新技术应用与测度方法改进

2．2．2　新技术应用与测度方法改进

近年来，随着学科领域的拓展和相关学科方法的引入，分析方法逐渐丰富，如空间分析法、数理统计法、文献分析法、系统动力学方法以及近年来兴起的分形理论和自组织理论、景观生态学等方法。1990年代以后，地理信息科学被引入城市形态研究中，形成了城市形态定量研究的分析平台。比较突出的有GIS（地理信息系统）和RS（遥感）的空间分析、分形、CA技术以及城市自组织研究（冯健，2004）。

GIS和RS的结合成为研究城市形态及其演化十分有力的手段。其中RS多用于城市空间信息的提取和城市空间扩展的监测（杨山等，2002a、2002b；刘纪远等，2003）。GIS技术集成了多种统计与空间分析方法，可以应用于城市形态的多方面分析，如城市形态网络拓扑分析（张勇强，2001；李江等，2002；段杰等，2002；李江等，2003；李江等，2004a）、形态构成要素的相关性分析、城市土地利用变化与城市形态的外部扩展分析（肖捷颖等，2003）、城市形态的多尺度分析（李江等，2004b）和多时相的序列分析（陈龙乾等，2004）等。

分形理论产生以后，学者们开始关注城市形态所隐含的自然规律，城市形态的分形研究由此开始走向地理科学的前沿。1991年，Batty发表了《作为分形的城市：模拟生长与形态》一文，标志着城市形态分形研究的开始；1994年，Batty和Longley联合出版了《Fractal Cities：A Geometry of Form and Function》一书，对城市边界、用地、城市结构和城市人口——城区面积的异速生长等方面进行了大量的模拟和研究工作（Batty，1991；Batty ＆Longley，1994）。Lam和Cola主编的《Fractals in Geography》被认为是指导城市形态分形研究的理论著作，其中包括Batty和Longley所撰写的“分形理论学与城市形态”。

我国的城市形态分形研究自2000年以来逐渐成为研究热点。研究的领域包括城市平面形态分形（张宇，2000；曲国庆等，2002；王富臣，2002），城市土地利用形态分形（刘明华，2001；罗宏宇等，2002）、城市结构分形（陈彦光等，2002）等方面。与西方的有关领域相比，国内的分形研究明显具有自己的特色：在研究对象方面，西方着重于研究城市的结构和形态，中国则着重研究城市空间和等级体系；在研究方法上则主要借助于数学理论构造假设建立模型（陈彦光，2005）。

几乎与城市分形研究相同时，基于元胞自动机理论的城市生成、发展、演化模拟成为研究热点，在高性能计算机的支撑下，其模拟、预测城市形态的能力，正在为越来越多的地理学家们所重视（刘妙龙等，2000）。元胞自动机（cellular automata，CA）是在20世纪40年代由Ulam首先提出来的，并很快被Von Neumann用来研究自组织系统的演变过程（张勇强，2004）。元胞自动机模型在城市形态、用地增长与扩散、土地利用演化的模拟方面的研究比较深入，并取得了较多的成果（White，1993；Couclelis，1997；White ＆Engelen，1997；Wu ＆Webster，1998；Wu，1998；Wu，2000）。Tobler在20世纪70年代首先正式采用了元胞自动机的概念来模拟当时美国五大湖边底特律地区城市的迅速扩展；克拉克（K．Clarke，1997）等利用城市发展的历史数据、交通、地形条件设定适当的参数，建立了CA模型，1996年开始先后对旧金山和华盛顿巴尔的摩都市区进行成功模拟和长期预测。随着CA技术被引入国内（周成虎、孙战利，1999；陈彦光、周一星，2000），许多学者将其应用于城市形态演化的模拟，取得了较好的效果（黎夏、叶嘉安，1999、2001、2002；王红等，2002；何春阳等，2002、2003；杨青生，2005）。在CA的模拟过程中，城市形态的演变过程可以很方便地动态显示出来。尽管城市发展受一系列复杂因素所影响，但CA技术可以有效地模拟各种可能条件下城市发展的趋势。

20世纪六七十年代，耗散结构理论、协同学、突变论等有关自组织理论不断建立和发展并在城市形态研究中得到应用。城市自组织理论的形成使人们以一种新的方式去看待和研究城市（Batty，1996）。2000年，Portugali出版了《Self－organization and the City》，对城市自组织、自组织规则、协同的城市以及自组织与城市变革等方面进行了翔实的研究，是西方自组织城市研究的集大成之作。2001年，我国学者陈彦光和刘继生提出了城市土地利用结构的信息熵和均衡度公式，借助网格法定义城市土地利用的空间熵，并建议借此测算城市土地形态的信息维（陈彦光、刘继生，2001）。

景观生态学理论和方法也逐步被引入城市形态研究中（宗跃光，1996、1998、1999、2002、2004、2005；周向频，1995；王如松等，2004）。运用景观生态学的格局指数可以有效地对城市形态的相关特征进行定量测度。近年来，我国景观生态学在城乡交错带及城市扩张方面进行了景观格局及其动态变化的研究。肖笃宁等（1990，1996，1999）运用景观格局分析指标和马尔可夫模型对沈阳西郊进行了景观格局分析及预测，此后又对沈阳市东陵区进行了景观动态方面的研究，以及沈阳市的城市景观分区和景观生态规划；宗跃光（1998，1999）则以北京市为例开展了廊道效应与景观结构方面的研究，分析了城市景观不同方位的廊道扩展量、扩展速度及其变化趋势，提出将自然廊道体系纳入城市规划，以阻止城市发展的“摊大饼”趋势；曾辉等（1998，1999）对珠江三角洲地区的小城镇空间扩展动态开展研究；李贞（1997，1998）研究了广州市城郊景观的生态演化，并对广州城市绿地系统进行了景观生态学分析；高峻（2003）对上海市西南城乡交错带进行了景观动态的研究，并研究了上海城市绿地景观格局的特点。张利权等（2004）利用基于GIS的梯度分析与景观指数相结合的方法，定量分析了上海市城市化的空间格局。