2018, Vol. 43引用本文 |
| 基于空间句法的不同道路密度区内土地利用特征研究—以武汉市为例 |  [PDF全文] |
城市土地利用和城市道路作为城市生命体活动的承载系统，其相互关系一直是学者研究的重点[1]。早在20世纪60年代，就有学者开始研究城市道路与土地利用变化之间的相互作用关系[2]。随着研究的不断深入，对两者相互关系的研究方法不断改进，一些学者采用统计分析、Logistic回归模型、SLEUTH模型和CLUE-S模型等对两者之间的相互关系进行了研究，结果表明，交通网络是土地利用变化的主要影响因素[1, 3-5]。同时，一部分学者从空间角度对交通路网与土地利用变化之间的相互关系进行了研究，一般采用道路两侧缓冲区[6-9]或道路密度[10, 11]进行量化分析。已有的研究通常是对城市的整体进行研究，实际上在城市发展的不同阶段，城市内部中心区域、远城区等差异较大，存在着不同的区域特点。
本文以武汉市为例，尝试使用道路密度进行分区的方法对城市土地利用变化进行分区研究，探究道路密度变化对城市土地利用格局影响的同时，研究城市不同区域内土地利用变化特征。已有的道路密度研究在进行加权计算时，通常以道路类型[12, 13]或车道数目等分类进行权重赋值。本文尝试从道路属性的角度进行权重的确定，通过空间句法研究道路之间的拓扑关系，以不同的系数为权重进行道路密度的加权计算，并通过与国内生产总值(gross domestic product, GDP)数据进行空间相关性分析来研究该方法的准确性。
1 研究数据与方法 1.1 研究区域与数据武汉市位于江汉平原东部，地处东经113°41′~115°05′，北纬29°58′~31°22′。武汉市地理位置优越，是长江及其最大的支流汉江的交汇处。本文采用的道路数据来自2015年OpenStreetMap道路数据；土地利用数据和空间GDP数据均来自中国科学院资源环境科学数据中心，其中土地利用数据为2015年一期，数据尺度为30 m×30 m，并对其进行一级类归并工作，空间GDP数据为1995年、2000年、2005年、2010年4期的数据。
1.2 研究方法 1.2.1 道路密度道路密度是指一定区域内道路总长度与该地区面积之比[14]，是评价某一地区交通状况的常用指标之一。
1.2.2 空间句法空间句法是一种基于拓扑关系的空间分析方法[15]。本研究以OpenStreetMap的道路数据为基础，在Axwoman 6.0中使用轴线法对其进行分析，从而获取连接度、控制度、深度值、集成度等一系列的空间句法指数以及各项指数在空间中的空间分布情况。
1.2.3 基于空间句法的道路加权密度空间句法变量的大小代表了轴线某一方面的属性强弱，以空间句法变量作为权重计算道路的加权密度，可以获得以全局深度值、平均深度值、全局集成度、局部集成度为权重的道路密度图以及无权重的道路密度图。
1.2.4 不同道路密度与GDP的空间相关性分析根据已有的1995年、2000年、2005年、2010年的空间GDP数据，采用灰色预测法预测每个单元格2015年的GDP值，并对GDP的空间自相关性进行数据平滑处理，修正预测结果，从而获得2015年武汉市的空间GDP数据。
根据道路建设与城市GDP之间较强的相关关系，对采用不同指数获取的6种2015年武汉市道路密度数据与2015年武汉市空间GDP数据进行空间相关性分析，获取不同道路密度与GDP在空间分布上的相关关系，从而获取在空间上与GDP吻合度最高的道路密度数据。经分析，不同道路密度与空间GDP之间的空间相关系数如下：未加权道路密度(0.530 6)、全局深度值加权道路密度(0.520 9)、平均深度值加权道路密度(0.597 4)、局部深度值加权道路密度(0.604 2)、全局集成度加权道路密度(0.574 9)、局部集成度加权道路密度(0.567 1)。可以看出，除使用全局深度值加权的道路密度与GDP的空间相关性略小于未加权的道路密度与GDP的空间相关性，其他使用空间句法指数加权的道路密度与GDP的空间相关性普遍大于未加权的道路密度与GDP的空间相关性。因此，使用空间句法指数进行道路的加权密度计算能够更好地拟合城市的经济发展状况。同时，局部深度值加权的道路密度与GDP的空间相关性最高，因此，本文以局部深度值加权的道路密度值为依据进行道路密度与土地利用之间的关系研究。
1.2.5 土地利用程度综合指数模型土地利用程度综合指数模型[16]是用来量化土地利用程度的指数模型，研究不同区域内土地利用程度综合指数的计算方法如下：
| $ {L_d} = 100 \times \sum\limits_{i = 1}^4 {{A_i}} \times {C_i},{L_d} \in [100,400] $ | (1) |
式中，Ld为不同道路密度区内的土地利用程度综合指数；Ai为相应道路密度区内第i类土地利用程度分级指数，其中，未利用地的土地分级指数为1，林地、草地及水域的土地分级指数为2，耕地及园地的土地分级指数为3，建设用地的土地分级指数为4；Ci为第i类土地利用程度面积百分比。
1.2.6 景观格局指数本文从斑块类型和景观两个水平上对景观格局指数进行选择[17-20]。其中，斑块类型水平上选取景观类型面积(class area, CA)、景观比例(percent of landscape, PLAND)、斑块数量(number of patches, NP)、斑块密度(patch density, PD)、景观分割指数(landscape division index, DIVISION)、聚集指数(aggregation index, AI)6个景观格局指数；景观水平上选取斑块丰富度(patch richness, PR)、Shannon多样性指数(Shannon’s diversity index, SHDI)、Shannon均匀度指数(Shannon’s evenness index, SHEI)3个景观格局指数。
2 不同道路密度区内土地利用特征分析 2.1 不同道路密度区的划分本文采用标准差分类的方法对局部深度值加权的道路密度数据进行分级处理。经过多次实验，最终确定以一倍标准差作为间隔大小进行分级，将局部深度值加权的道路密度分为3个级别，依次为低密度区(0~0.071 m/m2)、中密度区(0.072~0.158 m/m2)和高密度区(0.159~0.832 m/m2)。
