城市群空间结构的划分方法

1.本发明属于城市结构划分的技术领域，具体涉及一种城市群空间结构的划分方法。


背景技术：

2.近年来，全球人口的快速增长，直接导致了全球快速的城市化，城市化进程加快和人口数量激增等使得土地开发强度加大，城市向周边的乡村蔓延。统计表明，我国城市和建制镇的面积从1990年-2019年间增加了近5倍，推行市管县体制改革以来，市辖区和建制镇数目均增加了近一倍。城乡间的交流与联系日趋紧密，景观边界也趋于模糊，20世纪中后期以来出现了与传统的城乡二元景观差异大、职能也混杂交错的郊区区域，城市的空间结构划分转变为城市-郊区-乡村的地域结构模式。
3.城区-郊区-乡村的划分界限尚没有明确的定义，在大区域尺度的城市群研究中多采用建设用地面积比例进行划分，并常采用50％和25％作为郊区内外边界的划分阈值。但采用阈值法进行区域划分时，通常对研究区域的不同城市采用统一的阈值划分，但不同城市具有不同的发展特点，采用统一阈值划分显然不够客观。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种城市群空间结构的划分方法，该方法可以适用于长时间范围、大空间区域内的城区-郊区-乡村划分，为城市空间规划和发展评估提供技术支撑。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种城市群空间结构的划分方法，包括如下步骤：
7.步骤1：将城市群中的城市按照相应指标进行聚类；
8.步骤2：在每类城市中选取一个作为阈值划分的典型城市；
9.步骤3：计算典型城市的建设用地密度；
10.步骤4：根据步骤3计算的建设用地密度设定城区、郊区、乡村划分的初始阈值，并按照阈值对步骤2选取的典型城市进行划分；
11.步骤5：从步骤4划分结果中选取错分区域，并取错分区域的建设用地密度均值作为修正阈值；
12.步骤6：根据步骤5得到的修正阈值重新将其对应的城市群中的每个城市划分城区、郊区、乡村。
13.进一步地，步骤1中选取地区生产总值、常住人口数、人口密度和土地面积4个指标对城市群的不同城市进行分类。
14.进一步地，步骤3中建设用地密度的计算公式如下：
15.16.其中，density(i,j)为地图中点(i,j)的建设用地密度，area_construction
circle()
为半径为n的圆形区域的建设用地面积，area
circle()
为半径为n圆形区域的面积，area_water
vircle()
为半径为n圆形区域中包含的水体面积。
17.进一步地，选取50％作为城区-郊区划分的初始阈值，选取25％作为郊区-乡村划分的初始阈值。
18.进一步地，步骤5具体方法为：
19.将步骤4划分的边界投影到地图上，筛选出错分区域，提取出错分区域的建设用地密度，并计算错分区域的建设用地密度的均值，且将该均值作为修正后的建设用地密度阈值。
20.进一步地，步骤5中错分区域包括：
21.城区区域内与郊区相连接的农田、草地、森林、山体、裸地区域被划分为误分的郊区区域；
22.郊区区域内与城区相连接的建设用地被划分为误分的城区区域；
23.郊区区域内与乡村相连接的农田、草地、森林、山体、裸地区域被划分为误分的乡村区域；
24.乡村区域内与郊区相连接的建设用地被划分为误分的郊区区域。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
26.1)本发明提供了一种基于改进的阈值法提取城区-郊区-乡村边界的方法，可以适用于长时间范围、大空间区域内的城市空间边界提取；经检验，本发明利用改进的阈值法，克服了传统方法将大范围区域内不同城市按照相同标准划分城区、郊区和乡村带来的误差；
27.2)此外，设计了剔除水体干扰的建设用地密度计算方法，避免了邻近水体的区域建设用地密度计算偏低的情况；
28.3)本发明建立的基于改进的阈值法的城市城区-郊区-乡村提取方法，对于反映城市城区-郊区-乡村发展演变情况，以及研究区域空间规划管理都具有重要作用。
附图说明
29.图1为本发明实施例提供的城市群空间结构的划分方法的流程图；
30.图2为本发明实施例基于修正阈值的2010年城区-郊区-乡村边界划分结果。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
