——以江苏省淮安市为例
2
尚正永1，，张小林2，周晓钟1
（1.淮阴师范学院城市与环境学院，中国江苏淮安223300；2.南京师范大学地理科学学院，中国江苏南京210046）
摘要：利用遥感影像和城市建成区图，运用GIS分析技术，以淮安市主城区为例，对城市空间扩展与外部形态演变
进行了分析，结果表明，淮安主城区空间扩展具有明显的阶段性与各向异性特征，1965年以前，城市扩展缓慢，以北向、西北向扩展为主，1965—1979年，扩展规模较小，以西南向扩展为主，1979—1995年，扩展速度开始加快，以西北向、西南向为扩展的主导方向，1995年以后，城市空间加速扩展，以东向、东南向扩展为主。城市空间扩展的模式可概括为扇翼缓慢扩展型、圈层式扩展型和扇翼快速扩展型三种类型。淮安主城区形态经历了由星形向块状演变的过程，具有明显的趋圆性特点，城市空间扩展的阶段性与各向异性对外部形态的演变具有明显的影响作用。关键词：城市空间扩展；外部形态演变；淮安市中图分类号：F293.2文献标识码：A文章编号：1000-8462（2012）08-0064-07
StudyonUrbanSpatialExpansionandExternalMorphologyEvolution
BasedonRS/GIS:ACaseofHuai'anCity
2
SHANGZheng-yong1，，ZHANGXiao-lin2，ZHOUXiao-zhong1
（1.SchoolofUrbanandEnvironmentScience，HuaiyinNormalUniversity，Huaian223300，Jiangsu，China；
2.SchoolofGeographyScience，NanjingNormalUniversity，Nanjing210046，Jiangsu，China）
Abstract:InthecaseofHuai’ancity,thispaperexaminesurbanspatialexpansionandexternalmorphologyevolution.
GISapproachesareusedtoanalyzeanddatasourcesfromremotesensingimagesandurbanbuilt-upareastatusmap.Therearesomefindingsasfollows:first,urbanspatialexpansionischaracterizedbyphaseandanisotropy.Beforetheyearof1965,urbanspacegrowsslowly,mainlyexpandingtonorthandnorthwestdirection.Fromtheyearof1979to1995,theurbanspacegrowsbyhigh-speed,andthedominantdirectionturnstothenorthwestandsouthwest.Sincetheyearof1995,urbanspacegrowsfasterthanbeforeandthedominantexpandingorientationiseastandsoutheast.Second,Urbanspatialexpansionmodelcanbesummarizedasthreetypes,includingthetypeofslowexpansionbywing,thetypeofcircleprogressiveexpandingandthetypeofrapidexpansionbywing.Third,thepapercalculatesthecompactindex,fractaldimensionandshapeindex,findingthattheurbanspatialformofHuai'ancityisrelativelystable.Moreover,theurbanformchangesfromstarshapetoblockshape,andobvioustendstoround.Last,thestudyalsofindsthatthecharacteristicsofstageandanisotropyhavesignificanteffectsontheevolutionofurbanexternalmorphology.Keywords:urbanspatialexpansion;externalmorphologyevolution;Huai'an
