城市街區容積率和人居環境的空間結構分析

金江磊，蘇尕藏嘉，別 強，王桂鋼

（1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，蘭州 730070；2.地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省地理國情監測實驗室，蘭州 730070；4.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，蘭州 730070）

隨著城市的快速增長和空間擴張，各城市建設過程采取高容積率和低密度的開發模式［1-2］，給城鎮化健康發展、土地資源的合理利用與保護以及社會穩定等帶來重要的影響［3］。容積率指在一定范圍內地塊上所修建的建筑面積與其所占用地塊面積之比，是土地規劃管理的關鍵控制指標，也是衡量一個社區生活環境質量的一項關鍵指標［4］，在城市地價和城市規劃管理中起著關鍵的作用。容積率反映城市土地利用強度，與住宅商品房的價格、交通、建筑類別等要素相關，反映了城鎮建設用地是否得到合理開發和高效利用，也是定量控制指標和土地開發強度大小的主要因子，容積率過低導致土地資源管理的浪費［5］，容積率過高使城市出現了基礎設施承載力不足、人口高密度、道路交通擁堵、空氣污染和居民生活居住環境質量下降等問題［6-7］。

國外研究者將容積率調控和優化方法［8-9］應用到城市土地集約利用和規劃管理工作［10-12］，從地理學視角開展了人居環境評價、綠色人居環境、人居環境預警和人居環境的社會性等相關研究［13-14］，并通過住宅小區容積率來驗證城市人居環境質量［15］。國內學者提出了城市容積率確定的技術要點［16-17］，研究主要聚焦于容積率估算與調控、交通區位房價與容積率的關系和容積率與土地利用強度等［18-23］。在城市容積率研究的技術方法上，主要利用高分辨率影像提取建成區建筑物陰影，根據陰影指數與建筑物面積關系回歸分析、建筑物朝向分析等進行建筑容積率的計算［24-29］。針對不同地區的住宅容積率，李雪銘等應用具體房地產數據計算和分析了住宅小區容積率的時空特征、空間差異［30-32］。城市人居環境空間結構研究方面，研究者通過居住區容積率和泰爾指數評價城市人居環境可持續發展、區域差異［33-35］，分析了不同城市空間形態的演變、空間效率關系［36-37］。研究者從城市居住環境角度分析了城市容積率的現狀、原因和改進措施［38-39］。因此，研究城市住宅小區容積率的空間差異對城市居住質量空間結構、人居環境的協調發展和綠色化城市建設有重要意義。而且文獻中較少涉及到峽谷型城市的實證研究，蘭州市安寧區地形復雜多樣，容積率空間差異大，可以從容積率視角研究其城市街區人居環境空間結構。

綜上，本文以蘭州市安寧區8個街道地區為實證對象，住宅小區建筑數據、遙感影像數據、交通道路數據和房產數據等作為基礎數據，通過自然斷點法劃分街區容積率等級，運用泰爾指數模型，分析蘭州市安寧區的住宅小區容積率空間差異的現狀和街區間及內部的分異性，研究住宅區容積率與人居環境的聯系，通過實地考察和數據計算，分析安寧區人居環境空間結構分異的原因，以期為城市空間研究和建設管理決策提供一定的參考。

一、數據和方法

1.研究區域與基礎數據

蘭州市安寧區位于蘭州市西郊、黃河北岸，地處黃河蘭州段河谷地帶，地勢北高南低，總面積82.33平方公里，本文的研究范圍為蘭州市安寧區（以下簡稱安寧區），包括培黎街道、西路街道、沙井驛街道、十里店街道、孔家崖街道、銀灘路街道、劉家堡街道和安寧堡街道8個街區。本文實驗所需要的數據有安寧區住宅小區面積數據，通過2017年遙感影像提取的建筑物數據、安寧區行政規劃圖、安寧區交通道路數據等，以Google Earth影像、高德地圖為參考數據。因安寧區住宅小區與村莊平房交叉分布數量多，且小區面積矢量圖精細數據較難獲取，通過安寧區道路網來切割安寧區矢量圖來得到各個小區的面積數據。同時，個別住宅小區位于兩條街道甚至三條街道，對此類小區進行實地考察然后進行了適當的整合與拆分，最終獲取183個研究單元。最后根據安寧區遙感影像數據對已經切割好的安寧區住宅小區面積數據進行人工修正，對于一些遙感影像不能清晰分辨的地方進行實地考證。

2.研究方法

（1）住宅小區容積率的計算

首先通過遙感影像獲取安寧區的各個小區的建筑面積和小區占地面積，建筑面積等于安寧區住宅小區的樓房占地面積乘樓房層數，占地面積根據安寧區住宅小區面積數據計算得出［30］，安寧區住宅小區建筑分布情況如圖1所示。根據實驗得到的數據，對安寧區住宅小區進行容積率計算，即安寧區住宅小區建筑總面積除以住宅小區占地總面積，得到了安寧區各小區的容積率，且本文只計算安寧區住宅小區的地上面積，不計算地下停車場的面積。

