特大城市轨道交通邻域内景观格局分析——以上海市为例

程浩然，陈睿山

(华东师范大学地理科学学院，上海 200241)

1 引 言

城市轨道交通作为一种大运量、低成本、高效率的交通工具，对输送城市人流具有重要作用，其缩短了通勤时间，提高了轨道交通沿线地区的可达性。这不仅显著提升了轨道交通附近的地价[1～3]，也导致了城市原本布局模式的改变，沿轨道交通为发展轴形成城市副中心或快速发展地区，或产生从城郊向市中心集聚的效应[4～12]。在公交导向型开发(Transit Oriented Development，TOD)模式下的区域，会出现人口聚集、土地利用更加集约化、城市景观更趋紧凑的现象[13]。

无论是轨道交通的“追随客流”，还是其“客流追随”的特性[14]，都会使轨道交通系统成为城市运输的重要骨架，也成为人流、物流高度密集的场所。所以一方面轨道交通会通过改善可达性、汇聚人流、物资流的方式，提升周围区域的利用价值；另一方面又会因为要获取投资回报，故在规划上轨道交通的建设就与商业开发紧密相连[15]，这都会导致周围区域开发强度的提升，也会对零售业、服务业等行业产生强烈的吸引作用，对于城市经济发展起着直接和间接的作用[16]。轨道交通也会主要通过向郊区疏散城市中的人口来实现人口的再分布[17～20]。以往有关轨道交通与城市格局之间关系的研究大多注重于轨道交通对于城市整体格局的影响，例如对于轨道交通充当发展轴的作用机理的研究和效果的评价，但对轨道交通沿线和轨道交通站点附近较小范围内轨道交通系统的影响却较少涉及。

本研究借鉴了景观生态学的研究方法[21～25]，利用斑块形状指数、斑块密度指数、Shannon多样性指数等景观生态学的评价指标，配合地表温度分析，对轨道交通周围区域的城市景观特征进行分析，来了解轨道交通对其附近区域的影响特征。

2 研究区域与数据基础

2.1 研究区域

本研究选取上海市外环线以内区域作为主要研究区域，如图1所示。上海市在长三角世界级城市群中发挥着核心城市的作用，拥有卓越的资源配置能力和重要的国际影响力。而上海市外环线以内的区域在城市总体规划中被定位为中心城区，是城市经济活动的核心。该区域开发建设强度很高，建筑密度很大，服务业集聚。根据2010年第6次人口普查的数据，上海市外环线内人口密度为1.68万人/km2，远远高于中心城周边地区，是城市生产生活活动最集中的地区。

2.2 数据基础

基于百度地图获取了上海市外环线以内的建筑物轮廓图和轨道交通线路图(如图1所示)；从地理空间数据云和美国地质调查局(USGS)网站上获取了2015年、2016年、2017年三期上海市夏季的Landsat-8遥感影像(成像时间分别为2015年8月3日、2016年7月20日和2017年8月24日，中心点坐标为32.79°N，120.69°E，云量分别为0.33%、6.09%和0.4%)；利用我国大数据公司脉策数据的POI(Point of Interest，兴趣点)爬取工具(http：//www.metrodata.cn/bdexports.html)得到了上海全市范围内轨道交通车站和22种与生活服务职能有关的设施点的属性数据(如表1所示)。

图1 研究区域示意图和外环线内街道底图、轨道交通线路、站点分布图

利用北京大学遥感所开发的Landsat-8地表温度反演工具[26，27]，对遥感影像进行地表温度反演，并利用ArcMap软件，对连续分布的地表温度进行等级化处理。

3 数据处理与分析指标

3.1 数据处理

对上海市所有轨道交通站点和主城区的轨道交通线路创建缓冲区。缓冲区范围分12种，从 50 m到 500 m每隔 50 m为一缓冲区，500 m以上选择 1 000 m和 2 000 m两个缓冲区。考察不同尺度下(步行可方便到达的范围、骑车以及通过换乘公交车可方便到达的范围；特别是对于站点周围步行范围内)城市景观的分布与其到轨道交通要素距离的关系。

利用ArcMap的地理计算功能计算出街道底图中每一个建筑物多边形的面积和周长等数据。再利用轨道交通站点和沿线缓冲区对建筑物轮廓图进行掩膜提取分析，获得不同范围缓冲区内建筑物总量、单个面积、单个周长等数据。对爬取到的22种设施点，也用轨道交通站点和沿线缓冲区按掩膜提取分析，得到全部设施点在每种缓冲区范围内的数量，并根据缓冲区的面积计算设施点的密度。

3.2 城市景观指标：

参考景观生态学的研究方法，本研究设置了如下指标分析轨道交通对城市景观的影响：

(1)斑块形状指数(Patch Shape Index)

