城市土地利用與交通相互作用（LUTI）研究進展與展望

譚琦川，黃賢金，2

（1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023；2.國土資源部海岸帶開發(fā)與保護重點實驗室，江蘇 南京 210023）

城市空間優(yōu)化的過程，也是人類活動干擾下城市土地利用與交通相互作用的過程。自20世紀80—90年代尤其是進入21世紀以來，伴隨各國或地區(qū)城市的蓬勃發(fā)展，特別是以中國為代表的發(fā)展中國家的快速城鎮(zhèn)化，城市用地過度擴張的外部性成本日益增長。同時，由于城市人口快速增長及經濟社會發(fā)展所引致的交通需求持續(xù)膨脹，城市交通擁堵問題日趨嚴峻。城市土地利用形態(tài)影響著城市交通格局與發(fā)展模式，而城市交通則通過推動城市空間格局演化帶來城市土地利用格局的重組。因此，對土地利用與交通相互作用（Land Use-Transport Interaction, LUTI）的研究對于解決城市高速發(fā)展進程中的社會經濟與資源環(huán)境問題，實現土地利用與交通的一體化可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-2]。國內外學界在LUTI相關的理論與實證、模型與方法論及應用性研究層面均已取得了顯著成果[3-7]，而近年來隨著城市發(fā)展進程中的環(huán)境負效應不斷凸顯，學界開始意識到將城市碳排放、能源消耗等外部環(huán)境因素納入LUTI研究中的必要性[8]，且相關理論與模型技術的不斷發(fā)展亦促使LUTI研究轉向趨勢漸顯[9-10]。故本文旨在系統梳理國內外LUTI研究領域的相關進展，述評國內外研究的差異及不足，結合近年來的研究新趨勢，提出未來相關研究方向及亟需重點關注的研究領域，以期為實現城市土地利用與交通的可持續(xù)一體化提供借鑒與參考。

1 城市土地利用對城市交通的影響研究

1.1 城市土地利用特征對交通出行行為的影響

相關研究認為土地開發(fā)密度、土地利用強度和土地利用混合程度等城市土地利用特征對交通出行行為要素即出行方式、出行距離、出行分布等存在著顯著影響。由于城市不同區(qū)位的土地利用特征各異，出行起點的城市區(qū)位顯著影響著居民的出行方式，在土地開發(fā)密度大的城市中心區(qū)域，出行者傾向于使用非機動出行方式或公共交通，而隨著距市中心越遠機動車出行比例將越大[11-12]，故通常認為土地利用強度與非機動出行比例呈正相關。同時，高強度、緊湊型土地利用開發(fā)區(qū)域由于多功能用地在空間上相對集中，使交通出行距離縮短，故出行分布易在小范圍內均衡；而低密度、分散的土地利用產生的大規(guī)模通勤流呈現鐘擺式交通流[13]。

西方新城市主義學派提出將提高土地利用混合程度作為高效集約的城市空間發(fā)展模式，據此國內學界亦開展了案例研究?；谀暇?、深圳、長春等地的實證研究表明，通過優(yōu)化土地利用布局及提高土地利用混合程度可以縮短出行距離、出行時間和減少出行量[11，14]，同時公共交通出行比例亦會升高[12]。但也有研究發(fā)現混合土地利用模式僅是加大了發(fā)展公共交通的可能性[14]，兩者間并無明顯關聯，而在城市蔓延區(qū)發(fā)展該模式甚至使居民對外出行更依賴私家車[15]。

1.2 城市土地利用模式對交通網絡格局及其模式的影響

城市土地利用布局對城市交通格局起著決定性作用，而伴隨城市不斷發(fā)展、交通方式持續(xù)改進及道路網的更新，城市空間格局將進行重組，進而帶來的土地利用模式演替將作用于城市交通網絡格局與交通模式的選擇并與之相適應[4，16]。有關廣州的研究表明[17-18]，交通網絡的空間格局與城市不同發(fā)展階段土地利用模式密切相關，城市交通系統發(fā)展的階段性特征顯著；且隨著土地高密度集中開發(fā)，城市交通需求不斷膨脹導致普通公共交通系統已無法滿足城市交通需求，相應要求更大運載力、更高效的交通模式與之適應，故城市交通逐漸進入大容量的軌道交通模式。

