基于多源遙感影像的道路交通對建設用地空間格局的影響分析
——以從化中心城區規劃區為例

王紅梅，鄭 標，盧陽祿，胡月明，王淼淼，易 璐

（1.華南農業大學公共管理學院，廣東 廣州 510642；2.國土資源部建設用地再開發重點實驗室，廣東廣州 510640；3.廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東 廣州 510640；4. 華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642）

基于多源遙感影像的道路交通對建設用地空間格局的影響分析
——以從化中心城區規劃區為例

王紅梅1，2，3，鄭 標1，2，3，盧陽祿2，3，4，胡月明2，3，4，王淼淼1，2，3，易 璐1，2，3

（1.華南農業大學公共管理學院，廣東 廣州 510642；2.國土資源部建設用地再開發重點實驗室，廣東廣州 510640；3.廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東 廣州 510640；4. 華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642）

研究目的：以“高分一號”遙感影像為主要數據源，探討規劃區內道路交通對建設用地空間格局的影響特征。研究方法：以從化中心城區規劃區道路為例,運用道路密度指數、長度—半徑分維、景觀破碎度、威弗指數等模型，結合GIS空間分析方法。研究結果：從化中心城區規劃區，（1）道路網絡分形特征較明顯但道路完善度較低，建設用地用途宏觀布局呈圈層分布特征；（2）綜合道路最大服務范圍最大，一、二級道路影響范圍次之，三、四級道路逐級縮小；（3）建設用地的主要用途類型數量與道路距離整體上成反比，綜合道路周圍以三種用途為主，一至四級道路兩側以不同的兩種用途為主；（4）高分遙感影像利于鄉道提取和建設用地用途判讀。研究結論：道路交通對規劃區內建設用地用途格局具有導向作用。

土地信息；建設用地；空間格局；景觀格局指數；道路交通；規劃區

1 引言

交通基礎設施對社會經濟發展的作用不言而喻[1]，是城市建設用地擴展的直接原因[2]。作為區域物質、能量、信息交流的載體和城市發展骨架，道路交通對區域一體化和城鎮化發展至關重要，對土地利用方式、用途結構和空間布局具有重要的導向和引領作用。中國城鎮發展基本以外延擴張為主[3]，伴隨糧食與生態安全威脅[4]、用地效率低、城市無序蔓延及空間結構失衡[5]等一系列問題突出。中國的新建開發區等一系列“造城運動”使得道路導向下的建設用地布局普遍“扁平化”，集約利用率低，建設用地空間格局存在諸多矛盾，造成大量土地資源浪費，對“三農”發展構成一定威脅，也使經濟與城鎮化發展遭遇瓶頸。2014年2月，從化撤市設區，融入“大廣州”同城發展戰略，迎來新型城鎮化和交通轉型發展契機。加強道路交通規劃與建設用地利用研究，優化存、增量建設用地用途結構和空間布局，對實現從化區內建設用地集約高效利用具有重要的現實意義。道路交通系統對城市空間形態的影響方面，許多學者從不同視角進行了有益的探索，并取得了豐碩的成果[6-9]。這方面研究主要集中于土地利用方式、建設用地擴張時空特征、擴張規模與效應、驅動機制以及擴展管控等[10]，而不同等級道路對建設用地用途組合、空間布局影響的研究也見到一些，聯系密切的為曹小曙利用相似性指數和均質度模型對交通站場地區進行的相關研究[11]。道路網絡布局與土地景觀變化的關系方面，相關學者主要采用景觀格局指數和GIS方法研究了道路交通與其周圍土地利用景觀格局之間的變化關系[12-13]。“高分一號”全色波段分辨率高達2 m，融合后的遙感影像數據具有較高空間分辨率，其可實現低等級道路提取和用地用途輔助判讀。

筆者采用長度—半徑分維、景觀破碎度、威弗組合指數等景觀格局指數方法[14-16]，選擇從化中心城區規劃區為實證區，以道路網絡對建設用地用途布局的宏觀影響與不同等級道路對用地用途結構和空間格局的微觀作用特征為主要研究內容，希望合理利用道路導向作用，轉變從化城鎮空間增長方式，并為其他類似地區提供思路借鑒，促進新常態下中國經濟社會轉型和新型城鎮化發展。

