基于地铁与土地利用影响关系的广州地铁站点特征聚类

李少英，彭洁玲，吴志峰*，陈晓越

（1.广州大学　地理科学学院，广东　广州 510006；2.暨南大学　管理学院，广东广州 510632）

基于地铁与土地利用影响关系的广州地铁站点特征聚类

李少英1，彭洁玲2，吴志峰1*，陈晓越1

（1.广州大学地理科学学院，广东广州 510006；2.暨南大学管理学院，广东广州 510632）

探讨地铁与土地利用的影响关系，把握2者的关联发展规律与互动机制具有重要的意义.论文构建了反映地铁与土地利用互动影响关系的指标变量，利用基于欧氏距离与组间连锁规则的系统聚类法对广州市地铁站点进行分类.将广州市地铁站点分为6大类，包括满足需求型Ⅰ类、满足需求型Ⅱ类、引导发展型Ⅰ类、引导发展型Ⅱ类、引导发展型Ⅲ类和其它类型.研究结果表明：地铁与土地利用影响关系没有明显的时间规律，但呈现出显著的空间分异特征，越秀区、天河区、荔湾区主要以满足需求型站点为主，而番禺区和南沙区以引导发展型站点为主.研究结果对于地铁线网以及土地利用的协同规划具有重要的参考意义.

地铁；土地利用；互动影响；系统聚类；广州市

随着全球城市化进程的加速推进，城市人口持续增长、私家车迅猛增加［1］，交通拥堵问题已普遍成为困扰世界各大城市的难题［2］.国际先进城市发展经验表明，发展城市快速轨道交通是缓解城市堵塞问题的最有效措施［3］.地铁的建设不仅有利于缓解城市交通拥堵，而且对土地利用结构和城市形态产生深远的影响［1］.地铁会提高轨道站点周围土地的可达性与经济价值，从而引导土地利用的变化［4］.而城市土地利用分布也会影响居民职住空间和出行行为，从而产生交通需求，影响地铁的规划与优化［5］.地铁与土地利用之间存在着相互促进、相互影响的动态互馈关系.在轨道交通大规模建设的背景下，对地铁与土地利用互动影响的关系进行定量研究，有助于科学把握2者的关联发展规律与互动机制，也可以为公共交通与土地利用的协同规划提供决策依据.

近年来，国内外逐渐出现了地铁与土地利用2者关系的定量研究成果.许多研究侧重于城市地铁对土地价值或土地利用的影响，如地铁对沿线居住和商业土地价值的影响［6-9］、地铁站点周边或沿线土地利用特征分析［4，10］，或地铁对土地利用与城市结构变化的影响［11-13］.也有研究侧重土地利用对地铁的影响，如土地利用对轨道客运需求量或客运量的影响［14-18］.以上研究主要侧重地铁与土地利用之间的单向影响关系的研究，缺乏对2者双向互动关系的研究.

地铁与土地利用之间的相互影响关系具有一定的时空特征［19］.在不同阶段、不同区域哪种影响关系占主导作用是一个重要的研究问题.LEVINSON［20］选取伦敦33个市镇的人口和轨道网络长度数据，利用回归模型分析轨道网络长度和人口的相关关系，揭示出在城市外围地区主要表现为地铁影响人口增长，而在城市中心主要是人口增长影响轨道网络发展.该研究利用宏观统计数据研究地铁与人口增长之间影响关系的空间特征，缺乏对其时间特征的分析.本文以广州市为例，利用地铁与建设用地时空信息，构建指标对2者的互动关系进行定量测度.根据2者互动关系的测度指标，并利用系统聚类方法对地铁站点进行分类，识别满足需求型（土地利用影响地铁规划）与引导发展型（地铁影响土地利用）的地铁站点类型，以探讨广州地铁与土地利用影响关系的时空规律.

