轨道交通对不同区段土地利用影响差异研究——以武汉轨道交通2号线为例

钟奕纯 ， 冯 健 ， 何晓蓉

(1.北京大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055；2.北京大学 城市与环境学院，北京 100871；3.武汉理工大学 资源与环境工程学院，武汉 430070)

轨道交通对不同区段土地利用影响差异研究
——以武汉轨道交通2号线为例

钟奕纯1,2， 冯 健2， 何晓蓉3

(1.北京大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055；2.北京大学 城市与环境学院，北京 100871；3.武汉理工大学 资源与环境工程学院，武汉 430070)

已有文献中有关轨道交通对土地利用的影响研究侧重于分析轨道交通对土地利用产生何种影响，却忽视了这些影响在不同区段存在差异。以武汉市地铁2号线为例，按照武汉市道路环线范围将地铁2号线分为内环以内、内二环之间、二三环之间、三环以外4个区段，采用GIS空间分析方法从时间尺度和空间尺度分析轨道交通对不同区段土地利用影响的差异性。其中，时间尺度的分析从土地利用面积变化、程度变化和变化的空间差异三方面展开；空间尺度的分析从土地利用功能、结构和形态三方面展开。研究结果表明:轨道交通对不同区段的土地利用影响存在差异，表现为对城市外围地区土地利用的影响大于城市中心地区。分析其原因在于轨道交通对城市外围地区区位条件的改善作用明显，吸引商业、住宅等用地的集中导致其土地利用变化较大，而城市中心地区则相反。

轨道交通；土地利用；空间差异；武汉市

0 引言

轨道交通以其容量大、速度快、安全准时、节能环保等特点逐渐确立了在我国未来大城市交通中的主导地位。但作为大型固定资产，轨道交通对土地这一不可再生资源具有巨大影响，并与城市土地利用的演变有着相互促进、相互制约的作用。一方面，轨道交通的完善提高了城市交通的可达性，为城市发展创造了有利的条件，吸引商业、居住用地等的集中，从而导致土地利用结构的变化;另一方面，这一土地利用演变也是交通需求产生的根源，进一步要求轨道交通的发展。我国的城市轨道交通建设尚处于初步发展阶段，交通规划与土地利用规划在规划建设及运营管理上存在脱节现象。因此，实现轨道交通与沿线土地利用的协调发展成为当前亟待解决的问题。

国外对轨道交通与土地利用两者关系的研究建立在区位理论的基础之上，并运用不同的模型方法来研究，侧重于轨道交通对土地价值影响的分析。例如，英国土地政策研究中心跟踪调查伦敦地铁沿线的土地价值，研究结果表明，项目总投资35亿英镑，给周边土地带来的增值效益达到13亿英镑[1]。纽卡斯尔大学公共交通运管课题组研究轨道交通系统如何引起土地价值的改变，经过统计分析得出地铁系统与沿线地价上涨高度相关的结论[2]。R.Cervero在20世纪 90 年代就用多元回归法研究了轨道交通对联合开发的写字(办公)楼房地产的影响，提出地铁车站周围土地增值是因为可达性的提高[3]，后来，他和合作者又应用特征价格法研究轻轨站点周边的商业地价，进一步表明轻轨导致站点周边的商业地价提高[4]。另外一些学者的研究也大都基于特征价格模型，如D.B.Hess等采用特征价格模型研究到轻轨站点的距离对居民住地土地价值的影响等[5]。国内对轨道交通与土地利用关系的研究可分为定性和定量研究两大方面。定性研究侧重于从宏观角度阐述轨道交通对土地利用的影响机制，并阐明了轨道交通会增强沿线的土地利用强度、改变土地利用性质、影响周边土地价值等，在此基础上提出轨道交通与土地利用应协调发展，以实现土地集约化利用[6-10]。定量研究则是量化分析轨道交通对沿线住宅价格的影响以及土地利用对轨道交通客流量的影响[11-14]，或是对轨道交通系统和土地利用系统的耦合协调度进行测算[15]。

现有研究围绕轨道交通对土地利用存在何种影响而展开，却忽视了轨道交通对土地利用的影响在不同地段存在差异。基于此，本研究以武汉市轨道交通2号线为研究对象，从土地利用的时间变化和空间变化两个方面进行对比分析，旨在探索轨道交通建设对沿线土地利用的影响在城市不同区段存在何种差异，以期为轨道交通沿线不同区段的土地利用合理规划与布局提供依据。