2 研究區概況與數據來源

2.1 區域概況

從化區位于廣東省中部、廣州市東北，屬半山區，下轄3個街道和5個鎮，總面積1974.5 km2。中心城區規劃區位于從化中南部，范圍涉及街口（區政府所在地）、城郊和江埔街道，共26個居委會和56個村委會，規劃區面積64.8 km2，其中中心城區15.3 km2。2010年中心城區內總人口為20萬人，建設用地規模27.95 km2，占規劃區面積的43.1%。目前規劃區已建成涵蓋高速公路、國道、省道、縣道、鄉道以及城市道路的交通體系①行政區劃、人口數據來源于從化政府門戶網，建設用地數據來源于從化區土地變更調查統計，道路交通數據來源于從化國民經濟與社會發展公報以及從化地情網。。與從化其他區域相比，中心城區規劃區建設用地相對密集，用地用途類型多元化，道路交通網絡較完整，且區內部城郊道路交通、城市建設等存在較大差異，屬較典型的經濟快速發展區域。因此，中心城區規劃區比較適于研究道路交通與建設用地用途空間關系。

2.2 數據來源

本文數據包括道路和建設用地矢量數據、用地用途類別數據、從化中心城區規劃區邊界三部分。道路和建設用地數據來源于2014年國產“高分一號”衛星遙感影像。該遙感影像具有空間分辨率高、紋理性強等特點，包含紅、綠、藍、近紅外波段和一個全色波段。多源影像通過處理，初步提取道路和建設用地斑塊，并轉為矢量數據，對無法提取的部分道路和建設用地，在ArcGIS平臺上以高分影像為底圖矢量化獲得；根據從化區城市規劃用地分類標準確定用地用途分類，輔助Google地圖，獲得用地用途類型數據；規劃區邊界取自《從化區城市總體規劃中心城區修編（2004—2020）》。

3 研究方法與思路

3.1 研究方法

運用ENVI5.1進行影像數據預處理，獲取高分辨率多光譜影像，結合地理空間數據云下載的LandsatTM影像數據，采用面向對象分類法提取道路與建設用地信息。利用道路密度指數、長度—半徑分維和景觀破碎度分析道路與建設用地用途的宏觀空間布局，利用緩沖區分析[17]和威弗組合指數分析不同等級道路與建設用地用途類型的微觀空間結構。其中，道路密度指數包括某等級道路密度和道路加權密度指數；長度—半徑分維數可有效分析道路的分形特征；威弗組合指數是一種常用的組合結構指數模型,它能有效處理由多要素組成的復雜系統的結構類型特征。

3.2 研究思路

（1）提取建設用地和道路數據要素。（2）將公路和城市道路轉換成統一的道路分類體系，并判讀建設用地用途類別。根據《城市道路工程設計規范（CJJ 37—2012）》、《公路工程技術標準（JTG B01—2014）》，以設計速度和通行能力為標準，將研究區城市道路與公路統一在同一道路體系內，具體劃分為一至四級道路，其中一級道路為高速公路，二級道路包括城市快速路和國道，三級道路包括城市主干路和省道，四級道路包括城市次干路、縣道和部分重要鄉道；本文以高空間分辨率的多光譜影像為分類底圖，運用面向對象分類法初步提取道路要素，并進一步通過ArcGIS人工矢量化由于影像噪音或地物過小而未能識別的部分道路要素，以實現對四級道路的準確提取。在測定研究區內不同等級道路的綜合長度或者它們對周圍生產生活的綜合影響時，需要考慮各級道路的影響權重，則產生了綜合道路的概念，本文的綜合道路指四種等級道路經加權得到的加權道路；它是指以加權長度為長度屬性的道路，其中加權長度由各級道路長度與對應權重乘積后相加得到。文中建設用地用途是指建設用地的居住、商服等用途性質；依據從化城市總體規劃用地功能劃分標準，融合土地利用分類標準，形成研究區內建設用地的居住、商服、公共管理與公共服務、公用設施、工業、村鎮建設新的6類用途用地分類體系，最終判讀用地圖斑用途類別。（3）通過測算不同等級道路的長度—半徑分維值及道路密度變化情況，利用SPSS回歸模型測算建設用地景觀破碎度與各等級道路密度的相關性，分析道路網絡分形特征和用地用途宏觀形態。（4）計算各緩沖區內建設用地面積占本等級道路全部緩沖區的比例，確定綜合道路的最大服務范圍和各等級道路的相對獨立影響范圍；測算各緩沖區建設用地用途類型的威弗指數，確定用地用途類型組合結構。

