特大城市軌道交通鄰域內景觀格局分析
——以上海市為例

程浩然，陳睿山

(華東師范大學地理科學學院，上海 200241)

1 引 言

城市軌道交通作為一種大運量、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的可達性。這不僅顯著提升了軌道交通附近的地價[1～3]，也導致了城市原本布局模式的改變，沿軌道交通為發展軸形成城市副中心或快速發展地區，或產生從城郊向市中心集聚的效應[4～12]。在公交導向型開發(Transit Oriented Development，TOD)模式下的區域，會出現人口聚集、土地利用更加集約化、城市景觀更趨緊湊的現象[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成為城市運輸的重要骨架，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性、匯聚人流、物資流的方式，提升周圍區域的利用價值；另一方面又會因為要獲取投資回報，故在規劃上軌道交通的建設就與商業開發緊密相連[15]，這都會導致周圍區域開發強度的提升，也會對零售業、服務業等行業產生強烈的吸引作用，對于城市經濟發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疏散城市中的人口來實現人口的再分布[17～20]。以往有關軌道交通與城市格局之間關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發展軸的作用機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附近較小范圍內軌道交通系統的影響卻較少涉及。

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

2 研究區域與數據基礎

2.1 研究區域

本研究選取上海市外環線以內區域作為主要研究區域，如圖1所示。上海市在長三角世界級城市群中發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。而上海市外環線以內的區域在城市總體規劃中被定位為中心城區，是城市經濟活動的核心。該區域開發建設強度很高，建筑密度很大，服務業集聚。根據2010年第6次人口普查的數據，上海市外環線內人口密度為1.68萬人/km2，遠遠高于中心城周邊地區，是城市生產生活活動最集中的地區。

2.2 數據基礎

基于百度地圖獲取了上海市外環線以內的建筑物輪廓圖和軌道交通線路圖(如圖1所示)；從地理空間數據云和美國地質調查局(USGS)網站上獲取了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，中心點坐標為32.79°N，120.69°E，云量分別為0.33%、6.09%和0.4%)；利用我國大數據公司脈策數據的POI(Point of Interest，興趣點)爬取工具(http：//www.metrodata.cn/bdexports.html)得到了上海全市范圍內軌道交通車站和22種與生活服務職能有關的設施點的屬性數據(如表1所示)。

圖1 研究區域示意圖和外環線內街道底圖、軌道交通線路、站點分布圖

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

3 數據處理與分析指標

3.1 數據處理

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

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據。再利用軌道交通站點和沿線緩沖區對建筑物輪廓圖進行掩膜提取分析，獲得不同范圍緩沖區內建筑物總量、單個面積、單個周長等數據。對爬取到的22種設施點，也用軌道交通站點和沿線緩沖區按掩膜提取分析，得到全部設施點在每種緩沖區范圍內的數量，并根據緩沖區的面積計算設施點的密度。

3.2 城市景觀指標：

參考景觀生態學的研究方法，本研究設置了如下指標分析軌道交通對城市景觀的影響：

(1)斑塊形狀指數(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，斑塊形狀指數定義如下：

(1)

式中，S為斑塊形狀指數，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據，根據式(1)得到每個多邊形的斑塊形狀指數。

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

Shannon多樣性指數可以評價研究區域內要素多樣性的高低，指數定義如下：

H=-∑PilnPi

(2)

式中，H為多樣性指數，Pi為第i種要素數量占研究區內要素總量的比例。

(3)斑塊密度指數(Patch Density Index)

斑塊密度指數用來反映研究區域內單位面積上的斑塊數量。斑塊密度指數定義如下：

(3)

式中，P為斑塊密度指數，N為研究區內斑塊總數，S為研究區內斑塊總面積。

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

(4)大建筑指數

本研究中大建筑指數定義如下：

(4)

式中，L為大建筑指數，Q為輪廓面積不小于 1 000 m2的斑塊數量，T為緩沖區內斑塊總數。

3.3 地表溫度指標

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

(5)

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

4 分析結果

4.1 城市景觀指標變化特征

(1)斑塊形狀指數變化特征

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

圖2 軌道交通站點及沿線緩沖區內斑塊形狀指數均值和均值以上占比

斑塊形狀指數越高，反映建筑物輪廓的復雜程度越大，這可以指示周圍區域開發強度大小。從結果中可以看出，軌道交通要素周圍 150 m內的區域開發強度很高，與更遠的區域存在明顯的景觀異質性。

(2)建筑面積均值和大建筑指數變化特征

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

大建筑指數反映的是研究區域內大型建筑物的比例，建筑面積均值用來反映區域內建筑規模的一般特征。結果表明，在軌道交通要素周圍 150 m以內的區域中，建筑規模和大型建筑物的比例明顯比更遠的區域大。