亦有研究從城市用地的空間結構對交通模式選擇的影響展開，認為單中心的交通流呈明顯的潮汐式，這種有序的交通模式有利于組織公共交通且助推以公交為導向的城市發(fā)展模式（TOD）[15]；與之形成鮮明對比的是美國在20世紀中期推行的就業(yè)郊區(qū)化和多中心發(fā)展策略，不僅未減少城市交通需求，反而增加了居民出行距離，形成了以私家車出行為主導的交通模式[19]。

2 城市交通對城市土地利用的影響研究

2.1 城市道路交通網絡對城市土地利用的影響

城市交通網絡的發(fā)展推動著城市空間格局演化，對城市土地利用空間形態(tài)、土地利用強度、土地利用結構和土地價格等方面帶來深刻影響。道路交通網引起的土地破碎化與城市土地利用空間形態(tài)呈顯著空間相關性，并引導城市空間格局演化和反饋城市空間拓展[20-21]；同時，交通網絡亦會改善區(qū)位可達性而帶來沿線區(qū)域土地利用形態(tài)的演變，進而引導城市新的土地開發(fā)密集區(qū)域的形成，并促進城市多中心空間結構的發(fā)育[22]。城市交通網絡對沿線土地開發(fā)具有強烈的空間吸引效應，且交通干線周邊區(qū)域的土地利用強度呈距離衰減規(guī)律[18，21，23]。城市道路交通發(fā)展亦顯著影響土地價格的空間分布，針對廣州市的研究表明公交線路數、道路網密度與居住、商業(yè)地價變動的關聯度較高[24]。此外，城市道路交通網絡對土地利用結構的影響主要表現為各級交通線路對城市功能用地演變的空間吸引與空間分異效應，相關研究揭示了輕軌、主干道和快速路等不同類型交通廊道對居住、商服、工業(yè)等城市各功能用地空間分布的差異化影響[25-26]。

2.2 城市軌道交通建設對城市土地利用的影響

隨著近年來中國城市軌道交通系統的快速發(fā)展，其與土地利用的影響機制逐漸成為研究關注點。研究普遍認為土地開發(fā)強度的變化呈顯著的站點導向性特征，站點周邊住宅項目的容積率亦呈明顯圈層結構[27]，但政策規(guī)劃因素的限制使部分站點附近開發(fā)強度的梯度遞減效應并不顯著[28]；在時間層面，軌道交通運行期對開發(fā)強度的影響大于其建設期，但會隨時間增加而衰減[22]。軌道交通建設對土地利用結構特別是城市各功能用地布局的時空間效益影響突出，尤其是商業(yè)用地距軌道交通站點越近，比例隨之增高，且軌道交通建設期對居住用地的負面效應更大[28-29]。近年來，有學者利用信息熵和均衡度模型揭示軌道交通對城市不同區(qū)位土地利用均衡度的影響[30-31]，但針對不同實證區(qū)域的研究結論尚存爭議。

而在對地價的影響方面，研究普遍認為土地價格與站點距離呈顯著負相關[32]，且在時間層面上軌道交通建設對沿線地價的影響是超前發(fā)生的[33]。近年來，國內學者開始關注軌道交通站點對周圍地價影響的空間分異規(guī)律和分市場效應等方面。如基于局域空間自相關分析的研究發(fā)現，受到距城市各商圈距離等特定區(qū)位要素的影響，地鐵站點對周邊房價的影響表現為裙帶狀或環(huán)狀的空間分異格局[34]；而基于城市空間異質性的分市場效應研究則表明，軌道交通對郊區(qū)地產價格的影響強于城市中心區(qū)，且地鐵僅在近郊段對住宅價格有正向影響[35]。

3 LUTI互饋機制研究

LUTI系統內部存在復雜的互動機理，國內外學界嘗試從不同角度探討兩者間的互饋機制。一方面，從交通視角對LUTI互饋機制的研究以可達性理論和交通供需平衡理論為代表[36-37]?？蛇_性理論認為，由于交通設施分布的不均衡性，不同區(qū)域可達性的差異直接影響著居民的出行決策及開發(fā)商的投資決策，進而影響土地利用開發(fā)；城市土地利用亦促使交通設施建設來滿足因土地利用強度增加而帶來的日益膨脹的交通出行需求（圖1）。交通供需平衡理論則認為，兩者間存在一種以交通空間需求與交通供給相互平衡為紐帶的互動反饋關系，土地利用作為城市交通需求產生的根源，而城市交通系統決定了交通供給；隨著兩者持續(xù)發(fā)展，交通供需關系會隨之發(fā)生改變，進而形成一種供需匹配機制（圖2）。