4 結果與分析

4.1 道路網絡與建設用地宏觀布局

表1 不同等級道路長度—半徑分維求解參數Tab.1 The length-radius solution parameters of different grade roads

圖1 各級道路密度變化情況Fig.1 The density change of different grade roads

由表1、圖1可知，從化區各級道路以及綜合路網點列均呈對數線性分布，表明道路網中心—外圍密度變化具有分形特征，且形態較為良好（曲線擬合度均值超過0.95），不同等級道路密度變化特征存在一定差異。其中，一級道路長度—半徑分維數DL＞2，表明道路密度和網絡復雜度從樞紐中心向周圍地帶遞增：一級道路等級最高，屬社會經濟發展的大動脈，占地規模大，交通運輸量和噪音大，須繞城而過，遠離城區，道路密度增加。二、三、四級道路DL＜2，表明其密度和復雜度由中心向周圍遞減，距城區越近道路越密集：二級道路數量少但分布較規律，四級道路主要是連接城區與鎮區以及不同縣城的交通廊道，空間分布較為均勻，兩種道路的密度變化均較為緩慢（平均降速為23.0%、22.4%），較高的分維值和道路密度變化曲線反映了該特征；三級道路的分維值不足1，比其他三種道路低得多，表明由中心向四周三級道路密度等變化幅度較大，尤其在樞紐中心2000 m范圍內道路密度的平均降速達58.5%，2000 m外密度下降趨緩，降速均值為29.7%，但同時2000 m內道路密度較高（均值2.55），2000 m外密度較低（均值0.17），原因在于三級道路主要為城市主干道，2000 m內三級道路密集且其密度隨距中心的距離擴大而下降較快，2000 m范圍外三級道路稀少，隨地域的擴大而減幅有限，2000 m范圍（圓形區域面積12.8 km2）比中心城區（15.3 km2）范圍略小，印證道路是城市形成的導向。綜合加權道路的分維值約為1.27，說明區內交通網絡密度和復雜度總體上是由城區向四周遞減的，空間表現為路網中心區域呈網狀結構，四周表現為射線狀（圖2，封三），表明區內道路總體密度較低，道路網絡并不完善。

圖3 樞紐中心不同緩沖區破碎度指數Fig.3 Fragmentation index of different buffers in hub center

以新從化汽車站為樞紐中心，用500 m為步長，在中心6000 m范圍內做多層緩沖區分析，同時測算不同緩沖區內的建設用地景觀破碎度。在道路分形導向作用下，建設用地景觀破碎度由城區向周圍呈現“降—升—降”規律（圖3）：在0—2000 m范圍內，建設用地景觀破碎度逐步降低，在2000—5500 m范圍內，其景觀破碎度逐漸上升，在大于5500 m的范圍內，其景觀破碎度不斷降低。

道路交通具有級配結構、密度變化、網絡形態、交通節點等屬性特征，而道路密度是目前描述道路特征的常用指標，利用SPSS回歸模型，以道路密度為自變量x，建設用地景觀破碎度為因變量y，通過測算用地景觀破碎度變化與道路密度的相關性，以反映道路交通對用地景觀破碎化的影響過程。經測算，用地景觀破碎度變化特征分別與三、四、二級道路密度存在高度正相關、高度負相關和中高度負相關關系，且相關性顯著，但與一級道路不相關（表2）。道路密度對用地景觀破碎化的影響作用具體表現為：在距離樞紐中心2000 m內，在該范圍內主要受三級道路密集網控制，道路等級和密度水平相對較高，對建設用地的集聚與分割作用處于高位，導致用地緊湊而破碎，隨著與中心的距離不斷增加，道路等級的吸引力不發生變化，其分割作用逐漸減弱，景觀破碎度呈現下降趨勢；在距離樞紐中心2000 m以外，由于三級道路大幅減少，道路密度明顯下降，道路的集聚與分割作用顯著減弱，用地趨于無序和離散化分布，景觀破碎度不斷上升，達到閾值距離（5500 m）后，由于交通稀缺和丘陵山地增多的因素，其地理空間非宜居性增加，居民點大幅減少，導致景觀破碎度下降。由此，構建了研究區內建設用地“中心區集聚且破碎—外圍區離散而破碎”的空間形態特征。

