地鐵建設(shè)對(duì)城市土地利用時(shí)空變化的影響

楊華溢，朱翔

（湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院）

1 引言

城市化快速發(fā)展往往伴隨著各種城市病的出現(xiàn)，交通堵塞是突出表現(xiàn)，地鐵的建設(shè)正是有效緩解這一問題的重要方式之一。近年來(lái)，地理學(xué)界開始關(guān)注地鐵建設(shè)如何與城市土地利用產(chǎn)生相互作用關(guān)系。如段德罡等對(duì)西安地鐵2號(hào)線站點(diǎn)周邊用地功能進(jìn)行定量分類[1]；何冬華等分析了軌道交通環(huán)線對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)與土地利用所產(chǎn)生的影響[2]；周青峰等對(duì)城市軌道交通站點(diǎn)周邊土地利用和交通的協(xié)調(diào)性進(jìn)行研究[3]。以上專家學(xué)者主要以遙感影像獲取土地利用數(shù)據(jù)，或根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)提供的土地利用數(shù)據(jù)，分析單一時(shí)間點(diǎn)下的土地利用結(jié)構(gòu)或?qū)Ρ炔煌瑫r(shí)間點(diǎn)的土地利用研究為主。而地鐵建設(shè)的規(guī)劃、施工、運(yùn)營(yíng)等階段對(duì)周邊土地利用所產(chǎn)生的影響是持續(xù)不斷的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，這種變化在不同區(qū)域及不同建設(shè)時(shí)段的發(fā)生和發(fā)展有一定差別。探討地鐵建設(shè)在不同時(shí)段、對(duì)不同區(qū)域的周邊土地利用變化特征所產(chǎn)生的作用，便于揭示不同時(shí)間段內(nèi)城市土地利用隨地鐵建設(shè)推進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，把握地鐵建設(shè)對(duì)土地利用變化的時(shí)空影響，更準(zhǔn)確地做出預(yù)測(cè)，為地鐵建設(shè)方案的模擬與優(yōu)化提供量化參考。

2 城市精細(xì)土地利用時(shí)空信息獲取

長(zhǎng)沙市軌道交通規(guī)劃自2006年1月啟動(dòng)，截至2019年10月，長(zhǎng)沙軌道交通運(yùn)營(yíng)線路共4條： 1號(hào)線、2號(hào)線、4號(hào)線、磁浮快線。線網(wǎng)覆蓋長(zhǎng)沙主城區(qū)全域和長(zhǎng)沙縣，共設(shè)車站71座、換乘站6個(gè)，運(yùn)營(yíng)里程102.21km。在建線路共3條（段）：3號(hào)線一期、5號(hào)線一期、6號(hào)線中段。

長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線是長(zhǎng)沙軌道交通的核心線路，南北向的1號(hào)線與東西向的2號(hào)線在五一廣場(chǎng)站換乘，形成了長(zhǎng)沙地鐵 “米字形構(gòu)架，雙十字拓展” 總體結(jié)構(gòu)布局方案的主“十字”，實(shí)現(xiàn)地鐵與鐵路、公路、航空、城鐵的快速換乘，聯(lián)通湘江兩岸與五一廣場(chǎng)、梅溪湖、東塘等核心商圈。1號(hào)線于2010年12月開工，2016年6月正式開通運(yùn)營(yíng)，北起開福區(qū)政府站，沿黃興路和芙蓉路兩條中心城區(qū)主干道到達(dá)最南端的尚雙塘高架站，共設(shè)有20個(gè)車站。

基于遙感影像與百度POI數(shù)據(jù)獲取情況，以長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線一期沿線1000m緩沖區(qū)范圍作為研究區(qū)，選取長(zhǎng)沙市中心城區(qū)2005年12月、2008年3月、2012年11月、2017年8月4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的遙感影像作為規(guī)劃前—施工前、施工—運(yùn)營(yíng)前、運(yùn)營(yíng)后三個(gè)時(shí)間段的城市土地利用信息來(lái)源研究1號(hào)線在不同時(shí)段對(duì)緩沖區(qū)土地利用變化的時(shí)空影響，影像分辨率為0.597m。抓取2018年10月長(zhǎng)沙市主城區(qū)的百度地圖POI數(shù)據(jù)，作為遙感影像目視解譯輔助信息。POI數(shù)據(jù)由16個(gè)大類組成，每個(gè)大類中包含若干小類，共計(jì)23萬(wàn)余條。