通过计算被研究的斑块与相同面积的圆形或者正方形之间的偏离程度来表征其形状的复杂程度。鉴于本研究的对象是建筑物斑块，故选正方形作为参照，斑块形状指数定义如下：

(1)

式中，S为斑块形状指数，P为斑块周长，A为斑块面积。

本研究中利用每个建筑物多边形的周长和面积数据，根据式(1)得到每个多边形的斑块形状指数。

(2)Shannon多样性指数(Shannon Diversity Index)

Shannon多样性指数可以评价研究区域内要素多样性的高低，指数定义如下：

H=-∑PilnPi

(2)

式中，H为多样性指数，Pi为第i种要素数量占研究区内要素总量的比例。

(3)斑块密度指数(Patch Density Index)

斑块密度指数用来反映研究区域内单位面积上的斑块数量。斑块密度指数定义如下：

(3)

式中，P为斑块密度指数，N为研究区内斑块总数，S为研究区内斑块总面积。

另外，本文提出了用面积较大的建筑物数量占缓冲区内所有建筑物数量的比例来反映城市景观特征的方法。

(4)大建筑指数

本研究中大建筑指数定义如下：

(4)

式中，L为大建筑指数，Q为轮廓面积不小于 1 000 m2的斑块数量，T为缓冲区内斑块总数。

3.3 地表温度指标

用高温区占比表示研究区域内地表温度较高的像元占所有像元的比例。本研究中高温区占比定义如下：

(5)

式中，T为高温区占比，Th为高温像元的数量(具体阈值见图5)，N为像元总数。

4 分析结果

4.1 城市景观指标变化特征

(1)斑块形状指数变化特征

站点和沿线周围不同范围缓冲区的斑块形状指数变化趋势(如图2所示)显示轨道交通站点和沿线缓冲区内斑块形状指数在研究区整体平均值以上的斑块比例基本上呈现随距离增大而减小的趋势。轨道交通站点和沿线缓冲区内斑块形状指数在 50 m缓冲区内出现最高值，之后迅速下降，而从 150 m开始，随着距离的增大，指数减小很慢。

图2 轨道交通站点及沿线缓冲区内斑块形状指数均值和均值以上占比

斑块形状指数越高，反映建筑物轮廓的复杂程度越大，这可以指示周围区域开发强度大小。从结果中可以看出，轨道交通要素周围 150 m内的区域开发强度很高，与更远的区域存在明显的景观异质性。

(2)建筑面积均值和大建筑指数变化特征

站点和沿线周围不同范围缓冲区的大建筑指数变化趋势(如图3所示)显示，站点和沿线缓冲区内的大建筑指数和建筑面积均值都呈现随距离增大而减小的趋势。并且大建筑指数和建筑面积均值的斜率都在 150 m处出现了明显变化，在 150 m之后的缓冲区内，两项数值变化很小。

大建筑指数反映的是研究区域内大型建筑物的比例，建筑面积均值用来反映区域内建筑规模的一般特征。结果表明，在轨道交通要素周围 150 m以内的区域中，建筑规模和大型建筑物的比例明显比更远的区域大。

(3)斑块密度指数变化特征

站点和沿线周围不同范围缓冲区内的斑块密度指数分析结果(如图4所示)显示，站点和沿线周围不同范围缓冲区内的斑块密度随距离的增大而增大。同样可以发现指数的增长率在 150 m处出现了明显的变化，大于 150 m的缓冲区内斑块密度指数基本保持稳定。

斑块密度指数越高，反映单位面积内斑块的数量越多，区域内建筑物的破碎程度越高。结果表明，在轨道交通站点和沿线周围 150 m内的范围，单位面积上的建筑物数量、建筑物的破碎程度明显小于更远的区域。

图4 轨道交通站点及沿线缓冲区内斑块密度指数和站点缓冲区内Shannon多样性指数

(4)Shannon多样性指数变化特征

站点周围不同范围缓冲区内的Shannon多样性指数分析结果(如图4所示)显示，距离站点越远，Shannon多样性越低。具体来看，在 50 m和 100 m两种缓冲区中，多样性水平基本一致，而从 150 m缓冲区开始，多样性水平下降。

本研究中用Shannon多样性指数来衡量研究区域内设施点多样性的高低。结果表明，在轨道交通站点附近 150 m左右的范围内，设施类型的综合、丰富程度是在相近的水平上并且是比较高的，而随着距离的增加，设施的多样性程度持续降低。

4.2 地表温度变化特征

对地表温度产品(如图5所示，其中缓冲区半径为 500 m)进行缓冲区分析，得到了站点周围不同范围缓冲区内各温度区间的像元百分比。

图5地表温度产品以及站点周围缓冲区内两种地表温度组合的占比

对3个时刻的地表温度产品分别选取最高温和略高于气温的两个温度区间(阈值如图5所示)，可以发现相同的规律。最高温和略高于气温的像元占比随距离增大而降低，且变化率在 150 m处出现明显的减小。

