基于GIS的北京市建筑密度空间分布特征分析

基于GIS的北京市建筑密度空间分布特征分析

郑新奇　象伟宁　李丽华

【摘要】建筑密度是研究城市空间发展模式的一个重要指标，本文利用GIS的空间分析功能，以天安门旗杆为中心，采用缓冲分析和区域切割法对北京市的建筑密度在环形带及扇形方向上进行变化分析，旨在寻找可能的空间分布规律。扇形分析结果表明，在地理条件优越的东南及南部地区建筑密度较高，西部和北部由于地形的影响密度较低。环形分析结果表明中心老城区的建筑密度最高，随着离城区距离的增大，建筑密度总体上呈递减状态。中心城区(1、2、3环形区，距离中心区约7.5km)平均建筑密度约为26%;城乡结合部(10～20环形区，距离中心25～50km)平均建筑密度约为9%;远郊区(环形区20以后，距离中心区大于50km)平均建筑密度不足3%。

【关键词】建筑密度　GIS　缓冲分析　城乡结合部　变化梯度

1.前　　言

建筑密度又称建筑系数，是指在一定用地范围内，所有建筑物的基底面积与用地面积之比，可直观反映某一地区的建筑密集程度^［1］。由于城市的发展扩大，不仅表现在人口的增长、经济的发展上，而且也表现在城市空间结构的发展变化上。所以同人口密度一样，建筑密度也是研究城市空间发展模式的一个重要指标。本文利用GIS软件的空间分析、量算和查询功能对北京市整个市域的建筑密度作扇形方向和环形带上的分析，以定量的方式研究其建筑密度的空间变化，分析北京市在空间上的发展特点，寻找城乡结合部的范围和空间变化特点。

2.研究区域概况

北京市这座历史悠久的世界著名古城位于华北平原西北边缘，北面和西北面有高耸的燕山、西山，东南面是永定河和潮白河的冲积平原。其市中心地理位置为北纬39°，东经116°，其近邻是河北省和天津市，北京全市土地面积16 355km²。其中平原面积6 338km²，占38.6%。山区面积10 072km²，占61.4%。总人口为1 492.7万人。城区面积87.1km²。全市总计16个市辖区，2个县。市辖区有东城区、西城区、宣武区、崇文区、海淀区、朝阳区、丰台区、石景山区、门头沟区、房山区、通州区、顺义区、昌平区、大兴区、怀柔区、平谷。县有延庆县和密云县。市区规划范围:东至定福庄，西至石景山，南至南苑，北至清河，方圆1040km²。市区中心地区的范围大体在四环路内外，面积近300km^2［2］。

3.数据来源及分析方法

本次研究采用的是2004年由北京市航空摄影图进行数字化后得到的矢量空间数据，比例尺为1∶5万。主要基础空间数据包括北京市市界图、北京市分区县图、建筑物基地图等。

北京市建筑密度变化分析是在MapinfoV7.0软件支持下，借助其二次开发工具Mapbasic编程，实现对缓冲带和扇形页面的分析。然后以天安门旗杆为中心(假定其为北京的市中心)，分别对北京市的建筑密度作扇形及环形上的分析。

(1)扇形方向分析扇形方向分析是以旗杆为中心均匀作8条辐射线与北京市边界相交，然后利用叠加、合并、擦除等形成研究区内的扇形区域^［3］，将北京市在方向上分为8个区域(如图1所示)。

(2)环形分析在环形分析中，以旗杆为中心，用2500m做等距离缓冲，做52个环形带，然后与北京市边界图经叠加、合并、擦除等操作，形成研究区内部的环形区域^［4］(如图2所示，编号从中心至外依次为1～52)。

各个环形区、扇形区及各建筑物的面积均在Mapinfo平台上，由自编程序自动从图形上量取获得。

图1　扇形分析

图2　环形分析

4.统计结果与分析

本次试验建筑密度计算方法采用统计区域内建筑面积/统计区域面积^［5］。整个北京市实验区域总面积为16355km²，建筑总面积为878.73km²，平均建筑密度为5.37%。

4.1　扇形区域分析结果

4.1.1　建筑密度的分布与扇形区面积大小关系不大

统计结果显示(见图3)，相应区域面积较小的3、4、5三个扇形区域建筑密度最高，约为10%，是整个北京市平均建筑密度的2倍。而面积较大的1、6、7、8四个区域密度却偏低，还不及北京市的平均建筑密度。并且面积最小的4区域，建筑密度不是最大，面积最大的1区域，密度也不是最小。因此扇形面积同建筑密度之间并无规律可言。但是纵观各区，面积大的扇形区域里都包含很大部分山区，因此，它们的建筑密度普遍要比面积较小的、以平原为主的扇形区要低(如图1和图2所示)。

