宁波市主城区三维空间格局分析研究

陈海珍，包 颖，井发明，申佩佩

（1. 宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042； 2. 宁波市阿拉图数字科技中心，浙江 宁波 315042）

0 引 言

城市建筑是城市三维空间格局的重要组成部分，建筑高度对城市三维空间形态和城市三维景观有重要的影响。合理引导城市范围三维空间格局，形成良好的城市整体高度秩序，是城市规划和建设过程中的着重关注点。当前，对于城市空间格局的分析研究大多集中在二维形态的研究，对城市三维空间格局方面研究相对较少。针对城市二维形态的研究主要是通过高空间分辨率遥感影像，分析城市二维空间格局[1-2]、城市功能区划[3]和城市景观格局[4]；同时也有不少学者利用历史影像和资料，追溯城市扩张和城市二维空间和景观演变[5-7]；对市域三维空间则侧重表现和展示，针对城市三维形态的研究，多从规划理论角度出发或从规划项目出发，探索历史街区天际线[8-9]、城市建筑高度控制原则等[10]，有部分学者对上海[11]和南京[11-13]等城市的三维空间进行了探讨，但目前研究相对较少。

宁波城镇化发展迅速，目前正开展新一轮总规修编和“城市双修”等工作，为了更好服务于宁波城市合理规划和建设管理,本研究从较大尺度出发，探究宁波市绕城范围主城区内的三维空间格局。借助第一次地理国情普查丰富的数据成果和城市大比例尺地形图数据，宁波市已获取了丰富详实的单体建筑及其高度数据。因此，本文通过GIS空间分析技术，利用聚合、邻域分析等空间分析方法，对宁波市绕城高速范围内近500 km2的主城区约46万幢建筑进行研究，从而对主城区的三维空间格局进行系统分析，为城市规划与建设提供依据。

1 研究区和数据

宁波是副省级城市，下辖6个区和4个县市，改革开放以来，城市化进程速度飞快，城市二维平面扩张和三维体量快速增长。研究区为宁波市绕城高速范围,如图1所示，主要覆盖海曙、江北、鄞州、镇海、北仑5个区的部分，为宁波核心主城区，总面积约为500 km2。

图1 研究区范围和局部建筑数据Fig.1 Study area and local buildings data

宁波市第一次地理国情普查期间，在国家和浙江省地理国情普查内容的基础上，基于高精度激光点云、高精度地表模型（DEM）数据、数字线划图、正射影像等提取建筑的高度信息[14]，完成建成区内建筑的高度普查。为实现研究区全覆盖，建成区范围外的局部数据使用大比例尺地形图中的建筑信息进行补充，部分不含高度信息的建筑使用层数数据，并以居民楼层高3 m，工厂工业建筑层高6 m进行模拟；同时，利用高精度DEM，将地形起伏信息也考虑在内。最终实现绕城高速范围内462 324幢建筑数据覆盖。

2 研究问题与方法

针对宁波城市特点，从城市扩张与城市竖向生长、三维空间特征识别、立体形态发展和天际线分析4个方面，利用叠置分析、数据抽象和栅格化、空间聚合和邻域分析、空间统计、天际线生成等方法进行研究区三维空间格局分析研究。

2.1 城市扩张与城市竖向生长

宁波市的发展经历了几个重要节点，1927年设宁波市，1978年改革开放，1987年成为计划单列市、1994年被确定为副省级城市。在漫长的城市发展历程中，城市扩张，既包括建成区的平面扩张，也包括城市的竖向生长。城市竖向生长，尤其是高层建筑的建设分布情况必然与宁波市城市历史演变有着紧密的联系。本文将高层建筑与长时间序列（分别为60年代、1979年、1987年、1998年、2007年和2016年）建成区扩张范围以及历史街区保护范围进行叠置分析，通过逻辑交和逻辑差等运算，提取不同扩张时期建成区以及历史街区范围内高层建筑分布信息。

2.2 三维空间特征识别

深入了解城市整体的三维空间特征对城市高度的分区优化管控具有较强的现实意义。本文利用详实的建筑高度数据意欲解读宁波城市三维空间的整体特征，但过于具象和精细的建筑底面和建筑高度信息，反而掩盖了整体空间分布和组团的规律[11]，需要采取一定的技术手段将具象的原始数据进行空间聚合和抽象。通过多次试验，本文采用结合虚拟格网加建筑体量特征指示以及空间聚合的方式实现数据抽象和栅格化。

1）首先生成研究区范围内100 m×100 m虚拟格网，利用建筑体量特征指示存储每个格网内建筑高度信息。建筑体量特征指示是选取格网中建筑容积最大的建筑，将其高度作为该格网的建筑高度数值。相较于传统的平均值、中数等采样方法，建筑体量特征指示能够避免建筑三维信息被过度平滑和掩盖。