34.为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面选取城市人工表面数据集
gaia(30米)数据作为建设用地数据，中国年度土地覆盖产品(clcd)(30米)获取水体数据，以改进的阈值法划分2010年长江中游城市群的城区-郊区-乡村为例，对本发明作进行详细描述。见图1，本发明实施例公开了一种城市群空间结构的划分方法，包括以下步骤：
35.步骤1：将城市群中的城市按照城市自然和社会经济特点聚类；
36.为了兼顾城市的自然地理特点和社会经济情况，本发明选取了地区生产总值、常住人口数、人口密度和土地面积4个指标对长江中游城市群的不同城市进行分类，数据来源分别为湖南、湖北和江西省统计局的统计年鉴数据。长江中游城市群共包含31个城市，城市的自然地理条件和社会经济发展情况各不相同，对城市进行分类有利于划分不同城市的空间结构和分析。由于2000年和2005年统计数据缺失，本实施例选取2010年31个城市的地区生产总值、常住人口数、人口密度和土地面积4个指标，经归一化处理后，进行k-means聚类分析，在本实施例中，当将城市分为4类时，城市分类结果较为恰当，聚类结果及指标如下表1所示。
37.表1 2010年相关指标及聚类结果
38.[0039][0040]
步骤2：典型城市选取
[0041]
根据地区生产总值、常住人口数、人口密度和土地面积四个指标分别对城市进行对比，并在步骤1得到的每类城市中，各选一个在该类别中处于中等水平的城市，作为阈值划分的典型城市，代表该类城市进行阈值划分。
[0042]
具体典型城市选取过程可以先将各个指标数据值进行线性归一化，使得所有值均映射到[0,1]之间，再设置各指标的权重，本实施例中将地区生产总值、常住人口数、人口密度和土地面积各指标权重分别设为0.8、0.05、0.05和0.1(在别的实施例中，可根据关注的重点不同设置不同的权重)，得到每个城市的各指标加权后的和，取和最接近0.5的城市作为典型城市。
[0043]
按照上述标准，分别选取了武汉市、九江市、新余市、益阳市作为四类城市的代表城市。
[0044]
步骤3：建设用地密度计算
[0045]
建设用地密度定义为在面积为1平方公里的圆形区域(即半径为584米的圆形区域)非水体部分的建设用地的面积比例；剔除水体面积为了避免邻近水体的建设用地被误分，建设用地密度的计算公式如下所示：
[0046][0047]
其中density(i,j)为点(i,j)的建设用地密度，area_construction
circle(＝584m)
为半径为584米的圆形区域的建设用地面积，area
circle(84m)
为半径为584米圆形区域的面积。
area_water
circle(84m)
为半径为584米圆形区域中包含的水体面积；
[0048]
在matlab中按照上述计算公式计算典型典型城市的建设用地密度。
[0049]
步骤4：初始阈值划分区域
[0050]
根据步骤3计算的建设用地密度设定城区、郊区、乡村划分的初始阈值，并按照阈值对步骤2选取的典型城市进行划分；
[0051]
在本实施例中，选取50％作为城区-郊区划分的初始阈值，并选取25％作为郊区-乡村划分的初始阈值，对步骤2选取的典型城市进行划分。
[0052]
步骤5：选取错分区域，并取错分区域的均值为修正阈值；
[0053]
将初始划分边界以shape的形式投影到google earth上，人工目视解译勾画出错分区域。其中，从城区、郊区到乡村，建设用地逐渐减少，自然景观逐渐增多，错分区域选取的标准为：
[0054]
1)城区区域内，与郊区相连接的较大面积的农田、草地、森林、山体、裸地等自然景观存被划分为误分的郊区区域；
[0055]
2)郊区区域内，与城区相连接的较大面积的建设用地被划分为误分的城区区域；
[0056]
3)郊区区域内，与乡村相连接的较大面积的农田、草地、森林、山体、裸地等自然景观存被划分为误分的乡村区域；
[0057]
4)乡村区域内，与郊区相连接的较大面积的建设用地被划分为误分的郊区区域。
[0058]
在google earth上对典型错分区域进行勾选后，导出错分区域的kml文件，在arcmap上将错分区域对应的建设用地密度进行提取，并取错分区域的建设用地密度的均值作为修正后的建设用地密度阈值。
[0059]
