特大城市軌道交通鄰域內(nèi)景觀格局分析
——以上海市為例

程浩然，陳睿山

(華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

1 引 言

城市軌道交通作為一種大運(yùn)量、低成本、高效率的交通工具，對輸送城市人流具有重要作用，其縮短了通勤時間，提高了軌道交通沿線地區(qū)的可達(dá)性。這不僅顯著提升了軌道交通附近的地價[1～3]，也導(dǎo)致了城市原本布局模式的改變，沿軌道交通為發(fā)展軸形成城市副中心或快速發(fā)展地區(qū)，或產(chǎn)生從城郊向市中心集聚的效應(yīng)[4～12]。在公交導(dǎo)向型開發(fā)(Transit Oriented Development，TOD)模式下的區(qū)域，會出現(xiàn)人口聚集、土地利用更加集約化、城市景觀更趨緊湊的現(xiàn)象[13]。

無論是軌道交通的“追隨客流”，還是其“客流追隨”的特性[14]，都會使軌道交通系統(tǒng)成為城市運(yùn)輸?shù)闹匾羌?，也成為人流、物流高度密集的場所。所以一方面軌道交通會通過改善可達(dá)性、匯聚人流、物資流的方式，提升周圍區(qū)域的利用價值；另一方面又會因為要獲取投資回報，故在規(guī)劃上軌道交通的建設(shè)就與商業(yè)開發(fā)緊密相連[15]，這都會導(dǎo)致周圍區(qū)域開發(fā)強(qiáng)度的提升，也會對零售業(yè)、服務(wù)業(yè)等行業(yè)產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸引作用，對于城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著直接和間接的作用[16]。軌道交通也會主要通過向郊區(qū)疏散城市中的人口來實現(xiàn)人口的再分布[17～20]。以往有關(guān)軌道交通與城市格局之間關(guān)系的研究大多注重于軌道交通對于城市整體格局的影響，例如對于軌道交通充當(dāng)發(fā)展軸的作用機(jī)理的研究和效果的評價，但對軌道交通沿線和軌道交通站點(diǎn)附近較小范圍內(nèi)軌道交通系統(tǒng)的影響卻較少涉及。

本研究借鑒了景觀生態(tài)學(xué)的研究方法[21～25]，利用斑塊形狀指數(shù)、斑塊密度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)等景觀生態(tài)學(xué)的評價指標(biāo)，配合地表溫度分析，對軌道交通周圍區(qū)域的城市景觀特征進(jìn)行分析，來了解軌道交通對其附近區(qū)域的影響特征。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

2.1 研究區(qū)域

本研究選取上海市外環(huán)線以內(nèi)區(qū)域作為主要研究區(qū)域，如圖1所示。上海市在長三角世界級城市群中發(fā)揮著核心城市的作用，擁有卓越的資源配置能力和重要的國際影響力。而上海市外環(huán)線以內(nèi)的區(qū)域在城市總體規(guī)劃中被定位為中心城區(qū)，是城市經(jīng)濟(jì)活動的核心。該區(qū)域開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度很高，建筑密度很大，服務(wù)業(yè)集聚。根據(jù)2010年第6次人口普查的數(shù)據(jù)，上海市外環(huán)線內(nèi)人口密度為1.68萬人/km2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中心城周邊地區(qū)，是城市生產(chǎn)生活活動最集中的地區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

基于百度地圖獲取了上海市外環(huán)線以內(nèi)的建筑物輪廓圖和軌道交通線路圖(如圖1所示)；從地理空間數(shù)據(jù)云和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)網(wǎng)站上獲取了2015年、2016年、2017年三期上海市夏季的Landsat-8遙感影像(成像時間分別為2015年8月3日、2016年7月20日和2017年8月24日，中心點(diǎn)坐標(biāo)為32.79°N，120.69°E，云量分別為0.33%、6.09%和0.4%)；利用我國大數(shù)據(jù)公司脈策數(shù)據(jù)的POI(Point of Interest，興趣點(diǎn))爬取工具(http：//www.metrodata.cn/bdexports.html)得到了上海全市范圍內(nèi)軌道交通車站和22種與生活服務(wù)職能有關(guān)的設(shè)施點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)(如表1所示)。