1　研究区概况与数据来源

本文以广州市为研究案例，开展地铁与土地利用影响关系研究与站点聚类分析.广州市是我国城市化发展较快的地区之一，也是中国地铁发展较早的城市.目前广州地铁已建成7条营运路线（不包含广佛城际线），包括1～6号线和8号线（图1），成为中国第三大城市轨道交通系统.广州建成地铁覆盖行政区包括天河、越秀、海珠、荔湾、黄埔、白云、番禺和南沙等区.

本文采用的基础数据包括广州地铁各线路站点数据以及广州建设用地数据.由于2号线和8号线经过了一次更改调整，规划建设时间节点难以确定.因此，本文只选取1、3、4、5及6号线为研究对象.以各线路的建设和运营时间为依据，结合获取的遥感影像年份，选取表1所示年份作为研究各地铁线路建设前与建设后的时间节点.采用的遥感数据包括1995、2000、2003、2005～2009、2012共9个年份的TM遥感数据.在遥感图像处理软件Erdas Imagine的支持下，对以上9幅TM影像图进行几何纠正，使纠正后误差控制在0.5个像元之内.采用基于对象的遥感影像分类软件eCognition对影像进行分类，将土地利用分为建设用地、林地、耕地、果园、水体和基塘6种类型，进而提取各个时期广州市建设用地数据.面向对象分类方法的特点是基于影像空间结构和光谱信息进行分类.eCognition分类过程主要包括影像分割、训练样本选取和对象分类，即①利用影像分割方法将具有相似性质的像元集合起来构成区域；②选取建设用地、林地、耕地、果园、水体、基塘等6类样本数据进行训练；③根据选取的样本数据，利用最近邻分类器进行分类［21］；④针对研究区域（地铁站点周边区域，本文采用500 m缓冲区范围），对分类结果进行检查，对于错分的斑块可用对象修改方法进行纠错，以保证精度.在获取土地利用分类数据基础上，通过ArcGIS10.0提供的重分类方法提取建设用地/非建设用地二值化数据，得到各年份建设用地分布信息（图2，见封二）.

图1　研究区概况Fig.1 The study area

表1　各地铁线路研究时间点选取Table 1 Selection of time points for the study of subway line

2　研究方法

城市交通从供给和需求2个方面与土地利用之间构成互动影响关系.杨励雅［22］提出交通与土地利用之间存在“源”和“流”的复杂关系.一方面，土地利用是产生交通的源泉，决定了城市交通需求和结构模式；另一方面，交通改变区位可达性，影响着土地利用结构和形态.根据地铁与土地利用的互动影响关系，将站点划分为2种类型：①引导发展型——地铁站点引导周边土地开发利用开发，即交通供给影响交通需求；②满足需求型——土地利用影响地铁站点规划与建设，即交通需求影响交通供给.城市土地利用结构影响城市交通需求，较高的建设用地比例反映高居住密度和就业密度，而产生较大的交通需求量.若地铁站点建设前周边建设用地比例低，且建设后周边建设用地大量增长，则该站点通常为引导发展型站点，见图3a.若站点建设前周边建设用地比例高，且建设后周边建设用地增幅较小，则该站点为满足发展型站点，见图3b.

图3　地铁站点类型概念图Fig.3 The conception framework of rail transit station type

为识别地铁站点类型，构建建设前站点周边建设用地比例和建设前后站点周边建设用地扩展率2个指标，对地铁与土地利用2者的影响关系进行定量测度.建设用地比例用于描述地铁建设前站点周边缓冲区内建设用地饱和度，反映交通需求对轨道站点规划的影响.建设用地扩展率用于描述地铁建设前后站点周边缓冲区内建设用地年均增长率，反映了地铁建设对周边土地利用变化的影响.2个指标计算公式如下：

式中，URt为地铁站点建设前（t时期）周边一定缓冲区内建设用地比例，UERΔT为地铁站点建设期（t到t+ΔT时刻）周边一定缓冲区内建设用地年均扩展率，UAt和UAt+ΔT分别为t和t+ΔT时刻站点周边缓冲区建设用地面积，TAt为t时刻的该缓冲区内土地总面积，ΔT为研究时间间隔.