圖1 基于可達性的LUTI互饋機制Fig.1 LUTI feedback mechanism based on the accessibility

圖2 基于交通供需平衡的LUTI互饋機制Fig.2 LUTI feedback mechanism based on the equilibrium of transport supply and demand

圖3 LUTI一體化規(guī)劃模型互饋機制Fig.3 LUTI feedback mechanism based on the integrated planning model

圖4 基于TOD模式的LUTI一體化規(guī)劃互饋機制Fig.4 LUTI feedback mechanism based on the TOD mode

基于LUTI一體化規(guī)劃視角的互饋機制研究亦有涉足。如Miller等[38]構建了包含土地利用、交通及開發(fā)商模型三個基本構件的LUTI綜合規(guī)劃模型，并將政策分析納入反饋機制（圖3）中：在靜態(tài)反饋層面，土地利用決定了城市空間活動分布與交通系統運行；在動態(tài)反饋層面，城市活動分布、交通可達性與通過開發(fā)商投資建設而形成的城市新空間結構則為下一輪土地利用預測的前提[7]。有學者基于TOD模式提出了LUTI可持續(xù)一體化規(guī)劃模式（圖4），并從宏觀、微觀層面梳理了兩者的反饋調節(jié)機制[39]。

4 LUTI的模型與方法研究

4.1 國外LUTI一體化模型研究

國外關于兩者相互關系的模型研究起步較早，最早可追溯到Lowry于1964年提出的空間相互作用模型，其繼承Christaller的區(qū)位理論思想，通過模擬城市居民和社會服務活動的區(qū)位格局，以定量描述土地利用間的相互作用[40]。隨后各國學者和規(guī)劃界人士基于勞瑞模型開發(fā)擴展了一系列模型，其中應用最廣泛的屬“交通——土地利用軟件包”（ITLUP）[41]，作為第一個土地利用與交通一體化專業(yè)軟件，其提供了非集聚居民分配模型和就業(yè)分配模型兩個子模型間相互反饋的機制。以芝加哥區(qū)域模型（CAM）[42]和土地利用優(yōu)化信息系統（POLIS）[43]為代表的數學規(guī)劃模型亦被廣泛應用于美國的城市與交通規(guī)劃實踐中[44]?；诔鞘薪洕鷮W的競租理論模型通過模擬決策者為區(qū)位競價，將交通作為其中的約束條件[23]，以研究土地利用特征。而空間投入產出理論模型則從空間尺度上揭示土地利用變化規(guī)律且能處理大區(qū)域尺度的土地利用與交通問題，同樣被廣泛應用。此外，通過反映個人決策過程，以決策者效用最大化解釋土地利用與交通間關系的隨機效用模型亦不斷普及。

進入20世紀90年代后，由于計算機技術的不斷發(fā)展及多學科交叉趨勢日益顯著，越來越多的新方法理論被引入到LUTI模型研究中。旨在從微觀角度分析交通與土地利用決策者的行為并通過計算機模擬而實現的微觀仿真模型以土地利用與交通一體化開源軟件（UrbanSim）[44]為代表，其綜合考慮了土地利用及交通政策一體化，是一個較全面的LUTI分析與預測模型。以都市活動遷移模擬器（MARS）為代表的系統動力學模型將城市視為自我組織的系統，探討土地利用與交通系統及潛在空間行為間的動態(tài)反饋關系[45]；該模型囊括外部人口、經濟與政策環(huán)境因素，能有效輔助決策者進行規(guī)劃目標確定、政策工具識別及政策實施影響評估[46]。近年來，模擬土地利用變化的元胞自動機模型（CA）逐漸興起，并結合智能體模型、GIS技術及系統動力學方法[47-48]，其對LUTI動態(tài)反饋的優(yōu)越性可充分支持相關空間政策制定[49]。

