地铁建设对城市土地利用时空变化的影响

杨华溢，朱翔

（湖南师范大学资源与环境科学学院）

1 引言

城市化快速发展往往伴随着各种城市病的出现，交通堵塞是突出表现，地铁的建设正是有效缓解这一问题的重要方式之一。近年来，地理学界开始关注地铁建设如何与城市土地利用产生相互作用关系。如段德罡等对西安地铁2号线站点周边用地功能进行定量分类[1]；何冬华等分析了轨道交通环线对城市空间结构与土地利用所产生的影响[2]；周青峰等对城市轨道交通站点周边土地利用和交通的协调性进行研究[3]。以上专家学者主要以遥感影像获取土地利用数据，或根据相关机构提供的土地利用数据，分析单一时间点下的土地利用结构或对比不同时间点的土地利用研究为主。而地铁建设的规划、施工、运营等阶段对周边土地利用所产生的影响是持续不断的动态变化过程，这种变化在不同区域及不同建设时段的发生和发展有一定差别。探讨地铁建设在不同时段、对不同区域的周边土地利用变化特征所产生的作用，便于揭示不同时间段内城市土地利用随地铁建设推进的动态变化规律，把握地铁建设对土地利用变化的时空影响，更准确地做出预测，为地铁建设方案的模拟与优化提供量化参考。

2 城市精细土地利用时空信息获取

长沙市轨道交通规划自2006年1月启动，截至2019年10月，长沙轨道交通运营线路共4条： 1号线、2号线、4号线、磁浮快线。线网覆盖长沙主城区全域和长沙县，共设车站71座、换乘站6个，运营里程102.21km。在建线路共3条（段）：3号线一期、5号线一期、6号线中段。

长沙地铁1号线是长沙轨道交通的核心线路，南北向的1号线与东西向的2号线在五一广场站换乘，形成了长沙地铁 “米字形构架，双十字拓展” 总体结构布局方案的主“十字”，实现地铁与铁路、公路、航空、城铁的快速换乘，联通湘江两岸与五一广场、梅溪湖、东塘等核心商圈。1号线于2010年12月开工，2016年6月正式开通运营，北起开福区政府站，沿黄兴路和芙蓉路两条中心城区主干道到达最南端的尚双塘高架站，共设有20个车站。

基于遥感影像与百度POI数据获取情况，以长沙地铁1号线一期沿线1000m缓冲区范围作为研究区，选取长沙市中心城区2005年12月、2008年3月、2012年11月、2017年8月4个时间点的遥感影像作为规划前—施工前、施工—运营前、运营后三个时间段的城市土地利用信息来源研究1号线在不同时段对缓冲区土地利用变化的时空影响，影像分辨率为0.597m。抓取2018年10月长沙市主城区的百度地图POI数据，作为遥感影像目视解译辅助信息。POI数据由16个大类组成，每个大类中包含若干小类，共计23万余条。

遥感影像具有良好的目视效果，米级影像分辨率下可以较为清晰分辨出日常所见的多数野外目标，解译者便能通过目视解译获得土地利用信息。庞大数量的POI数据能更为准确地体现城市内部生产活动功能的分布情况[4]，弥补了遥感影像缺失的社会经济信息。通过遥感影像与POI数据信息融合，能减少解译者主观产生的对研究区先验知识的影响，提供更为精准的城市精细土地利用信息。

2.1 研究方法

研究区土地利用分类参考《城市用地分类与规划建设用地标准》（GB50137-2011）。由于研究区以城市建成区为主，因此选取以下10类用地进行分类：居住用地R、公共管理与公共服务用地（以下简称公共用地）A、商业服务业设施用地B（以下简称商业用地）、工业用地M、物流仓储用地W、交通设施用地S、公用设施用地U和绿地G、水域E1及其他非建设用地E。考虑到居住用地的变化在反映城市发展方面有参考作用，居住用地R进一步划分为以别墅为代表的一类居住用地R1，以成片住宅为代表的二类居住用地R2和以零散住宅为代表的三类居住用地R3。共计12类。

