上海市居住区不透水面率及其影响因素分析

刘艺璇，黄景能，吴玫玫，丁慧明

（1. 上海大学 环境与化学工程学院,上海 201900；2. 上海市水务局行政服务中心,上海 200503；3. 上海闵行经济技术开发区,上海 201100）

不透水面是指阻止水分下渗到土壤的城市人工地面,包括屋顶、道路、广场、停车场等。如何提取不透水面是国内外学者关注的热点问题之一。目前,针对不透水面的研究大多集中于大中城市等大尺度范围不透水面的识别与提取、不透水面与生态环境的关联、不透水面与环境以及水文指标的关联等方面[1-8]。不透水面提取主要采用线性光谱混合分析（LSMA）法[9],如Scott D[10]等结合传统分类器和LSMA,从一系列Landsat TM/ETM+图像中提取了不透水面区域；Rashed T[11]等利用LSMA提取了不透水面,进而绘制了城市物理构成；岳文泽[12]、周存林[13]等在LSMA的基础上,利用Landsat ETM+影像分别对上海市和福州市城区的不透水面进行了提取和分析。由于地物类内的差异,如高低反照不透水面中易混淆水体、植被以及沙地等地物,LSMA提取不透水面的精度将会受到影响。

识别和提取整体区域的不透水面难以区分不同用地类型不透水面形态,但不同用地类型不透水面对城市水文环境效应具有重要意义[14]。同时,居住区作为城市最基本的地理要素,在城市建设用地中的占比最大,可达40%～50%。因此,本文选取上海市闵行区具有代表性的5个街镇共242个典型居住区作为研究区,分析了各种用地类型占比及其不透水面率,并在此基础上从时间影响因素（居住区建设年代）和空间影响因素（居住区建筑类型）两个方面对居住区用地类型变化、不透水面率及其影响因素进行了分析。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

闵行区位于上海市地域腹部,是上海市的交通枢纽、西南地区重要的工业基地、科技和航天新区,也是上海最靠近市中心的郊区之一,其建筑修建年代跨度也较为广泛[15]。本文选取的二街三镇在闵行区地图上分布较离散,建筑种类较多:新虹街道新式住宅较多,居民生活环境质量较高；古美路街道以旧式住宅为主,绿化水平较低；莘庄镇、马桥镇和虹桥镇存在大量别墅居住区,区内道路占比最多,具有优美的景观格局和园林风格。闵行区242个样本居住区包括古美路街道居住区34个、马桥镇居住区21个、莘庄镇居住区102个、新虹街道居住区41个、虹桥镇居住区44个,基本体现了当前闵行居住区不同用地类型的分布情况,具有代表性。

1.2 研究方法

本文将居住区内不透水面形态分为道路广场、高层建筑、低层建筑、绿地和水体5种；选取242个典型居住区作为样本,并通过链家网站汇总了各典型样本区的建设年代（表1）。

表1 研究样本的选取

研究方法的具体步骤为:①将2018年上海市地理信息公开服务平台天地图·上海网站的GPS地图与LSV软件中的高分辨卫星3D影像实景图相结合,分析各居住区分布以及用地类型情况；②利用Photoshop CS6软件对各用地类型进行提取（图1）,并将各用地类型填充为黑色,以避免后期ArcMap模块二值化过程中因设置范围值不同而引起实验误差；③提取各种不透水面形态后,在ArcGIS 10.1软件工作界面下读取每种不透水面形态的单一颜色通道的栅格图像,并进行二值化处理；④启用ArcScan的自动矢量化功能,将所有不透水面要素转化为矢量图层,并在创建要素图层（包括折线要素、面要素）后对矢量数据进行统计分析,得到各种不透水面形态的面积占比；⑤分析242个样本居住区不透水面率与居住区建设年代和不透水面要素的相关关系,以确定居住区不透水面率的时间影响因素和空间影响因素。