2）栅格化后的主城区建筑达到了一定的数据抽象效果，但是仍然无法达到三维空间特征识别的要求，继续采用更大尺度的格网，容易以偏概全，导致建筑高度数据失真（尤其是超高层建筑信息丢失），故通过8×8格网邻域的焦点统计方法，采用邻域分析来实现趋势提取和空间聚合。

2.3 立体形态发展阶段研究

目前，宁波正在经历新一轮的城市总规修编，了解其城市立体形态的发展阶段，对于城市发展定位、管理优化都有一定的参考价值。城市的发展是一个动态的过程，不同的城市发育阶段，城市的立体形态也有着不同的发展阶段[12]。在城市发展的初期，人口自行缓慢集聚，多以低矮建筑为主，只有局部中心功能区开发强度较大，高层建筑呈现点状分布模式，面积占比小，城市立体形态呈现弱金字塔状,如图2a所示。随着城市不断发展，在人口增长和经济发展相互作用下，城市土地利用集约性增强，多层、高层建筑建设增加，不同建筑高度面积占比更加均衡，呈现均衡金字塔形,如图2b所示。随着城市继续发展，体量更加庞大，人地矛盾加剧，城市横向发展受限，竖向发展程度加剧，建筑高度和容积率增加，高层高度建筑面积占比增加，城市立体形态呈现穹隆顶式,如图2c所示。

图2 城市立体形态图谱特征[12]Fig.2 The features of urban three-dimensional morphology diagram[12]

根据《民用建筑通则》中建筑高度的分级[15]，将建筑按照10 m以下低矮建筑；10～24 m，多层建筑；24～36 m小高层建筑；36～50 m中高层建筑；50～100 m高层建筑；大于100 m超高层建筑，分为6个等级，并统计各级建筑的占地面积，制作城市立体形态发展图。

2.4 天际线分析

城市天际线是城市高低错落的建筑轮廓和城市整体格局给人的总体形象，是一个城市历史、文化、经济等方面发展的空间化体现，反映了一定时期内城市三维空间形态的特征[16]。优美而独特的天际线是城市特色的识别标志之一,在城市形象建设过程中越来越被重视。宁波于2017年入选国家“城市双修”试点，城市天际线美化也是城市修补的重要工作之一。

天际轮廓线的生成，其实就是指从某个观察点视角出发，城市三维空间在某一方向的投影。不同观察视角和观察距离对天际线具有较大的影响，对天际线的观察视点通常有江河航道、高速公路等城市通道，高层建筑和观光点等城市制高点，以及大型广场、绿地等开阔地带[17]。

宁波主城区内甬江、奉化江、姚江三江交汇，呈现鲜明的滨江河道。故本文以三江交汇口为视点，向滨江北岸、滨江东南岸和滨江西岸3个方向进行观察，通过投影生成对应的天际轮廓线。

3 结果与讨论

3.1 城市扩张与城市竖向生长分析

城市的发展和城市三维空间格局不是一蹴而就，而是带着很深的时代烙印[11]，通过对宁波城市扩张与城市竖向生长分析，得到如图3所示的分布图。可以判断，宁波市老城区城市高度层次格局以低层中层建筑为主。这一区域建筑空间表现为由连片的中低层和散点布局的高层建筑构成，整体空间新旧交织。中心城区历史街区保护范围内无高层建筑，在20世纪60年代至98年建成区范围内建设的50 m以上高层建筑占地面积约为45×104m2，21世纪扩张的新建成区范围内，高层建筑占地面积约为140×104m2。

图3 宁波市主城区建成区扩展与历史街区(a)及高层建筑分布图(b)Fig. 3 The process of spatial development (a) and the high-rise buildings group distribution in Ningbo downtown (b)

可见，城市三维空间和城市高度格局的形成与变化必然与城市演变发展的背景和历程有着不可分割的关系。出于溯本追源的情怀和文化保护，老城区尤其是历史街区仍保留着原有的建筑高度秩序。加之旧城改造的成本和难度直接限制了老城区用地集约度的提高，高层建筑基本上围绕老城区外围呈现圈层式发展。由于宁波市近年来南部新城和东部新城的崛起，高层建筑在这两个区块的建造更加火热，相较而言，老城区中江北区的高层建筑建设强度明显低于其他地区。

3.2 三维空间特征与城市商务中心

通过三维空间特征识别得到宁波主城区建筑高度聚合图，如图4所示。虽然城市的商务中心不仅仅靠建筑高度来体现，但是建筑高度一定是城市资本实力和空间功能定位的重要表现[18-19]。城市的商务中心，尤其是金融中心，其建筑高度往往会格外凸显，以“点团状”的高层和超高层单元彰显其中心的地位[11]，这不仅是因为功能等级和集聚程度的因素所致，同时也是资本注入和中国房地产开发的政策与机制在其中的作用是决定性的[20-21]。

