维普资讯 http://www.cqvip.com 第３０卷第２期 ２ ０ ０ ４年１月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸｌ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．２ Ｊａｎ．２００４ ·９３· 文章编号：１００９ ６８２５｛２００４）０２—００９３—０２ 城市土地利用扩展的空间模式与研究方法 甄建超摘陈峰 要：对城市土地利用扩展的各种空间模式作了阐述、比较，以武汉市为典型例证，阐释了城市土地利用扩展的空间模 式与研究方法的有机结合，旨在高效、经济、合理的利用城市土地。 关键词：城市土地，空间模式，研究方法，应用 中图分类号：ＴＵ９８４．１１ ４ 文献标识码：Ａ 引言 非常有效的直观模型和方法。而动态经济区位模型揭示，城市土 土地是人类赖以生存和发展的最基本的自然资源，是人类生 地开发的不可逆性及不确定性会提高土地开发的门槛价值并延 存和发展的物质基础。人多地少的这一基本中国国情，决定我国 缓城市土地开发进程；并且城市土地发展的空间过程主要受收 交通费用及人口等经济要素的历史趋势的影响：收入的增加、 今后和未来都必须面对城市土地利用扩展与耕地保护这一对愈 入、均导致更强烈的递减密 演愈烈的尖锐矛盾。妥善解决好这对矛盾，协调好“吃饭”与“建 交通花费的下降和人口快速增长的趋向，确保土地开发方式总是由内向外进行；而收入的减少，交 设”的关系，将直接关系到我国社会经济的可持续发展，乃至整个 度梯度，通花费的增加，或缓慢的人口增长，均趋向于产生一个平缓甚至 中华民族的生存与发展有着深远的意义。 并可能使土地发展方式将会发生逆转，即由外 现有的城市土地利用理论研究大多集中或来源于西方，先后 递增的密度坡度， 提出并形成了历史形态学派、区位经济学派、社会行为学派及政 向内推进。治经济学派等不同的研究方法与理论派系。由于历史及等 １．３决策行为模式 社会行为学派注重研究与空间格局和空间过程相关的个体 方面的原因，我国对其研究相应来说较为薄弱和零散。 １ 城市土地利用扩展的空间模式 １．１ 历史形态模式 决策行为，强调人的价值观念和主观能动性对城市土地利用扩展 的影响，认为土地利用的区位决策是“源于日常相互联系的需要 和渴望”，并辨认出了土地开发过程中“主要的”和“次要的”决策。 历史形态学派通过大量的具体案例研究，归纳出城市土地利 １．４政治经济学模式 用的空间扩展可能呈轴向增长、同心圆式增长、扇形扩展及多核 政治经济学派注重研究有着不同目标、不同权力及影响程度 增长等多种形态，并普遍认为“圆形城市”（Ｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｉｔｙ）是城市形 的利益集团在城市土地开发过程中的作用，认为土地利用变化在 态和增长模式的理想类型。 很大程度上是这些集团之间相互的冲突与妥协、讨价还价的结 １．２区位经济模式 市土地开发的影响，并模拟了农业土地转化为城市用地或城市土 果。 经济区位理论深入地分析了各种经济变量的动态变化对城 ２城市土地利用扩展的空间模式的研究方法 城市是个开放的、复杂的和高度人工化的巨大系统。城市土 地再开发的最佳时机和强度，这以Ｊ．Ｈ．Ｔｈａｎｅｎ农业区位论为基 地利用系统的演化是自然地理环境系统和人文社会经济系统共 础。在古典经济模型和静态预见模型中，城市土地利用的扩展被 同作用的结果，在其演化过程中表现出不均匀性、多样性、差异 认为是一个递增过程，即随着时间的推进，由城市中心向外呈连 性、随机性、无序性等复杂的特点。 续的圈带（同心模式），从来不会出现城市蔓延的现象。这是一种 研究复杂系统复杂性的有效工具主要包括：非线性科学的主 ． 要教好制图课，教师的素质是基础，而教学能力则是前提，如 教学改革的新需要。 果教师只有知识不具备一定的教学能力，是不可能把知识传授给 学生的，必须努力提高自己的教学能力．胜任制图课的教学。 因此工程图学教师应积极进取，不断努力，吸收新的知识，开 拓新的教学方法，以适应现代化教育的需要，胜任制图课教学，争 随着计算机制图趋于发展、普及，制图教师应该掌握这门知 取做一名合格的制图教师。 