圖1 安寧區住宅小區建筑空間分布Fig．1 Spatial distribution of residential buildings in Anning District

（2）住宅小區容積率的分級

通過計算得出安寧區所有住宅小區的容積率，對容積率進行分級。本文采用Jenks自然斷點法并根據安寧區住宅小區的2017年地表實際對其進行分級，最終分為7個等級［30］，分別是極低等級、低等級、中低等級、中等級、中高等級、高等級和極高等級。統計各個等級容積率所擁有的住宅小區數量，安寧區各個等級容積率范圍和同一等級容積率對應的住宅小區數量如表1所示。

表1 安寧區居住小區容積率等級劃分Tab．1 Classification of floor area ratio in residential area of Anning District

（3）泰爾指數模型

采用Theil-index模型來研究安寧區住宅小區的空間分化差異程度［32］，公式如下：

式中，T代表Theil-index，n代表研究區域的住宅小區總數目，xi代表第i個住宅小區對應的容積率，x-代表研究區域的住宅小區容積率均值。Theil-index最大值為1，最小值為0。Theil-index的值越大代表著空間分化分異的程度就越嚴重。0代表空間未分化，1代表空間完全分化。

（4）空間差異測度指數

參照已有的研究［35-37］，根據Theil-index模型轉化得到為區域空間差異測度的計算公式，如公式2和公式3：

根據公式2，空間分異測度分解為街區之間的空間分異程度和街區街道各自內部的空間分異程度［32］，對應的表達式為公式3，其中，Tb代表著八條街道之間的空間分異程度，Tw代表著8個街區各自內部的空間分異程度。K代表研究區的8個街區，gk（k=1，2，…，K）代表每個研究區中住宅小區的數量，nk代表第n組即第k條街道中住宅小區個數，xk代表第k組即第k個街區中住宅小區對應的容積率之和，yk代表研究區所有住宅小區的容積率之和。

二、實驗過程和結果分析

1.住宅小區容積率與空間分布特征

根據Theil-Index模型分析安寧區整體的空間分異程度、安寧區8個街區之間的空間分異程度、安寧區8個街區內部的空間分異程度和各個容積率等級之間的空間分異程度。先通過ArcGIS 10.3對安寧區住宅小區容積率進行分級，分級方法采用Jenks自然斷點法。分級成功之后將安寧區8個街區規劃圖疊加到實驗結果上，最后生成安寧區住宅小區容積率空間分布圖，如圖2。根據安寧區的行政規劃，將安寧區分為安寧堡街道、安寧西路街道、孔家崖街道、劉家堡街道、培黎街道、沙井驛街道、十里店街道和銀灘路街道8個研究區，研究單元的住宅小區數量如表2所示。

表2 安寧區8個街區的住宅小區數量Tab．2 Number of residential quarters in eight streets of Anning District

圖2 安寧區住宅小區容積率空間分布圖Fig．2 Spatial distribution of plot ratio in Anning District

處于極低和低兩個等級的住宅小區位于沙井驛街道，包括安寧堡的部分村莊和安寧西路的部分低層小區。中低和中等級容積率住宅小區在安寧區內分散分布在劉家堡街道、銀灘路以南、安寧西路以南和培黎街道以南。蘭州交大、西北師大等高校附近的中低和中等級容積率住宅小區少量集聚，住宅類型以低層、多層為主。中高等級容積率住宅小區主要分布在孔家崖街道與銀灘路交匯處，住宅類型大多是多層、小高層。根據空間分布圖可以看出，處于高和極高兩個等級的住宅小區主要位于在孔家崖街道、十里店街道和安寧西路街道的小部分區域，如寶石花路兩側的住宅區、十里店西街與北濱河西路的交匯處。安寧東路寶迪商業廣場附近，住宅類型以小高層和高層為主，此類小區的大部分斑塊較小，原因是位于相對發達和繁華的地區，住宅小區的容積率較高。

利用ArcGIS 10.3生成安寧區住宅區容積率等值線圖。如圖3，安寧區主要有三個核心區域即十里店街道區域、孔家崖街道區域和銀灘路街道區域。三大核心區域等值線密集、跨度大，散布著較多的高和極高容積率的住宅小區，且周圍包含普通住宅小區，說明核心住宅區土地開發強度大、面積小、層數高，由于住宅區容積率相差較大，造成了這三個區域等值線集中，色差較大的現象。等值線稀疏的地區主要是沙井驛街道和安寧堡街道，區域的容積率差異較小。

圖3 安寧區住宅小區容積率等值線圖Fig．3 Plot ratio contour map of residential quarter in Anning District