1 研究区、研究思路与方法

1.1 研究区概况

武汉市轨道交通2 号线作为我国第一条跨越长江的地铁线路，把武汉市江北核心经济圈和江南核心经济圈有效地连接起来。本研究所选2号线一期工程全长27.7 km，设站21座。承担着约 50%的公交过江交通客运量，在很大程度上缓解了普通公交过江交通客流偏大的压力[16]。目前武汉市主城基本形成了“区片组团式”布局结构，轨道交通 2 号线由北向南依次经过常青组团—王家墩CBD—江北核心区—江南核心区—中南片区—东湖高新技术开发区[17](图1)。本研究从以上各组团中分别选取1个站点进行研究，其中，常青组团以居住功能为主；王家墩CBD主要为居住、商业用地；江北核心区主要为武汉市老城区，用地结构复杂，人口密度高得反常[18]；东湖高新技术开发区高校云集，是教育科研机构集中之地。总之，2号线贯穿武汉中心城区，串起武汉市的居住、商务、科研教育、高新技术等各类型功能组团，引导居住空间向常青组团和东湖高新技术开发区发展，既可满足目前客流需求，又能引导远期城市发展。

图1 地铁2号线与城市各功能组团的关系Fig.1 The relationship between the No.2 Rail Transit Line and the city’s various functional groups

1.2 研究思路

根据武汉市环线范围将地铁2号线路分为三环以外、二三环之间、内二环之间、内环以内4个区段。采用GIS空间分析方法，对这4个区段时间尺度上的土地利用变化进行对比分析；再对这4个区段空间尺度上的土地利用变化进行对比分析。其中，时间尺度的分析以线路为单位展开，选取地铁开工前(2006年)和建成后(2013年)2个时间节点，空间范围为地铁沿线2 000 m范围内的区域。从土地利用面积变化差异、程度变化差异和变化空间差异三方面来分析轨道交通对不同区段土地利用时间变化的影响差异。空间尺度的分析以站点为单位展开，选取的时间为2015年，空间范围为站点周边0～100，100～200，200～500 m的3个影响范围内的区域。从土地利用功能、结构和形态三方面来分析轨道交通对不同区段土地利用空间变化的影响差异。

1.3 线路周边土地利用演变分析方法

1.3.1 土地利用面积变化差异。单一土地利用类型动态度可反映研究区内某用地类型在某时间段内的面积变化速率，其表达式为：

(1)

式中：K为研究区域研究期内某一土地利用类型的动态度；Ab，Ae分别为研究期初与研究期末某一土地利用类型的面积；tb-te为时间间隔。

1.3.2 土地利用程度变化差异。根据已有文献中的土地利用程度定量模型[19]，结合研究区域实际情况对模型进行修正，得到各土地利用类型的分级指数：林地和水域为2；草地和耕地为3；建设用地为4。用土地利用程度综合指数I、土地利用程度变化量ΔI和土地利用程度变化率Rc来研究土地利用程度高低及其变化[20]。其表达式为：

(2)

(3)

(4)

式中：Li为研究区域内第i级土地利用程度分级指数，Li=1，2，3，4；Pi为研究区域内第i级土地利用程度分级面积百分比；Pix(Piy)为某区域x(y)时间第i级土地利用程度面积百分比。若ΔI>0或Rc>0，则该区域土地利用处于发展期，否则处于调整期。

1.3.3 土地利用变化空间差异。本研究主要研究轨道交通对土地利用的影响在不同区段呈现出何种差异，利用土地利用类型相对变化率能较好地描述这种区域差异。其表达式为：

(5)

式中：Rr为单一土地利用类型相对变化率；Ab，Ae分别为局部区域某一土地利用类型研究期初与研究期末的面积；Tb，Te分别代表全区域该土地利用类型研究期初与研究期末的面积。若Rr=1，则表明该区域该种土地利用类型的变化与全区域变化一致；若Rr>1，则较全区域大；若Rr<1，则较全区域小。