图4 宁波主城区高层建筑聚合图Fig. 4 Aggregation chart of high-rise buildings in Ningbo downtown

从图4可以看出，宁波主城区三维空间呈现两个高层建筑高度集聚区（东部新城和南部新城）、一个轴线集聚带和多个次级集聚区，呈现“两主+一轴+多副”的空间分布格局。土地集约利用开发重心偏中部和东南片区，北部、西部片区集约程度较低。

中山路作为宁波最重要的一条大街，历经千年沧桑，以商业发达闻名。在上一轮宁波市城市总规（2006～2020）中，中山路被定义为城市主轴而重点打造。中山路历史悠久，贯穿宁波市老城区核心地带，出于对历史街区保护，也鉴于旧城改造难度，中山路城市主轴沿线的建筑高度的增长受限较多。反观东部新城和南部新城，从无到有的全新打造，必然有破竹之势，新城高楼林立，土地集约程度高，成为高层建筑集聚区。

3.3 城市立体形态

通过立体形态发展阶段研究可以看出，宁波市主城区的城市立体形态呈现弱金字塔模式，如图5a所示，高层以上建筑的分布比较有限，多为低矮建筑，主城区发育阶段还属初级阶段。可见绕城高速范围内城市发育不完全。宁波市于2017年4月进行商品房限购，并在主城区核心区域划定了限购区，以限购区为边界，进行城市立体形态研究，呈现出均匀金字塔结构，如图5b所示，可见限购区内，城市立体形态发育较完全。

3.4 天际线分析

利用天际线研究方法，生成宁波市滨江西岸、滨江东南岸和滨江北岸3个方向的天际线，宁波市主城区天际线起伏较为明显，如图6所示。滨江西岸城市天际线形态呈现“中部隆起”流线型格局，天一、鼓楼片区的天际轮廓线突出，伴有两幢超高层地标建筑，如图6a所示。滨江东南岸城市天际线绵延，视野中建筑高度普遍较高，呈现“两高三峰”格局，东部新城和南部新城高层建筑密集且伴有多幢超高层地标建筑，中部的三江口南岸亦伴有两个超高层地标建筑，如图6b所示。滨江北岸方向天际线呈现“整体平缓”格局，仅有镇海大厦单峰耸立，以低矮建筑为主，天际轮廓线缺乏辨识度，如图6c所示。

图5 建筑占地面积与建筑高度的关系图Fig. 5 Floor area-building height diagram

图6 宁波市主城区滨江西岸、滨江东南岸和滨江北岸城市天际线示意图Fig. 6 Urban skyline of western, southeastern and northern bank of Binjiang in downtown of Ningbo

城市天际线是对城市三维轮廓的整体认知，其形成也是城市政治、经济、文化等要素共同作用的结果，体现了城市资本力量和文化底蕴。规划合理的天际线能给人美的享受，是一张靓丽的“城市明信片”。在城市的设计建设中，既要追求建筑高度和容积率，也要考虑各方面的限高因素，还要考虑建筑群体合在一起是否协调，以满足人们审美的精神要求[16]。

4 结束语

本研究采用宁波市第一次地理国情普查数据，通过多角度空间分析，挖掘以城市建筑高度为主导的主城区三维空间格局，揭示了主城区三维形态的宏观规律，得到的结论为：

1）宁波市绕城高速范围内的主城区建筑以低矮建筑和多层建筑为主，城市立体形态发育不完全，还处于弱金字塔阶段，高层建筑占地面积占比较低，城市的土地集约利用程度较弱。宁波市限购区内城市立体形态发育程度较高，呈现均匀金字塔模式。

（2）宁波主城区三维空间呈现两个高层建筑高度集聚区（东部新城和南部新城）、一个轴线集聚带和多个次级集聚区，呈现“两主+一轴+多副”的空间分布格局。

3）高层建筑多分布在21世纪后扩展的建成区，老城区新建高层建筑面积占比较小，分布多集中在三江沿岸。

4）通过对滨江西岸、东南岸和北岸天际线的分析，滨江西岸天际线形态呈现“中部隆起”流线型格局；滨江东南岸城市天际线绵延，呈现“两高三峰”格局；滨江北岸天际线呈现“整体平缓”格局，天际线景观特点还不够鲜明。

本文从4个方向，分析了宁波市主城区城市建筑高度和城市三维空间格局，为城市高度秩序的引导，城市天际线的打造提供了重要的先验知识，对城市合理规划和建设具有重要的意义。目前使用的是单一年份的建筑数据和较为基础的地理信息空间分析方法，在下一步的研究中，通过收集多年地形图、影像图和三维模型数据，结合多种方法手段，研究城市三维空间格局演变历程。