李少英，彭潔玲，吳志峰*，陳曉越

（1.廣州大學　地理科學學院，廣東　廣州 510006；2.暨南大學　管理學院，廣東廣州 510632）

基于地鐵與土地利用影響關系的廣州地鐵站點特征聚類

李少英1，彭潔玲2，吳志峰1*，陳曉越1

（1.廣州大學地理科學學院，廣東廣州 510006；2.暨南大學管理學院，廣東廣州 510632）

探討地鐵與土地利用的影響關系，把握2者的關聯(lián)發(fā)展規(guī)律與互動機制具有重要的意義.論文構建了反映地鐵與土地利用互動影響關系的指標變量，利用基于歐氏距離與組間連鎖規(guī)則的系統(tǒng)聚類法對廣州市地鐵站點進行分類.將廣州市地鐵站點分為6大類，包括滿足需求型Ⅰ類、滿足需求型Ⅱ類、引導發(fā)展型Ⅰ類、引導發(fā)展型Ⅱ類、引導發(fā)展型Ⅲ類和其它類型.研究結果表明：地鐵與土地利用影響關系沒有明顯的時間規(guī)律，但呈現(xiàn)出顯著的空間分異特征，越秀區(qū)、天河區(qū)、荔灣區(qū)主要以滿足需求型站點為主，而番禺區(qū)和南沙區(qū)以引導發(fā)展型站點為主.研究結果對于地鐵線網以及土地利用的協(xié)同規(guī)劃具有重要的參考意義.

地鐵；土地利用；互動影響；系統(tǒng)聚類；廣州市

隨著全球城市化進程的加速推進，城市人口持續(xù)增長、私家車迅猛增加［1］，交通擁堵問題已普遍成為困擾世界各大城市的難題［2］.國際先進城市發(fā)展經驗表明，發(fā)展城市快速軌道交通是緩解城市堵塞問題的最有效措施［3］.地鐵的建設不僅有利于緩解城市交通擁堵，而且對土地利用結構和城市形態(tài)產生深遠的影響［1］.地鐵會提高軌道站點周圍土地的可達性與經濟價值，從而引導土地利用的變化［4］.而城市土地利用分布也會影響居民職住空間和出行行為，從而產生交通需求，影響地鐵的規(guī)劃與優(yōu)化［5］.地鐵與土地利用之間存在著相互促進、相互影響的動態(tài)互饋關系.在軌道交通大規(guī)模建設的背景下，對地鐵與土地利用互動影響的關系進行定量研究，有助于科學把握2者的關聯(lián)發(fā)展規(guī)律與互動機制，也可以為公共交通與土地利用的協(xié)同規(guī)劃提供決策依據(jù).

近年來，國內外逐漸出現(xiàn)了地鐵與土地利用2者關系的定量研究成果.許多研究側重于城市地鐵對土地價值或土地利用的影響，如地鐵對沿線居住和商業(yè)土地價值的影響［6-9］、地鐵站點周邊或沿線土地利用特征分析［4，10］，或地鐵對土地利用與城市結構變化的影響［11-13］.也有研究側重土地利用對地鐵的影響，如土地利用對軌道客運需求量或客運量的影響［14-18］.以上研究主要側重地鐵與土地利用之間的單向影響關系的研究，缺乏對2者雙向互動關系的研究.

地鐵與土地利用之間的相互影響關系具有一定的時空特征［19］.在不同階段、不同區(qū)域哪種影響關系占主導作用是一個重要的研究問題.LEVINSON［20］選取倫敦33個市鎮(zhèn)的人口和軌道網絡長度數(shù)據(jù)，利用回歸模型分析軌道網絡長度和人口的相關關系，揭示出在城市外圍地區(qū)主要表現(xiàn)為地鐵影響人口增長，而在城市中心主要是人口增長影響軌道網絡發(fā)展.該研究利用宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究地鐵與人口增長之間影響關系的空間特征，缺乏對其時間特征的分析.本文以廣州市為例，利用地鐵與建設用地時空信息，構建指標對2者的互動關系進行定量測度.根據(jù)2者互動關系的測度指標，并利用系統(tǒng)聚類方法對地鐵站點進行分類，識別滿足需求型（土地利用影響地鐵規(guī)劃）與引導發(fā)展型（地鐵影響土地利用）的地鐵站點類型，以探討廣州地鐵與土地利用影響關系的時空規(guī)律.

