土地混合利用量化與效度研究
——以澳大利亞墨爾本為例

焦佳成傅白白鹿心寧趙亞東

(1.迪肯大學(xué) 建筑與建成環(huán)境學(xué)院，澳大利亞 維多利亞州 吉朗 3220；2.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；3.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

混合開發(fā)作為城鄉(xiāng)規(guī)劃和城市設(shè)計(jì)的理念，可定義為將不同類型和功能用地整合，合理布置于城市空間中[1]。近年來，我國城鎮(zhèn)化重速度、輕質(zhì)量的問題嚴(yán)重，城市開發(fā)空間的利用效率有待提升。在我國城鎮(zhèn)發(fā)展初期，城鎮(zhèn)邊界的擴(kuò)張是城市化的必經(jīng)階段。有序且合理的城鎮(zhèn)平面擴(kuò)張有助于城鎮(zhèn)化水平的提高和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。然而，隨著城市規(guī)模在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的催化下不斷擴(kuò)大，城市空間存量開發(fā)和更新對(duì)于土地資源的利用在一定程度上遭到忽視，使得現(xiàn)階段城鎮(zhèn)空間合理開發(fā)和土地高效利用逐漸成為新時(shí)代土地資源可持續(xù)發(fā)展的突破口之一。在我國城鎮(zhèn)“有限增長(zhǎng)”與“存量開發(fā)”的新時(shí)代背景下，土地混合利用開發(fā)模式的科學(xué)內(nèi)涵將成為促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

混合開發(fā)模式作為土地利用政策導(dǎo)向原則與國土空間規(guī)劃范式轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，在理論研究與實(shí)踐應(yīng)用中不斷擴(kuò)展[2]。國外土地混合利用開發(fā)相關(guān)理論探索始于1973年，并于1990年引入我國[1]。土地混合利用即在城市建設(shè)與改造過程中將多種類型用地合理布置于城鎮(zhèn)空間[2-4]。大量研究證明土地混合利用模式影響著城鎮(zhèn)居民交通出行行為與城市環(huán)境[5-8]。土地混合利用度是量化土地混合利用程度和衡量建筑環(huán)境的重要指標(biāo)。對(duì)城鎮(zhèn)交通而言，土地混合利用程度直接影響城鎮(zhèn)居民出行需求與非機(jī)動(dòng)車出行。CERVERO[5]將街區(qū)尺度下土地混合利用度作為變量，發(fā)現(xiàn)土地混合利用度與交通出行需求相關(guān)。EWING等[6]進(jìn)一步證實(shí)土地混合利用多樣化程度能正面影響通勤交通出行模式，如用地類型越豐富，機(jī)動(dòng)車出行的比例越低。豐富街區(qū)土地混合利用類型，提升土地混合利用程度能提高空間可達(dá)性[7-8]、影響交通吸引與發(fā)生[9]、促進(jìn)非機(jī)動(dòng)車出行[10]、減少機(jī)動(dòng)車出行距離[11]。在土地混合利用程度高的街區(qū)中，鄰里滿意度高[12]、街區(qū)犯罪率低[13]、住宅價(jià)格均相對(duì)穩(wěn)定[14]。

近年來，我國土地利用方式和結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，市場(chǎng)化逐步成為影響城市格局和土地利用結(jié)構(gòu)的主要力量，由土地價(jià)值引發(fā)的用地功能置換促使不同功能的空間自發(fā)尋找最佳區(qū)位。在此背景下，我國土地混合利用研究的側(cè)重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘接懲恋乩霉芾韀15]、城市緊湊度[16]等方面，缺少對(duì)土地混合利用量化模型特征和量化效果的討論。

綜上所述，土地混合利用量化方法在我國得到較為廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于除熵指數(shù)以外的其他測(cè)量方法與模型量化效度研究仍存在空白。因此，文章基于國內(nèi)外土地混合利用相關(guān)研究，比較土地混合利用量化方法，構(gòu)建雙層過濾篩選法分析土地混合利用量化方法效度，以期為國土空間規(guī)劃與土地混合利用量化分析提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 方法構(gòu)建