识，具备计算机绘图的本领，为计算机绘图教学奠定基础，以适应 Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｒａｐｈｉｃ ｔｅａｃｈｅｒｓ ＳＵＮＷｅｎ－ｃｈｅｎｇ （Ｓｈａｎｘｉ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｄａｐｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍａｒｋｅｔ ｅｃｏｎｏｍｙ ｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｒａｐｈｉｃ ｔｅａｃｈｅｒｓ ｆｒｏｍ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｉｄｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｐｏｌｉｔｉｃａｌ ｑｕａｌｉｔｙ，ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｒａｐｈｉｃ ｔｅａｃｈｅｒｓ，ｑｕａｌｉｔｙ，ｄｒａｆｔｉｇ ｎ收稿日期：２００３—１１－０２ 作者简介：甄建超（１９７５一），男，北京交通大学道路与铁路工程专业在读硕士，北京陈１０００４４ １０００４４ 峰（１９６２一），男，１９９０年毕业于北方交通大学铁道工程专业，硕士，教授，博导，北京交通大学，北京维普资讯 http://www.cqvip.com ‘ ４·ｑ４． ２００４第３０卷耋 智 年１月 山 西 建 筑 要理论，如混沌动力学、分形和孤粒子理论；系统科学的系统论、 民用地、商业用地等）的状态，然后根据一定的转换规则和时间间 控制论、信息论耗散结构论、协同学和突变论；人工生命的进化计 隔的确定，就可以模拟城市土地利用的演化。 算（遗传算法）、元胞自动机、人工免疫系统、以人工神经网络为代 ２．５人工神经网络的应用 表的网络动力学模型等，都可以在研究城市土地利用系统中发挥 重要作用。 人工神经网络模型是一种以生物体神经系统的工作原理为 基础建立的一种网络模型。在城市土地利用模拟、规划预测中， 神经网络有很好的应用前景。 ２．１信息论的应用 城市土地利用的结构特征可以用信息熵表示。假定城市用地 ２．６人工免疫系统的应用 面积为Ａ，根据功能可以将其分为Ｎ个职能类型，若各职能类型的 由生物引发的信息处理系统的研究引起了人们高度的重视， 面积分别为Ａ１，Ａ２，…， ，则Ａ＝Ａ１＋Ａ２…＋Ａ ＝∑ＡＩ（ １，２， 其中最突出的有：人工神经网络、进化计算（遗传算法等）、ＤＮＡ ３，…，Ｎ），定义“概率”为：Ｐｉ＝Ａ／Ａ＝Ａ／∑ＡＩ，显然有∑Ｐｉ＝１，于 计算以及人工免疫系统等。人工免疫系统Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｌｎｉｎｕｎｅ ｓｙｓ— 是得到城市土地利用结构的信息熵公式：Ｈ：一∑只ｌｎＰｉ，式中：Ｈ ｔｅｎ］（简称ＡＩＳ）的研究虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速。由 为信息熵，显然可以看出，Ｈ≥０。信息熵的高低可以反映城市土 地利用的均衡程度，熵值越高，表明城市土地利用的职能类型越 于人工免疫系统丰富了信息技术和工程应用的理论，拓展了研究 思路。利用ＡＩＳ理论研究城市土地利用系统，可以分析清楚城市 多，各职能类型的面积差越小。当Ａ１＝Ａ２一一Ａ 时，Ｐ１＝Ｐ２ 土地利用系统的时空分布、作用机理以及模拟城市土地利用系统 ：…＝ ＝１／Ｎ，此时Ｈ达到最大值，表示为Ｈ ，即可有： ＝ 的演化等一些基本的理论问题。 ｌｎＮ，可以看出，若Ｐ】：Ｐ２一－Ｐ ＝１／Ｎ，则表示土地利用达到 均衡状态的概率。 ３城市土地利用扩展的空间模式和研究方法的应用 前述城市土地利用扩展的空间模式和研究方法不能孤立进 行，它们是相互作用、相互贯通的。下面对武汉市土地利用作一 下简述。 ２．２ 自组织理论的应用 自组织是在一定条件下，由于系统内子系统的相互作用，使 系统形成具有一定功能、结构的过程。通过研究自组织的模式特 武汉市位于我国中部地区，目前已成为长江中游及华中地区 点可以深入了解系统的整体性质特点与子系统相互作用之间的 最大的工商业城市，可以说是很符合区域经济论的。 关系。自组织过程是个动态过程。协同学和耗散结构论同属于 武汉市的土地利用类型在近１０年间变化比较大，Ｈ值平均 自组织理论，协同学侧重于从动力学角度阐述系统自组织产生的 为１．