1.4 站点周边土地利用特征分析方法

1.4.1 土地利用功能。根据景观生态学中的结构功能原理，生态学对象在景观生态元素间是异质分布的，景观生态元素的大小、形状、数目、类型和结构是反复变化的，其空间分布由景观结构所决定[21]。轨道交通站点影响范围内的地区也可视作一个生态系统，站点的用地功能决定了其土地利用结构。因此，通过分析各站点不同性质用地的面积比例，明确各站点的用地功能，能为后来的土地利用结构和利用形态的分析提供依据。

1.4.2 土地利用结构。用信息熵来反映城市土地利用结构的复杂性与多样性[22]。信息熵H的高低可以反映城市土地利用的均衡程度，熵值越高，表明不同职能的土地利用类型数越多，各职能类型的面积相差越小，土地分布越均衡[23-24]。信息熵的计算公式为：

(6)

(7)

式中：H为城市土地利用数量结构信息熵；Pi为各土地利用类型面积占城市土地总面积的比例；Ai为第i种土地利用类型面积。

用均衡度反映城市土地利用的均质性。在实际应用中，由于不同城市或同一城市不同发展阶段可能有不同的土地职能数，土地利用结构的信息熵往往缺乏可比性，由此需引入均衡度的概念[22]。基于信息熵公式，定义城市土地利用构成的均衡度为：

(8)

式中：J为城市土地利用结构均衡度指数，其值越大表明城市土地利用的均质性越强。

1.4.3 土地利用形态。用半径维数反映该用地类型的向心聚集程度，半径维数越大，表明该类型土地的向心聚集程度越强，即越集中在轨道交通站点附近；反之，则该类型土地的空间布局越偏向站点外围，距离站点越远。其计算公式为：

(9)

式中：r为半径；S(r)是半径为r的圆中某用地类型的面积；η为常数；D为半径维数。

用边界维数反映各用地类型边界作为分形线的复杂曲折程度，边界维数越大，各用地类型边界线的非线性越强，形态越复杂。可根据面积-周长关系来计算边界维数，公式为：

(10)

式中：P与A分别为某用地类型斑块的周长和面积；φ为常数；D为边界维数。

2 不同区段土地利用的时间变化差异

从谷歌地球获取武汉市轨道交通2号线开工前(2006年)和通车后(2013年)分辨率为5 m的两期遥感影像，使用Ecognition软件对其进行土地利用分类，并通过ArcGIS掩膜提取地铁2 000 m影响范围内的土地利用信息。之后再用ArcGIS对照遥感影像图进行人工判别，修改明显分类错误的分类单元，保证分类精度均在80%以上，分类结果见图2。

图2 武汉市轨道交通2号线沿线土地利用类型Fig.2 The types of the land use along the No.2 Rail Transit Line in Wuhan City

2.1 土地利用面积变化差异

统计2006与2013年各土地利用类型的面积变化量，并利用式(1)计算单一土地利用动态度，以此来反映土地利用面积变化差异，计算结果见表1。

表1 轨道交通2号线沿线不同区段 土地利用面积变化情况的单一土地利用动态度Tab.1 The change of land use area in different sections along the No.2 Rail Transit Line(single land use dynamic degree)

由表1可知，2006—2013年间轨道交通2号线沿线的各类型用地都发生了一定程度的变化，但位于不同环线内的土地利用类型变化情况不同。整体而言，三环以外的区域土地利用动态度最高，林地、水域的动态度均高于其他区段，其中林地的动态度更是高达13.927%；二三环之间的区域土地利用动态度仅次于三环以外区域，其草地和耕地的动态度也高于其他区段。这说明轨道交通的建设对远离城市中心地区的土地利用面积变化的影响较大。因为轨道交通建设之前内环以内、内二环之间的中心城区已具备较为良好的区位条件，道路通达度较高，多年来吸引了较多人口和经济活动的集中，已形成了功能较为齐全的用地结构，轨道交通的建设对其区位条件的改善作用不明显。而二环以外(二三环之间、三环以外)区域距城市中心较远，交通可达性低，区域发展的各项基础设施不够完善，区位条件较差。轨道交通的建设提高了该区域的可达性，极大地改善了其区位条件，引导人口和经济活动向这些区域的迁移和流动，因此,土地利用的面积变化较大。