2.空間差異測度指數與空間分異

通過Theil-index模型對整個安寧區容積率的空間差異測度指數和8個街區的空間差異測度指數進行計算，計算結果如表3。

從表3分析看，安寧區住宅小區容積率的整體差異測度指數為0.241 51，說明安寧區整體的分布均衡性較好，但八個街區的住宅小區容積率空間分化差異程度和安寧區整體的分化差異程度相差較大，部分街道的容積率等級跨度和分布均衡性已經超過了安寧區整體的容積率等級跨度和分布均衡性。其中，安寧堡街道和培黎街道的空間差異測度指數要高于安寧區整體空間差異測度指數，其次是銀灘路街道、劉家堡街道、沙井驛街道和十里店街道，最后是安寧西路街道和孔家崖街道。由此可見，安寧堡街道和培黎街道的住宅小區容積率等級跨度最大，分布均衡性較差，這也是造成安寧區出現空間差異現象的主要原因。安寧西路街道和孔家崖街道等級跨度最小，分布平衡性較好。由于沙井驛街道村莊平房分布較多，容積率低且相對穩定，沙井驛街的空間差異測度指數值小，分布均衡性較好。銀灘路街道、劉家堡街道和十里店街道住宅小區容積率等級跨度適中，分布均衡性適中。

表3 安寧區整體與8個街區住宅小區容積率的空間差異測度指數Tab．3 Spatial difference index of plot ratio between Anning District as a whole and eight streets

根據Theil-index模型對安寧區住宅小區各等級容積率的空間差異測度指數進行計算，計算結果如表4所示。

根據表4可以得出，極低等級容積率的空間差異測度指數是住宅小區容積率等級中最高的，說明處于極低等級的住宅小區空間差異最大，其余6個容積率等級的空間差異測度指數在0.003和0.008之間，數值較低且數值相差不大，說明這6個容積率等級的住宅小區空間差異并不顯著，并且這些小區的空間差異相似。處于極低等級容積率的小區是導致安寧區出現空間差異現象的重點小區。

表4 安寧區住宅小區容積率等級的空間差異測度指數Tab．4 Measurement index of spatial difference of plot ratio grade in Anning District

通過公式（3）對安寧區8個街區內部和8個街區之間的空間差異測度指數進行計算和推導，得出代表八條街道之間的空間差異測度對安寧區整體空間差異測度的貢獻率，代表八條街道各自內部的空間差異測度對安寧區整體空間差異測度的貢獻率。計算結果如表5。

表5 安寧區八個街區間及其內部的空間差異測度指數及其貢獻率Tab．5 Measurement index and contribution rate of spatial difference between and within eight streets in Anning District

從表5可得，安寧區的8個街區內部的空間差異測度指數為0.180 8，8個街區之間的空間差異測度指數為0.060 71。8個街區內部的空間差異測度指數是街區間的空間差異測度指數2.978倍，說明8個街區內部的空間差異遠高于八條街道之間的空間差異，8個街區內部的空間差異是導致安寧區出現空間差異的主要原因。通過分析街區之間的街道內部的貢獻率可以得出，8個街區內部的空間差異測度指數占安寧區整體空間差異測度指數的74.86%，說明8個街區內部的空間差異是造成安寧區空間差異現象的主要原因。

3.容積率視角的街區人居環境空間特征

城市街區的容積率分布均衡性是反映人居環境的一項重要指標［15］，根據住宅小區數據對安寧區及其8個街區住宅區容積率的平均值進行計算，計算結果如表6。

表6 安寧區整體及8個街區住宅小區容積率平均值Tab．6 Average plot ratio of the whole residential area and eight streets in Anning District

如表6，安寧區住宅小區容積率整體平均值為0.570。通過這個數值可以得出，安寧區的住宅容積率適中。8個街區住宅小區容積率平均值順序為：孔家崖街道＞十里店街道＞銀灘路街道＞培黎街道＞安寧西路街道＞劉家堡街道＞沙井驛街道＞安寧堡街道，結合8個街區空間差異測度指數表可以得出，安寧堡街道與培黎街道的空間差異指數要高于孔家崖街道和十里店街道，說明安寧堡街道和培黎街道住宅小區分布的均衡性要比孔家崖街道和十里店街道差。孔家崖街道與十里店街道的住宅小區分布均衡性好，住宅小區空間分異現象不顯著，人居環境和生活質量較好，更適宜居民居住。