城市空间扩展与外部形态演变是城市发展的必然趋势[1]，并体现出城市发展特征和阶段[2-3]。城市化是城市用地增长的主要动力[4-6]，以空间扩展速度和强度来衡量城市化水平在空间上更具表达力[7]，更能表现城市空间增长的位置和方向[8]。目前对于城市空间扩展的研究，涉及到建设用地数据采集和数字化方法的探讨[9-12]以及基于用地变化的城市空间扩展与形态演变的分析，对城市用地扩展的空间
过程、动力机制和调控等都进行了广泛的讨论[13]，
对北京、上海、深圳、广州等主要城市[14-17]空间扩展的过程、格局、机制及模式进行了深入的分析[18-19]。从研究方法看，近年来开始采用RS数据，利用GIS空间技术获取城市用地资料，计算城市用地单元在
21]
某时段内的扩展指数[18-21]、分形指数[14-15，、景观指数[22-24]等。从已有研究的情况看，研究的热点多集中于大城市，对于欠发达地区中小城市的关注不够，
收稿时间：2012-03-27；修回时间：2012-06-06
基金项目：教育部人文社会科学规划基金项目（10YJA790154）；国家自然科学基金项目（41071114）作者简介：尚正永（1968—），男，江苏淮阴人，博士，副教授。主要研究方向为区域发展与城乡规划。E-mail：shangzy@hytc.edu.cn。
第8期尚正永，张小林，周晓钟：基于RS/GIS的城市空间扩展与外部形态演变研究65
对城市空间扩展与城市外部形态演变关系讨论的
成果不多[25]。因此，本文以淮安市主城区为例，利用RS影像和城市建设区图，运用GIS空间分析技术，对城市空间扩展与外部形态演变的过程、特征及其相互关系进行探讨。
1数据来源与研究方法
1.1研究区域
淮安市是江苏省省辖市，淮安中心城市是典型的双城群组型城市，淮安中心城区由主城区和楚州城区组成，2010年，淮安中心城区面积为132.43km2，常住人口110万人，地区生产总值872.67亿元。考虑到目前主城区与楚州城区尚未完全联为一体，本文的研究区域为淮安中心城市的主城区部分，不包括楚州城区。
1.2数据类型及其来源
1979年以前的城市空间扩展资料主要为1949年、1957年和1965年的城市建成区图片资料，在ARCGis9.3中对图片资料进行矢量化处理，提取城市建成区面积，1949年为4km2，1957年为5.1km2，1965年为9.93km2。1979年以后的城市空间扩展数据来源于遥感影像（表1），其中，MSS和TM影像从美国马里兰州大学相关网站下载得到，我国环境与灾害监测预报小卫星（HJ-1-A）的影像资料，从国家环境保护部卫星环境应用中心网站获得。
表1遥感影像资料及其解译方法Tab.1Remotesensingimagedata
andinterpretationmethods
时间
1979/02/181984/11/041989/06/091995/01/102000/09/162005/10/162010/02/21数据类型MSSTMTMTMTMTMHJ-1-A分辨率80×8030×3030×3030×3030×3030×3030×30合成波段432432432432432432432建成区面积/km213.2120.3324.8630.6844.4477.28108.33图1技术流程
Fig.1Frameworkofthetechnology
图2淮安市七个时段城市建成区示意图
Fig.2Sketchmapofbuilt-upareaofHuai'ancity
1.3城市建成区提取模型
在ERDAS9.2中，对淮安主城区1979—2010年之间7个时段的遥感影像按图1所示的模型提取城市建成区，并转变为矢量文件，利用ARCGIS属性表计算城市用地统计特征，得到城市建成区面积（表1），并生成七个时段城市建成区示意图（图2）。1.4分析方法
1.4.1等扇分析方法。扇形分析是指以研究区的中心为圆心，选取适当半径将研究区划分成若干相等的扇形区域，与各时期用地图层进行GIS叠加，通
过计算不同方位的扩展指数描述用地类型的空间
分异。在ArcGIS9.3中，本文以淮安主城区的淮海广场为中心，以适当长度为半径，从东偏北11.25°为起点，画出16个夹角相等的扇形，转换成面文件后，调用ArcGIS9.3软件中的AnalysisTools/Overlay/Intersect工具，将主城区划分为16个扇形区域。在ArcGIS9.3中提取不同扇形区域的面积，据此分析不同时段各个扇区的扩展强度，并以雷达图进行表现，以利直观判断各个时段不同扇区城市空间扩展强度的差异，分清不同时段城市扩展的主导方向。由于各扇形区域的夹角相等，因此所得到的扩展强度在时间与空间上均具可比性。1.4.2扩展强度指数。扩展强度指数用于分析和描述城市建成区用地扩展状态，能够比较不同时期不同方位城市建成区面积扩展的强弱、快慢和趋势。扩展强度指数的表达式为[26]：