(3)斑塊密度指數變化特征

站點和沿線周圍不同范圍緩沖區內的斑塊密度指數分析結果(如圖4所示)顯示，站點和沿線周圍不同范圍緩沖區內的斑塊密度隨距離的增大而增大。同樣可以發現指數的增長率在 150 m處出現了明顯的變化，大于 150 m的緩沖區內斑塊密度指數基本保持穩定。

斑塊密度指數越高，反映單位面積內斑塊的數量越多，區域內建筑物的破碎程度越高。結果表明，在軌道交通站點和沿線周圍 150 m內的范圍，單位面積上的建筑物數量、建筑物的破碎程度明顯小于更遠的區域。

圖4 軌道交通站點及沿線緩沖區內斑塊密度指數和站點緩沖區內Shannon多樣性指數

(4)Shannon多樣性指數變化特征

站點周圍不同范圍緩沖區內的Shannon多樣性指數分析結果(如圖4所示)顯示，距離站點越遠，Shannon多樣性越低。具體來看，在 50 m和 100 m兩種緩沖區中，多樣性水平基本一致，而從 150 m緩沖區開始，多樣性水平下降。

本研究中用Shannon多樣性指數來衡量研究區域內設施點多樣性的高低。結果表明，在軌道交通站點附近 150 m左右的范圍內，設施類型的綜合、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，設施的多樣性程度持續降低。

4.2 地表溫度變化特征

對地表溫度產品(如圖5所示，其中緩沖區半徑為 500 m)進行緩沖區分析，得到了站點周圍不同范圍緩沖區內各溫度區間的像元百分比。

圖5地表溫度產品以及站點周圍緩沖區內兩種地表溫度組合的占比

對3個時刻的地表溫度產品分別選取最高溫和略高于氣溫的兩個溫度區間(閾值如圖5所示)，可以發現相同的規律。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處出現明顯的減小。

地表溫度受到下墊面性質、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強度、人類活動強度較高的區域。地表溫度分析的結果表明軌道交通要素周圍 150 m范圍內包含的溫度較高的像元明顯比更遠的區域多，反映該區域內開發強度和人類活動強度更高。

5 結論與討論

5.1 軌道交通站點和沿線緩沖區內景觀特征的差異

軌道交通沿線緩沖區內斑塊形狀指數均值的最大值為1.53，均值以上占比最大值為43.27%；站點緩沖區內均值的最大值為1.57，均值以上占比最大值為44.30%，站點緩沖區內兩項都要大于沿線緩沖區內的數值，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。

與此類似，軌道交通沿線緩沖區內大建筑指數均值的最大值為 1 246.87 m2，1 000 m2以上的占比最大值為29.35%；站點緩沖區內的兩項數值分別為 2 365.70 m2和42.13%，要明顯高于沿線緩沖區內的情況，也反映出軌道交通站點周圍區域的開發強度要高于軌道交通沿線。

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

軌道交通站點和沿線景觀特征差異的分析結果提示了站點周圍同等范圍區域的開發強度要明顯高于沿線，這符合車站是人員、物質交換集中進行的場所的實際情況。

5.2 軌道交通造成的景觀異質性

從軌道交通站點和沿線不同范圍緩沖區內的景觀指標分析結果來看，距離軌道交通站點和沿線較近的區域(150 m以內)，斑塊形狀指數、大建筑指數、Shannon多樣性指數都明顯高于距離遠的區域，斑塊密度指數明顯低于距離遠的區域；在此區域內指數隨著距離的增大，變化比在更遠的區域內更劇烈。對軌道交通周圍區域地表溫度的分析結果顯示，在軌道交通站點周圍，距離站點越近的區域內高溫像元占比越高，且在距站點 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域內(150 m左右)，是一個與更遠的區域具有明顯景觀異質性的區域。在這個區域中，城市景觀呈現出高強度開發的特征：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、設施豐富程度高、地表溫度高；服務類設施高度聚集。這種景觀異質性可以認為是由軌道交通的促進而形成的，反映出了軌道交通對于城市發展、城市景觀形成的重要作用。

5.3 問題與展望

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

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做更加細致的分析。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行分析，以期產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城市景觀的作用。

5.4 建議

從本研究的結果中可以看出，軌道交通要素周邊 150 m左右是一個高強度開發的區域；但超過 150 m之后開發強度明顯降低。這可能是由于除了站點本身的上蓋物業等綜合開發模式之外，其他不屬于軌道交通系統的商業業態沒有與軌道交通同步規劃[34，35]，導致開發較弱。針對這種情況，在規劃設計軌道交通站點周圍的商業時，需要加強與軌道交通系統整體規劃的協調和同步；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和更遠區域內的商業設施，提高站點在小尺度下的可達性，擴大軌道交通站點的影響范圍[36]。