遙感影像具有良好的目視效果，米級(jí)影像分辨率下可以較為清晰分辨出日常所見的多數(shù)野外目標(biāo)，解譯者便能通過(guò)目視解譯獲得土地利用信息。龐大數(shù)量的POI數(shù)據(jù)能更為準(zhǔn)確地體現(xiàn)城市內(nèi)部生產(chǎn)活動(dòng)功能的分布情況[4]，彌補(bǔ)了遙感影像缺失的社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息。通過(guò)遙感影像與POI數(shù)據(jù)信息融合，能減少解譯者主觀產(chǎn)生的對(duì)研究區(qū)先驗(yàn)知識(shí)的影響，提供更為精準(zhǔn)的城市精細(xì)土地利用信息。

2.1 研究方法

研究區(qū)土地利用分類參考《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（GB50137-2011）。由于研究區(qū)以城市建成區(qū)為主，因此選取以下10類用地進(jìn)行分類：居住用地R、公共管理與公共服務(wù)用地（以下簡(jiǎn)稱公共用地）A、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地B（以下簡(jiǎn)稱商業(yè)用地）、工業(yè)用地M、物流倉(cāng)儲(chǔ)用地W、交通設(shè)施用地S、公用設(shè)施用地U和綠地G、水域E1及其他非建設(shè)用地E?？紤]到居住用地的變化在反映城市發(fā)展方面有參考作用，居住用地R進(jìn)一步劃分為以別墅為代表的一類居住用地R1，以成片住宅為代表的二類居住用地R2和以零散住宅為代表的三類居住用地R3。共計(jì)12類。

遙感影像目視解譯標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)影像光譜信息，建立各類目視解譯地物類別與土地利用類型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中，道路對(duì)應(yīng)交通設(shè)施用地S，草地和林地對(duì)應(yīng)綠地G，水體對(duì)應(yīng)水域E1，農(nóng)田和空地對(duì)應(yīng)其他非建設(shè)用地E。建筑物則根據(jù)其形狀、面積、反射光和陰影，結(jié)合POI數(shù)據(jù)信息確定其功能用途進(jìn)行土地利用類別劃分，分別歸類出居住用地R、公共用地A、商業(yè)用地B、工業(yè)用地M、倉(cāng)儲(chǔ)物流用地W和公共設(shè)施用地U。居住用地R采取以遙感影像中建筑物陰影長(zhǎng)度、排列方式和POI屬性判斷其樓層高度及是否為小區(qū)住宅的方式進(jìn)行一、二、三類居住用地劃分。百度POI數(shù)據(jù)分類與土地利用分類對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

鑒于百度POI數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，無(wú)法獲得歷史情況數(shù)據(jù)，本文采取先使用已獲得的POI數(shù)據(jù)結(jié)合2017年8月的遙感影像解譯出2017年土地利用分類數(shù)據(jù)，再通過(guò)將2012年11月與2017年8月的遙感影像進(jìn)行對(duì)比來(lái)推譯2012年土地利用分類數(shù)據(jù)。影像沒有發(fā)生變化的地塊采用2017年的分類數(shù)據(jù)，影像發(fā)生變化的地塊則按照遙感影像目視解譯標(biāo)準(zhǔn)來(lái)獲得土地利用分類數(shù)據(jù)。其中，針對(duì)建筑物發(fā)生變化的地塊，按照低層建筑形狀、面積、反射光譜信息判斷該地塊土地利用類型。2005年和2008年的土地利用分類數(shù)據(jù)則通過(guò)逐年對(duì)比獲得。

2.2 數(shù)據(jù)概況與分析

運(yùn)用制圖軟件繪制出2005年、2008年、2012年、2017年長(zhǎng)沙市地鐵1號(hào)線沿線1000m緩沖范圍內(nèi)的土地利用分類圖， 統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)緩沖區(qū)1000 m內(nèi)各年各類型用地進(jìn)行面積(見圖1）。從圖中可以得知，物流倉(cāng)儲(chǔ)用地W、公用設(shè)施用地U和一類居住用地R1的面積占比非常小，其變動(dòng)幾乎不影響整體的用地性質(zhì)變化；公共用地A、工業(yè)用地M、水域E1和綠地G面積各年變化不大；商業(yè)用地B、交通設(shè)施用地S、二類居住用地R2、三類居住用地R3、及其他用地E面積變化比較強(qiáng)烈。商業(yè)用地B、交通設(shè)施用地S和二類居住用地R2呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而三類居住用地R3、其他非建設(shè)用地E面積減少，其他非建設(shè)用地E面積在2008年至2012年間大幅度減少，此時(shí)正值地鐵1號(hào)線進(jìn)行施工的前后兩年。

表1 百度POI數(shù)據(jù)類別與土地利用分類對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 軌道交通對(duì)土地利用影響的時(shí)間差異