遥感影像目视解译标准根据影像光谱信息，建立各类目视解译地物类别与土地利用类型之间的对应关系，其中，道路对应交通设施用地S，草地和林地对应绿地G，水体对应水域E1，农田和空地对应其他非建设用地E。建筑物则根据其形状、面积、反射光和阴影，结合POI数据信息确定其功能用途进行土地利用类别划分，分别归类出居住用地R、公共用地A、商业用地B、工业用地M、仓储物流用地W和公共设施用地U。居住用地R采取以遥感影像中建筑物阴影长度、排列方式和POI属性判断其楼层高度及是否为小区住宅的方式进行一、二、三类居住用地划分。百度POI数据分类与土地利用分类对应关系如表1所示。

鉴于百度POI数据实时更新，无法获得历史情况数据，本文采取先使用已获得的POI数据结合2017年8月的遥感影像解译出2017年土地利用分类数据，再通过将2012年11月与2017年8月的遥感影像进行对比来推译2012年土地利用分类数据。影像没有发生变化的地块采用2017年的分类数据，影像发生变化的地块则按照遥感影像目视解译标准来获得土地利用分类数据。其中，针对建筑物发生变化的地块，按照低层建筑形状、面积、反射光谱信息判断该地块土地利用类型。2005年和2008年的土地利用分类数据则通过逐年对比获得。

2.2 数据概况与分析

运用制图软件绘制出2005年、2008年、2012年、2017年长沙市地铁1号线沿线1000m缓冲范围内的土地利用分类图， 统计各站点缓冲区1000 m内各年各类型用地进行面积(见图1）。从图中可以得知，物流仓储用地W、公用设施用地U和一类居住用地R1的面积占比非常小，其变动几乎不影响整体的用地性质变化；公共用地A、工业用地M、水域E1和绿地G面积各年变化不大；商业用地B、交通设施用地S、二类居住用地R2、三类居住用地R3、及其他用地E面积变化比较强烈。商业用地B、交通设施用地S和二类居住用地R2呈增长趋势，而三类居住用地R3、其他非建设用地E面积减少，其他非建设用地E面积在2008年至2012年间大幅度减少，此时正值地铁1号线进行施工的前后两年。

表1 百度POI数据类别与土地利用分类对应关系

3 轨道交通对土地利用影响的时间差异

分别统计2005年-2008年、2008年-2012年、2012年-2017年三个时间段1号线20个站点周边1000m缓冲区内土地利用变化面积，并计算各用地类型的土地利用变化率。构建土地利用变化率统计模型。为表达方便，令各年为第j年，其中2005年为第1年、2008年为第2年、2012年为第3年、2017年为第4年，令各类土地利用类型为i，取i（i=1,2,3…12）类土地利用类型第j（j=1,2,3）年面积为ijx，按照一般变化率计算方法，可令相邻两年i类土地利用面积之差除以相邻两年i类土地利用面积之和，为剔除取值为负时对站点总土地利用变化率的削弱，取绝对值后再统计总土地利用变化率。

因此，本文采用模型如下：

将各站点总土地利用变化率带入式中求得各时间段内长沙市地铁一号线各站点缓冲区1000m范围内土地利用变化率如图2。

从图2中可以看出，总体的土地利用变化剧烈程度由两端终点站向靠近市中心的站点如黄兴广场、南门口站递减。造成该现象的原因主要是市中心相对城市边缘地区更发达，其土地利用类型更为成熟，周边可利用土地面积较小，地铁建设对该类地区的用地结构影响较小。05年-08年期间，地铁站处于规划期，大部分站点的土地利用变化率相对建设和运营期间较小，这是因为在这一时期，距离地铁建设仍有较长时间，地铁走向还未最终确定，出于不确定性考虑，土地开发者对站点周边土地投资有所顾虑。08年-12年期间，土地利用变化程度最为剧烈，其中五一广场站出现了小峰值，这是由于此站点为换乘站点，地铁2号线与1号线在此换乘，该时期内，两条地铁线都处于施工期；另外，马厂站、桂花坪站与中信广场站都有较为剧烈的土地利用变化，这是由于地产商考虑到消费者日常通勤需求和地铁站点的商业带动效应，对站点周边进行房地产与商业开发导致。12年-17年间，地铁施工完成并投入运营，站点的开通对购房者和消费者的吸引力带来了新一轮的需求增长，因而靠近两端终点站的站点周边再次出现土地利用变化高峰。

