蔡雯婷, 季民河

(华东师范大学 地理科学学院, 上海　200241)

上海城市形态变化的空间分析及成因探索

蔡雯婷, 季民河

(华东师范大学 地理科学学院, 上海200241)

摘要:特定的城市空间形态是各种内外因素长期相互作用的结果．研究对比不同时期的城市形态结构变化,是探索社会经济动因的一个重要方面．以上海城市空间形态作为研究对象,利用5幅具有代表性的不同历史时期地图,采用ARCGIS软件进行空间分析,分别计算了上海在100年期间城市空间的扩展速度与扩展方位,以及城市空间形状的紧凑度指数与分形维数,综合研究上海城市空间形态的历史演变过程,并分析其中的社会变革等因素的影响．研究发现上海建成区的发展分为两个阶段:1884～1978年为上海城市的低速扩展阶段,战乱动荡时期城市发展相对缓慢;1978～1987年为高速扩展阶段,改革开放让上海的经济发展和城市建设有了很大的提升．因此,城市的空间形态演变过程与城市的社会变革因素是密切相关的．

关键词:城市形态; 建成区; 空间扩展; 上海

0引言

城市形态研究是城市地理学的重要组成．城市形态有广义和狭义之分．广义的城市形态包括社会形态和物质环境形态两个主要方面;狭义的城市形态是指城市实体所表现出来的具体空间物质形态,是由结构(要素的空间位置)、形状(城市外部的空间轮廓)和相互关系(要素之间的相互作用和组织)所组成的一个空间系统,是城市空间的深层结构和发展规律的显像特征．

城市空间形态是一个跨学科的概念,地理学家和人文学家最先将形态学引入城市研究领域．1930代德国地理学家对中世纪的城镇开展了大量研究．Conzen开创了城市形态学研究的康泽恩学派[1],于1960年对小镇Alnwick进行城市平面分析,初步建立了城市形态学研究的基本方法与研究框架．20世纪90年代美国人Whitehand在著作中分析了城市规划管理和政策法规对城市形态的影响[2]．我国的城市形态研究虽然起步较早,但长期处于停滞状态,研究也仅围绕个别城市展开．1990年以后,国内的城市形态研究开始兴起,成果和报告相继涌现．相关研究主要集中在中国城市形态的结构、形状和相互关系[3];城市历史发展和空间形态演变过程[4-6];并将城市形态与城市规划相联系,认为城市规划的根本目的之一是培育一个“好的城市形态”,城市规划中总体规划阶段对城市形态的把握是引导性的[7]．

几个世纪以来,地图已经成功展示了抽象图形如何科学地表征现实世界[8]．一个城市的形态结构变迁可从地图中最直观进行获取．随着科学技术的创新,使得地理信息科学家能将地理信息科学(GIS)的量化工具和方法应用到区域历史变化的研究中去．空间分析工具在描绘地物的精确性和历史地图的不确定性方面极为有效,既可对地物定位的精确性进行评估,对空间模式进行研究,还可对跨时间的地图进行比对．这些都能帮助我们对现象本身以及它的生成环境有更好的理解．

随着计量地理学的发展,城市形态研究逐渐由定性分析转向定量分析与模型模拟过渡,对城市形状的研究也逐渐转向以城市边界形状扩展的强度、方向的几何分形特征等定量分析为主．定量分析主要是运用几何法对外部空间形态进行定量分析,通过对特征点、特征线或特征面的比较得出不规则图形特征的近似数据[9],主要分析方法有:特征值法、分形研究、网络拓扑分析方法、数理统计方法、物理学方法等[10-11],另外也有结合遥感图像进行定量研究的案例[12]．定性研究城市形态具有形象、生动等优点,但难以抽象成参数在时间序列上做量化比较,而单独使用某一定量方法,也很难对城市内外部形态进行全面分析．

城市的发展是历史的演变,也是人类文明的进步的产物,人们不断探索城市形态与历史文化之间的关系[13]．学者研究了古代杭州的演变过程[14]、明清两代沈阳的城市形态[15]、历史重要阶段时期广州的城市形态发展的历史特征[16]等,通过城市形态的演变过程,分析演变轨迹,探究成因,为城市的规划提供借鉴．针对上海的研究,主要集中在中心城区,结合上海不同时期的遥感影像,获取城市土地利用数据,结合自然、人文和社会因素进行分析[17-19]．