圖1 研究區(qū)域示意圖和外環(huán)線內(nèi)街道底圖、軌道交通線路、站點(diǎn)分布圖

利用北京大學(xué)遙感所開發(fā)的Landsat-8地表溫度反演工具[26，27]，對遙感影像進(jìn)行地表溫度反演，并利用ArcMap軟件，對連續(xù)分布的地表溫度進(jìn)行等級化處理。

3 數(shù)據(jù)處理與分析指標(biāo)

3.1 數(shù)據(jù)處理

對上海市所有軌道交通站點(diǎn)和主城區(qū)的軌道交通線路創(chuàng)建緩沖區(qū)。緩沖區(qū)范圍分12種，從 50 m到 500 m每隔 50 m為一緩沖區(qū)，500 m以上選擇 1 000 m和 2 000 m兩個緩沖區(qū)。考察不同尺度下(步行可方便到達(dá)的范圍、騎車以及通過換乘公交車可方便到達(dá)的范圍；特別是對于站點(diǎn)周圍步行范圍內(nèi))城市景觀的分布與其到軌道交通要素距離的關(guān)系。

利用ArcMap的地理計算功能計算出街道底圖中每一個建筑物多邊形的面積和周長等數(shù)據(jù)。再利用軌道交通站點(diǎn)和沿線緩沖區(qū)對建筑物輪廓圖進(jìn)行掩膜提取分析，獲得不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)建筑物總量、單個面積、單個周長等數(shù)據(jù)。對爬取到的22種設(shè)施點(diǎn)，也用軌道交通站點(diǎn)和沿線緩沖區(qū)按掩膜提取分析，得到全部設(shè)施點(diǎn)在每種緩沖區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)量，并根據(jù)緩沖區(qū)的面積計算設(shè)施點(diǎn)的密度。

3.2 城市景觀指標(biāo)：

參考景觀生態(tài)學(xué)的研究方法，本研究設(shè)置了如下指標(biāo)分析軌道交通對城市景觀的影響：

(1)斑塊形狀指數(shù)(Patch Shape Index)

通過計算被研究的斑塊與相同面積的圓形或者正方形之間的偏離程度來表征其形狀的復(fù)雜程度。鑒于本研究的對象是建筑物斑塊，故選正方形作為參照，斑塊形狀指數(shù)定義如下：

(1)

式中，S為斑塊形狀指數(shù)，P為斑塊周長，A為斑塊面積。

本研究中利用每個建筑物多邊形的周長和面積數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)得到每個多邊形的斑塊形狀指數(shù)。

(2)Shannon多樣性指數(shù)(Shannon Diversity Index)

Shannon多樣性指數(shù)可以評價研究區(qū)域內(nèi)要素多樣性的高低，指數(shù)定義如下：

H=-∑PilnPi

(2)

式中，H為多樣性指數(shù)，Pi為第i種要素數(shù)量占研究區(qū)內(nèi)要素總量的比例。

(3)斑塊密度指數(shù)(Patch Density Index)

斑塊密度指數(shù)用來反映研究區(qū)域內(nèi)單位面積上的斑塊數(shù)量。斑塊密度指數(shù)定義如下：

(3)

式中，P為斑塊密度指數(shù)，N為研究區(qū)內(nèi)斑塊總數(shù)，S為研究區(qū)內(nèi)斑塊總面積。

另外，本文提出了用面積較大的建筑物數(shù)量占緩沖區(qū)內(nèi)所有建筑物數(shù)量的比例來反映城市景觀特征的方法。

(4)大建筑指數(shù)

本研究中大建筑指數(shù)定義如下：

(4)

