城市軌道站點拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)通達性建模及分析

洪武揚

(1. 國土資源部城市土地資源監(jiān)測與仿真重點實驗室，廣東 深圳 518040； 2. 深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心，廣東 深圳 518004)

城市交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了城市的基本骨架結(jié)構(gòu)，可有效支撐和引導(dǎo)功能布局與用地開發(fā)，是城市形成和發(fā)展的關(guān)鍵性因素。軌道交通是交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，近年來城市軌道建設(shè)持續(xù)推進，研究其對居民出行模式和土地利用的影響機制具有重要的理論與現(xiàn)實意義[1]。作為定量評估交通狀況的重要手段，通達性可用于分析城市交通網(wǎng)絡(luò)的空間延展及其聯(lián)系的緊密程度，揭示城市土地利用、公共交通系統(tǒng)建設(shè)等問題，使之成為交通地理學(xué)研究的熱點[2-3]。

通達性是評價交通網(wǎng)絡(luò)和交通區(qū)位的綜合性指標(biāo)，也稱可達性。國內(nèi)外學(xué)者普遍采用時間度量法[4-5]、距離度量法、潛力模型和空間句法[6-7]等度量通達性，但一般是在一個維度上(如鐵路、公路等)進行研究，且側(cè)重于對線性網(wǎng)絡(luò)及其構(gòu)建方法的探索，對軌道站點的研究相對不足，難以滿足對區(qū)域的通達性進行綜合評價的要求[8-9]。伴隨著土地資源緊缺、社會經(jīng)濟要素集聚等的加劇，城市交通體系從最簡單的路面交通階段到“點式”立交、高架道路階段，再到軌道交通階段，經(jīng)歷了從二維平面向三維空間拓展的歷程，因此，迫切需要研究一種在多個維度上能夠融合的通達性度量方法，而這種整合既需要算法上的可行性，又需要實證上的合理性[10]。空間句法關(guān)注基于拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)通達性和關(guān)聯(lián)性，從空間拓?fù)溥B接形態(tài)的基礎(chǔ)出發(fā)分析其對運動和功能的影響[11]，在定量研究交通網(wǎng)絡(luò)可達性方面有著獨特的優(yōu)勢[12-13]。

針對于此，本文立足于立體化的交通模式，嘗試將地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)與站點周邊道路網(wǎng)絡(luò)進行拓?fù)漶詈希瑢⒀芯恳暯怯伞熬€性”網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為軌道“站點”，構(gòu)建城市軌道站點通達性的模型；并以深圳為對象進行示范應(yīng)用，借助建筑普查數(shù)據(jù)進一步探究交通形態(tài)與城市用地功能的相互關(guān)系，以期為同類研究提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

深圳市地處廣東省南部、珠江三角洲東岸，毗鄰香港，下轄羅湖區(qū)、龍崗區(qū)、龍華區(qū)、福田區(qū)、寶安區(qū)、南山區(qū)、鹽田區(qū)、坪山區(qū)8個行政區(qū)，以及光明和大鵬2個新區(qū)。深圳是中國改革開放建立的第一個經(jīng)濟特區(qū)，已發(fā)展為具有一定影響力的國際化城市。

隨著經(jīng)濟社會和人口的快速發(fā)展，深圳市交通形勢日益嚴(yán)峻。軌道交通是解決城市交通問題的重要途徑之一[14]，也是一項普遍的城市發(fā)展模式和規(guī)劃策略。1992、2003年深圳市政府先后組織編制了兩版軌道交通網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)劃，提出了構(gòu)建以軌道交通為骨干的交通體系目標(biāo)，充分發(fā)揮軌道交通引導(dǎo)城市發(fā)展、優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)的作用。截至2014年，地鐵一期和二期全面建成開通，形成總長178 km、覆蓋深圳市主要發(fā)展軸的軌道交通運營網(wǎng)絡(luò)，以軌道交通為骨干、城市道路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、多種交通方式協(xié)調(diào)發(fā)展的立體化交通系統(tǒng)初步形成。