利用多源历史地图资料和GIS技术的支持,定量与定性分析相结合的方法,综合研究上海1884～1987年间城市空间形态的历史演变过程,并探索其中的社会变革等影响因素．在此一百多年间,上海历经清王朝、外国租界、民国和新中国四种政权体制下的管理,这一历史过程中的经济与社会结果变迁,是上海从内向封闭的空间形态转化为外向开放综合性的空间形态的过程．除了计算出不同历史时期城市形态的计量指标进行纵向比较之外,主要试图探索上海的重大历史事件与城市形态变化之间否是存在必然联系,对城市形态发展又有多大的影响.

1研究区域

研究区域为上海市(图1)．上海是我国的金融、经济、贸易以及航运中心,是我国的第一大城市．从南宋设镇,明朝筑城,到鸦片战争后开埠,改革开放后进而发展成为20世纪东方著名的国际都市,其空间外部轮廓和内部结构发生了翻天覆地的变化．民国时期,上海的土地面积仅为494 km2;解放初期为636 km2;至2012年,面积已达6 340.5 km2,扩大了近10倍．人口和面积的迅速增长,经济活动的与日俱增,城市地位日益提升,皆与政治事件密不可分．通过上海城市形态历史变迁的研究,可以了解城市形态变化与历史政治事件的相互联系以及影响程度,并得到合理而直观的解释．

图1　上海市行政区划图

2数据来源与预处理

图2　上海建成区轮廓图

2.1研究数据

研究采用的数据是5幅具有代表性的不同历史时期地图,反映上海建成、发展、稳定的动态过程．地图系列的时间跨度为100年,包括1884年、1927年、1956年、1978年和1987年版本,分别代表清末、民国初期、建国初期、改革开放前及改革开放后5个时间点．其中,1884年的上海县城厢租界全图,是由中国人许雨苍1875年绘制,光绪十年(1884)点石斋在其基础上更正缩印而成．1927年地图,根据《上海特别市区域图》(1927年版)复制而成,上海1956年地图,根据《上海市市区图》(1956年)复制而成,同属中华地图学社出版的上海老地图系列．1978年上海市交通图为原件,由上海市测绘处,上海科学技术出版社出版．1987上海市区交通图为原件,由上海市测绘处编绘,中华地图学社出版．这些来源不同的历史地图使用不同技术编制且用于不同目的,故具有不同的比例尺和精度,但在研究尺度上,图间精度差别并不影响分析结果．

2.2数据预处理

将5幅纸质版上海历史地图扫描成电子版,共生成5个数据层,然后利用ARCGIS软件进行地图预处理．首先将5幅历史图层与带坐标的上海矢量图(GCS Beijing 1954)进行空间位置配准,并统一到相同的地图比例尺上;然后根据地图上的信息及人工识别,数字化各个时期城市区域轮廓线(图2);最后计算建成区面积和周长,作为城市空间扩展和空间形状分析的基础数据．

3研究方法与步骤

3.1分析方法

3.1.1城市空间扩展分析

通过对上海不同时期的历史地图的叠加运算及空间统计分析,定量的研究上海城市空间扩展速度和方位．叠置分析为空间分析中对多个地理现象做垂直方向的关联所常用的手段,在GIS中即是将有关主题层组成的数据层面进行叠加产生一个新数据层面的操作,其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性[20]．空间叠置的结果用于上海城市空间扩展分析．

1) 扩展速度分析

用地扩展速度可用于分析城市建设用地的扩展状态,比较不同阶段的城市建设用地扩展的速度及趋势．其计算公式[12]如下:

(1)

式中,Mue为城市扩展率；ΔAj为时段j城市建成区扩展面积；Δti为以年为单位的时间跨度；LAj为时段j初期建成区总面积．城市扩展率的理论取值范围是[-100,100],正值为增长趋势,负值为收缩趋势,绝对值越大,变化速度越快．

2) 扩展方位分析

采用十六方位等扇区分析方法对城市建成区扩展方向上的特征进行分析[21]．以城市中心为中点,将研究区域划分为16个夹角相同的扇形区域,并与各个时期的城市建成区进行叠置分析,统计16个扇形区域内建成区的面积,从而分析城市在不同方位的扩展情况．