式中，L為大建筑指數(shù)，Q為輪廓面積不小于 1 000 m2的斑塊數(shù)量，T為緩沖區(qū)內(nèi)斑塊總數(shù)。

3.3 地表溫度指標(biāo)

用高溫區(qū)占比表示研究區(qū)域內(nèi)地表溫度較高的像元占所有像元的比例。本研究中高溫區(qū)占比定義如下：

(5)

式中，T為高溫區(qū)占比，Th為高溫像元的數(shù)量(具體閾值見圖5)，N為像元總數(shù)。

4 分析結(jié)果

4.1 城市景觀指標(biāo)變化特征

(1)斑塊形狀指數(shù)變化特征

站點(diǎn)和沿線周圍不同范圍緩沖區(qū)的斑塊形狀指數(shù)變化趨勢(如圖2所示)顯示軌道交通站點(diǎn)和沿線緩沖區(qū)內(nèi)斑塊形狀指數(shù)在研究區(qū)整體平均值以上的斑塊比例基本上呈現(xiàn)隨距離增大而減小的趨勢。軌道交通站點(diǎn)和沿線緩沖區(qū)內(nèi)斑塊形狀指數(shù)在 50 m緩沖區(qū)內(nèi)出現(xiàn)最高值，之后迅速下降，而從 150 m開始，隨著距離的增大，指數(shù)減小很慢。

圖2 軌道交通站點(diǎn)及沿線緩沖區(qū)內(nèi)斑塊形狀指數(shù)均值和均值以上占比

斑塊形狀指數(shù)越高，反映建筑物輪廓的復(fù)雜程度越大，這可以指示周圍區(qū)域開發(fā)強(qiáng)度大小。從結(jié)果中可以看出，軌道交通要素周圍 150 m內(nèi)的區(qū)域開發(fā)強(qiáng)度很高，與更遠(yuǎn)的區(qū)域存在明顯的景觀異質(zhì)性。

(2)建筑面積均值和大建筑指數(shù)變化特征

站點(diǎn)和沿線周圍不同范圍緩沖區(qū)的大建筑指數(shù)變化趨勢(如圖3所示)顯示，站點(diǎn)和沿線緩沖區(qū)內(nèi)的大建筑指數(shù)和建筑面積均值都呈現(xiàn)隨距離增大而減小的趨勢。并且大建筑指數(shù)和建筑面積均值的斜率都在 150 m處出現(xiàn)了明顯變化，在 150 m之后的緩沖區(qū)內(nèi)，兩項數(shù)值變化很小。

大建筑指數(shù)反映的是研究區(qū)域內(nèi)大型建筑物的比例，建筑面積均值用來反映區(qū)域內(nèi)建筑規(guī)模的一般特征。結(jié)果表明，在軌道交通要素周圍 150 m以內(nèi)的區(qū)域中，建筑規(guī)模和大型建筑物的比例明顯比更遠(yuǎn)的區(qū)域大。

(3)斑塊密度指數(shù)變化特征

站點(diǎn)和沿線周圍不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)的斑塊密度指數(shù)分析結(jié)果(如圖4所示)顯示，站點(diǎn)和沿線周圍不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)的斑塊密度隨距離的增大而增大。同樣可以發(fā)現(xiàn)指數(shù)的增長率在 150 m處出現(xiàn)了明顯的變化，大于 150 m的緩沖區(qū)內(nèi)斑塊密度指數(shù)基本保持穩(wěn)定。

斑塊密度指數(shù)越高，反映單位面積內(nèi)斑塊的數(shù)量越多，區(qū)域內(nèi)建筑物的破碎程度越高。結(jié)果表明，在軌道交通站點(diǎn)和沿線周圍 150 m內(nèi)的范圍，單位面積上的建筑物數(shù)量、建筑物的破碎程度明顯小于更遠(yuǎn)的區(qū)域。

圖4 軌道交通站點(diǎn)及沿線緩沖區(qū)內(nèi)斑塊密度指數(shù)和站點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)Shannon多樣性指數(shù)