2.2 土地利用程度变化差异

通过土地利用程度定量分析模型，即式(2)～(4)计算得到轨道交通2号线沿线不同环线范围内的土地利用程度变化量和变化率(表2)。

表2 轨道交通2号线 沿线不同区段土地利用程度变化情况Tab.2 The change of land use degree in different sections along the No.2 Rail Transit Line

由表2可知，三环以外的土地利用程度变化量高达19.083，土地利用程度变化率高达0.054，两者均明显高于其他环线范围，而二三环之间的区域土地利用程度变化最小。主要是因为土地利用程度的变化与研究期初的土地利用结构和土地利用程度有较大关系，建设用地的利用程度分级指数最高，结合实际情况可判断各区域土地利用程度的增加主要是由于其他用地类型向建设用地的转化。而整个研究区内的非建设用地(耕地、林地、草地、水域)都有向建设用地转化的可能。但耕地主要存在于三环以外的区域，而流经内环以内区域的长江在研究区域中所占面积较大，导致水域主要存在于内环以内的区域。因此，三环以外区域主要是耕地、林地、草地和水域这四类用地向建设用地的转化；内环以内和内二环之间区域主要是林地、草地和水域这三类用地向建设用地的转化；而二三环之间的区域耕地和水域所占比例极小，因此向建设用地转化的面积也较小，主要为林地和草地这两类用地向建设用地转化，这就导致了各环线内的土地利用程度变化量和变化率的高低顺序依次为：三环以外>内环以内>内二环之间>二三环之间。

2.3 土地利用变化空间差异

通过式(5)计算得到不同环线的土地利用类型相对变化率Rr，即局部各土地利用面积变化与全域的比较，Rr>1则变化比全区域大，Rr<1则变化比全区域小。计算结果见表3。

表3 轨道交通2号线 沿线不同区段土地利用类型相对变化率Tab.3 The relative change rate of land use type in different sections along the No.2 Rail Transit Line

由表3可知，三环以外的土地利用类型相对变化率最高，除耕地以外，其他四类用地的相对变化率均大于1，说明三环以外这四类用地的变化均高于2号线全域水平，其中水域的相对变化率更是高达7.816。二三环之间区域的草地和耕地高于全域水平，其中草地面积变化也较为突出，其相对变化率高达6.970。内二环之间和内环以内区域的土地利用面积变化则不突出，均与全域水平较为接近。这也验证了前面的结论，即轨道交通建设对远离城市中心的二三环之间和三环以外区域的土地利用影响较大。

3 不同区段土地利用的空间变化差异

依照住房和城乡建设部发布的《城市用地分类与规划建设用地标准》，可将城市建设用地划分为居住用地、公共管理与公共服务用地、商业服务业设施用地、工业用地、物流仓储用地、交通设施用地、公用设施用地和绿地八大类(后文均用简称)。通过对站点周围500 m半径内的土地使用情况进行实地考察，决定增设“水域”和“其他”2个类别，“其他”类别主要指正在施工建设的用地。从谷歌地球获取武汉市2015年(现状)分辨率为1 m的遥感影像，选取常青花园、汉口火车站、循礼门、洪山广场、光谷广场5个站点，使用ArcGIS软件，通过矢量化的方法，提取以站点出入口为圆心、500 m为半径的缓冲区融合之后的区域内的土地利用信息。其中每一地块的用地性质主要是通过2015年3—4月的实地调查并参照武汉市三维电子地图获得(图3)。

3.1 土地利用功能

寻找各站点所占比例较大的几类用地，以明确该站点的主要功能；再对各站点周边不同半径范围内的用地功能构成进行对比分析，寻找其与距站点距离的关系。主要分析居住、交通、商服和公管用地这四类比较能反映站点功能的用地(表4)。

1)不同站点的用地结构分析。由表4及图4可知，常青花园站主要提供居住功能，其居住用地占36.74%，其次为与居住区配套的商服功能；汉口火车站的交通用地占比高达45.89%，与汉口火车站作为交通枢纽的现实情况相符合；循礼门的商服、居住和交通用地所占比例相当，分别为23.42%，27.64%，22.22%，说明其用地较为复杂，各类型用地比较平衡；洪山广场主要提供居住、商服和公共管理与公共服务的功能，所占比例分别为31.41%，19.19%，18.82%。光谷广场的商服、居住与交通用地也较为平衡，所占比例分别为22.58%，35.32%，15.15%，各类功能较为齐全。