3.1.2城市空间形状分析

1) 紧凑度指数

城市建成区廓线的紧凑度是反映城市空间形状和功能布局的一个重要指标,各个历史时期不同的城市空间形状表明不同的社会经济环境效率[22]．城市紧凑度用以测度城市建成区用地的紧凑与饱和程度,以防止城市蔓延、节约用地为最终目标．城市紧凑度越高,建设用地较为集中,土地利用率高．城市紧凑度低,城市内各功能区较为分散,不便于城市管理．城市紧凑度的计算公式[23]如下:

(2)

式中,c为城市紧凑度；A为城市面积；P为城市轮廓周长．城市紧凑度的值在0～1之间,其值越大,形状越有紧凑型,越接近圆形,反之,形状的紧凑型越差．

2) 分形维数

分型维数反映了图形对于空间的填充能力和图形边界不规则的复杂程度．分形维数D是描述分形体的重要参数．分形维数的计算公式[24]如下:

(3)

式中,P为城市轮廓周长；A为城市面积；K为常数,通常考虑取值为4．

D值在1～2之间．随着城市的生长,建成区轮廓变得越来越复杂,城市的分形维数一般会上升;但从外扩向内填转型过程中,分形维度则会逐步下降．

4结果与分析

4.1城市空间扩展分析

4.1.1扩展速度分析

利用ArcMap叠置分析得到上海各年份的城市建成区面积,绘制出1884～1987年上海建成区面积增长曲线图(图3),并统计出各时段年均扩展速度(图4)．依据图1和图2可以将上海建成区的扩展划

图3　上海建成区面积增长曲线图　　　　　　　图4　上海市各时间段建成区扩展速度曲线图

分为2个阶段:1884～1978年为低速扩展阶段,1978～1987年为高速扩展阶段．1884～1978年,建成区面积虽然在不断扩展,从1884年的8.04 km2,到1927年的54.10 km2,到1956年的122.69 km2,到1978年的146.55 km2,但是扩展速度一直处于15%以下．这主要是因为这一时期我国总体上处于战乱之中,经济发展严重受阻,城市的扩展也在总体上受到阻碍．具体来看,1884～1927年,建成区以13%的速度扩展,这时上海主要处于租界的控制下,外国商人的涌入促进了上海的经济发展,租界的存在也让上海在一定程度上避免了战争,这些促进了上海城市的扩张．1927～1956年,扩展速度仅为4%,这主要是因为辛亥革命推翻了清王朝,军阀混战接踵而至,这一时期先后发生了五卅运动、四一二事变、淞沪会战等一系列重大历史事件,上海的城市建设基本停止．1956～1978年,建成区扩展速度还不到1%,这主要是因为20世纪60年代新中国一些政策的失误让中国的经济发展基本上处于停滞状态,因此城市的扩展也相对缓慢．1978年的改革开放让上海的经济发展和城市建设进入新时期,而1978～1987年仅9年期间,上海的建成区面积翻了5倍,扩展速度为45%,达到历史最高．

4.1.2扩展方位分析

对上海建成区在扩展方向上的特征提取,采用了十六方位扇区分析方法．该方法以人民广场作为研究区域的重心,选取适当的半径(能覆盖整个建成区范围),以22.5度为间隔,将建成区划分为16个扇形区域．随后利用ArcMap的UNION工具统计各年份上海在各个扇形区域的城市建成区面积,绘制成建成区面积方位雷达图(图5),直观地展示上海建成区在不同方位的扩展情况．图中显示了16个方位,纵坐标上的数值代表该方位扇形区域内建成区面积数值．由于前4个年份建成区面积总值较小,所以和1987年数据对比差异较大,将这4个年份数据单独再列一个雷达图．