Iue=ΔUij/(Δtj×TLAi)×100（1）ΔUij为j时段第i个研究单元建成区扩展数式中：
66经济地理第32卷
TLAi为第i单元土地Δtj为j时段的时间跨度，量，SBC为Boyce-Clark形状指数，ri为从某个图式中：
总面积。
1.4.3紧凑度。紧凑度是反映城市空间形态的一个重要指标，城市轮廓形态的紧凑度被认为是反映城市空间形态的一个十分重要的概念，城市形态紧凑度计算方法有多种，其中Cole和Batty提出的紧凑度公式[27]使用最为广泛，公式为：
BCI=2πAP（2）
BCI为城市用地的紧凑度指数，A为城市建式中：
成区面积，P为城市轮廓周长。BCI的值一般在0—1之间，其值越大，形状越具有紧凑性，越接近于1，形态越接近于圆形；反之，形态的紧凑性越差。1.4.4分维数。城市形态的边界维数概念最早由Batty和Longley提出，他们起初只是借助分维探讨城市的周界，后来发展到研究城市土地利用的空间结构[28]。关于边界维数，本文基于城市形态的面积—周长关系，假定城市是一个封闭地域，其面积为A，周界边长为P，如果边界是维数为D的分形线，则根据几何测度关系，应有：
PD∝A
1
12
形的优势点到图形周界的半径长度，n为具有相等
角度差的辐射半径的数量。根据采用Boyce-Clark形状指数方法对不同形状进行计算的结果（n=32），形状最紧凑的圆形有最小的形状指数，其值为0.00，形状较紧凑的正多边形次之，接下来分别是形状紧凑性较差的矩形和具有凹凸特征的星形、H形、X形以及带状矩形和线状矩形等，直线的形状指数最高，达到187.50[30]，储金龙计算Y形的形状指数，发现其形状指数因Y形各翼宽幅的变化在17.00—55.00之间变化[31]。
2城市空间扩展特征
2.1空间扩展的规模变化
淮安城市空间扩展的规模变化表现出明显的阶段性特征。从1949年至1979年，淮安城市空间扩展的特点表现为缓慢平稳增长的态势，城市规模从1949年的4km2增加到1979年的13.21km2，城市规模有所扩大，但仍然保持小城市的空间格局。1979—2000年，随着改革开放的深化，城市空间扩展速度进一步加快，从1979年13.21km2增加到2000年的44.44km2。2000年以后，开发区的快速发展给这一时期城市扩张注入了新的动力，淮安主城区空间进入高速增长时期，城市空间规模从2000年初的44.44km2，增加到2010年的108.33km2，10年共增加63.89km2。
2.2空间扩展的各向异性
为分析城市空间扩展的各向异性，采用等扇分析法，在ARCGIS中，通过提取城市空间在不同时段不同扇形区域的扩展面积，计算不同时期各个方位空间扩展的强度指数，并对强度指数数据进行统计分析（表2），借助EXCEL绘制雷达图，以直观形式表达出不同时间各个方位空间扩展的情况（图3）。
1979年以前，城市空间扩展缓慢，城市以北向、西向与西南向扩展为主。
1979年以后，城市空间开展加速扩展，城市空间由轴间填充的趋圆发展向扇翼扩展转变。其中，1979—1984年时间段，城市空间扩展强度指数的平均值是0.076，数据相对波动范围较小，不同方位空间扩展差异不太明显，呈现出明显的圈层式扩展态势。1984—1989年时间段，城市空间扩展强度指数的平均值是0.043，标准差为0.034，变异系数0.802，数据相对波动范围较大，NWW-NW为城市高速扩展翼，NNE、SSE为城市快速扩展翼。1989—1995年
（3）（4）（5）
从而有：
P∝A2
表示为一般形式则为：
P=ϕA
f(D)D
式中：ϕ为常系数，f(D)为与分维D有关的幂函数，在式（5）中，f(D)=D2。对式（5）中两边取对数，得到：
lnP=lnϕ+f(D)lnA
（6）
显然，f(D)是lnA与lnP线性回归的斜率。式（5）、（6）被称作常规模型，式中参数D为城市空间的边界维数。D反映了图形对空间的填充能力和图形边界不规则的复杂程度。D值在1—2之间，D值越大表示图形形状越复杂，当D＜1.5时，说明图形趋于简单；当D＝1.5时，说明图形处于布朗随机运动状态，越接近该值，稳定性越差；当D＞1.5时，表示图形趋于复杂。1.4.5形状指数。在地学领域用于定量测度形状的方法中，Boyce-Clark形状指数方法更能反映形状的一般特征[29]。其基本思路是将研究的形状与标准圆的形状进行比较，得出一个相对指数的方法。其计算公式为：