图3　扇形分析结果

4.1.2　建筑密度受地形影响，丘陵山地建筑密度小于平原地区

从地理位置来讲，密度高的3、4、5扇形区地处北京市的南部和东南部，属于北京市平原地带。而密度较低的1、6、7、8扇形区则分布在北京的西部、北部和东北部，囊括了半个圆形的大山弯，即所谓的“北京弯”。平原地区占有优越的自然地理条件，地势平坦，土地肥沃，灌溉便利，农业生产的基础条件好，并且拥有舒畅密集的道路网，例如东部有高速公路、铁路通向天津新港、秦皇岛港、唐山港和黄晔港等出海口，向南又有主要铁路、公路干线通向广大中原腹地和东南沿海经济发达地区，商业活动发达，是北京市经济最活跃，增长潜力最大的地区，便于人口的聚集和发展^［6］，因此建筑密度要高。相反，丘陵山地地区土地利用困难，只能以林、牧、果为主，加上由于地貌的限制致使其交通不便、经济发展缓慢，从而发展空间极少。处上风上水的西北地区更多考虑生态环境保护，建设用地的开发也受到限制。因此扇形区1、6、7、8的建筑密度极低。在这四个区域中，扇形区7中几乎全为远郊山区，并且96%的面积为山区的门头沟就在这个区域中，以矿业和农业为主的这片区域必然是地广人稀，所以建筑密度是最低的。

4.1.3　建筑密度分布受城市规划影响大

2004年之前，北京市城市规划发展重点是以市环线和市中心对外部的放射性交通干线为主要发展轴，而且把更多的投资放在了东部和北部。例如东部区域的顺义、通州区是承接中心城人口、职能疏解和新的产业聚集的主要地区，是北京第二产业集中发展的区域，以及北部奥林匹克体育中心、亚运村和海淀区为中心的高科技园的建设^［7］都对这些区域的建筑密度有很大影响。在北京西部则以生态优先的原则划定限建区，严格控制浅山区的开发建设。建筑密度的空间变化在很大程度上受到城市规划的影响。

4.1.4　不同区域建筑密度差异较大

从统计结果来看，依照扇形区编号，建筑密度变化曲线先是急剧增大，到3后稍趋于平缓，区域5之后迅速降低，在8处又有一定的反弹。除了扇形6和8的建筑密度相近之外，其他不同扇形区之间的建筑密度差异较大。这是由不同区域的地理条件、历史因素、经济发展情况、基础设施建设不同而导致的综合结果。

4.2　环形区域分析结果

环形区的统计结果见图4。由此得出的总结果是:中心城区即1、2、3环形区，距离中心区约7.5km，平均建筑密度约为26%;城乡结合部在10～20环形区，距离中心区25～50km，其平均建筑密度约为9%;环形区20之后的远郊区，距离中心区大于50km，平均建筑密度还不足3%。

图4　环形分析结果

4.2.1　建筑密度从中心向外围逐渐变小，除老城区外，变化梯度比较平缓

中心环形区1密度最高，2、3环形区次之。这三个环形区主要为东城区、西城区、崇文区和宣武区这四个老城区，这里是城市的中心和城市的主体，交通便利，属于北京市最繁华的地段，人口最密集区域，是北京市的政治、文化、商业、娱乐中心。在这一区域充分体现了城市的集聚效应，因此建筑密度最高。环形3与4、5处有一个显著转折段，这部分主要是朝阳、海淀、丰台、石景山这四个近郊区中涵盖了三环、四环地区的区域。由于老城区已经达到饱和，而近郊区还处在发展阶段，并且近年来规划部门开始注重生态环境建设和城市绿色规划而不是盲目追求过高的建筑密度，因此该区域内建筑密度波动较大。随着离市中心距离的增大，城市的辐射效用减小，城乡结合部和远郊区域之间的建筑密度变化趋于比较平缓。

4.2.2　老城区与新城区的明显界限在距中心15～20km

老城区即所谓的东城、西城、崇文和宣武，新城区就是指朝阳、海淀、石景山和丰台区。从曲线图上可以看出，老城区与新城区的明显界限出现在环形带6至8，大概距中心15～20km处。新城是近年来发展和建设最为活跃的地区，地处北京老城区边缘，虽然这些新城区的区位不及老城区，但是由于距离市中心比较近，而且具有便利的交通、完善的基础设施、良好的居住环境，同时加上政策的调解，人们思想观念也发生变化，越来越多的居民和企业已经迁到这里。新城在北京市的经济社会发展中有着重要的地位，是北京市发展的重点和热点。