(4)Shannon多樣性指數(shù)變化特征

站點(diǎn)周圍不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)的Shannon多樣性指數(shù)分析結(jié)果(如圖4所示)顯示，距離站點(diǎn)越遠(yuǎn)，Shannon多樣性越低。具體來看，在 50 m和 100 m兩種緩沖區(qū)中，多樣性水平基本一致，而從 150 m緩沖區(qū)開始，多樣性水平下降。

本研究中用Shannon多樣性指數(shù)來衡量研究區(qū)域內(nèi)設(shè)施點(diǎn)多樣性的高低。結(jié)果表明，在軌道交通站點(diǎn)附近 150 m左右的范圍內(nèi)，設(shè)施類型的綜合、豐富程度是在相近的水平上并且是比較高的，而隨著距離的增加，設(shè)施的多樣性程度持續(xù)降低。

4.2 地表溫度變化特征

對地表溫度產(chǎn)品(如圖5所示，其中緩沖區(qū)半徑為 500 m)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，得到了站點(diǎn)周圍不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)各溫度區(qū)間的像元百分比。

圖5地表溫度產(chǎn)品以及站點(diǎn)周圍緩沖區(qū)內(nèi)兩種地表溫度組合的占比

對3個時刻的地表溫度產(chǎn)品分別選取最高溫和略高于氣溫的兩個溫度區(qū)間(閾值如圖5所示)，可以發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律。最高溫和略高于氣溫的像元占比隨距離增大而降低，且變化率在 150 m處出現(xiàn)明顯的減小。

地表溫度受到下墊面性質(zhì)、空氣流通條件和周圍熱源等因素的綜合影響，較高的地表溫度往往出現(xiàn)在下墊面透水性差、植被較少、空氣流動性差、周圍人工熱源多的地方[28，29]，因此可以大致代表城市中開發(fā)強(qiáng)度、人類活動強(qiáng)度較高的區(qū)域。地表溫度分析的結(jié)果表明軌道交通要素周圍 150 m范圍內(nèi)包含的溫度較高的像元明顯比更遠(yuǎn)的區(qū)域多，反映該區(qū)域內(nèi)開發(fā)強(qiáng)度和人類活動強(qiáng)度更高。

5 結(jié)論與討論

5.1 軌道交通站點(diǎn)和沿線緩沖區(qū)內(nèi)景觀特征的差異

軌道交通沿線緩沖區(qū)內(nèi)斑塊形狀指數(shù)均值的最大值為1.53，均值以上占比最大值為43.27%；站點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)均值的最大值為1.57，均值以上占比最大值為44.30%，站點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)兩項都要大于沿線緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)值，揭示軌道交通沿線對于斑塊形狀的影響要弱于軌道交通站點(diǎn)。

與此類似，軌道交通沿線緩沖區(qū)內(nèi)大建筑指數(shù)均值的最大值為 1 246.87 m2，1 000 m2以上的占比最大值為29.35%；站點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)的兩項數(shù)值分別為 2 365.70 m2和42.13%，要明顯高于沿線緩沖區(qū)內(nèi)的情況，也反映出軌道交通站點(diǎn)周圍區(qū)域的開發(fā)強(qiáng)度要高于軌道交通沿線。

軌道交通沿線緩沖區(qū)內(nèi)斑塊密度指數(shù)的最小值為0.08，最大值為0.11；而站點(diǎn)周圍的最小值僅為0.04，最大值為0.10。這反映出站點(diǎn)周圍的斑塊密度要小于沿線相應(yīng)緩沖區(qū)內(nèi)的情況，站點(diǎn)周圍的建筑面積普遍更大，破碎程度更小。

軌道交通站點(diǎn)和沿線景觀特征差異的分析結(jié)果提示了站點(diǎn)周圍同等范圍區(qū)域的開發(fā)強(qiáng)度要明顯高于沿線，這符合車站是人員、物質(zhì)交換集中進(jìn)行的場所的實際情況。