|n|n
æö||100SBC=∑（7）|çri∑ri÷×100-|ni=1|èi=1ø|
第8期尚正永，张小林，周晓钟：基于RS/GIS的城市空间扩展与外部形态演变研究67
Tab.2
时段
1949—19571957—19651965—19791979—19841984—19891989—19951995—20002000—20052005—2010表2淮安市各个方位空间扩展强度数据分析表
Analysistableofspaceexpansionstrengthdataof16directionsindeferentstageinHuan’an
极差0.1240.0770.0460.1080.1460.0830.1200.1500.122NNNW0.150.120.09NNENENEENWWNW最小值0.0010.0000.0000.0230.0010.0020.0160.0010.003最大值0.1250.0770.0460.1310.1470.0850.1360.1510.125均值0.0760.0210.0140.0760.0430.0320.0630.0720.052NNNW0.100.080.060.040.02标准差0.0540.0230.0120.0170.0340.0180.0290.0440.027NNENENEE变异系数0.7141.0930.8770.2280.8020.5800.4630.6030.532NNNW0.050.040.03NWW0.020.01E偏斜系数-0.3781.0110.9750.0051.4810.9870.6260.0800.371NNENENEE峰值系数-2.013-0.297-0.0721.1691.3350.381-0.430-1.268-0.155NWNWWNW0.060.03W0.00EW0.00W0.00ESWWSWSSWSNNNW0.150.120.09NWW0.060.03W0.00NNENESEESESSE1949-1957SWWSWSSWSNNNW0.15NW0.120.09NNESEESESSE1957-1965SWWSWSSWSNNNW0.100.080.06NNENESEESESSE1965-1979NWNENEENWNWWNEENWW0.060.030.040.02NEEEW0.00EW0.00ESWWSWSSWSSSESESEESWWSWSSWSSSESESEESWWSWSSWSNSEESESSE1989-19951979-19841984-1989NNNW0.150.120.09NWW0.060.03W0.00EWNNNENENEENWWNWNNW0.180.150.120.090.060.030.00NNENENEENWWNWNWNNW0.150.120.090.060.03NNENENEEEW0.00ESWWSWSSWSSSESESEESWWSWSSWSSSESESEESWWSWSSWSSSESESEE1995-20002000-20052005-2010Fig.3
31949—2010年不同方位空间扩展强度示意图Sketchmapofspatialextensionstrengthindifferentdirectionsin1949—2010
时间段，城市空间扩展强度指数的平均值是0.032，城市不同方位空间扩展强度差异不明显。1995—2000年时间段，城市空间扩展强度指数的平均值是0.063，数据相对波动范围较小，离散程度低，城市不同方位空间扩展强度差异不明显，SWW、NWW、NEE为城市高速扩展方向，SWW-W-NWW-NW、NNE-NE-NEE和S为城市快速扩展翼，城市空间东西向扩展明显。2000—2005年时间段，城市空间扩展强度指数的平均值是0.072，数据相对波动范围
较大，NNE-NE-NEE-E-SEE-SE-SSE构成为城市扩展翼，SSW-SW-SWW为城市次要扩展翼，城市东向扩展明显。2005—2010年时间段，城市空间扩展强度指数的平均值是0.052，标准差为0.027，变异系数0.532，数据相对波动范围较大，城市不同方位空间扩展强度差异明显，NNE-NE-NEE-E为城市主要扩展翼，SE、S-SSW、SWW-W、NW等方向为
68经济地理第32卷
Tab.3
时间段