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

本文以廣州市為研究案例，開展地鐵與土地利用影響關系研究與站點聚類分析.廣州市是我國城市化發(fā)展較快的地區(qū)之一，也是中國地鐵發(fā)展較早的城市.目前廣州地鐵已建成7條營運路線（不包含廣佛城際線），包括1～6號線和8號線（圖1），成為中國第三大城市軌道交通系統(tǒng).廣州建成地鐵覆蓋行政區(qū)包括天河、越秀、海珠、荔灣、黃埔、白云、番禺和南沙等區(qū).

本文采用的基礎數(shù)據(jù)包括廣州地鐵各線路站點數(shù)據(jù)以及廣州建設用地數(shù)據(jù).由于2號線和8號線經過了一次更改調整，規(guī)劃建設時間節(jié)點難以確定.因此，本文只選取1、3、4、5及6號線為研究對象.以各線路的建設和運營時間為依據(jù)，結合獲取的遙感影像年份，選取表1所示年份作為研究各地鐵線路建設前與建設后的時間節(jié)點.采用的遙感數(shù)據(jù)包括1995、2000、2003、2005～2009、2012共9個年份的TM遙感數(shù)據(jù).在遙感圖像處理軟件Erdas Imagine的支持下，對以上9幅TM影像圖進行幾何糾正，使糾正后誤差控制在0.5個像元之內.采用基于對象的遙感影像分類軟件eCognition對影像進行分類，將土地利用分為建設用地、林地、耕地、果園、水體和基塘6種類型，進而提取各個時期廣州市建設用地數(shù)據(jù).面向對象分類方法的特點是基于影像空間結構和光譜信息進行分類.eCognition分類過程主要包括影像分割、訓練樣本選取和對象分類，即①利用影像分割方法將具有相似性質的像元集合起來構成區(qū)域；②選取建設用地、林地、耕地、果園、水體、基塘等6類樣本數(shù)據(jù)進行訓練；③根據(jù)選取的樣本數(shù)據(jù)，利用最近鄰分類器進行分類［21］；④針對研究區(qū)域（地鐵站點周邊區(qū)域，本文采用500 m緩沖區(qū)范圍），對分類結果進行檢查，對于錯分的斑塊可用對象修改方法進行糾錯，以保證精度.在獲取土地利用分類數(shù)據(jù)基礎上，通過ArcGIS10.0提供的重分類方法提取建設用地/非建設用地二值化數(shù)據(jù)，得到各年份建設用地分布信息（圖2，見封二）.

圖1　研究區(qū)概況Fig.1 The study area

表1　各地鐵線路研究時間點選取Table 1 Selection of time points for the study of subway line

2　研究方法

城市交通從供給和需求2個方面與土地利用之間構成互動影響關系.楊勵雅［22］提出交通與土地利用之間存在“源”和“流”的復雜關系.一方面，土地利用是產生交通的源泉，決定了城市交通需求和結構模式；另一方面，交通改變區(qū)位可達性，影響著土地利用結構和形態(tài).根據(jù)地鐵與土地利用的互動影響關系，將站點劃分為2種類型：①引導發(fā)展型——地鐵站點引導周邊土地開發(fā)利用開發(fā)，即交通供給影響交通需求；②滿足需求型——土地利用影響地鐵站點規(guī)劃與建設，即交通需求影響交通供給.城市土地利用結構影響城市交通需求，較高的建設用地比例反映高居住密度和就業(yè)密度，而產生較大的交通需求量.若地鐵站點建設前周邊建設用地比例低，且建設后周邊建設用地大量增長，則該站點通常為引導發(fā)展型站點，見圖3a.若站點建設前周邊建設用地比例高，且建設后周邊建設用地增幅較小，則該站點為滿足發(fā)展型站點，見圖3b.