表1 國內LUTI模型類型與研究方向Tab.1 Model types and research directions of LUTI in China

4.2 國內LUTI模型與方法研究

國內學界對LUTI模型的研究始于20世紀80年代后期，中科院于1987年承擔的《大城市綜合交通體系規(guī)劃模式研究》項目系統提出了有關城市土地利用強度與交通需求互動關系的定量分析方法[50-51]，相關研究隨之起步。隨著中國城市化進程加快，城市交通與土地利用問題凸顯，越來越多的學者試圖基于數學規(guī)劃和統計學分析的方法建立理論模型，并結合大中尺度的區(qū)域進行實證研究（表1）。

近年來，國內學者亦嘗試基于各種理論模型對LUTI展開了協調性評價（表2），并針對部分城市和區(qū)域進行了廣泛應用[57-59]。由于LUTI協調性評價是一個復雜的多因素綜合評價問題，而現有研究多基于層次分析法且指標呈現多維性、復雜性和模糊性的特征，各種單一模型的局限性易導致指標權重與客觀現實不符。針對現有評價方法的不足，已有研究通過將層次分析法與模糊綜合評價法、德爾菲法及熵權法等結合使用進而對協調度模型進行優(yōu)化[60-62]，使指標賦權達到主觀與客觀統一，評價結果更加真實可靠。

表2 國內LUTI協調度評價指標體系Tab.2 The evaluation index system of LUTI coordination in China

5 研究述評與展望

5.1 研究述評

國內外學界在LUTI理論與實證研究方面存在明顯的差異。如在研究尺度上，國外學界多結合規(guī)劃實踐，旨在通過對較小區(qū)域內的土地利用結構、模式的研究以優(yōu)化居民的出行決策；國內學者則結合中國城市發(fā)展現狀進行實證研究，研究尺度往往偏大，旨在解決城市不斷擴張、高密度土地開發(fā)進程中的交通問題。研究領域上，國內學界將城市化發(fā)展現狀與規(guī)劃、政策因素相結合，研究的現實性、應用性較強；而國外研究領域更廣，如開展了大量關于技術革新對城市空間形態(tài)演變的研究，且除軌道交通外還研究了諸如高速路、BRT等多種交通方式的影響。此外，由于中國實證區(qū)域的經濟社會背景與國外差異較大，部分研究領域顯示出不同的結論，且近年來更多國內學者開始關注城市空間異質性所導致的交通影響分異，研究結果亦呈現出新特征。在LUTI互饋機制研究層面，國外側重于通過LUTI綜合規(guī)劃模型的建立，在規(guī)劃實踐中納入經濟社會、政策及決策者行為等外部環(huán)境變量探索兩者間的互饋關系，而國內研究多引入經濟學、地理學、系統論等相關學科進行理論分析，應用性有待加強。

國外在LUTI模型與方法論研究上成果豐碩，模型多以空間尺度較大的城市巨系統作為研究對象，模型往往趨于復雜化，且強調其作為有效的模擬分析工具和規(guī)劃手段，可預測不同規(guī)劃政策下城市空間的發(fā)展趨勢及交通流演變規(guī)律[63]，進而直接運用于城市空間發(fā)展決策；研究領域方面，國外模型構建基于區(qū)位可達性、城市經濟學、系統動力學、行為學及統計學等相關理論，并結合數學規(guī)劃方法、空間計量方法、微觀模擬等方法，呈現出多領域、跨學科的研究特點。國內研究相對滯后，而基于國外城市發(fā)展現實而構建的相關模型在中國應用的有效性仍受到質疑[52]，且模型多基于傳統的數學規(guī)劃與統計學分析方法，缺乏對外部環(huán)境因素和要素間作用機理的考量，故可用于輔助相關規(guī)劃決策。應用性強的LUTI一體化模型仍很欠缺，但隨著綜合評價模型的建立及優(yōu)化，國內在LUTI協調性評價方面成果頗豐，相關評價結果的可靠性、精確度亦更高，并針對一些典型區(qū)域進行了廣泛應用。

5.2 研究展望

（1）模型方法的智能化、微觀化及動態(tài)化。當前LUTI模型趨于復雜化，模型構建主要基于覆蓋領域多、精度高的大量基礎數據，導致其研究周期長且靈活性欠缺，近年來國外學界已通過貧信息條件下自學習模型等方法的引入和效率精度高的算法模型構建[52]，逐漸開展模型數據簡化及模型有效性方面的研究[64]，模型智能化正成為研究者重點關注方向之一。同時，將元胞自動機模型與智能體技術聯合，有助于實現微觀層面的模擬研究[65]，故從行為學角度探索個體日常出行行為與城市土地利用的作用機理將會是日后的重要研究領域。此外，當前LUTI模型趨向于平衡狀態(tài)的特征與城市發(fā)展的動態(tài)變化過程并不嚴格相符，而隨著人工神經網絡與GIS可視化技術的發(fā)展，提升模型的動態(tài)模擬功能正受到研究者的密切關注。

