研究背景
核心挑战
城市三维增长与文化古迹保护之间的空间冲突矛盾给可持续发展带来了严峻挑战。城市快速扩张会改变城市地区及其周围环境，导致世界各地自然和文化古迹的破碎和退化。
三大影响层面：
- • 空间侵占：建设活动直接侵占历史遗迹保护空间
- • 景观干扰：高层建筑破坏古迹景观视廊完整性
- • 环境效应：城市三维增长引起的环境变化威胁
研究目标
联合国可持续发展目标SDG11提出了"加强维护和保护世界文化和自然遗产"，因此如何控制城市过度蔓延，保存文化古迹，是实现可持续发展目标的重要一环。
研究意义：
- • 为城市空间布局优化提供科学依据
- • 支持遗址管控与治理决策
- • 促进可持续发展目标实现
- • 协调城市发展与文化保护
研究创新
模型创新
构建三维分区GA-CA-Markov模型，首次将古遗迹保护因素纳入城市三维增长模拟框架
空间精细化
引入K-means分区策略，实现不同区域古迹保护强度的差异化建模
智能预测
集成随机森林和LightGBM算法，实现功能分区和建筑高度的精准预测
研究方法
模块一：水平增长模拟
模块二：功能分类
模块三：垂直增长预测
技术路线图
研究区域
西安都市圈概况
面临挑战
快速城市化推动城市空间由水平扩展向垂直集约转型，在提升空间利用效率的同时，也对历史文化遗迹的保护构成严峻挑战。
情景设计
情景一：过度增长
保护水平：最低（保护因子=0）
特征：保护缺失，城市粗放扩展
影响：古迹区域面临严重侵占风险
情景二：惯性发展
保护水平：中等（差异化保护）
特征：基于历史扩张路径预测
影响：模拟精度最高的现实情景
情景三：古迹保护
保护水平：最高（保护因子=1）
特征：严格保护，协调发展
影响：实现保护与发展平衡
研究结果
模型性能评估
水平增长总体精度
Kappa系数
建筑高度RMSE
核心发现
空间增长模式
- • 古迹保护情景下呈现跳跃式与边缘式增长
- • 新增建设用地以住宅与公共服务用地为主
- • 形成低密度的有序扩张格局
- • 城市发展向新区引导，避免古迹侵占
建筑高度控制
- • 新增建筑高度受到严格控制
- • 以中低层建筑为主（12-16米）
- • 古迹周边0.5km范围内显著限高
- • 有效维护城市景观整体协调性
SHAP影响分析
住宅用地
距古迹0-0.5km范围内SHAP值多数为负，显示显著的负向影响
公共服务用地
距古迹0-0.8km范围内SHAP值普遍为负，建筑被严格限高
情景对比结果
| 发展情景 | 增长模式 | 建筑高度 | 古迹影响 |
|---|---|---|---|
| 过度增长 | 边缘式+填充式，破碎化无序 | 12-16m，部分区域>16m | 严重侵占古迹用地 |
| 惯性发展 | 填充式+外延式，相对稳定 | 以12m以下为主 | 部分侵占，保护不足 |
| 古迹保护 | 跳跃式+边缘式，有序扩张 | 严格控制在12-16m | 完全避免侵占 |
2020年西安都市圈实际建设用地增长与模拟结果对比
西安都市圈4种城市功能类型的参考和预测建筑垂直高度的散点图
研究结论
模型有效性
三维分区GA-CA-Markov模型能够有效模拟古迹约束下城市增长格局，城市水平增长模拟的总体精度达到89.65%，FoM系数达到0.274，建筑高度均方根误差在1.7~2.8m之间，为历史文化名城的空间规划与立体限高管理提供了科学依据。
协调发展
合理的限高和空间规划可优化城市增长模式，实现城市发展与文化古迹保护的平衡。古迹保护情景下，新增建设用地以住宅与公共服务用地为主，呈现跳跃式与边缘式增长，整体形成低密度的有序扩张格局。
保护效应
"距古遗迹距离"因素对建筑高度具有显著的约束作用，古迹周边0.5-1km范围内对住宅高度有约束力，公共服务建筑高度在0.8km内受到显著控制，有效维护了城市景观的整体协调性。
应用价值
城市规划应用
- 为城市空间布局优化提供科学依据
- 支持立体限高管理政策制定
- 指导历史文化名城空间治理
- 促进可持续发展目标实现
文化遗产保护
- 量化评估城市发展对古迹的影响
- 优化古迹保护区空间管控策略
- 维护历史景观视觉廊道完整性
- 协调城市发展与文化传承
未来展望
动态协调机制
探索在模型中构建古迹保护与城市增长的动态协调机制，实现保护边界与保护力度的更新。
视域分析
引入视域分析技术，量化三维扩张对遗产景观要素的遮挡程度与干扰强度。
环境效应
引入城市气候模型，评估城市三维增长对遗址区热环境、土壤性质的干扰机制。