4 轨道交通对土地利用影响的空间规律

前文仅分析了地铁建设在不同时期影响土地利用变化的规律，而在实际社会经济活动中，更多考虑的是地铁所途经的城市不同区域、不同地块的土地利用影响效应，为研究地铁建设对不同城市区域土地利用形式变化的影响，本文拟构建站点用地的空间功能分类标准，讨论各站点空间功能转变变化情况，并建立评价指标进行分析。评价指标选取：用地类型集中度指数[5]、用地类型均衡度指数[6]和各站点1000m缓冲区内各类用地面积比例，将各站点空间功能划分为居住型、商业型、交通型、混合型和其他类型共5种类型。

图1 长沙市地铁1号线沿线1000米缓冲区内各年土地利用面积变化

图2 长沙市地铁1号线各站点1000米缓冲区内各年土地利用变化率

用地类型集中度指数（G）计算公式如下：

用地类型均衡度指数（E）计算公式如下：

式（2）和式（3）分别反映站点缓冲区内土地利用用地类型的聚积程度和均衡程度。式中：G为站点缓冲区用地类型集中度指数；E为用地类型均衡度指数； Pk为站点缓冲区中第k类用地类型所总用地面积的比例；m为区域内土地利用类型的总数。站点空间功能分类标准如表2。

按照上述指标模型分类标准对各站点各时期进行分类并统计其发生变化的过程汇总得到表3。

从表3中可以看出，没有发生变化的站点空间功能以居住型和商业型为主，这些站点大多分布在市中心，这是由于，城市中心区域建设发展较早，土地利用类型已趋稳定，可开发利用的土地资源较少，因此土地利用结构发生变化的几率也较小。发生变化的站点中，主要是居住型和商业型转变为商住混合型或其他类型。如南湖路和南门口站，造成这种转变的原因是由于地铁施工过程中的封闭性、带来的噪音、环境污染以及对交通线路的影响导致建设站点周边商住环境下降。但地铁建成投入运营后，原本交通不便的站点成为可达性更高的地区，因而引发周边新的土地开发和利用，此时土地利用类型多转变为其他用地类型，与本文研究的1号线建设到投入运营时间相一致。变化站点中其他类型转变为交通型的部分，如尚双塘站，是地铁装组站建设的结果。

地铁建设不仅改善了站点周边土地利用方式的转变效率，也改变了站点周边土地利用的功能和性质。研究各站点类型转变的过程可以发现，绝大部分的站点类型转变都发生在地铁施工和运营交替的阶段，在这一阶段，地铁规划和施工期存在的不确定性和环境污染、交通阻断等负面影响开始向交通可达性提高、集聚效应增强转变，增大了站点周边土地利用价值，提高了土地利用程度，最终促成了各站点空间功能的质变。如中信广场站与南湖路站，在规划和施工期，这两个站点的土地利用效率都较低，土地开发程度低，随着1号线的建成运营，中信广场站地处郊区的土地利用率得到大大提高，南湖路站周边交通设施也同步得到改善，这些变化都为空间功能的转变和基础设施建设带来了集聚力。

表2 站点空间功能分类标准

表3 长沙市地铁1号线站点空间功能变化表

5 结语

本文通过综合遥感影像物理信息与百度地图POI社会经济类别属性信息进行目视解译，获取长沙市地铁1号线在规划、施工、运营多个时间节点的城市精细土地利用信息，并构建模型分析各类土地利用类型与站点空间功能的变化情况，得出长沙市地铁1号线在规划、施工及运营阶段对土地利用变化的不同影响：规划期内，地铁站点周边主要以其他建设用地为主，可利用土地较充足；施工期内，地铁站点周边土地利用受施工封闭影响对土地利用变化和开发有一定制约；运营期内，由于地铁站点建成带来的高流量，土地利用变化率出现明显波动，站点功能也出现相应的转变。

本文探讨了地铁建设不同阶段影响城市土地利用变化时间和空间的规律，对研究地铁建设与土地利用相互作用关系有一定意义，也为今后新建地铁站点的规划模拟和预测提供一定参考。受历史遥感影像与百度地图POI数据获取困难的影响，本文研究所用数据信息还有进一步调整优化的空间，且长沙市目前有多条地铁正处在建设期，地铁线路尚不密集，对地铁开通运营后的时空变化影响分析还有待获取更多资料加以补充完善。