圖3　地鐵站點類型概念圖Fig.3 The conception framework of rail transit station type

為識別地鐵站點類型，構建建設前站點周邊建設用地比例和建設前后站點周邊建設用地擴展率2個指標，對地鐵與土地利用2者的影響關系進行定量測度.建設用地比例用于描述地鐵建設前站點周邊緩沖區(qū)內建設用地飽和度，反映交通需求對軌道站點規(guī)劃的影響.建設用地擴展率用于描述地鐵建設前后站點周邊緩沖區(qū)內建設用地年均增長率，反映了地鐵建設對周邊土地利用變化的影響.2個指標計算公式如下：

式中，URt為地鐵站點建設前（t時期）周邊一定緩沖區(qū)內建設用地比例，UERΔT為地鐵站點建設期（t到t+ΔT時刻）周邊一定緩沖區(qū)內建設用地年均擴展率，UAt和UAt+ΔT分別為t和t+ΔT時刻站點周邊緩沖區(qū)建設用地面積，TAt為t時刻的該緩沖區(qū)內土地總面積，ΔT為研究時間間隔.

根據(jù)URt與UERΔT2個變量，及樣本站點之間的相似性或親疏程度，利用系統(tǒng)聚類方法對地鐵站點進行分類.采用歐氏距離函數(shù)對樣本之間的親疏關系進行度量，作為聚類的依據(jù).歐氏距離計算公式如下：

2樣本i和j之間的距離dij是各樣本每個變量值xik和xjk之差的平方和的平方根.

利用組內平均連鎖法（Within-group Linkage）對地鐵站點進行聚類.組內平均連鎖法利用了所有樣本對之間的距離，以及樣本對內部之間的距離信息進行聚類，比最短距離和最長距離聚類法更適合本文研究.

3　結果與分析

分別對各站點建立500 m緩沖區(qū)，根據(jù)各線路建設時序（表1），利用遙感提取的各年份建設用地數(shù)據(jù)，分別計算各站點建設前建設用地比例URt與站點建設前后建設用地年均擴展率UERΔT.利用SPSS軟件對各站點進行特征聚類，在距離為5時所有站點可分為6大類（表2），同種類型樣本站點的URt與UERΔT指標值具有相似性，不同類型之間站點差異性較大（圖4）.

圖4　各類地鐵站點和指標值Fig.4 The variable values of and of each types of subway stations

第一類為以1號線、3號線和5號線為主的地鐵站點，共46個，該類站點的特征是站點建設前周邊建設用地比例URt很高（大于0.75，小于1.0），而建設前后年均擴展率UERΔT較小，屬于滿足需求型Ⅰ類.這些站點主要分布于廣州市中心城區(qū)，地鐵建設前周邊建設用地比例非常高，就業(yè)用地和居住用地密集，人口稠密，產生較大的交通需求.其中部分站點URt高達100%，UERΔT為0，包括陳家祠站、公園前站等23個站點.第二類為以3號線、6號線為主，共32個站點.該類站點UERΔT相對小于第一類站點，但也都大于50%，而建設前后年均擴展率較小，屬于滿足需求型Ⅱ類.第三類站點建設前周邊建設用地比例較低，不屬于滿足需求型站點，而建設前后年均擴展率也較小，在研究時間段里沒有較好體現(xiàn)地鐵站點的引導作用.這類站點包括3號線的夏蟯站、漢溪長隆站以及4號線的海傍站、低涌站、東涌站和黃閣站.第四類站點建設前周邊建設用地比例URt較低，建設前后年均擴展率UERΔT較高（大于0.5，小于1.0），包括3號線的廣州塔站、大塘站與永泰站，4號線的石基站、新造站、焦門站以及5號線的文沖站；屬于引導發(fā)展型Ⅰ類站點.第五類站點建設前周邊建設用地比例URt較低，建設前后年均擴展率UERΔT高（大于1.5，小于2.0），為引導發(fā)展型Ⅱ類站點，包括3號線的珠江新城站以及4號線的官洲站、大學城北站、大學城南站、金洲站，其中，珠江新城站URt為6.54%，而UERΔT接近200%.作為廣州CBD的珠江新城，承擔著廣州經濟核心的責任，地鐵建設后珠江新城站緩沖區(qū)范圍內的建設用地總量是地鐵建設前的15倍，站點建設前后對周邊建設用地的增長產生了顯著的影響.第六類站點為4號線的黃閣汽車城站，該站點建設前周邊建設用地比例只有0.006%，建設前后年均擴展率高達400%，為引導發(fā)展型Ⅲ類站點.該站點屬于南沙開發(fā)區(qū)，在地鐵站點建設影響下，周邊形成了汽車服務業(yè)和物流的集散業(yè).引導發(fā)展型站點主要規(guī)劃引導站點周邊城市空間發(fā)展及土地開發(fā)利用，地鐵的建設改善了區(qū)域的可達性，從而影響沿線土地開發(fā)與利用，吸引人口集聚，進一步產生交通需求.

