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(duì)輸送城市人流具有重要作用，其縮短了通勤時(shí)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(jià)[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(kāi)發(fā)(Transit Oriented Development，TOD)模式下的區(qū)域，會(huì)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(wú)論是軌道交通的“追隨客流”，還是其“客流追隨”的特性[14]，都會(huì)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?chǎng)所。所以一方面軌道交通會(huì)通過(guò)改善可達(dá)性、匯聚人流、物資流的方式，提升周?chē)鷧^(qū)域的利用價(jià)值；另一方面又會(huì)因?yàn)橐@取投資回報(bào)，故在規(guī)劃上軌道交通的建設(shè)就與商業(yè)開(kāi)發(fā)緊密相連[15]，這都會(huì)導(dǎo)致周?chē)鷧^(qū)域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的提升，也會(huì)對(duì)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(duì)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(huì)主要通過(guò)向郊區(qū)疏散城市中的人口來(lái)實(shí)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(duì)于城市整體格局的影響，例如對(duì)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(píng)價(jià)，但對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，配合地表溫度分析，對(duì)軌道交通周?chē)鷧^(qū)域的城市景觀特征進(jìn)行分析，來(lái)了解軌道交通對(duì)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(zhǎng)三角世界級(jí)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(guó)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(dòng)的核心。該區(qū)域開(kāi)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(wàn)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(dòng)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(guó)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(shí)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(guó)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(chē)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(kāi)發(fā)的Landsat-8地表溫度反演工具[26，27]，對(duì)遙感影像進(jìn)行地表溫度反演，并利用ArcMap軟件，對(duì)連續(xù)分布的地表溫度進(jìn)行等級(jí)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(duì)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(gè)緩沖區(qū)?？疾觳煌叨认?步行可方便到達(dá)的范圍、騎車(chē)以及通過(guò)換乘公交車(chē)可方便到達(dá)的范圍；特別是對(duì)于站點(diǎn)周?chē)叫蟹秶鷥?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(jì)算功能計(jì)算出街道底圖中每一個(gè)建筑物多邊形的面積和周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。再利用軌道交通站點(diǎn)和沿線緩沖區(qū)對(duì)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(gè)面積、單個(gè)周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。對(duì)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(jì)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(duì)城市景觀的影響：

(1)斑塊形狀指數(shù)(Patch Shape Index)

通過(guò)計(jì)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(lái)表征其形狀的復(fù)雜程度。鑒于本研究的對(duì)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(zhǎng)，A為斑塊面積。

本研究中利用每個(gè)建筑物多邊形的周長(zhǎng)和面積數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)得到每個(gè)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(píng)價(jià)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?cái)?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(lái)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(lái)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(jiàn)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?chē)煌秶彌_區(qū)的斑塊形狀指數(shù)變化趨勢(shì)(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(shì)。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(kāi)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?chē)鷧^(qū)域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大小。從結(jié)果中可以看出，軌道交通要素周?chē)?150 m內(nèi)的區(qū)域開(kāi)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?chē)煌秶彌_區(qū)的大建筑指數(shù)變化趨勢(shì)(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(shì)。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(xiàng)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(lái)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?chē)?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?chē)煌秶彌_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?chē)煌秶彌_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(zhǎng)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?chē)?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?chē)煌秶彌_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(lái)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(kāi)始，多樣性水平下降。

本研究中用Shannon多樣性指數(shù)來(lái)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(duì)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?chē)煌秶彌_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?chē)彌_區(qū)內(nèi)兩種地表溫度組合的占比

對(duì)3個(gè)時(shí)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(gè)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?chē)鸁嵩吹纫蛩氐木C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(dòng)性差、周?chē)斯嵩炊嗟牡胤絒28，29]，因此可以大致代表城市中開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、人類活動(dòng)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?chē)?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(kāi)發(fā)強(qiáng)度和人類活動(dòng)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(xiàng)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(duì)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(xiàng)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?chē)鷧^(qū)域的開(kāi)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?chē)淖钚≈祪H為0.04，最大值為0.10。這反映出站點(diǎn)周?chē)陌邏K密度要小于沿線相應(yīng)緩沖區(qū)內(nèi)的情況，站點(diǎn)周?chē)慕ㄖ娣e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?chē)确秶鷧^(qū)域的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度要明顯高于沿線，這符合車(chē)站是人員、物質(zhì)交換集中進(jìn)行的場(chǎng)所的實(shí)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(lái)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(duì)軌道交通周?chē)鷧^(qū)域地表溫度的分析結(jié)果顯示，在軌道交通站點(diǎn)周?chē)?，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(shuō)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(gè)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(gè)區(qū)域中，城市景觀呈現(xiàn)出高強(qiáng)度開(kāi)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(duì)于城市發(fā)展、城市景觀形成的重要作用。

5.3 問(wèn)題與展望

從城市建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(shuí)導(dǎo)致了誰(shuí)來(lái)判斷，這是因?yàn)檐壍澜煌ǖ囊?guī)劃往往會(huì)早于實(shí)際建設(shè)很多年，由于市場(chǎng)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?chē)臻g上發(fā)生的變化既可以認(rèn)為是為了利用未來(lái)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(guò)一些城市景觀的衡量指標(biāo)來(lái)分析軌道交通對(duì)于城市景觀產(chǎn)生的影響。

本研究是對(duì)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(duì)于周?chē)煌秶臻g的影響，但尚未針對(duì)某條線路或者某些站點(diǎn)做更加細(xì)致的分析。未來(lái)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(duì)比，可以更加深刻地揭示軌道交通對(duì)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(gè)高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)的區(qū)域；但超過(guò) 150 m之后開(kāi)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(kāi)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(méi)有與軌道交通同步規(guī)劃[34，35]，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)較弱。針對(duì)這種情況，在規(guī)劃設(shè)計(jì)軌道交通站點(diǎn)周?chē)纳虡I(yè)時(shí)，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(chē)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]。