图5　不同方位建成区面积雷达图

结合图2和图5可以看出,1884～1978年上海沿着黄浦江建埠发展,建成区面积较小,扩张强度较弱．城市建成区扩展具有明显的方向性,形成了NNE-NE,SWW-SW两个扩展主导方向,与黄浦江的流向相符．1884年上海被外国列强划分为英租界、法租界和美租界,随后租界开始扩张,殖民者不断越界筑路,英美租界更名为上海国际公共租界,面积扩展为22 km2,法租界面积扩展为10 km2[25]．由于租界的开辟与扩张,带动城市的发展与建设,使外国资本迅速发展,许多外国商人在上海兴办经贸机构,如银行、百货公司、旅馆等．民国初,上海已成为国内最大的商埠、国际贸易港口,但是繁华的商业贸易区集中在租界之地,处于法租界、公共租界、国民政府管辖区,市政设施各成系统,道路不畅,上海发展呈现畸形状态．建国后,国务院先后批准将江苏省的嘉定、松江、奉贤、宝山等10个县划归为上海市,上海规划相继建设闵行、吴泾、嘉定、安亭、松江、吴淞6个卫星城[26]．但由于卫星城距离市中心较远,当时对于交通、道路建设不够重视,投资少、建设慢,卫星城的发展受到制约．历经文革10年,城市发展滞后,建成区集中在浦西,浦东发展甚少．1978年之后,城市扩展形成了3个主导方向,分别为:N-NNW,S-SWW和W-SWW．扇翼幅度较大,说明扩展面积增加较多,为城市主要扩展翼．改革开放后,经济发展迅速,对土地的需求大．随着沪宁、沪杭高速公路,机场等建成,市内发展快速干道、主干道、一般干道、支路等道路系统,进一步扩大了城市居民的活动半径．上海城市规划有步骤地开发长江口南岸和杭州湾北岸的两翼,将浦东陆家嘴一代建成为现代化的新市区,因此建成区逐渐向多个方向扩张．

4.2城市空间形状分析

4.2.1紧凑度指数

城市形态发展一般都经历从紧凑到松散,再到更紧凑的过程．当城市处于高速扩展期,紧凑度降低;当城市发展放缓,转为内部填充阶段时,紧凑度上升．

对于上海建成区紧凑度发展,从图6中可以看出呈现下降趋势,而且下降速度稳定,总体指数保持在0.5左右,属于较为均衡的城市发展过程．

具体时间轴来看,1884～1987年,上海建成区紧凑度持续下降,显示了城市不断扩大和发展的整体趋势．其中,1978年是一个重要的拐点．1884～1978年间,紧凑度下降比较平缓．1927年上海特别市宣告成立,对城市空间利用有了规划意识[26],是城市发展无序蔓延与有序规划的重要转折点;而1978～1987年紧凑度急剧下降,破了0.5的关卡．1978年,中央提出了改革开放,作出了开发浦东的战略决策,并作出依托浦东开发开放带动浦西的发展计划,城市扩展迅速,由较为紧凑的城市格局向多元化的城市发展,其中改革开放的影响特别明显,城市建成区扩展也不再单一的沿着黄浦江发展,而是跟随国家的战略决策,遍地开花全面发展,从而此时也奠定了上海的经济、金融中心地位．

图6　上海建成区紧凑度变化曲线　　　　　　　　图7　上海建成区面积和周长相关性分析

紧凑度与城市空间扩展密切相关,1884年建成区面积较小,城市建设相对集中,紧凑度相对较高;随着城市扩展速度越快,紧凑度越低.可见,在几个重要时期,上海的建成区形态有着不同程度和维度的变化,城市形态开始会在地理自然优势发展下,随着城市的不断扩大,也会受到人为和政治历史事件的影响．

4.2.2分形维数

图8　上海不同年份的分维数

分形维数值越大表明图形越复杂．对城市形态而言,假定一个区域的面积在不断增加,如果城市空间形态不规则程度也增加,说明城市以外部扩展为主;如果城市空间形态不规则程度降低,说明城市以内部填充为主;如果不规则程度几乎不变,说明城市进入稳定发展阶段．

计算分形维数,首先判断上海建成区是否具有分形特征(自相似性)．通过计算各个历史时期建成区的面积及周长的自然对数,建立两者之间的相关关系,得出其线性相关系数为：R2=0.9914(图7),表明上海扩展过程中空间形态具有很强的分形特征．

根据式(3)计算不同年份上海建成区的分维数(图8)．整体来看,上海建成区的分维数在1.16～1.27之间,数值较小,说明城市边界复杂程度不高．早期的分维数最高(大于1.26),似乎表明缺乏城市规划的发展模式所产生的零乱无序的城市形态．1884～1978年,分维数在不断下降,说明城市空间扩展以内向填充型为主;1978～1987年,分维数急剧上升,表明城市空间扩展以外向扩展型为主．