基于國內(nèi)外土地混合利用相關(guān)研究結(jié)論得出土地混合利用開發(fā)模式對(duì)城市發(fā)展具有正向引導(dǎo)的作用[7-11]。量化方法是否能直觀描述土地混合利用程度是衡量效度的標(biāo)準(zhǔn)，且量化效度是影響研究整體可靠度的關(guān)鍵因素。因此，將土地混合利用量化方法的效度分為土地混合利用豐富度、均勻度和平衡度3個(gè)類別。

基于雙層篩選過濾分析框架從多個(gè)層次分析土地混合利用量化方法效度(如圖1所示)。第一層初選的變量選取基于前期樣本數(shù)據(jù)特征。在第一層篩選分析中，為減少無關(guān)變量對(duì)測(cè)算精度的影響，僅將虛擬地塊對(duì)應(yīng)土地利用信息百分比代入計(jì)算；第二層篩選分析解除對(duì)無關(guān)變量的控制，將量化效度分為土地利用豐富度、均勻度和平衡度3個(gè)層面。其中，土地混合利用多樣化是指在樣方地塊內(nèi)土地利用類型的數(shù)量，其程度高的居住環(huán)境更能夠滿足居民出行需求；土地混合利用均勻度是衡量多種不同類型用地或空間功能混合均勻程度的指標(biāo)。STEINHARDT等[17]認(rèn)為在滿足一定程度用地混合多樣化前提下，土地混合利用均勻度能直觀反映不同類型用地所占的百分比；而土地混合利用平衡度可衡量?jī)煞N類型用地的土地混合利用平衡情況。

圖1 雙層篩選過濾分析法圖

1.2 空間尺度與數(shù)據(jù)來源

土地混合利用測(cè)算過程需先確定空間尺度，以進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。空間尺度劃定需合理匹配研究目標(biāo)與對(duì)象，JACOBS[2]提出了土地利用空間尺度的劃分標(biāo)準(zhǔn)；ROWLEY[18]通過擴(kuò)展將原有兩個(gè)空間尺度完善為建筑單體、臨街建筑群、街道、片區(qū)與城鎮(zhèn)5個(gè)尺度。基于過往研究[19]，圖2概括了不同空間對(duì)象對(duì)應(yīng)的樣方尺寸與研究尺度。與多數(shù)基于省或市縣域宏觀層面研究不同[20]，文章主要是從中觀街區(qū)與微觀地塊層面開展土地混合利用量化研究。數(shù)據(jù)包括20個(gè)虛擬地塊和墨爾本都市區(qū)77個(gè)地塊土地利用信息。20個(gè)虛擬地塊土地的設(shè)計(jì)旨在降低與剔除無關(guān)變量對(duì)于量化結(jié)果的影響。

圖2 土地混合利用相關(guān)研究步驟、研究對(duì)象、空間尺度和標(biāo)準(zhǔn)樣方尺寸圖

在第一層初步篩選中需要對(duì)土地混合利用量化方法的數(shù)據(jù)精度、適用空間尺度和量化樣方的大小進(jìn)行分析。因此，地塊設(shè)計(jì)未明確土地利用類型分類，僅保持各類用地占比(LU)均質(zhì)分布。虛擬地塊編號(hào)為TG-01—TG-10。土地利用信息滿足10種類型用地均勻分布特點(diǎn)。由于初步篩選將土地利用類型數(shù)據(jù)作為研究目標(biāo)，因此虛擬地塊僅將土地利用類型多樣化程度作為變量。在TG-02—TG-10測(cè)試組下設(shè)置若干相關(guān)副測(cè)試組，以驗(yàn)證不同類型用地空間分布情況對(duì)結(jié)果的影響。副測(cè)試組與主測(cè)試組具有相同的用地類型數(shù)量和用地百分比，唯一變量為各類型用地空間布局。虛擬地塊TG-11—TG-20的設(shè)計(jì)將土地利用類型的多樣化程度作為常量，通過調(diào)整不同類型用地百分比分布，排除土地利用類型分類標(biāo)準(zhǔn)這一無關(guān)變量對(duì)量化過程的干擾。