（2）加強現代交通發(fā)展模式對土地利用的影響研究。隨著當代城市間各要素流動頻率加快，愈發(fā)緊密的區(qū)域城市空間網絡要求遠程化、機動化、高效率的現代交通模式與之匹配，而當前中國正蓬勃建設的高速鐵路正通過提升區(qū)域間的可達性，對推動區(qū)域空間組織演變和重塑土地利用格局產生重要影響[66-67]，故應進一步開展高鐵建設與運營對其沿線和站點尤其是新城周圍土地利用變化的影響研究。同時，綜合性交通服務需求的快速增長使得城市綜合交通樞紐得以出現，其作為城市交通網絡中多種交通方式匯聚的節(jié)點區(qū)域，本身就是一種土地利用方式并承載一定的功能服務，故交通樞紐內部及其周邊土地利用功能布局的演變規(guī)律值得研究者關注。此外，城市交通組織立體化、交通走廊等現代交通發(fā)展模式對城市土地利用的多元性、復雜性影響機理亦需在未來研究中得到闡明。

（3）系統互饋機制的深入探討。LUTI系統是一個涉及土地利用、城市交通、經濟社會、政策法規(guī)及決策者行為等諸多變量的龐大系統，各要素間復雜的作用機理還尚未在已有研究中得到清晰闡釋。隨著計算機技術和大數據分析方法的不斷創(chuàng)新，運用系統動力學方法模擬并預測各要素間的反饋機制有助于LUTI一體化發(fā)展政策的制定，以在規(guī)劃實踐中得到良好運用，故如何構建基于系統論的集模擬、分析、預測、管制為一體的多因素耦合綜合規(guī)劃模型將是未來的研究方向之一。同時，作為聯系交通需求與區(qū)位活動的重要介質，國內外研究普遍認為厘清可達性在LUTI中的反饋調節(jié)機制將有助于全面認識LUTI系統[23，68]；然而當前仍缺乏令人滿意的量度和評估手段，傳統的基于諸如個體、區(qū)位、交通設施或效用的可達性量度方法均分別表現出明顯弊端[69]，故加強相關方法論的研究顯得較為迫切。

（4）加強研究對環(huán)境、社會因素的關注。在可持續(xù)發(fā)展背景下，如何將環(huán)境管制、能源結構變化等因素納入LUTI研究中具有極強的現實意義。近年來學界正逐漸重視LUTI與環(huán)境及能源領域的結合研究，但總體來看基于城市土地利用空間格局優(yōu)化的城市交通環(huán)境研究仍顯匱乏；未來研究可以將城市用地空間的環(huán)境承載力、交通碳排放與能源消耗等環(huán)境評估因子整合到LUTI模型中，以探索生態(tài)友好、環(huán)境友好且能源節(jié)約的城市土地利用與交通互動機制。再則，目前LUTI研究側重于城市空間結構的演化，而較缺乏對空間公平性[65]、經濟社會環(huán)境異質性[70]、社會空間分異與極化等社會問題的關注，而這些問題的深入，需要有實踐部門的密切合作才能取得更積極且有意義的進展。

（5）相關研究的本土化與應用化?，F階段國內學界在LUTI研究領域和模型方法方面多借鑒國外已有研究成果，但不容忽視的是國外理論與模型往往基于其城市發(fā)展特征，與中國當前的快速城鎮(zhèn)化和城市土地高密度開發(fā)等特征差異顯著，成果可移植性往往有限。因此，中國學界應結合國內城市發(fā)展特征，著重開展本土性的理論與方法論研究，尤其重視相關領域新理論、新技術的發(fā)展與創(chuàng)新，豐富城市土地利用變化研究的內涵[71]；同時，應加快研發(fā)符合中國國情且可用于政策分析、規(guī)劃制定并輔助決策的LUTI一體化模型，如何將理論研究成果有效應用于城市發(fā)展實踐中是學界亟需解決的問題。