分別統(tǒng)計(jì)2005年-2008年、2008年-2012年、2012年-2017年三個(gè)時(shí)間段1號(hào)線20個(gè)站點(diǎn)周邊1000m緩沖區(qū)內(nèi)土地利用變化面積，并計(jì)算各用地類型的土地利用變化率。構(gòu)建土地利用變化率統(tǒng)計(jì)模型。為表達(dá)方便，令各年為第j年，其中2005年為第1年、2008年為第2年、2012年為第3年、2017年為第4年，令各類土地利用類型為i，取i（i=1,2,3…12）類土地利用類型第j（j=1,2,3）年面積為ijx，按照一般變化率計(jì)算方法，可令相鄰兩年i類土地利用面積之差除以相鄰兩年i類土地利用面積之和，為剔除取值為負(fù)時(shí)對(duì)站點(diǎn)總土地利用變化率的削弱，取絕對(duì)值后再統(tǒng)計(jì)總土地利用變化率。

因此，本文采用模型如下：

將各站點(diǎn)總土地利用變化率帶入式中求得各時(shí)間段內(nèi)長(zhǎng)沙市地鐵一號(hào)線各站點(diǎn)緩沖區(qū)1000m范圍內(nèi)土地利用變化率如圖2。

從圖2中可以看出，總體的土地利用變化劇烈程度由兩端終點(diǎn)站向靠近市中心的站點(diǎn)如黃興廣場(chǎng)、南門口站遞減。造成該現(xiàn)象的原因主要是市中心相對(duì)城市邊緣地區(qū)更發(fā)達(dá)，其土地利用類型更為成熟，周邊可利用土地面積較小，地鐵建設(shè)對(duì)該類地區(qū)的用地結(jié)構(gòu)影響較小。05年-08年期間，地鐵站處于規(guī)劃期，大部分站點(diǎn)的土地利用變化率相對(duì)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間較小，這是因?yàn)樵谶@一時(shí)期，距離地鐵建設(shè)仍有較長(zhǎng)時(shí)間，地鐵走向還未最終確定，出于不確定性考慮，土地開發(fā)者對(duì)站點(diǎn)周邊土地投資有所顧慮。08年-12年期間，土地利用變化程度最為劇烈，其中五一廣場(chǎng)站出現(xiàn)了小峰值，這是由于此站點(diǎn)為換乘站點(diǎn)，地鐵2號(hào)線與1號(hào)線在此換乘，該時(shí)期內(nèi)，兩條地鐵線都處于施工期；另外，馬廠站、桂花坪站與中信廣場(chǎng)站都有較為劇烈的土地利用變化，這是由于地產(chǎn)商考慮到消費(fèi)者日常通勤需求和地鐵站點(diǎn)的商業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)，對(duì)站點(diǎn)周邊進(jìn)行房地產(chǎn)與商業(yè)開發(fā)導(dǎo)致。12年-17年間，地鐵施工完成并投入運(yùn)營(yíng)，站點(diǎn)的開通對(duì)購(gòu)房者和消費(fèi)者的吸引力帶來(lái)了新一輪的需求增長(zhǎng)，因而靠近兩端終點(diǎn)站的站點(diǎn)周邊再次出現(xiàn)土地利用變化高峰。

4 軌道交通對(duì)土地利用影響的空間規(guī)律

前文僅分析了地鐵建設(shè)在不同時(shí)期影響土地利用變化的規(guī)律，而在實(shí)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，更多考慮的是地鐵所途經(jīng)的城市不同區(qū)域、不同地塊的土地利用影響效應(yīng)，為研究地鐵建設(shè)對(duì)不同城市區(qū)域土地利用形式變化的影響，本文擬構(gòu)建站點(diǎn)用地的空間功能分類標(biāo)準(zhǔn)，討論各站點(diǎn)空間功能轉(zhuǎn)變變化情況，并建立評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。評(píng)價(jià)指標(biāo)選?。河玫仡愋图卸戎笖?shù)[5]、用地類型均衡度指數(shù)[6]和各站點(diǎn)1000m緩沖區(qū)內(nèi)各類用地面積比例，將各站點(diǎn)空間功能劃分為居住型、商業(yè)型、交通型、混合型和其他類型共5種類型。

圖1 長(zhǎng)沙市地鐵1號(hào)線沿線1000米緩沖區(qū)內(nèi)各年土地利用面積變化

圖2 長(zhǎng)沙市地鐵1號(hào)線各站點(diǎn)1000米緩沖區(qū)內(nèi)各年土地利用變化率

用地類型集中度指數(shù)（G）計(jì)算公式如下：

用地類型均衡度指數(shù)（E）計(jì)算公式如下：

式（2）和式（3）分別反映站點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)土地利用用地類型的聚積程度和均衡程度。式中：G為站點(diǎn)緩沖區(qū)用地類型集中度指數(shù)；E為用地類型均衡度指數(shù)； Pk為站點(diǎn)緩沖區(qū)中第k類用地類型所總用地面積的比例；m為區(qū)域內(nèi)土地利用類型的總數(shù)。站點(diǎn)空間功能分類標(biāo)準(zhǔn)如表2。