第二層篩選分析解除對(duì)無關(guān)變量的控制，將墨爾本都市區(qū)77個(gè)地塊用地信息代入量化方法分析其效度。墨爾本都市區(qū)占地面積為6.2 km2，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈規(guī)則方格網(wǎng)狀(如圖3所示)。墨爾本都市區(qū)的方格狀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)將整個(gè)區(qū)域劃分成多個(gè)＜500 m×500 m的地塊，滿足研究數(shù)據(jù)精度，故不需要柵格化處理，且可避免因柵格化產(chǎn)生的誤差。因大多土地混合利用分析只針對(duì)出行者產(chǎn)生交通吸引的用地性質(zhì)，道路本身幾乎不產(chǎn)生交通吸引，故未將道路設(shè)施用地歸類和計(jì)算。數(shù)據(jù)精度的提高有助于深化量化方法效度。此外，第二層篩選分析所涉及的土地利用信息來源于墨爾本土地利用與就業(yè)普查數(shù)據(jù)。

圖3 墨爾本都市區(qū)77個(gè)地塊位置與土地利用現(xiàn)狀圖

2 結(jié)果與分析

2.1 量化模型特征分析

根據(jù)量化模型特征，可將現(xiàn)有土地混合利用模型歸類為直接量化法、獨(dú)立量化法和復(fù)雜量化法3類(見表1)。直接量化法常以單一類型用地在標(biāo)準(zhǔn)樣方地塊內(nèi)面積與標(biāo)準(zhǔn)樣方地塊總面積的比值來體現(xiàn)該類型用地在整個(gè)地塊內(nèi)所占比重。PEC可歸為直接量化法，是量化土地混合利用情況最簡(jiǎn)單的方法。其過程僅需要了解某一利用類型用地面積和所在地塊總占地面積即可。相較于其他量化方法，PEC更能直觀體現(xiàn)待測(cè)目標(biāo)內(nèi)單一性質(zhì)用地百分比，但其局限性在于測(cè)算過程無法量化整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣方地塊內(nèi)不同類型用地混合的整體情況。因此，PEC并不是量化土地混合利用程度的常用方法。

表1 土地混合利用度量化方法表

獨(dú)立量化法在測(cè)算目標(biāo)地塊土地混合利用度時(shí)，將一種至多種類型用地面積或百分比作為變量代入計(jì)算過程。SHN、SIM、ENT和DIS在計(jì)算時(shí)不考慮除用地面積和用地百分比外的其他變量[21-25]。因此，將上述4個(gè)量化方法歸類為獨(dú)立量化法。與PEC相比，獨(dú)立量化方法測(cè)算過程所需變量涵蓋全類型用地信息，經(jīng)由獨(dú)立量化方法計(jì)算出的土地混合利用度能最大程度反映地塊土地混合利用情況。

復(fù)雜量化法指在計(jì)算過程中需要代入除用地信息外其他輔助數(shù)據(jù)的測(cè)算方法。運(yùn)用復(fù)雜量化法對(duì)目標(biāo)地塊進(jìn)行土地混合利用度測(cè)算時(shí)需考慮除用地百分比外調(diào)節(jié)系數(shù)的取值。如BAL是描述兩個(gè)獨(dú)立的變量之間的平衡關(guān)系的常用方法。SONG等[25]認(rèn)為在使用BAL進(jìn)行研究時(shí)，不僅需要考慮樣方地塊內(nèi)居住用地和非居住用地面積，同時(shí)還需考慮調(diào)節(jié)系數(shù)取值。調(diào)節(jié)系數(shù)是宏觀區(qū)域內(nèi)用地平衡情況和就業(yè)與職位供需情況的直觀反映。就業(yè)與職位供需平衡時(shí)，可在計(jì)算時(shí)省略調(diào)節(jié)系數(shù)。

ATK指數(shù)在能源效用和城市經(jīng)濟(jì)學(xué)分析中廣泛使用[26-27]。ATK量化過程需代入各類型用地總量及調(diào)節(jié)系數(shù)，因此調(diào)節(jié)系數(shù)取值會(huì)影響土地混合度量化精度。隨著測(cè)算方法精度的提高，復(fù)雜量化方法測(cè)算的局限性在于高精度數(shù)據(jù)獲取困難。引入調(diào)節(jié)變量會(huì)對(duì)量化分析結(jié)果產(chǎn)生潛在負(fù)面影響。以BAL為例，將宏觀區(qū)域職位供需系數(shù)作為調(diào)節(jié)變量代入計(jì)算時(shí)，供需關(guān)系系數(shù)取值會(huì)受到土地利用結(jié)構(gòu)、人口數(shù)量和宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)等因素的影響，此時(shí)調(diào)節(jié)系數(shù)反映宏觀經(jīng)濟(jì)狀況而非土地混合利用結(jié)構(gòu)。