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

采用深圳市交通網(wǎng)絡(luò)、軌道站點等數(shù)據(jù)作為通達性評價的數(shù)據(jù)源，其中城市道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包括2014年高速公路、快速路、主干道、次干道和支路，城市軌道網(wǎng)絡(luò)采用2014年建成開通的5條線路，站點數(shù)共計117座。此外，本文還收集了建筑普查數(shù)據(jù)，用于開展站點通達性與土地利用的相互作用分析。

研究獲取的城市交通網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)無法直接用于分析，需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。利用AutoCAD Map 3D軟件進行數(shù)據(jù)清理，主要操作包括刪除重復(fù)項、刪除短對象、打斷交叉對象、延伸未及點、捕捉聚合節(jié)點、融合偽節(jié)點、刪除懸掛對象等。在指標(biāo)計算方面，采用卡迪夫大學(xué)研究的sDNA句法分析方法獲取相關(guān)句法參數(shù)。

2 研究方法

2.1 空間句法

空間句法是將空間轉(zhuǎn)變?yōu)槌橄笤夭⒗脭?shù)學(xué)模型進行計算的研究手段，它以拓?fù)鋵W(xué)和圖論為基礎(chǔ)，可用定量指標(biāo)描述空間結(jié)構(gòu)和人在空間中的移動狀態(tài)，幫助理解空間結(jié)構(gòu)和人在空間中的運動模式[11,15]，目前已經(jīng)在多個國家和研究機構(gòu)得到積極應(yīng)用。

對于空間網(wǎng)絡(luò)的度量，主要觀察句法模型的數(shù)值大小和分布，其中最為重要的兩個參數(shù)為集成度和選擇度。集成度用以衡量不同空間的便捷程度，指標(biāo)值越高表明空間便捷性越好，吸引到達交通的潛力越強，具有可達性、集成性及滲透性優(yōu)勢。在局部尺度下，集成度表示某節(jié)點與附近幾步內(nèi)的節(jié)點之間聯(lián)系的緊密程度，相關(guān)研究表明[16-18]，人們對拓?fù)渖疃仍?步以上(3次明顯的轉(zhuǎn)彎空間的認(rèn)知能力開始明顯降低)，故通常使用3步深度作為衡量局部空間集成度的半徑值[19]。因此本文采用集成度測度通達性水平，計算公式如下

(1)

(2)

2.2 通達性模型

本文將通達性定義為由地面道路網(wǎng)交通系統(tǒng)和軌道交通系統(tǒng)共同構(gòu)成的空間通達性指標(biāo)。參考相關(guān)研究[20-21]，本文對地面交通網(wǎng)絡(luò)和軌道交通網(wǎng)絡(luò)分離建模，分別提取軌道站點的地面通達性和地下通達性集成度參數(shù)，最后進行句法參數(shù)整合，獲得站點通達性數(shù)值。在模型構(gòu)建中，結(jié)合研究區(qū)和數(shù)據(jù)情況，嘗試在軌道站點網(wǎng)絡(luò)距離緩沖區(qū)分析、地鐵網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面提出完善建議。

2.2.1 地面通達性

首先利用sDNA軟件對深圳全市道路網(wǎng)絡(luò)進行句法分析，獲取深圳全市道路網(wǎng)絡(luò)的句法參數(shù)，再計算軌道站點500 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的道路網(wǎng)絡(luò)集成度值的平均數(shù)，將其作為軌道站點的地面通達性值。因此，緩沖區(qū)的形狀和空間范圍直接決定了通達性的評價精度。傳統(tǒng)對設(shè)施點的服務(wù)半徑分析基本采用直線距離法，但這種劃分方法與實際的街道網(wǎng)絡(luò)存在很大的差別。為消除直線距離分析產(chǎn)生的差異，本文基于GIS服務(wù)設(shè)施分析工具，采用網(wǎng)絡(luò)距離方法用于構(gòu)建各個軌道站點的緩沖區(qū)多邊形，結(jié)果如圖1所示。

2.2.2 地下通達性

將與站點相連接的軌道線段集成度值的平均數(shù)作為軌道站點的地下通達性。相關(guān)學(xué)者在針對軌道網(wǎng)絡(luò)建模時往往將一條地鐵線路作為整體，將地鐵線路作為最小連接單元研究站點的通達性，忽略地鐵線路網(wǎng)絡(luò)上站點分布的差異性[22]。本文借鑒軸線地圖思想，根據(jù)站點聯(lián)通關(guān)系和線路聯(lián)通關(guān)系生成軸線地圖，再利用sDNA軟件進行句法分析。考慮到換乘站的特殊性，將換乘站賦權(quán)為2，非換乘站賦權(quán)為1。