按照上述指標(biāo)模型分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各站點(diǎn)各時(shí)期進(jìn)行分類并統(tǒng)計(jì)其發(fā)生變化的過(guò)程匯總得到表3。

從表3中可以看出，沒有發(fā)生變化的站點(diǎn)空間功能以居住型和商業(yè)型為主，這些站點(diǎn)大多分布在市中心，這是由于，城市中心區(qū)域建設(shè)發(fā)展較早，土地利用類型已趨穩(wěn)定，可開發(fā)利用的土地資源較少，因此土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的幾率也較小。發(fā)生變化的站點(diǎn)中，主要是居住型和商業(yè)型轉(zhuǎn)變?yōu)樯套』旌闲突蚱渌愋?。如南湖路和南門口站，造成這種轉(zhuǎn)變的原因是由于地鐵施工過(guò)程中的封閉性、帶來(lái)的噪音、環(huán)境污染以及對(duì)交通線路的影響導(dǎo)致建設(shè)站點(diǎn)周邊商住環(huán)境下降。但地鐵建成投入運(yùn)營(yíng)后，原本交通不便的站點(diǎn)成為可達(dá)性更高的地區(qū)，因而引發(fā)周邊新的土地開發(fā)和利用，此時(shí)土地利用類型多轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌玫仡愋停c本文研究的1號(hào)線建設(shè)到投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間相一致。變化站點(diǎn)中其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄐ偷牟糠?，如尚雙塘站，是地鐵裝組站建設(shè)的結(jié)果。

地鐵建設(shè)不僅改善了站點(diǎn)周邊土地利用方式的轉(zhuǎn)變效率，也改變了站點(diǎn)周邊土地利用的功能和性質(zhì)。研究各站點(diǎn)類型轉(zhuǎn)變的過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，絕大部分的站點(diǎn)類型轉(zhuǎn)變都發(fā)生在地鐵施工和運(yùn)營(yíng)交替的階段，在這一階段，地鐵規(guī)劃和施工期存在的不確定性和環(huán)境污染、交通阻斷等負(fù)面影響開始向交通可達(dá)性提高、集聚效應(yīng)增強(qiáng)轉(zhuǎn)變，增大了站點(diǎn)周邊土地利用價(jià)值，提高了土地利用程度，最終促成了各站點(diǎn)空間功能的質(zhì)變。如中信廣場(chǎng)站與南湖路站，在規(guī)劃和施工期，這兩個(gè)站點(diǎn)的土地利用效率都較低，土地開發(fā)程度低，隨著1號(hào)線的建成運(yùn)營(yíng)，中信廣場(chǎng)站地處郊區(qū)的土地利用率得到大大提高，南湖路站周邊交通設(shè)施也同步得到改善，這些變化都為空間功能的轉(zhuǎn)變和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)了集聚力。

表2 站點(diǎn)空間功能分類標(biāo)準(zhǔn)

表3 長(zhǎng)沙市地鐵1號(hào)線站點(diǎn)空間功能變化表

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)綜合遙感影像物理信息與百度地圖POI社會(huì)經(jīng)濟(jì)類別屬性信息進(jìn)行目視解譯，獲取長(zhǎng)沙市地鐵1號(hào)線在規(guī)劃、施工、運(yùn)營(yíng)多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的城市精細(xì)土地利用信息，并構(gòu)建模型分析各類土地利用類型與站點(diǎn)空間功能的變化情況，得出長(zhǎng)沙市地鐵1號(hào)線在規(guī)劃、施工及運(yùn)營(yíng)階段對(duì)土地利用變化的不同影響：規(guī)劃期內(nèi)，地鐵站點(diǎn)周邊主要以其他建設(shè)用地為主，可利用土地較充足；施工期內(nèi)，地鐵站點(diǎn)周邊土地利用受施工封閉影響對(duì)土地利用變化和開發(fā)有一定制約；運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，由于地鐵站點(diǎn)建成帶來(lái)的高流量，土地利用變化率出現(xiàn)明顯波動(dòng)，站點(diǎn)功能也出現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。

本文探討了地鐵建設(shè)不同階段影響城市土地利用變化時(shí)間和空間的規(guī)律，對(duì)研究地鐵建設(shè)與土地利用相互作用關(guān)系有一定意義，也為今后新建地鐵站點(diǎn)的規(guī)劃模擬和預(yù)測(cè)提供一定參考。受歷史遙感影像與百度地圖POI數(shù)據(jù)獲取困難的影響，本文研究所用數(shù)據(jù)信息還有進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化的空間，且長(zhǎng)沙市目前有多條地鐵正處在建設(shè)期，地鐵線路尚不密集，對(duì)地鐵開通運(yùn)營(yíng)后的時(shí)空變化影響分析還有待獲取更多資料加以補(bǔ)充完善。