2)不同用地性质的空间分布分析。距站点不同距离的区域用地构成也存在一定的差异。居住用地从内而外所占比例递增；商服用地200 m范围内的比例高于其他范围；交通用地各范围内所占比例相当，相对而言也存在距离站点越近交通用地所占比例越大的趋势；公管用地则远离轨道交通站点。

图3 典型站点周边土地利用类型Fig.3 The land use type of typical station

图4 各站点用地功能构成Fig.4 The functional composition in each station 表4 典型站点周边用地功能构成

3.2 土地利用结构

通过式(6)～(8)的计算得到各站点周边的土地利用结构信息，即不同半径范围内的土地利用信息熵和均衡度，计算结果见表5。

1)同一半径不同站点的对比。表5发现，100和 200 m范围内的趋势接近，即各站点的信息熵和均衡度大小排序为：常青花园>循礼门>光谷广场>洪山广场>汉口火车站。常青花园指标值最高，其他站点指标值较为接近。200～500 m范围内常青花园站的信息熵和均衡度骤降，成为5个站点中的最低，其他站点的指标值均相当。说明三环以外站点200 m范围内的信息熵和均衡度都较高，土地利用类型数目较多，土地利用结构均质性较强。而200 ～500 m范围内的区域则仍处于发展期，各类型用地的面积差别较大，不少地块仍处于在建或待建状态，呈现出从站点由外而内信息熵、均衡度增加、土地利用结构逐渐完善的趋势。三环以内的站点的结果值均较高，说明这些站点的土地利用结构已发展得较为完善，均质性较强。

2)同一站点不同半径的对比。这5个站点不同半径的信息熵和均衡度变化趋势接近，因此，只列出了信息熵的对比图(图5)。由表5和图5可以发现，各站点大致呈现出信息熵和均衡度从站点由内而外升高的趋势，仅常青花园站500 m范围内不同，光谷广场也接近这一趋势。基本能够说明距站点距离越远，不同职能的土地利用类型数越多，各类用地面积差别逐渐减小，土地利用结构的均质性越强。

图5 不同站点的土地利用结构Fig.5 The structure of land use in different station

3.3 土地利用形态

通过式(9)～(10)计算得到各站点周边土地利用的形态信息，即半径维数和边界维数。工业和物流仓储用地等并非每个站点都有。能反映站点功能的主要是公管、交通、居住和商服用地，因此，土地利用形态的分析仅针对这四类用地进行分析，计算结果见表6。

1)同一站点不同用地性质的对比。① 半径维数。除循礼门以外，其他4个站点的趋势较为接近，即大小排序为：居住>公管>交通>商服，反映了不同用地向心集聚程度的大小顺序。循礼门站点违背这一规律之处主要是居住用地的半径维数极低，表明循礼门站的居住用地向站点集中的趋势不明显，主要因为循礼门站主要提供商服、交通等功能，相对而言，其所提供的居住功能弱于其他功能。② 边界维数。各站点趋势较为一致，即大小排序为：交通>居住>商服>公管。说明各站点各类用地的边界复杂曲折程度相当，其中又尤以交通设施用地的形态最为复杂，居住用地次之。

表6 典型站点周边土地利用形态Tab.6 The form of land use in typical station

2)同一用地性质不同站点的对比。① 半径维数：居住用地半径维数均在3以上(除循礼门)，表明其向心集聚程度较高；商服用地，常青花园的半径维数最低，其他站点较为接近，因为常青花园主要提供居住功能，大型商场较少，商服用地分散布局在各居住区，所以不存在向站点靠拢的趋势。综上，各站点居住用地的半径维数较大，向站点集中的规律明显；商服用地的半径维数随着距离城市中心的距离增加而减小，即城市中心地区的商服用地向站点集中的趋势明显，城市外围地区的该种趋势尚不明显。② 边界维数：居住用地，常青花园和循礼门的居住用地形态较为规则；公管用地，除常青花园以外的站点其边界复杂曲折程度均较高；交通用地，各站点的边界维数均在0.8以上，交通设施较为完善，道路交错纵横，形态较为复杂；商服用地，各站点较为接近，其中光谷广场的形态最为复杂。