1840年鸦片战争后,西方列强开始殖民中国,先后在上海沿黄浦江,吴淞口建立租界．这个时期的建成区以租界为主．在当时的清政府治理无能及不平等条约下,租界不断向外扩张,面积逐步增加．由于各自为政,缺乏统一管理,租界扩张的随意性很强,导致城市扩张方向上的无序,形成相对较复杂城市边界,分维数较大．

从晚清到民国,城市范围有所扩大,但发展速度较为缓慢,似以内部建设为主．1911年爆发的辛亥革命,推翻了清王朝．军阀混战后带来了长时期的社会动荡,之后一系列重大历史事件使上海向外扩张受阻,并且带来巨大的损失,各种基础建筑设施被毁于战火之中．期间城市发展主要集中于建成区内部建设,城市边界较简单,分维数下降．

新中国成立后,上海城市发展开始提速,但是文化大革命导致城市基本建设受阻,前期发展较为缓慢．直到改革开放,提出以经济建设为中心,发展浦东,加强道路港口建设,人口急剧增加,配合交通干线的铺设和其他基础设施的改善,建成区不断向外扩张,上海的城市面积与形态发生巨大改变,城市边界更加复杂,分维数上升．

5结论

以上海城市空间形态作为研究对象,利用5幅具有代表性的不同历史时期地图,采用不同指标进行空间扩展分析和空间形状分析．定量分析结果表明,上海建成区在近100年以来的发展可以大致分为两个阶段:1884～1978年为低速扩展阶段,1978～1987年为高速扩展阶段．第一个阶段是历经了殖民者入侵、军阀混战、文化大革命等一系列历史事件,我国总体上处于战乱之中,经济发展严重受阻,城市的扩展也在总体上受到阻碍,上海处于一种动荡的发展中,城市空间扩展以内向填充型为主．而后一个阶段我国确立了改革开放的政策,让上海的经济发展和城市建设进入新时期,城市扩展保持较高的速度,并且以外向扩展型为主．总体而言,城市的空间形态演变过程与城市的社会变革等因素是密切相关的．

在定量计算的过程中存在一些不足,如: 研究数据所选取的5张地图来源不同,有3张属于历史地图,不具有精准的比例尺和坐标系,地图配准过程会产生一定的偏差；提取出的建成区范围,其准确程度也是受到该地图本身的正确性影响的,人为识别建成区时会带有主观性,也会产生误差；仅仅选取了5张地图,且每两张地图间隔的年份都是不同的,并不具备等间距性．

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[责任编辑：蒋海龙]

Shanghai Urban Morphology Changes: a GIS-based Spatial Analysis and Influential Factor Exploration

CAI Wen-ting, JI Min-he

(School of Geographic Science, East China Normal University, Shanghai, 200241)

Abstract:A specific urban morphological structure reflects the dynamic equilibrium of all forces at the point of time. These socioeconomic forces may be explored through the analysis of urban morphological changes over time. Taking the city of Shanghai as a case study, five urban spatial morphology as the research object, based on five representative maps of the different historical periods and supported by ARCGIS software for spatial analysis, the paper calculated the Shanghai urban spatial expansion speed and expansion, the compactness and fractal dimension, analyzed the historical evolution of urban morphological structure in Shanghai and the socioeconomic forces. The study found: from 1884 to 1987, the development of Shanghai built-up areas can be divided into two stages: One stage was low speed expansion period from 1884 to 1978. The city developed slowly because of the wars. The other stage was rapid expansion period from 1978 to 1987.The reform and opening up improved economic development and urban construction. Therefore, urban morphological structure is related with socioeconomic forces.

Key words:urban morphology; built-up area; spatial expansion; Shanghai

收稿日期:2016-03-08

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40771138)

通讯作者:季民河(1955-),男,广西南宁人,教授,博士,博士生导师,主要从事遥感、空间统计分析等研究．

中图分类号:K928.5

文献标识码:A

文章编号:1671-6876(2016)02-0141-08

E-mail: mhji@geo.ecnu.edu.cn