1949—19571957—19651965—19791979—19841995—20001984—19891989—19952000—20052005—2010总体扩展趋势扇形缓慢扩展多翼缓慢扩展单翼缓慢扩展圈层缓慢扩展圈层快速扩展多翼快速扩展多翼快速扩展扇形快速扩展单翼主导扩展
表3城市空间扩展模式
Modeofurbanspatialexpansion
次要扩展翼SWWSW-SWW-WT、NE-NEESSE、NWNNE、S
SWW-W-NWW-NW、NNE-NE-NEENNE、SSEE-SEE-SE
SSW-SW-SWWSE、S-SSW、SWW-W、NW扩展模式扇翼缓慢
扩展型圈层式扩展型扇翼快速扩展型
主要扩展翼
NWW-NW-NNW-N-NNE-NE-NEE-ENNW-W
SSW-SW-SWW-WNW、SWW、SESWW、NWW、NEENWW-NWSSW-W、NNE
NNE-NE-NEE-E-SEE-SE-SSENNE-NE-NEE-E次要扩展翼城市东向扩展明显。2.3空间扩展的模式提炼
淮安主城区空间扩展经历了两个阶段：1979年以前，城市扩展规模总体上比较小，呈缓慢扩展的态势。1979—2010年，城市空间扩展速度越来越快，呈现出高强度快速扩展的态势。通过对比研究，可以将淮安主城区空间扩展模式概括提炼三种类型：扇翼缓慢扩展型、圈层式扩展型、扇翼快速扩展型（表3）。
主城区面积与周长之间相关性很强（图5），相关系
数R2＝0.9863，分维值D＝1.1602，表明淮安主城区空间扩展过程中，空间形态具有明显的分形特征，因D值小于1.5，表明城市形态较为简单，形态稳定性较强。拟合的方程为：
lnP(t)=0.5801lnA(t)+1.9907
3城市外部形态演变特征
3.1城市外部形态的紧凑度
根据Batty的紧凑度公式，计算紧凑度指数，并绘制折线图（图4），淮安主城区紧凑度指数在0—1之间，计算结果是合理的，1949年的紧凑度指数最大，为0.434，2010年的紧凑度指数最小，为0.304。总体而言，紧凑度指数变化幅度较小。从变化趋势上看，1949—1965年，主城区紧凑度整体表现为下降的趋势，1965—1984年，主城区紧凑度整体表现为上升的趋势，1984—1995年，主城区紧凑度整体表现为下降的趋势，1995—2000年，主城区紧凑度整体表现为上升的趋势，2000—2010年主城区紧凑度整体表现为上升的趋势。
图5淮安主城区面积与周长双对数相关性分析Fig.5Doublelogarithmiccorrelationanalysisof
area-perimeterofHuai'an
根据拟合方程，推算出不同时期城市的边界维数，并以折线图表达出来（图6），可以看出，淮安主城区用地形态的边界维数保持在1.092—1.249之间，1949—1957年、1965—1984年这几个时段城市用地形态的分维数下降，建成区轮廓线复杂性减小，1957—1965年、2000—2010年城市整体用地形态的分维数上升，建成区轮廓线复杂性增大。
图4淮安主城区城市形态紧凑度变化
Fig.4CompactdegreechangesofHuai'ancityform
图6不同时期城市边界维数变化曲线Fig.6Boundaryfractaldimensioncurve
ofdifferentperiods
3.2城市外部形态的分维数
根据边界维数的分形模型，计算10个年份的城市面积与周长的自然对数。计算结果表明，淮安3.3城市外部形态的形状指数
根据Boyce-Clark形状指数模型，以主城区中心淮海广场为优势点，n=32，在ArcGIS9.3中提取
第8期尚正永，张小林，周晓钟：基于RS/GIS的城市空间扩展与外部形态演变研究69
1957、1965、1979、1984、1989、1995、2000、2005、
2010年优势点到边界线的半径长度，并计算出城市形态指数（图7）。
图7淮安主城区1957—2010年形状指数变化
Fig.7ShapeindexchangesinHuai'anmaincity
from1957to2010
结果表明，淮安主城区形状指数在49.802—29.965之间，对比王新生计算得出的各图形形状指数[30]，发现淮安主城区形状指数与H形、星形及矩形的接近，变动范围也在Y形的形状指数范围之内。自1957年以来，随着城市规模的扩张，城市形状指数总体上由高变低，呈下降之势，表明城市空间形态演变有一定的趋圆性，城市形态演变经历了由星形形态向块状形态演变发展过程，计算结果较好地反映了城市形态演变的实际情况。
4城市空间扩展与外部形态演变的关系