從分類站點空間分布上看（圖5），除了市區(qū)新區(qū)建設的珠江新城站、廣州塔站，其它引導發(fā)展型站點主要分布在市郊.從各行政區(qū)各類地鐵站點分布看，越秀區(qū)、天河區(qū)、荔灣區(qū)主要以滿足需求型為主（2號線與8號線站點沒有參與聚類，因為海珠區(qū)情況尚未分析），而番禺區(qū)和南沙區(qū)的地鐵站點以引導發(fā)展型的地鐵站點為主.在中心城區(qū)人口密集，城市化水平相對較高，地鐵站點的建設主要滿足人們交通出行的需求，即交通需求決定交通供給；在有較好發(fā)展?jié)摿Φ慕紖^(qū)建設地鐵站點，主要引導人口向地鐵沿線和站點集聚，疏散舊城區(qū)人口壓力，體現(xiàn)了交通供給引導交通需求的發(fā)展模式.從地鐵線建設運營時間上分析，地鐵與土地利用影響關系沒有顯著的時間規(guī)律，最早運營的1號線與最晚運營的5號線和6號線的很多站點均屬于滿足需求型站點.

圖5　地鐵站點分類結果圖Fig.5 The results of the subway station classification

4　結論與討論

本文構建指標模型對地鐵與土地利用2者影響關系進行定量測度，以廣州市為應用案例，基于地鐵與遙感影像提取的建設用地時空信息，利用系統(tǒng)聚類方法對地鐵站點與地鐵網絡類型進行聚類與特征分析.根據(jù)各類站點的指標特征，從地鐵與土地利用互動關系角度總結出廣州市6大類地鐵站點，包括滿足需求型Ⅰ類、滿足需求型Ⅱ類、引導發(fā)展型Ⅰ類、引導發(fā)展型Ⅱ類、引導發(fā)展型Ⅲ類以及其它類型.

從各類站點空間分布上看，除了市區(qū)新區(qū)建設的珠江新城站、廣州塔站外，其它引導發(fā)展型站點主要分布在市郊.越秀區(qū)、天河區(qū)、荔灣區(qū)主要以滿足需求型為主，而番禺區(qū)和南沙區(qū)的地鐵站點以引導發(fā)展型的地鐵站點為主.地鐵與土地利用影響關系具有顯著的空間分異特征.而從站點建設運營時間上分析，地鐵與土地利用影響關系沒有顯著的時間規(guī)律.