2.2 初次篩選結(jié)果

20個(gè)虛擬地塊土地利用信息和土地混合利用度初次篩選分析結(jié)果見表2。虛擬地塊用地信息如圖3所示。虛擬地塊對(duì)應(yīng)混合度量化過程基于SIM、SHN、ENT和DIS 4種方法。因在初次篩選量化過程中將土地利用類型劃分標(biāo)準(zhǔn)假定為無關(guān)變量來控制，所以未明確不同種類用地(LU)所表示具體的用地性質(zhì)。由于DIS需要代入具體的居住用地和非居住用地的百分比，因此表2中無法展示虛擬地塊對(duì)應(yīng)的DIS。將虛擬地塊TG-01—TG-10的土地利用類型數(shù)量設(shè)置為n，且其取值由1遞增至10。虛擬地塊TG-11—TG-20的土地利用類型數(shù)量及其用地百分比分布一致，變量為不同類型用地所占百分比。TG-01—TG-10中數(shù)據(jù)顯示，隨著土地利用類型數(shù)量n的增加，所對(duì)應(yīng)土地混合利用度SIM和SHN增加，而ENT對(duì)應(yīng)混合度值無明顯變化。

表2 20個(gè)虛擬地塊土地利用信息和土地混合利用度表

虛擬地塊TG-11—TG-20的土地混合利用度表明，控制整體用地百分比為常量，土地利用性質(zhì)本身不作為一個(gè)影響最終量化結(jié)果的變量，土地利用類型劃分標(biāo)準(zhǔn)在一定程度影響DIS量化過程。初篩結(jié)果顯示SIM和SHN在一定程度上能反映土地利用多樣化程度，然而ENT高低與土地利用類型分類標(biāo)準(zhǔn)和用地類型多樣化程度無關(guān)。

續(xù)表2

2.3 二次篩選結(jié)果

依據(jù)分析方法，研究第二層篩選中代入77個(gè)墨爾本都市區(qū)地塊用地信息，以進(jìn)一步確定量化方法效度。表3～6中所選地塊用地信息源于墨爾本土地利用與就業(yè)普查數(shù)據(jù)平臺(tái)，地塊對(duì)應(yīng)土地混合利用度基于SIM、SHN、ENT和DIS。

地塊3000-009、3000-011、3000-054、3000-016、3000-044和3000-064的用地混合情況、居住用地百分比(P-R)和非居住用地百分比(P-NR)不同(見表3)。6個(gè)地塊每個(gè)地塊內(nèi)部均包含4種類型用地，經(jīng)SIM計(jì)算所得混合度均為0.44。地塊3000-034和3000-012非居住用地百分比均為0.88，但兩地塊用地類型數(shù)量n分別為3和4，導(dǎo)致所得土地混合利用度不相同，分別為0.25(n＝3)和0.44(n＝4)。地塊3000-057、3000-023和3000-061非居住用地百分比相同，n分別為3、4和5，與之對(duì)應(yīng)的SIM為0.25、0.44和0.69。SIM的大小與居住和非居住用地的百分比無明顯關(guān)系。結(jié)果證明，SIM直接體現(xiàn)土地利用多樣化程度，而非用地均勻程度或用地平衡狀態(tài)。

表3 SIM分析結(jié)果表

地塊3000-063、3000-018、3000-040和3000-066測(cè)算結(jié)果顯示，隨著n的增加，對(duì)應(yīng)的SHN從0.69增加至0.96。其趨勢(shì)符合SHN能夠直觀反映土地利用類型多樣化程度的論點(diǎn)。但地塊3000-065、3000-041、3000-055、3000-058、3000-030和3000-033對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表明，SHN相同，n不一致。由表4可知，SHN與居住和非居住用地百分比無直接關(guān)系。結(jié)果表明SHN不能直接體現(xiàn)土地利用類型的多樣化與居住非居住用地平衡，僅能從一定程度體現(xiàn)多種用地之間的均勻分布程度。