综上所述,离城市中心越远，其居住和公管用地的边界维数越低，形态越规则；各站点的交通和商服用地的边界曲折复杂程度相当，且交通用地边界形态均较为复杂。大致呈现出离城市中心越远居住和公管用地的形态越规则的规律。

4 结论与讨论

4.1 结论

武汉轨道交通2号线对沿线土地利用的影响具体表现为：① 二、三环之间及三环以外区域的土地利用变化面积高于其他区段，土地利用类型相对变化率均高于全域水平。② 三环以外的站点信息熵和均衡度从站点由内而外降低，即各类用地面积差别逐渐增大，均质性逐渐减小，而其他站点的规律与其相反。③ 各站点的居住用地向站点集中的规律均较为明显，但商服用地向站点集中的趋势只存在于城市中心地区，城市外围地区的趋势尚不明显。④ 距离城市中心越远的站点，其周边的居住用地和公管用地的边界维数越低，形态越规则。

“轨道交通对城市外围地区土地利用的影响大于城市中心地区”这种现象的形成机制为：① 城市外围地区区位条件原本较差，各项社会经济事业处于发展期。轨道交通的建设明显提高了该区域的交通通达性，对其区位条件的改善作用明显。因而吸引商业、居住等各类用地的集中，从而导致其土地利用变化较大。② 城市中心地区区位条件原本较好，基础设施建设较为完善，各项社会经济事业处于成熟期。其交通通达性较好，轨道交通建设对其区位条件的改善作用不大，因此，对土地利用的影响作用较小。

4.2 讨论

本研究存在以下不足之处：① 典型站点不能完全代表所有站点；② 分类较细的土地利用历史数据可获得性差,导致本研究缺乏对站点长时段的纵向对比分析；③ 仅从轨道交通对土地利用影响的角度进行分析，而土地利用对轨道交通的影响未作深入研究。未来可在从更多渠道获得翔实数据资料的基础上，补充站点的纵向对比，同时综合考虑轨道交通对土地利用多方面的影响，以及土地利用演变对轨道交通线路规划、站点布局、客运量变化等的影响，全面地分析轨道交通与土地利用两者之间的互馈关系，为各站点的土地利用规划提供更详实具体的建议。

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The Different Impacts of Rail Transit on Urban Land Use between

Different Sections: A Case Study of the No.2 Rail Transit Line in Wuhan

Zhong Yichun1,2, Feng Jian2, He Xiaorong3

(1.ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen518055,China; 2.CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China； 3.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

This paper takes the No.2 Rail Transit Line of Wuhan as a case study, dividing it into four sections according to ring range of Wuhan, which are within the first ring, within the second ring, within the third ring and outside the third ring. Using the method of GIS spatial analysis to analyze the different impacts of rail transit on different sections from two perspectives, which are temporal scale and spatial scale. Among them, the analysis of temporal scale takes the whole line as the study object and discusses the different impacts of the rail transit on land use over time, including three aspects, which are differences of variation of areas, differences of variation of land-use degree, differences of variation in the space. The analysis of spatial scale takes five typical stations as study objects, analyzing the different impacts of the rail transit on land use along the spatial areas change, including three aspects, which are land use functions, land use structures, land use forms. The results show that the impacts of the rail transit on land use are various in different sections, which represents that the influence of land use on urban periphery is greater than that of urban central area. This is because the rail transit has a significant impact on the improvement of the location conditions of the urban periphery area, which attracts the concentration of many types of land use, such as the commercial land, residential land. etc, which leads to greater change of land use, whereas urban central area is on the contrary.

rail transit; land use; spatial difference; Wuhan City

2016-07-07 ；

2016-07-29

国家“十二五”科技支撑计划课题资助项目(2014BAL01B02)

钟奕纯(1995-)，女，湖南益阳市人，硕士研究生，主要从事城市地理研究，(E-mail)zyc1231995@126.com。

冯健(1975-)，男，江苏沛县人，副教授，博士，武汉市创新岗位特聘专家，主要从事城乡规划研究，(E-mail)fengjian@pku.edu.cn。

F293.2

A

1003-2363(2016)05-0086-08