根据URt与UERΔT2个变量，及样本站点之间的相似性或亲疏程度，利用系统聚类方法对地铁站点进行分类.采用欧氏距离函数对样本之间的亲疏关系进行度量，作为聚类的依据.欧氏距离计算公式如下：

2样本i和j之间的距离dij是各样本每个变量值xik和xjk之差的平方和的平方根.

利用组内平均连锁法（Within-group Linkage）对地铁站点进行聚类.组内平均连锁法利用了所有样本对之间的距离，以及样本对内部之间的距离信息进行聚类，比最短距离和最长距离聚类法更适合本文研究.

3　结果与分析

分别对各站点建立500 m缓冲区，根据各线路建设时序（表1），利用遥感提取的各年份建设用地数据，分别计算各站点建设前建设用地比例URt与站点建设前后建设用地年均扩展率UERΔT.利用SPSS软件对各站点进行特征聚类，在距离为5时所有站点可分为6大类（表2），同种类型样本站点的URt与UERΔT指标值具有相似性，不同类型之间站点差异性较大（图4）.

图4　各类地铁站点和指标值Fig.4 The variable values of and of each types of subway stations

第一类为以1号线、3号线和5号线为主的地铁站点，共46个，该类站点的特征是站点建设前周边建设用地比例URt很高（大于0.75，小于1.0），而建设前后年均扩展率UERΔT较小，属于满足需求型Ⅰ类.这些站点主要分布于广州市中心城区，地铁建设前周边建设用地比例非常高，就业用地和居住用地密集，人口稠密，产生较大的交通需求.其中部分站点URt高达100%，UERΔT为0，包括陈家祠站、公园前站等23个站点.第二类为以3号线、6号线为主，共32个站点.该类站点UERΔT相对小于第一类站点，但也都大于50%，而建设前后年均扩展率较小，属于满足需求型Ⅱ类.第三类站点建设前周边建设用地比例较低，不属于满足需求型站点，而建设前后年均扩展率也较小，在研究时间段里没有较好体现地铁站点的引导作用.这类站点包括3号线的夏蟯站、汉溪长隆站以及4号线的海傍站、低涌站、东涌站和黄阁站.第四类站点建设前周边建设用地比例URt较低，建设前后年均扩展率UERΔT较高（大于0.5，小于1.0），包括3号线的广州塔站、大塘站与永泰站，4号线的石基站、新造站、焦门站以及5号线的文冲站；属于引导发展型Ⅰ类站点.第五类站点建设前周边建设用地比例URt较低，建设前后年均扩展率UERΔT高（大于1.5，小于2.0），为引导发展型Ⅱ类站点，包括3号线的珠江新城站以及4号线的官洲站、大学城北站、大学城南站、金洲站，其中，珠江新城站URt为6.54%，而UERΔT接近200%.作为广州CBD的珠江新城，承担着广州经济核心的责任，地铁建设后珠江新城站缓冲区范围内的建设用地总量是地铁建设前的15倍，站点建设前后对周边建设用地的增长产生了显著的影响.第六类站点为4号线的黄阁汽车城站，该站点建设前周边建设用地比例只有0.006%，建设前后年均扩展率高达400%，为引导发展型Ⅲ类站点.该站点属于南沙开发区，在地铁站点建设影响下，周边形成了汽车服务业和物流的集散业.引导发展型站点主要规划引导站点周边城市空间发展及土地开发利用，地铁的建设改善了区域的可达性，从而影响沿线土地开发与利用，吸引人口集聚，进一步产生交通需求.

从分类站点空间分布上看（图5），除了市区新区建设的珠江新城站、广州塔站，其它引导发展型站点主要分布在市郊.从各行政区各类地铁站点分布看，越秀区、天河区、荔湾区主要以满足需求型为主（2号线与8号线站点没有参与聚类，因为海珠区情况尚未分析），而番禺区和南沙区的地铁站点以引导发展型的地铁站点为主.在中心城区人口密集，城市化水平相对较高，地铁站点的建设主要满足人们交通出行的需求，即交通需求决定交通供给；在有较好发展潜力的郊区建设地铁站点，主要引导人口向地铁沿线和站点集聚，疏散旧城区人口压力，体现了交通供给引导交通需求的发展模式.从地铁线建设运营时间上分析，地铁与土地利用影响关系没有显著的时间规律，最早运营的1号线与最晚运营的5号线和6号线的很多站点均属于满足需求型站点.