图1 上海闵行典型居住区不透水面形态提取示意图

2 研究结果与分析

2.1 居住区不透水面形态

在242个样本居住区中,绿地面积占比最高,为39.59%；道路广场占比为33.77%；建筑用地占比为26.27%,其中低层建筑占比为21.61%、高层建筑占比为4.66%。用地类型中包含水体的居住区有25个,水体平均占比为0.37%（表2）。居住区内各种用地类型的占比顺序为:绿地占比＞道路广场占比＞低层建筑占比＞高层建筑占比＞水体占比。其主要原因是居住区中存在较多的旧式住宅,而旧式住宅大部分为低层建筑（小于7层）,基本不含高层建筑（大于10层）；相较于旧式住宅,新式住宅居住区内的道路广场比例增加,同时增设了附属绿地区域；此外,由于别墅居住区不断增多,道路范围和园林植物的占比也增多。

表2 上海市闵行区用地类型占比情况/%

分析居住区用地类型频率分布直方图（图2）发现,居住区内道路广场占比大多在24%～44%之间,低层建筑占比大多在17.5%～32.5%之间,高层建筑占比大多在0%～5%之间,总体绿地率在30%～50%之间。

图2 居住区不同用地类型正态曲线频率分布

2.2 居住区不透水面率和国内外比较

通过分析闵行区242个样本居住区不透水面形态发现,马桥镇的道路广场、高层建筑和低层建筑3种不透水面形态占比较大,且低层建筑（旧式住宅）占比最高,因此不透水面率最高,为63.74%；古美路街道的绿地和水体两种不透水面形态占比较大,因此不透水面率最低,为56.62%；242个样本居住区的不透水面率最大为96.03%,最小为32.07%,平均不透水面率为60.04%,且80%的居住区不透水面率处于45%～72%之间,如图3所示。

图3 居住区不透水面率正态曲线频率分布

陈爽[16]等利用土地覆盖分类的遥感解译方法对南京市城区的不透水面率进行了分析,得到其居住用地不透水面率在50%～95%之间,平均不透水面率为71.46%的结论；苏伟忠[17]等利用LSMA得到南京市江宁区居住区不透水面率为75.13%；李强[18]等利用卫星航拍图,结合土地使用规划CAD图得到北京市典型居住区的不透水面率在40%～60%之间,其平均不透水面率为52.66%。我国代表性区域居住区不透水面率比发达国家居住区高出50%～100%,如表3所示。

表3 发达国家城市与我国城市居住区不透水面率

2.3 不透水面率的影响因素

居住区内对不透水面率产生影响的不透水面形态包括道路广场、低层建筑和高层建筑。由表4可知,道路广场是不透水面的主要形态,占比高达56.01%；高层建筑占比最小,为8.08%；不透水面形态占比顺序为道路广场>低层建筑>高层建筑。

表4 上海市闵行区不透水面形态占比/%

分析242个样本居住区不透水面形态与不透水面率的关系发现（图4）,随着低层建筑和道路广场的增加,不透水面率逐渐增加,且每增加1%的道路广场占比,不透水面率相应增加1.06%。不透水面形态对不透水面率的贡献度依次为道路广场＞低层建筑＞高层建筑。

图4 居住区不透水面类型以及建设年代与不透水面率的相关性

3 结 语

结合Photoshop CS6与ArcGIS10.1等软件,本文提取了上海市闵行区242个样本居住区的不透水面形态面积占比,分析了居住区不透水面率及其影响因素。

1）研究区域居住区平均不透水面率为60.04%,80%的居住区不透水面率处于45%～72%之间。道路广场是影响不透水面率的主要形态,每增加1%的道路广场占比,不透水面率相应增加1.06%。居住区建设年代与不透水面率未呈现显著相关关系。

2）居住区中道路广场、低层建筑、高层建筑、绿地和水体面积占比差异较大,绿地占比最高,达39.59%；道路广场次之,占比为33.77%。总体趋势为绿地＞道路广场＞低层建筑＞高层建筑＞水体。

3）在城市居住区建设规划和管理过程中,应重点改善道路建筑结构,使不透水路面逐渐向透水性路面发展,这也符合于我国建设海绵城市的理念。