4.1城市空间扩展与紧凑度变化
城市紧凑度的变化与城市空间扩展波动变化密切相关。1949年，主城区还是一个城市建设区面积仅为4km2的小县城，城市呈块状与带状沿运河布局，紧凑度最高。1949—1957年，城市空间扩展缓慢，以填充发展为主，紧凑度呈略有下降。1957—1965年，城市空间快速扩展，城市形态变化剧烈，紧凑度随之发生变化，从1957年的0.421下降到1965年的0.361。1965—1984年，城市空间呈圈层式低速扩展，城市以填充发展为主，城市紧凑度指数由小变大。1984年以后，随着城市空间扩展强度的提高与城市规模的扩大，主城区紧凑度也发生明显的波动变化，从1984—1995年，城市空间经历了中速扩展与快速扩展阶段，城市形态急剧变化，紧凑度指数随之下降。1995—2000年，城市空间圈层式快速扩展，迅速填充了轴间空地，紧凑度指数不降反升。2000—2010年，城市空间快速扩展，城市以东向发展为主，开发区渐成规模，在城市东南方向形成了新城，导致紧凑度指数逐年下降。其中，2004—2007年，城市空间扩展速度最快，年均增加面积15.29
km2，城市空间形态急剧变化，虽然2007—2010年期
间，城市空间扩展速度迅速降低，进入调整发展阶段，以填充发展为主，但城市紧凑度指数仍呈下降之势。
4.2城市空间扩展与边界维数变化
在假定城市面积随时间不断变化的前提下，如果边界维数变大，则表明城市空间形态不规则程度增加，说明在这一时期城市建成区面积的增加是以向外扩展为主；如果边界维数下降，则表明城市空间形态不规则程度下降，说明建成区面积的增加是以建成区边缘间的填充为主；如果城市空间形态的不规则程度不变，则说明城市进入相对稳定的发展阶段。1949—1957年、1965—1984年，城市空间以轴间填充发展为主，这几个时段城市用地形态的分维数下降，1995—2000年，城市以圈层式扩展为主，城市边界维数下降。1984—1995年，城市外向扩展与内向填充同步进行，并呈多翼式扩展，城市用地形态分维数缓慢增大。1957—1965年、2000—2010年，城市建成区面积增加主要以外向扩展为主，城市用地边界维数增大，城市边界的非线性增强，城市形态趋于复杂。
4.3城市空间扩展与形状指数变化
淮安主城区形状指数的变化与城市空间扩展模式之间具有较好的关联性，说明形状指数用于城市形态演变研究具有较强的解释能力。根据形状指数的变化趋势，对照城市空间扩展的时间与空间过程，发现1957—1965年城市形状指数由小变大，与城市快速扩展，城市形态由团块状向星状演变。1965—1995年，城市形状指数持续下降，与城市空间圈层式扩展、扩展翼扩展有关，表明城市空间经过轴间填充发展，趋向圆状。1995—2010年，城市形状指数变化很小，比较稳定，表明这一时期经过城市多翼扩展与扇形扩展，城市趋圆性增强，城市形态呈团块状特征。
5结论与讨论
利用遥感影像资料与城市建成区图，运用GIS分析方法，对淮安主城区1949年以来的城市空间扩展与外部形态演变及其关系进行了分析，研究表明，淮安主城区空间扩展具有明显的阶段性与各向异性特征，城市空间扩展模式为扇翼缓慢扩展型、圈层式扩展型、扇翼快速扩展型三种类型。城市外部形态演变特征明显，淮安主城区的紧凑度指数变化幅度较小，表明城市形态总体上保持相对稳定，
70经济地理
感学报，2000，4(2)：146-150.
第32卷
用地形态的边界维数在1.092—1.249之间变动，有
一定的波动变化，形状指数在49.802—29.965之间，与H形、星形及矩形的接近，变动范围也在Y形的形状指数范围之内。城市空间扩展对城市外部形态演变的影响明显，城市空间扩展速度加快，则城市紧凑性水平降低，反之，则紧凑性水平上升。城市外向扩展，城市边界强维数变大，则城市外部形态的复杂性水平上升，城市轴间填充发展与圈层式扩展，则城市的边界维数下降，城市外部形态的复杂性水平下降。城市快速扩展，城市形态由团块状向星状演变，导致形态指数由小变大，城市空间轴间填充发展与圈层式扩展，城市趋圆性增强，形态指数下降。
本文基于城市用地图件与遥感影像资料，提取了城市建成区的面积数据，由于TM图像的空间分辨率为30m，采用监督分类法提取数据时受主观因素影响较大，因此只能分析城市空间扩展的大体趋势。另外，对于城市空间扩展与城市外部形态演变的关系分析只是从定性角度进行了总结，如何揭示两者之间相互影响与作用的机理，还需要进一步深入研究。参考文献：
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