2.2.3 站點通達性

將地面通達性和地下通達性數(shù)值進行線性加和，將其作為軌道站點的通達性值，如下

(3)

3 結(jié)果分析

3.1 軌道站點的通達性分析

統(tǒng)計結(jié)果表明，深圳市軌道站點通達性平均值為0.088 4，各站點整體差異不大，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.05，通達性數(shù)值離散程度較低。通達性值較高的軌道站點主要包括燕南、華強北、華新、登良、后海、國貿(mào)、東門、福田、購物公園、老街等(見表1)。其中燕南站、華強北站和華新站位列前三，均位于深圳華強北商業(yè)片區(qū)，可達性值分別為0.293 3、0.254 5和0.220 9。長嶺陂、留仙洞等站點的可達性最差，為0.013 7，這些站點本身并未具有換乘功能，且站點周邊道路網(wǎng)絡(luò)的連通性較差。

表1 軌道站點通達性評價結(jié)果

圖2直觀展現(xiàn)了軌道站點通達性的空間分布特征，可以看出，通達性高的軌道站點集中分布在福田區(qū)、羅湖區(qū)和南山區(qū)等中心城區(qū)，形成了以福田站-市民中心站-購物公園站-會展中心站-崗廈站為主的福田中心區(qū)、以華新站-通新嶺站-華強北站-燕南站-科學(xué)館站為主的福田華強北片區(qū)、以老街站-東門站-國貿(mào)站-曬布站為主的羅湖東門片區(qū)、以后海站-登良站為主的南山后海片區(qū)4個熱點區(qū)。這些區(qū)域是深圳主要商業(yè)和辦公集中區(qū)，軌道換乘方便，站點與周邊路面網(wǎng)絡(luò)的銜接十分友好，這種立體化軌道交通的發(fā)展對周邊土地的開發(fā)利用產(chǎn)生極為重要的導(dǎo)向和促進作用。

3.2 站點通達性與土地利用關(guān)系分析

軌道交通系統(tǒng)與城市土地利用之間存在著既相互促進又相互制約的關(guān)系。軌道交通站點是城市發(fā)展的觸媒，對周邊土地開發(fā)具有吸引效應(yīng)、空間分異效應(yīng)和地價促進效應(yīng)[23-24]，進而影響站點周邊用地的規(guī)模和布局，通過可達性與用地規(guī)模的相關(guān)性分析可以判斷軌道站點對哪些用地產(chǎn)生了激活和驅(qū)動作用。同時，根據(jù)軌道站點所處區(qū)位、周邊土地利用情況、現(xiàn)狀開發(fā)程度的不同，軌道站點往往與城市開發(fā)活動具有不同的結(jié)合方式[25]，根據(jù)這種組合方式可分析軌道站點對周邊土地利用的承載程度，判斷哪些站點需要提高通達性水平，以匹配城市功能。因此，本文采用2014年深圳市建筑普查成果，進一步探討軌道站點通達性與周邊土地利用的相互作用關(guān)系。

首先選取商業(yè)、居住、工業(yè)倉儲和辦公4類建筑物，分別統(tǒng)計位于軌道站點網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)范圍的不同類型建筑總面積，將其與站點通達性進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖3所示。商業(yè)用地與站點通達性的相關(guān)性程度最高，相關(guān)系數(shù)接近0.7，說明了深圳市商業(yè)用地和軌道站點在空間分布上更加傾向于人流量集中的空間節(jié)點。辦公用地的相關(guān)性程度次之，相關(guān)系數(shù)約為0.55。居住用地的相關(guān)性程度約為0.2，在500 m步行尺度下與站點的通達性關(guān)聯(lián)程度并不如商業(yè)和辦公明顯。工業(yè)倉儲用地與站點通達性的分布呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性的狀態(tài)，且這種相關(guān)性極弱，可見工業(yè)倉儲用地并非軌道站點布局主要考慮的因素，受站點的影響較小。