图5　地铁站点分类结果图Fig.5 The results of the subway station classification

4　结论与讨论

本文构建指标模型对地铁与土地利用2者影响关系进行定量测度，以广州市为应用案例，基于地铁与遥感影像提取的建设用地时空信息，利用系统聚类方法对地铁站点与地铁网络类型进行聚类与特征分析.根据各类站点的指标特征，从地铁与土地利用互动关系角度总结出广州市6大类地铁站点，包括满足需求型Ⅰ类、满足需求型Ⅱ类、引导发展型Ⅰ类、引导发展型Ⅱ类、引导发展型Ⅲ类以及其它类型.

从各类站点空间分布上看，除了市区新区建设的珠江新城站、广州塔站外，其它引导发展型站点主要分布在市郊.越秀区、天河区、荔湾区主要以满足需求型为主，而番禺区和南沙区的地铁站点以引导发展型的地铁站点为主.地铁与土地利用影响关系具有显著的空间分异特征.而从站点建设运营时间上分析，地铁与土地利用影响关系没有显著的时间规律.

本文提出了城市地铁与土地利用影响关系的定量测度指标，利用系统聚类方法对广州市地铁站点进行分类，聚类结果比较符合广州市的实际情况，对于地铁与土地利用的协同规划研究具有重要的参考意义.但由于受所获取数据的限制，本文主要采用建设用地数据作为聚类分析的基础，难以反映建设用地内部复杂用地类型的差异.下一步应考虑利用高分影像数据获取精细土地利用信息，以描述地铁站点周边居住、工业、商业、休闲娱乐等不同城市功能用地变化规律，进而从精细用地复杂变化视角对地铁站点类型进行聚类与特征分析.

［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］ 郭继孚，刘莹，余柳.对中国大城市交通拥堵问题的认识［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］ 刘诗奇，郭静，李若溪，等.北京轨道交通典型站点周边的土地利用特征分析［J］.城市发展研究，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］ 冯长春，李维蠧，赵蕃蕃.轨道交通对其沿线商品住宅价格的影响分析——以北京地铁5号线为例［J］.地理学报，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］何冬华，袁媛.轨道交通环线沿线的土地利用空间特征分析——以广州市轨道交通11号线为例［J］.现代城市研究，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］刘保奎，冯长春.城市轨道交通对站点周边土地利用结构的影响［J］.城市发展研究，2009，16（4）：149-155. LIU B K，FENG 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］马小毅.土地利用性质调整对轨道交通客运量的影响［J］.都市快轨交通，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］张宁，叶霞飞，刘剑锋.土地利用对轨道交通车站客流量的影响［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］肖为周，王树盛，黄富民.轨道交通沿线土地利用变化对其客运需求的影响分析——以苏州市城市轨道交通1号线为例［J］.现代城市研究，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］杨励雅.城市交通与土地利用相互关系的基础理论与方法研究［D］.北京：北京交通大学，2007. YANG L Y.Theory and methodology of relationship between urban transportation and land use［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2007.

［23］乔宏.轨道交通导向下的城市空间集约利用研究——重庆市渝中区为例［D］.重庆：西南大学，2013. QIAO H.Analysis of urban space intensive use under the guidance of rail transit［D］.Chongqing：Southwest University，2013.

【责任编辑：陈 钢】

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

国家自然科学基金资助项目（41401432）；广东省教育厅青年创新人才资助项目（2014KQNCX107）；广东省普通高校特色创新类资助项目（2015KTSCX103）；广东省高等学校国际暨港澳台科技合作创新平台资助项目（2014KGJH2009）；广州市属高校科技计划资助项目（1201421103）

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

.E-mail：gzuwzf@163.com.