本文提出了城市地鐵與土地利用影響關系的定量測度指標，利用系統(tǒng)聚類方法對廣州市地鐵站點進行分類，聚類結果比較符合廣州市的實際情況，對于地鐵與土地利用的協(xié)同規(guī)劃研究具有重要的參考意義.但由于受所獲取數(shù)據(jù)的限制，本文主要采用建設用地數(shù)據(jù)作為聚類分析的基礎，難以反映建設用地內部復雜用地類型的差異.下一步應考慮利用高分影像數(shù)據(jù)獲取精細土地利用信息，以描述地鐵站點周邊居住、工業(yè)、商業(yè)、休閑娛樂等不同城市功能用地變化規(guī)律，進而從精細用地復雜變化視角對地鐵站點類型進行聚類與特征分析.

［1］ DAVIS J，LIN P，BORNING A，et al.Simulations for urban planning：Designing for human values［J］.Computer，2006，39（9）：66-72.

［2］ 郭繼孚，劉瑩，余柳.對中國大城市交通擁堵問題的認識［J］.城市交通，2011，9（2）：8-14，6. GUO J F，LIU Y，YU L.Traffic congestion in large metropolitan area in China［J］.Urban Transp China，2011，9（2）：8-14，6.

［3］ CERVERO R.Linking urban transport and land use in developing countries［J］.J Transp Land Use，2013，6（1）：7-24.

［4］ 劉詩奇，郭靜，李若溪，等.北京軌道交通典型站點周邊的土地利用特征分析［J］.城市發(fā)展研究，2014，21（4）：66-71. LIU S Q，GUO J，LI R X，et al.Analysis of land use around typical rail transport stations in Beijing［J］.Urban Devel Stud，2014，21（4）：66-71.

［5］ ANTIPOVA A，WANG F H，WILMOT C.Urban land uses，socio-demographic attributes and commuting：A multilevel modeling approach［J］.Appl Geogr，2011（31）：1010-1018.

［6］ DU H B，MULLY C.The short-term land value impacts of urban rail transit quantitative evidence from Sunderland，UK ［J］.Land Use Policy，2007，24（1）：223-233.

［7］ DEBREZION G，PELS E，RIETVELD P.The impact of rail transport on real estate prices on empirical analysis of the dutch housing market［J］.Urban Stud，2011，48（5）：997-1015.

［8］ PAGLIARA F，PAPA E.Urban rail systems investments：An analysis of the impacts on property values and residents’location［J］.J Transp Geogr，2011，19（2）：200-211.

［9］ 馮長春，李維蠧，趙蕃蕃.軌道交通對其沿線商品住宅價格的影響分析——以北京地鐵5號線為例［J］.地理學報，2011，66（8）：1055-1062. FENG C C，LI W X，ZHAO F F.Influence of rail transit on nearby commodity housing prices：A case study of Beijing Subway Line Five［J］.Acta Geogr Sin，2011，66（8）：1055-1062.

［10］何冬華，袁媛.軌道交通環(huán)線沿線的土地利用空間特征分析——以廣州市軌道交通11號線為例［J］.現(xiàn)代城市研究，2010，25（9）：90-95. HE D H，YUAN Y.Analysis of the spatial characteristics of land-use led by ring rail line：A case study in Guangzhou［J］. Mod Urban Res，2010，25（9）：90-95.

［11］SUNG H，OH J T.Transit-oriented development in a high-density city：Identifying its association with transit ridership in Seoul，Korea［J］.Cities，2011，28（1）：70-82.

［12］劉?？?，馮長春.城市軌道交通對站點周邊土地利用結構的影響［J］.城市發(fā)展研究，2009，16（4）：149-155. LIU B K，F(xiàn)ENG C C.Research of impact of urban railway transportation on land use structure based on GIS and information entropy［J］.Urban Develop Stud，2009，16（4）：149-155.

［13］KNOWLES R D.Transit oriented development in Copenhagen，Denmark：From the finger plan to orestad［J］.J Transp Geogr，2012（22）：251-261.

［14］馬小毅.土地利用性質調整對軌道交通客運量的影響［J］.都市快軌交通，2008，21（3）：1-5. MA X Y.Impact of land utilization adjustmenton passenger traffic volume of rail transit［J］.Urban Rapid Rail Transit，2008，21（3）：1-5.