将勾选出的矢量图斑使用arcmap的“extract by mask”工具提取出对应的建设用地密度值，采用“栅格计算器”将图斑按照区域分类后计算密度均值，得到以上四类城市的城区-郊区边界修正阈值和郊区-乡村边界修正阈值，阈值统计情况如下表2所示。
[0060]
表2城区-郊区-乡村边界阈值
[0061][0062]
步骤6：根据步骤5得到的修正阈值重新将其对应的城市群中的每个城市划分城区、郊区、乡村；
[0063]
根据步骤5得到的修正阈值重新将其对应的城市群中的每个城市划分城区、郊区、乡村。在arcmap中的“raster calculator”和“raster to polygon”工具获取四类城市重新划分的城区-郊区和郊区-乡村的边界shape数据，将边界矢量数据投影到2010年google earth历史影像上结果如图2所示，视角海拔高度为50公里，图2中(a)、(b)、(c)、(d)分别对应代表了武汉市、九江市、新余市和益阳市，城区和郊区的结果如图中浅灰色和深灰色部分所示，其余区域为乡村区域。
[0064]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对
于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种城市群空间结构的划分方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将城市群中的城市按照相应指标进行聚类；步骤2：在每类城市中选取一个作为阈值划分的典型城市；步骤3：计算典型城市的建设用地密度；步骤4：根据步骤3计算的建设用地密度设定城区、郊区、乡村划分的初始阈值，并按照阈值对步骤2选取的典型城市进行划分；步骤5：从步骤4划分结果中选取错分区域，并取错分区域的建设用地密度均值作为修正阈值；步骤6：根据步骤5得到的修正阈值重新将其对应的城市群中的每个城市划分城区、郊区、乡村。2.根据权利要求1所述的城市群空间结构的划分方法，其特征在于，步骤1中选取地区生产总值、常住人口数、人口密度和土地面积4个指标对城市群的不同城市进行分类。3.根据权利要求1所述的城市群空间结构的划分方法，其特征在于，步骤3中建设用地密度的计算公式如下：其中，density(i，j)为地图中点(i，j)的建设用地密度，area_construction
circle(r＝n)
为半径为n的圆形区域的建设用地面积，area
circle(r＝n)
为半径为n圆形区域的面积，area_water
circle(r＝584m)
为半径为n圆形区域中包含的水体面积。4.根据权利要求1所述的城市群空间结构的划分方法，其特征在于，步骤4中，选取50％作为城区-郊区划分的初始阈值，选取25％作为郊区-乡村划分的初始阈值。5.根据权利要求1所述的城市群空间结构的划分方法，其特征在于，步骤5具体方法为：将步骤4划分的边界投影到地图上，筛选出错分区域，提取出错分区域的建设用地密度，并计算错分区域的建设用地密度的均值，且将该均值作为修正后的建设用地密度阈值。6.根据权利要求1所述的城市群空间结构的划分方法，其特征在于，步骤5中错分区域包括：城区区域内与郊区相连接的农田、草地、森林、山体、裸地区域被划分为误分的郊区区域；郊区区域内与城区相连接的建设用地被划分为误分的城区区域；郊区区域内与乡村相连接的农田、草地、森林、山体、裸地区域被划分为误分的乡村区域；乡村区域内与郊区相连接的建设用地被划分为误分的郊区区域。

技术总结
本发明公开了一种城市群空间结构的划分方法，包括：将城市群中的城市按照相应指标进行聚类；在每类城市中选取一个作为阈值划分的典型城市；计算典型城市的建设用地密度；根据步骤3计算的建设用地密度设定城区、郊区、乡村划分的初始阈值，并按照阈值对步骤2选取的典型城市进行划分；从步骤4划分结果中选取错分区域，并取错分区域的建设用地密度均值作为修正阈值；根据步骤5得到的修正阈值重新将其对应的城市群中的每个城市划分城区、郊区、乡村。本发明适用于长时间范围、大空间区域内的城市空间边界提取，克服了传统方法将大范围区域内不同城市按照相同标准划分城区、郊区和乡村带来的误差。来的误差。来的误差。


技术研发人员：王超 袁晓蕾 李柏延 崔傲雪 王伟
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/7/19