2.2 道路密度与土地利用的关系分析根据不同道路密度区的分值范围划定不同道路密度区的空间位置范围，并以此为依据提取不同空间位置范围内2015年的土地利用情况。由于不同区域的大小存在差异，为了便于比较分析，本文以各类用地占所在区域总面积的百分比为基础进行分析。2015年武汉市不同道路密度区内各类用地的百分比如表 1所示。
| 表 1 2015年不同密度区内各类用地的百分比/% Table 1 Percentage of Various Types of Land in Different Density Areas in 2015/% |
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本文从土地利用程度和土地利用景观格局两个角度对低、中、高3个道路密度区的土地利用进行对比分析，了解不同道路密度区的土地利用特征。
对2015年不同道路密度区内的土地利用程度综合指数进行计算，计算结果如下：武汉市为282.32，低密度区为276.77，中密度区为310.72，高密度区为346.20。可以看出，2015年武汉市不同道路密度区的土地利用程度存在明显差异。其中，武汉道路低密度区的土地利用程度综合指数最低，随着道路密度的增加，土地利用程度逐渐递增。武汉市全市的土地利用程度相对较低，接近并略高于武汉市道路低密度区的土地利用程度。
由此可知，土地利用程度与道路密度之间存在着一定的相关关系，道路密度越大的区域，土地利用程度相对越高。同时，武汉市的土地利用程度整体较低，土地利用程度高的区域相对比较集中，主要集中在道路高密度区。
2.3 不同道路密度区内土地利用景观格局特征分析 2.3.1 斑块类型水平上不同区域的景观格局特征分析武汉市全市及不同道路密度区内各用地类型的景观格局指数计算结果如表 2所示。
| 表 2 武汉市各用地类型的景观格局指数表 Table 2 Landscape Pattern Index of Different Land Use Types in Wuhan City |
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从表 2可以看出：
1) 不同区域主要的用地类型存在差异，其中武汉市全市主要的土地利用类型是耕地，其次是水域和建设用地；道路低密度区主要的用地类型是耕地和水域；道路中密度区主要的用地类型是建设用地，其次是耕地和水域；道路高密度区主要用地类型是建设用地。
2) 武汉市全市范围内建设用地的破碎化程度较高，其他用地类型相对比较集中；道路低密度区同样是建设用地的破碎化程度较高，其他用地类型相对集中；道路中密度区主要是耕地的破碎化程度较高，其次是水域和建设用地；道路高密度区各类用地的破碎化程度都相对较低，其中耕地的破碎化程度最高，建设用地的破碎化程度相对较低。
3) 武汉市各区域内不同用地类型的分离度都较高，其中全市范围内和道路低密度区分离度最低的土地利用类型为耕地，而道路中密度区和道路高密度区分离度最低的土地利用类型为建设用地。
4) 武汉市全市范围内和武汉市道路低密度区连通性最好的是耕地和水域；道路中密度区和道路高密度区连通性最好的都是建设用地，其次是水域。
由此可知，不同区域内的景观格局存在着一定差异。其中，武汉市道路低密度区的景观格局特征接近全市整体的景观格局特征，其主要的用地类型为耕地和水域，且这两种用地类型的分布相对集中，连通性也较好，而建设用地的比例相对较少，同时破碎化程度较高，连通性较差。武汉市道路高密度区的主要用地类型为建设用地，区域内建设用地的分布较为集中，连通性较好，其他的各种用地类型都较为集中，仅耕地的破碎化程度相对较高，且连通性较差。道路中密度区作为道路高密度区和道路低密度区之间的过渡区域，其景观格局特征融合两者特征的同时，倾向于道路高密度区的景观格局特征。
2.3.2 景观水平上不同区域的景观格局特征分析武汉市全市及不同道路密度区内景观格局指数计算结果如表 3所示。
| 表 3 武汉市不同区域内景观格局指数表 Table 3 Landscape Pattern Index in Different Regions of Wuhan City |
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由表 3可以看出，武汉市不同区域内的斑块丰富度相同，6种土地利用类型都有分布。武汉市道路中密度区的Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数在所有区域中最高，并高于全市整体水平，而武汉市道路低密度区和道路高密度区的Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数均低于全市整体水平，其中道路高密度区的Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数在所有区域中最小。
由此可知，道路高密度区的景观多样性相对较低，各类用地分布较不均匀，存在明显的优势用地类型，结合上文的结果，其优势用地类型为建设用地。道路低密度区的景观多样性也相对较低，各类用地分布较不均匀，其明显的优势用地类型为耕地和水域。而道路中密度区处于道路高密度区和道路低密度区之间的过渡区域，其建设用地及耕地、水域等用地类型的比例都相对较高，因此各类用地分布较均匀，景观多样性相对较高。
3 结束语本文以空间句法为基础，进行了道路加权密度的计算，并划分不同的道路密度区，对道路不同密度区内的土地利用程度特征及其景观格局特征进行对比分析，可以全面地了解武汉市整体及不同区域内的土地利用状况以及城市内部的建设状况、建设重心，为武汉市的生态环境保护以及未来的城市发展规划提供基础。
本文仅以武汉市为例进行研究，对于该方法能否具有普遍的适用性仍需要进行进一步的研究。
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