通過安寧區住宅小居各等級容積率的空間分布圖（圖2）和安寧區住宅區容積率等值線圖（圖3），利用ArcGIS10.3對安寧區人居環境空間結構進行了劃分（圖4）。

根據圖4得出：十里店街道、孔家崖街道和銀灘路街道的小部分區域是安寧區人居環境較好的地區。雖然這三個地區住宅小區的容積率較高，但是小區周邊基礎設施完善，有大型商場、購物超市和公交車站，交通便利，住宅類型有高層、多層和小型高層，居住環境良好；人居環境較差的區域主要為沙井驛街道、安寧堡街道和劉家堡小部分區域，住宅小區容積率等級為低和極低等級，住宅類型宅以村莊、極少低層為主，且這3個區域比較偏僻，小區周邊基礎設施少，大型商場和購物超市缺乏，人居環境較差。

圖4 安寧區人居環境空間結構Fig．4 Spatial structure of human settlements quality in Anning District

4.容積率和人居環境空間結構的影響因素

影響城市街區容積率的因素主要有地理空間位置、城市規模大小、地塊的使用性質、地塊的區位因素等［31］。通過對影響住宅小區容積率的要素進行分析，得出造成安寧區住宅小區空間分異的原因有以下三點：首先是區位和建筑屬性對住宅小區容積率的影響。沙井驛街道和安寧堡街道位于安寧區西北部，分布村莊平房和較少的低層建筑，且有很少的極低和低等級容積率的住宅區。商業區周圍和公交站附近的住宅小區受土地利用規模的約束，樓層和密度的高值導致了周邊住宅小區的容積率為高等級和極高等級。與商業區、開發區相距較遠的住宅小區的容積率分布適中，也包含低、高容積率的住宅小區。大學周圍住宅小區的容積率低值分布，建筑屬性一般為多層建筑。因為城鎮化發展后住宅建筑形式多種多樣，特別是隨著生活質量、經濟條件的改善，人們越來越講究人居環境質量，這就導致了別墅群和高層建筑的增加，影響了住宅小區的容積率空間分布。其次是地理位置和空間地貌對住宅小區容積率的影響。安寧區地勢北高南低導致了安寧區的住宅小區大部分都分布在安寧區的中部和南部，北部多為林區和山區。空間地形地貌的不同導致了住宅小區建筑屬性的不同，也造成了住宅小區容積率的空間結構的差異。第三是地區地價對容積率的限制。地區的土地價格對住宅小區的容積率也有影響，例如城市的購物中心、商務中心、地鐵站等地區，這些地區具有較高的土地密集度和較高的地價，而新的開發區因為缺乏配套設施，地價就相對較低，但開發商為了獲得更高的經濟利益，也會增強土地的開發強度，進而影響了住宅小區容積率。

三、結論與討論

本文分析了城市街區容積率和人居環境的空間結構。通過容積率、Theil-index模型，計算并研究了蘭州市安寧區住宅小區的容積率和空間差異度。

不同容積率等級的小區分布在安寧區各地，相同容積率等級的小區呈聚集現象，相鄰容積率等級的小區互相交叉。安寧區住宅小區容積率的整體空間差異測度指數為0.241 51，安寧區整體的分布均衡性較好，但八條街道的住宅小區容積率空間分化差異程度和安寧區整體的分化差異程度相差較大，有些街道容積率等級跨度和分布均衡性已經超過了安寧區整體的容積率等級跨度和分布均衡性。安寧堡街道與培黎街道的空間差異測度指數較大，容積率等級跨度大，內部均衡較差。十里店街道與孔家崖街道的空間差異測度指數較小，容積率等級跨度小，內部均衡性較好。沙井驛街道容積率低且相對穩定，空間差異測度指數小，分布均衡性較好。安寧區八條街道的內部差異顯著，整個安寧區的空間差異是由八條街道的內部空間差異引起的，八條街道之間的空間差異對安寧區整體差異影響不大，安寧區住宅小區容積率的空間差異與八條街道內部的空間差異密切相關。極低等級容積率的空間差異測度指數是7個住宅小區容積率等級中最高，說明處于極低等級的住宅小區空間差異最大。

安寧區住宅小區人居環境質量空間結構差異的主要原因有區位和建筑屬性對住宅小區容積率的影響，地理位置和空間地貌對住宅小區容積率的影響，地區地價對容積率的限制。八條街道的人居環境由高到低依次為孔家崖街道、十里店街道、銀灘路街道、培黎街道、安寧西路街道、劉家堡街道、沙井驛街道、安寧堡街道。人居環境質量較高的區域集中在十里店街道的南部、孔家崖街道和銀灘路的東北部；人居環境較差的區域集中在沙井驛街道、安寧堡街道和劉家堡街道。

本文以蘭州市安寧區為例分析了城市街區容積率和人居環境空間差異性及形成的原因，然而影響城市街區容積率和人居環境空間結構差異的因素和原因很多，本文僅以2017年單一年度數據分析了城市街區的容積率，通過城市街區容積率為單一尺度研究人居環境，缺乏多時相、多尺度視角的城市街區容積率和人居環境空間演變差異的研究，今后將從多時序，更加微觀的層面展開城市街區容積率和人居環境的研究。