5.2 軌道交通造成的景觀異質(zhì)性

從軌道交通站點(diǎn)和沿線不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)的景觀指標(biāo)分析結(jié)果來看，距離軌道交通站點(diǎn)和沿線較近的區(qū)域(150 m以內(nèi))，斑塊形狀指數(shù)、大建筑指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)都明顯高于距離遠(yuǎn)的區(qū)域，斑塊密度指數(shù)明顯低于距離遠(yuǎn)的區(qū)域；在此區(qū)域內(nèi)指數(shù)隨著距離的增大，變化比在更遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)更劇烈。對軌道交通周圍區(qū)域地表溫度的分析結(jié)果顯示，在軌道交通站點(diǎn)周圍，距離站點(diǎn)越近的區(qū)域內(nèi)高溫像元占比越高，且在距站點(diǎn) 150 m之后下降率明顯變小。

以上所有的分析共同說明，在軌道交通要素周邊一定范圍區(qū)域內(nèi)(150 m左右)，是一個與更遠(yuǎn)的區(qū)域具有明顯景觀異質(zhì)性的區(qū)域。在這個區(qū)域中，城市景觀呈現(xiàn)出高強(qiáng)度開發(fā)的特征：建筑形狀偏離正方形更多、大面積建筑比例高、建筑面積均值大、破碎程度小、設(shè)施豐富程度高、地表溫度高；服務(wù)類設(shè)施高度聚集。這種景觀異質(zhì)性可以認(rèn)為是由軌道交通的促進(jìn)而形成的，反映出了軌道交通對于城市發(fā)展、城市景觀形成的重要作用。

5.3 問題與展望

從城市建設(shè)的經(jīng)驗來看，軌道交通的存在與其鄰域內(nèi)城市景觀變化之間的關(guān)系很難明確地用誰導(dǎo)致了誰來判斷，這是因為軌道交通的規(guī)劃往往會早于實際建設(shè)很多年，由于市場預(yù)期效應(yīng)的影響[3]，在此期間已規(guī)劃的軌道交通要素周圍空間上發(fā)生的變化既可以認(rèn)為是為了利用未來的軌道交通這一發(fā)展契機(jī)而產(chǎn)生的，也難以排除由其他因素導(dǎo)致的可能性。本研究旨在通過一些城市景觀的衡量指標(biāo)來分析軌道交通對于城市景觀產(chǎn)生的影響。

本研究是對上海城市軌道交通這一整體做的全局性分析和研究，是從系統(tǒng)整體的尺度上揭示軌道交通對于周圍不同范圍空間的影響，但尚未針對某條線路或者某些站點(diǎn)做更加細(xì)致的分析。未來可以借鑒已有的研究[30-33]，以站或者線路為單位，使用本研究的方法進(jìn)行分析，以期產(chǎn)生整體與局部的對比，可以更加深刻地揭示軌道交通對鄰域內(nèi)城市景觀的作用。

5.4 建議

從本研究的結(jié)果中可以看出，軌道交通要素周邊 150 m左右是一個高強(qiáng)度開發(fā)的區(qū)域；但超過 150 m之后開發(fā)強(qiáng)度明顯降低。這可能是由于除了站點(diǎn)本身的上蓋物業(yè)等綜合開發(fā)模式之外，其他不屬于軌道交通系統(tǒng)的商業(yè)業(yè)態(tài)沒有與軌道交通同步規(guī)劃[34，35]，導(dǎo)致開發(fā)較弱。針對這種情況，在規(guī)劃設(shè)計軌道交通站點(diǎn)周圍的商業(yè)時，需要加強(qiáng)與軌道交通系統(tǒng)整體規(guī)劃的協(xié)調(diào)和同步；還可以利用新興的共享單車等便捷的換乘交通工具連接站點(diǎn)和更遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)的商業(yè)設(shè)施，提高站點(diǎn)在小尺度下的可達(dá)性，擴(kuò)大軌道交通站點(diǎn)的影響范圍[36]。