地表温度受到下垫面性质、空气流通条件和周围热源等因素的综合影响，较高的地表温度往往出现在下垫面透水性差、植被较少、空气流动性差、周围人工热源多的地方[28，29]，因此可以大致代表城市中开发强度、人类活动强度较高的区域。地表温度分析的结果表明轨道交通要素周围 150 m范围内包含的温度较高的像元明显比更远的区域多，反映该区域内开发强度和人类活动强度更高。

5 结论与讨论

5.1 轨道交通站点和沿线缓冲区内景观特征的差异

轨道交通沿线缓冲区内斑块形状指数均值的最大值为1.53，均值以上占比最大值为43.27%；站点缓冲区内均值的最大值为1.57，均值以上占比最大值为44.30%，站点缓冲区内两项都要大于沿线缓冲区内的数值，揭示轨道交通沿线对于斑块形状的影响要弱于轨道交通站点。

与此类似，轨道交通沿线缓冲区内大建筑指数均值的最大值为 1 246.87 m2，1 000 m2以上的占比最大值为29.35%；站点缓冲区内的两项数值分别为 2 365.70 m2和42.13%，要明显高于沿线缓冲区内的情况，也反映出轨道交通站点周围区域的开发强度要高于轨道交通沿线。

轨道交通沿线缓冲区内斑块密度指数的最小值为0.08，最大值为0.11；而站点周围的最小值仅为0.04，最大值为0.10。这反映出站点周围的斑块密度要小于沿线相应缓冲区内的情况，站点周围的建筑面积普遍更大，破碎程度更小。

轨道交通站点和沿线景观特征差异的分析结果提示了站点周围同等范围区域的开发强度要明显高于沿线，这符合车站是人员、物质交换集中进行的场所的实际情况。

5.2 轨道交通造成的景观异质性

从轨道交通站点和沿线不同范围缓冲区内的景观指标分析结果来看，距离轨道交通站点和沿线较近的区域(150 m以内)，斑块形状指数、大建筑指数、Shannon多样性指数都明显高于距离远的区域，斑块密度指数明显低于距离远的区域；在此区域内指数随着距离的增大，变化比在更远的区域内更剧烈。对轨道交通周围区域地表温度的分析结果显示，在轨道交通站点周围，距离站点越近的区域内高温像元占比越高，且在距站点 150 m之后下降率明显变小。

以上所有的分析共同说明，在轨道交通要素周边一定范围区域内(150 m左右)，是一个与更远的区域具有明显景观异质性的区域。在这个区域中，城市景观呈现出高强度开发的特征：建筑形状偏离正方形更多、大面积建筑比例高、建筑面积均值大、破碎程度小、设施丰富程度高、地表温度高；服务类设施高度聚集。这种景观异质性可以认为是由轨道交通的促进而形成的，反映出了轨道交通对于城市发展、城市景观形成的重要作用。

5.3 问题与展望

从城市建设的经验来看，轨道交通的存在与其邻域内城市景观变化之间的关系很难明确地用谁导致了谁来判断，这是因为轨道交通的规划往往会早于实际建设很多年，由于市场预期效应的影响[3]，在此期间已规划的轨道交通要素周围空间上发生的变化既可以认为是为了利用未来的轨道交通这一发展契机而产生的，也难以排除由其他因素导致的可能性。本研究旨在通过一些城市景观的衡量指标来分析轨道交通对于城市景观产生的影响。

本研究是对上海城市轨道交通这一整体做的全局性分析和研究，是从系统整体的尺度上揭示轨道交通对于周围不同范围空间的影响，但尚未针对某条线路或者某些站点做更加细致的分析。未来可以借鉴已有的研究[30-33]，以站或者线路为单位，使用本研究的方法进行分析，以期产生整体与局部的对比，可以更加深刻地揭示轨道交通对邻域内城市景观的作用。

5.4 建议

从本研究的结果中可以看出，轨道交通要素周边 150 m左右是一个高强度开发的区域；但超过 150 m之后开发强度明显降低。这可能是由于除了站点本身的上盖物业等综合开发模式之外，其他不属于轨道交通系统的商业业态没有与轨道交通同步规划[34，35]，导致开发较弱。针对这种情况，在规划设计轨道交通站点周围的商业时，需要加强与轨道交通系统整体规划的协调和同步；还可以利用新兴的共享单车等便捷的换乘交通工具连接站点和更远区域内的商业设施，提高站点在小尺度下的可达性，扩大轨道交通站点的影响范围[36]。