９６１，接近最大值２．１９７，可以说武汉市的土地多样性指数是 机制。城市土地利用系统在其演化发展过程中表现出明显的自 组织状态。 比较高的。从整体来看，武汉市的土地信息熵在近１０年间呈下 降趋势，其中１９９１年～１９９４年间，信息熵比较稳定，说明在这一 时期，城市用地结构没有发生明显的变化；在１９９４年～１９９５年 ２．３分形理论的应用 分形理论主要研究系统的自相似性。自相似性不仅局限于 间，信息熵明显下降，反映了土地利用结构发生了较大的变化， 系统的形体方面，而且还表现在功能、形态、信息等多方面，反映 １９９５年～２０００年，信息熵呈现出稳中有降的趋势，城市用地的均 了广义全息现象的普遍存在。分形理论的核心是利用分维数来 衡度呈现缓慢下降、优势度缓慢增加的趋势。 度量自相似性，即如何定义分维数及其测算方法。在应用上主要 ４城市土地利用展望 分析哪些现象具有自相似性，并算出其分维值。 我国城市化进程有了空前的发展，城市化水平已从改革前的 ２．４元胞自动机模型的应用 ２０％提高至２００１年底的３７．６５％，城市化已进入快速发展阶段。 元胞自动机（ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ简称ＣＡ）是定义在一个由具有 城市化水平的提高势必影响城市土地利用，对于这样一个比较庞 空间、时间离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上，并按照一定 大的系统研究应该是一项群策群力的工程。以从空间结构上选 局部规则，在离散的时间维上演化的动力学系统。可以定义为： 择较为成熟的区位经济模式较为合适，一方面这种结构与过去、 Ａ＝（Ｇ，Ｕ，Ｅ，厂０）式中：Ａ为元胞自动机；Ｇ为元胞格网（即元 现在的城市、城市土地利用有很好的结合，对指导城市建设、城市 胞初始状态群）；Ｕ为元胞的邻域环境；Ｅ是元胞可能处于的状态 土地利用有着天然的优势；另一方面，这种理论涉及的内容十分 集合；厂０是局域转换函数。 丰富，能够较好地描述复杂系统。至于研究方法，以元胞自动机、 元胞自动机模型的“自下而上”的研究方法、强大的复杂计算 人工神经网络、人工免疫系统较为妥当，对于模拟城市的形成、发 能力、固有的并行计算能力和时空动态特征，使得它在模拟空间 展和城市土地利用，都能从定性、定量上作很好的描述，并且这些 复杂系统的时空演化方面具有可行性和可操作性。在元胞涵义 方法属于动态方法，和自然世界有着比较好的结合。定义基础上，相应的元胞状态是土地利用类型划分（工业用地、居 Ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｇｒｏｗｔｈ ＺＨＥＮ Ｊｉａｎ－ｃｈａｏ ＣＨＥＮＦｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅ￣ｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅ￣ｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｂａｓｅｄ ｕｐｏｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｇｒｏｗｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｔｉｌａ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｕｒｂａｎ ｌｎｄ ｕｓｅ ｇｒｏｗａｔｈ ｉｓ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｗｕｈａｎ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒ ｕｓｅ ｏｆｕｒｂａｎｌａｎｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｒｂａｎ ｌｎｄ，ｓｐａｔｉａｌａ ｐａｔｔｅｒｎ，ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｃｈｎｉｅｑｕｅ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