［15］張寧，葉霞飛，劉劍鋒.土地利用對軌道交通車站客流量的影響［J］.城市交通，2010，8（3）：23-28. ZHANG N，YE X F，LIU J F.Effect of land use on passenger flow of rail transit station［J］.Urban traffic，2010，8（3）：23-28.

［16］肖為周，王樹盛，黃富民.軌道交通沿線土地利用變化對其客運需求的影響分析——以蘇州市城市軌道交通1號線為例［J］.現(xiàn)代城市研究，2010，25（2）：80-85. XIAO W Z，WANG S S，HUANG F M.Analysis on the influence of land use variation along rail transit lines to ridership demand：A case study of urban rail transit line 1 in Suzhou city［J］.Mod Urban Stud，2010，25（2）：80-85.

［17］CHAKRABORTY A，MISHRA S.Land use and transit ridership connections：Implications for state-level planning agencies ［J］.Land Use Policy，2013（30）：458-469.

［18］SUNG H，CHOI K，LEE S，et al.Exploring the impacts of land use by service coverage and station-level accessibility on rail transit ridership［J］.J Transp Geogr，2014（36）：134-140.

［19］SHAW S L，XIN X H.Integrated land use and transportation interaction：A temporal GIS exploratory data analysis approach ［J］.J Transp Geogr，2003（11）：103-115.

［20］LEVINSON D.Density and dispersion：The co-development of land use and rail in London［J］.J Econ Geogr，2007，8 （1）：55-57.

［21］CHEN Y M，LI X，ZHENG Y，et al.Estimating the relationship between urban forms and energy consumption：A case study in the Pearl River Delta，2005-2008［J］.Lands Urban Plan，2011，102：33-42.

［22］楊勵雅.城市交通與土地利用相互關系的基礎理論與方法研究［D］.北京：北京交通大學，2007. YANG L Y.Theory and methodology of relationship between urban transportation and land use［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2007.

［23］喬宏.軌道交通導向下的城市空間集約利用研究——重慶市渝中區(qū)為例［D］.重慶：西南大學，2013. QIAO H.Analysis of urban space intensive use under the guidance of rail transit［D］.Chongqing：Southwest University，2013.

【責任編輯：陳 鋼】

Exploring the relationship between urban rail transit&land use and their quantitative measurement model：A case study of Guangzhou

LI Shao-ying1，PENG Jie-ling2，WU Zhi-feng1CHEN Xiao-yue1
（1.School of Geographical Science，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Management School of Jinan University，Guangzhou 510632，China）

It is of great significance to explore the relationship between the rail transit and land use and to grasp their individual and interactive mechanism.This paper presents two indices for quantitative measurement to study the interaction between the subway and land use，which contribute to classification of subway stations of Guangzhou.The stations can be classified to six types，including class I of the meet-the-demand stations，class II of the meet-the-demand stations，class I of the guide-the-development stations，class II of the guide-the-development stations，class III of the guide-the-development stations and other type.The analysis results show that there is no obvious time law guiding the relationship between the subway and land use，though significant difference exists in the spatial distribution.In addition，the meet-the-demand subway stations are mainly distributed in the downtown，while the guide-the-development stations are mainly distributed in the suburbs.The results of this paper can provide important reference for the collaborative subway planning and land use.

subway；land use；interactive influence；cluster analysis；Guangzhou city

F 119.9

A

1671-4229（2016）03-0063-08

2016-03-08；

2016-03-20

國家自然科學基金資助項目（41401432）；廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才資助項目（2014KQNCX107）；廣東省普通高校特色創(chuàng)新類資助項目（2015KTSCX103）；廣東省高等學校國際暨港澳臺科技合作創(chuàng)新平臺資助項目（2014KGJH2009）；廣州市屬高校科技計劃資助項目（1201421103）

李少英（1987-），講師，博士.E-mail：lsy_0130@163.com

.E-mail：gzuwzf@163.com.