基于相關(guān)性分析結(jié)論，將商業(yè)建筑、辦公建筑和居住建筑總規(guī)模作為潛在城市功能需求，將總規(guī)模劃分為高、中、低3個等級，將其與站點通達性(亦劃分為高、中、低3個等級)進行組合分析，進一步分析軌道站點對周邊土地利用的承載情況。根據(jù)各站點土地利用需求高、中、低值與通達性高、中、低值的組合情況(如圖4所示)，東門站、福田站、購物公園站、華強北站等28個站點處于高用地規(guī)模高通達性水平，安托山站、西麗站、翠竹站、木棉站等17個站點處于中用地規(guī)模中通達性水平，大運站、荷坳站、留仙洞站、長嶺陂站等19個站點處于低用地規(guī)模低通達性水平，共計64個軌道站點與周邊土地利用可實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展；后瑞站、紅山站、紅樹灣站等15個站點處于低用地規(guī)模中通達性水平，登良站、民治站等5個站點處于中用地規(guī)模高可達性水平，可根據(jù)實際增加相關(guān)功能用地配置規(guī)模，適度提高建筑容積率，發(fā)揮良好交通條件的優(yōu)勢地位；南聯(lián)站、海月站、西鄉(xiāng)站等11個站點處于高用地規(guī)模中通達性水平，大芬站、布吉站、科苑站等16個站點處于中用地規(guī)模低通達性水平，共計27個站點需提升綜合立體交通體系功能，尤其需優(yōu)化與軌道站點直接相連接的城市道路網(wǎng)絡(luò)，解決城市功能用地需求與交通條件不匹配之間的矛盾。

4 結(jié) 語

本文基于地下軌道交通和地面道路交通構(gòu)成的復(fù)合拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，借助空間句法方法構(gòu)建軌道站點通達性評價模型，分析了深圳市軌道站點通達性的規(guī)模特征和空間分布特征，并量化分析了軌道站點通達性與周邊土地利用的相互關(guān)系。研究形成的結(jié)論如下：

(1) 軌道站點通達性平均值為0.088 4，燕南、華強北、華新、登良、后海、國貿(mào)、東門、福田、購物公園、老街等站點通達性水平較高，全市形成了福田中心區(qū)、華強北商業(yè)區(qū)、東門商業(yè)區(qū)和后海片區(qū)等高值熱點區(qū)，這些區(qū)域與深圳主要商圈的分布基本一致，軌道站點及其與周邊交通網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)向作用顯著。

(2) 商業(yè)用地、辦公用地與軌道站點通達性的相關(guān)性程度最大，軌道站點的設(shè)置更多是向激活城市活力的商業(yè)及辦公用地傾斜，站點在滿足交通轉(zhuǎn)換功能的同時，還使周邊土地面臨更多的商業(yè)開發(fā)和地區(qū)交通量的匯集，直接影響了土地利用空間布局。

(3) 軌道交通站點基本可承載周邊的土地開發(fā)，其中64個站點可基本實現(xiàn)與周邊土地利用的協(xié)調(diào)發(fā)展，26個站點的通達性等級高于用地規(guī)模等級，可根據(jù)實際適當(dāng)提升相關(guān)功能用地的配置規(guī)模。組合類型為高-中、中-低的27個軌道站點(站點數(shù)量占比低于25%)未能滿足相同等級類型的功能用地需求，需提升綜合立體交通體系功能。

歷經(jīng)大量實證研究積累，空間句法已經(jīng)形成了一套比較成熟的理論和模型方法[26-27]，在城市地理領(lǐng)域能夠反映空間(城市空間形態(tài))、運動(交通流量)、功能(城市用地功能)三者之間的關(guān)系[28]。后續(xù)研究可收集軌道刷卡和道路交通流量數(shù)據(jù)，分析和預(yù)測城市系統(tǒng)中的運動分布信息，進一步驗證軌道站點的空間吸引力。同時，如何構(gòu)建更多類型、不同維度交通網(wǎng)絡(luò)耦合的通達性模型，如何論述空間尺度下交通與土地利用相互關(guān)系也是后續(xù)研究的方向。