表4 SHN分析結(jié)果表

表5中11個(gè)地塊相關(guān)信息顯示，n的大小對(duì)ENT測(cè)算結(jié)果沒有直接影響。其中居住用地百分比和非居住用地百分比不直接影響ENT大小。相較于SHN，經(jīng)由ENT計(jì)算的混合度更能直觀地反映土地利混合的均勻程度而非多樣化程度。表5中地塊3000-018和3000-025的n值不同，但每種類型的用地所占的百分比都為均勻分布，表明ENT更能直觀反映土地混合利用均勻程度，與用地類型多樣化程度和用地平衡無關(guān)。

表5 ENT分析結(jié)果表

DIS反映P-R和P-NR之間的平衡狀態(tài)。以3000-002和3000-020地塊為例，盡管上述兩地塊的n值和土地利用均勻程度不同，但兩者有相似的居住用地百分比與非居住用地百分比(見表6)。隨著居住用地與非居住用地比值趨于平衡(地塊3000-002和3000-020)，DIS接近0。反之，當(dāng)居住用地與非居住用地比值極端不平衡時(shí)，DIS增大，如地塊3000-018、3000-024、3000-039和3000-042。

表6 DIS分析結(jié)果表

土地混合利用量化方法特征及效度研究結(jié)果見表7。其中，“+”號(hào)代表該方法具有對(duì)應(yīng)特征。SHN和ENT能反映土地利用均勻程度，SIM側(cè)重分析土地利用類型豐富程度，DIS是量化土地利用平衡狀態(tài)的有效方法。

表7 土地混合利用量化方法特征及效度表

2.4 空間功能混合利用分析

依據(jù)上述量化指數(shù)效度，依托墨爾本土地利用與建筑空間功能數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析墨爾本都市區(qū)空間功能混合利用現(xiàn)狀(如圖4所示)。SIM量化結(jié)果如圖4(a)所示。墨爾本都市區(qū)多數(shù)地塊土地利用類型與空間功能多樣化程度不高，77個(gè)地塊中僅有12個(gè)地塊SIM＞0.80，多數(shù)地塊SIM約為0.50。經(jīng)SHN與ENT量化的土地利用與空間功能混合均勻度如圖4(b)和(c)所示，多數(shù)地塊混合度ENT＞0.60。結(jié)果表明，墨爾本都市區(qū)土地利用與空間功能混合均勻程度高。不同類型用地之間占比均勻。而居住與非居住用地之間平衡度較低，DIS約為0.30，如圖4(d)所示。基于此結(jié)果，墨爾本都市區(qū)后續(xù)城市更新與存量開發(fā)工作應(yīng)注重提升土地利用與空間功能多樣化程度、促進(jìn)街區(qū)內(nèi)職住平衡。

圖4 墨爾本都市區(qū)空間功能混合利用現(xiàn)狀圖

3 結(jié)論

通過上述研究可知:

(1)墨爾本都市區(qū)多數(shù)地塊土地利用類型與空間功能多樣化程度不高，77個(gè)地塊中僅有12個(gè)地塊SIM＞0.80，多數(shù)地塊SIM約為0.50。多類型用地與空間功能混合占比均勻，多數(shù)地塊混合度ENT＞0.60。而居住與非居住用地之間平衡度較低，整體的DIS約為0.30。

(2)復(fù)雜量化法數(shù)據(jù)精度最高，但直接量化法仍能最大程度反映土地混合利用結(jié)構(gòu)。直接量化法包括SIM、SHN、ENT和DIS，其測(cè)算數(shù)據(jù)涵蓋多類型用地?cái)?shù)量及百分比。以BAL與ATK為代表的復(fù)雜量化方法所需數(shù)據(jù)精度高，計(jì)算過程繁瑣復(fù)雜。

(3)經(jīng)由不同量化方法測(cè)算的土地混合利用度體現(xiàn)土地混合利用結(jié)構(gòu)不同層面。SIM能夠直接量化目標(biāo)區(qū)域土地混合利用多樣化程度，即樣方地塊的SIM越高，地塊土地利用類型與空間功能越豐富。SHN和ENT僅與土地利用均勻程度相關(guān)而非土地利用多樣化程度。DIS直接反映居住用地和非居住用地的平衡狀態(tài)。多類用地信息的土地利用豐富度測(cè)度可采用SIM，用地與空間功能混合均勻度測(cè)算可采用SHN或ENT，相異指數(shù)則應(yīng)用于對(duì)土地利用平衡量化。