源；Dk是居民主體到條件設(shè)施的距離，βk為條件k的衰減系數(shù)，滿足0＜βk＜1；表示目標(biāo)元胞的吸引力，括地鐵條件、教育條件、醫(yī)療條件和公園條件，使用距離的梯度函數(shù)來(lái)表征其對(duì)城市發(fā)展的影響，上述設(shè)施越近吸引力越大.為隨機(jī)擾動(dòng).

如果目標(biāo)元胞i對(duì)居民j的吸引力不小于其他元胞i'，則稱該元胞對(duì)居民主體宜居，宜居度用概率描述可表達(dá)為

式中，i'為有別于居住地i的其他可選居住地，i≠i'.則可選居住地i在t時(shí)刻的總宜居度因子可以表達(dá)為

綜合考慮自然條件因子及宜居度因子，可得到改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換規(guī)則為:

若元胞i在t時(shí)刻為非城市用地，則其在t+1時(shí)刻轉(zhuǎn)換為城市用地的概率為

其中為元胞i在t時(shí)刻轉(zhuǎn)化為城市用地的概率，β(0≤β≤1)為自然條件因子權(quán)重.當(dāng)超過(guò)指定閾值時(shí)，元胞i轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地.

3 成都市大都市城市擴(kuò)張仿真及預(yù)測(cè)

3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入及預(yù)處理模型的原始數(shù)據(jù)來(lái)源包括成都市區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)、相應(yīng)時(shí)期城市人口、土地變化、土地適應(yīng)性等級(jí)、單位面積產(chǎn)量、交通狀況、同期政策因素等數(shù)據(jù)信息.

首先對(duì)遙感圖像進(jìn)行分類處理，經(jīng)過(guò)分類處理的遙感圖可以作為系統(tǒng)中的現(xiàn)狀層，也即是模型中的種子.除了遙感圖之外，還需要收集成都大都市城市空間發(fā)展的其它相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)大部分來(lái)自于成都?xì)v年的統(tǒng)計(jì)年鑒，以Excel的格式保存.

3.2 成都市城市擴(kuò)張模式仿真及發(fā)展預(yù)測(cè)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中不考慮城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)，城市元胞的狀態(tài)僅有2種:農(nóng)業(yè)用地和城市用地類型.為描述城市元胞及其屬性，在ArcView平臺(tái)中用7個(gè)圖層來(lái)描述包括居民主體在內(nèi)的7個(gè)影響因子；元胞類型選為二維元胞，其鄰域類型使用Moore型領(lǐng)域.

分別通過(guò)模型利用1958和1991年的數(shù)據(jù)對(duì)下一年的城市土地利用狀態(tài)進(jìn)行仿真，然后使用1959和1992年的城市土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果調(diào)整參數(shù)，重新進(jìn)行迭代，直到仿真結(jié)果同真實(shí)的土地利用相似，并以最后一次迭代的參數(shù)為最優(yōu)參數(shù).經(jīng)過(guò)若干次仿真模擬和優(yōu)化，最終確定自然條件影響因子的最優(yōu)權(quán)重分別為W1=0.05，W2=0.12，W3=0.16，W4=0.09，W5=0.21，W6=0.37，其中，W1為環(huán)境因子權(quán)重，W2為經(jīng)濟(jì)因子權(quán)重，W3為人口密度因子權(quán)重，W4為土地價(jià)格因子權(quán)重，W5為交通因子權(quán)重，W6為政策因子權(quán)重.

針對(duì)成都大都市空間發(fā)展進(jìn)行了模型仿真運(yùn)算并同真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，圖3是模型仿真執(zhí)行結(jié)果同真實(shí)歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比.

從模型仿真結(jié)果可以看出模型的仿真位置精度超過(guò)80%，形狀指數(shù)超過(guò)0.6，模型具有較高的可信度.利用仿真對(duì)比數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn)后，對(duì)成都大城市未來(lái)2015和2020年用地狀況趨勢(shì)進(jìn)行了仿真，其結(jié)果如圖4所示.

根據(jù)2015和2020年預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，成都大都市空間未來(lái)的發(fā)展具有如下趨勢(shì):

1)由于天府新區(qū)的影響，城市變?yōu)殡p中心，城市空間各自向城區(qū)中心聚集，形成雙核圈層式+放射式布局；

2)由于規(guī)劃與政策導(dǎo)向，引導(dǎo)城市向東、向南發(fā)展，保護(hù)西部耕地及生態(tài)環(huán)境.城市南部和東部若無(wú)措施可能繼續(xù)形成內(nèi)填式的“攤大餅”式蔓延；

3)周圍的衛(wèi)星城組團(tuán)的規(guī)模增大，對(duì)交通系統(tǒng)的要求提高.實(shí)際上，“2003—2020年成都市總體規(guī)劃”中明確提出城市格局由單中心圈層式發(fā)展向多中心過(guò)渡，打造6個(gè)城市組團(tuán):新都-青白江、郫縣、溫江、雙流東升、雙流華陽(yáng)、龍泉.重點(diǎn)發(fā)展南部新城、東部新城、北部新城，衛(wèi)星城的模式正逐步形成.

圖 3 成都城市發(fā)展仿真結(jié)果同歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.3 Comparison of simulation results and historical data of Chengdu urban growth

由于成都大都市城市空間在未來(lái)仍呈現(xiàn)擴(kuò)張較快的蔓延態(tài)勢(shì)，建議加強(qiáng)規(guī)劃及交通影響因子的力度，較為理想的城市形態(tài)為緊湊發(fā)展的中心城+周邊組團(tuán)模式，需通過(guò)規(guī)劃手段切實(shí)保護(hù)生態(tài)綠地及耕地不受侵蝕，內(nèi)部圈層式+外側(cè)指狀延伸的形態(tài)既能夠充分利用已有的城市建成區(qū)資源，又可有效地帶動(dòng)周圍副中心與組團(tuán)的成長(zhǎng).

圖 4 成都大都市空間擴(kuò)張狀況預(yù)測(cè)Fig.4 Forecast of urban growth in Chengdu metropolitan area

4 結(jié)論

城市空間形態(tài)演進(jìn)是一個(gè)非常復(fù)雜的巨系統(tǒng)，具有混沌、自組織和不確定性，因此只能在一定程度上推演其發(fā)展規(guī)律，尚不能做出精確預(yù)測(cè).所使用的模型由于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息數(shù)量與質(zhì)量要求較高，加上資料跨越年代大，分屬不同部門，需大量時(shí)間協(xié)調(diào)提取，目前僅能在較大尺度上概念性地對(duì)城市形態(tài)進(jìn)行仿真模擬，尚需在后續(xù)研究中對(duì)模型的鄰域類型、屬性細(xì)度等方面繼續(xù)深入探討，以期更加準(zhǔn)確地模擬大都市空間形態(tài)演進(jìn)的過(guò)程.

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