4.2.3　北京市的城乡过渡区宽广

城乡结合部是乡村城市化最为迅速的地区，是城市之尾，乡村之首。从环形分析曲线来看北京市城乡过渡区比较宽广。这是因为城乡结合带的大小与城市规模、城市人口、经济发展呈相关关系^［8］。曲线上建筑密度约为9%的环形区域均属于北京市的城乡过渡带，距中心约25～50km。

4.2.4　不同方向上城乡过渡带的大小不同

基于以上单一的环形带分析，为了更确切地得到城乡结合部的空间分布规律，本文又以天安门旗杆为中心，将环形区分为8个分区。经统计分析，得到了沿这8个方向的建筑密度的变化情况，以此来更好地分析北京市城乡结合部的特点，如图5所示。

从8个不同方向的统计曲线可以看出，第一，8个方向的建筑密度曲线形状大体一致，中心区密度最高，随距离增加，建筑密度的总体趋势减小，这也验证了本文环形带的分析结果。第二，城乡结合部的位置呈现一定的区域和方向性特点。东部四个区域内城乡结合部大概从距中心22.5km处开始。而西部几个要比东部的近，西北和北西两个方向是从距中心约17.5km处开始。这是由于近年来北京的发展趋向东部的原因。第三，城乡结合部的宽度除东北和西北两个方向外都为30km左右。东北方向结合部的范围最广，约为47km。而西北部最小，只有10km左右。第四，城乡结合部的建筑密度都在10%左右波动。第五，5、6、7、8有别于前1、2、3、4的特点，就是有次峰值出现，反映出这里有卫星城镇。

不同方向上城乡结合部之间的空间分布差异是由各方向的经济发展状况，基础设施建设状况、自然条件等因素引起的。

北京市的城乡结合部主要是远郊区中的昌平、顺义、门头沟、怀柔、房山等众多靠近市区的卫星城区域。由于城市中心发展的相对饱和，政府加强对这些卫星城镇的基础建设，使越来越多的发展开始趋向北京周边的这些区域。而且这些区域均处北京市小平原，地理条件也比较优越，加上北京市环路建设，使其交通相对便利^［9］，这些地区经济发展具有良好势头，很适合作为北京市区发展的后备资源，用于缓解北京城区用地紧张的局面。

4.2.5　北部偏远地区建筑密度低

从环形带33以后为北京市的偏远地区，建筑密度低于1%，这里地处北京市的西北、北部和东北，是北京山区地带，包括延庆县，怀柔区和密云县的北部。这些区域由于自然地理条件的限制，基础设施较差，投资环境和发展前景远不及其他区域，已经不适合城市的发展，而主要用来发展工业、矿业和农业，主要以农村为主。

环形总体分析结果表明中心城区建筑密度最高，近郊区次之，靠近城区且区位较好的远郊区建筑密度其次，而距离市中心远、属于山区的远郊区建筑密度最低。环形分析结果在一定程度上证实了城市对周边区域的辐射作用。实际上这个结果也反映出北京市土地利用开发程度的空间分布特点。

图5　环形分析中沿不同方向的建筑密度变化

5.结　　论

本文利用地理信息系统软件Mapinfo对北京市的建筑密度作了扇形和环形的分析，给出了定量的结果。从扇形区和环形区的综合分析来看，离市中心较近的地处平原的北京市东部和南部区域建筑密度较高，该区域由于交通便利，经济的发展迅速，必然会吸引更多的居民和企业，因此建筑密度要远高于其他区域，而且由于政策的调节，一大部分的工厂迁往东南部，也是这片区域建筑密度高于其他的一个原因。虽然市中心区域建筑密度最高，但是已没有发展潜力，建设上主要是保留古建筑，改造旧建筑为主。而对于周边的近郊区和远郊区则有更高的开发空间和价值，建筑密度会继续升高。偏远的西北部主要由于地形地势的影响，没有发展空间，而主要集中的是农村住宅区域、工矿企业和风景区，因此建筑密度较低^［10］。建筑密度的高低是同时受区域经济、地形、交通、土地肥沃程度及利用类型等因素影响的。

此次试验分析结果与另外一些学者对北京市的人口密度变化趋向相一致^［11］。因为人口密度和建筑密度有很高的相关性，表现为正相关趋势，人口密度高的区域建筑密度往往高，反之则低。因为人口在居住区的聚集和增长，直接要求居住区提供更大的工作和生活空间，形成“人口数量增加——人口密度增加——居民点及建设扩大”模式^［12］。本文的分析结果基本能够反映当前北京市建筑空间分布特征。所不足的是没有将建筑容积率指标进行一同考虑，也没有进行多时段的对比分析，待数据具备再作进一步的研究，从而更好地分析北京市的土地利用特点，为节约集约利用土地提供参考。

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