表2 建設用地破碎度與不同等級道路密度相關性分析Tab.2 Correlational analysis between the degree of fragmentation of constructional land and the density of different grade roads

道路網絡不僅作用于建設用地的空間聚集程度，而且對建設用地用途的選擇及其空間格局的形成同樣具有重要作用。道路網絡是城市發展的骨架，其分形特征可較好描述城市形態。由道路等級配置結構、道路密度以及道路完善程度等構成的道路網格綜合特征影響著經濟區位的形成。一般地，道路級配越合理，密度和完善越高，經濟區位趨優，根據地租地價和區位理論，商業價值越高，適宜布局商服、居住用地等用途類型，而經濟區位越差地租越低，適宜工業用途等低密度開發。由前述圖2可知，在研究區內，居住、商服用地集中連片分布于核心圈層（0—2000 m），同時公用設施用地鑲嵌分布該圈層中；公共管理與服務、工業用地分別位于中間圈層（2000—3500 m）、中外圍圈層（2000—6000 m），斑塊較大較規整；村鎮建設用地環繞分布在外圍圈層（3500—6000 m），布局較零散；表明本研究區屬于單中心城鎮體系，這與道路交通“內網外線”的空間形態相吻合。由于道路網絡并不十分完善，用途布局并非完全規律，存在部分用途交叉現象，如部分工業用地分布于核心圈層，一些居住用地分布在工業區，部分村鎮用地也散落在中間圈層等。最終形成具有從化區特點的建設用地空間布局。

4.2 不同等級道路與建設用地用途結構

4.2.1 道路交通的空間服務范圍 由圖4知，在0—600 m內，建設用地面積比例隨距離增加而快速減少，平均每增加100 m減少4.83%，該范圍內建設用地面積占全部緩沖區建設用地的95.02%；大于600 m時，其減速大幅放緩，平均每增加100 m減少0.90%，面積比重在900 m后趨于穩定。這說明綜合道路對距其600 m以外建設用地的影響非常有限，該范圍的建設用地分布基本處于自組織的“自然狀態”。因此，綜合道路對建設用地的空間服務范圍大約為600 m。

圖4 綜合道路沿線緩沖結果Fig.4 The buffer result along the integrated road

圖5 各等級道路兩側緩沖結果Fig.5 The buffer result on both sides of different grade roads

由圖5知，距離道路遠近與建設用地面積比例的關系大致可分為兩類。在0—600 m范圍內：（1）隨著與道路的距離不斷增加，建設用地面積比重曲線呈現“山峰型”變化特征，以一、二級道路為代表。具體地，在0—300 m范圍內，建設用地面積比重快速增加，分別在100—200 m、200—300 m達到峰值后開始迅速下降，在400—500 m內減速放緩，在500—600 m范圍出現回升趨勢。究其原因，受高等級公路噪聲和道路兩側綠化隔離帶的影響，建設用地較少布局于道路附近，隨著距離增加，居民出行、物流運輸的便利性迅速取代上述阻礙因素，空間上表現為建設用地比重持續增加；達到距離閾值后，道路吸引作用被到達道路的行程成本所降低，因而面積比重開始下降；隨后由于其他等級道路的交叉影響，上述衰減作用被減弱，當各等級道路的綜合吸引力超過衰減作用，建設用地比重開始上升。因此，一、二級道路對建設用地相對獨立的空間影響范圍約為500 m。（2）隨著與道路的距離不斷增加，建設用地面積比重先整體以較快速度減少，進入多等級道路綜合控制范圍后，減速放緩甚至出現逆增長，以三、四級道路為代表。具體地，三級道路兩側0—200 m內建設用地面積比重緩慢減少，200—400m內快速減少，400—600 m內減速明顯放緩，平均每增加100 m的減速分別為0.29%、3.45%，并且400 m范圍內建設用地面積占比60%。這表明0—200 m內三級道路對建設用地的吸引力很大，且不因距離加大而被迅速降低，200—400 m內呈明顯的衰減效應，但從400 m開始，受到多等級道路共同吸引，衰減效應大幅減弱；四級道路兩側200 m范圍內，建設用地面積以平均每增加100 m減少3.0%的速度變化，200—400 m內受道路綜合影響減速僅為1.3%，400—600 m開始道路綜合吸引力超過衰減作用，面積比例逐漸反彈，其后因路網空間分布特征而產生一定波動。因此，三、四級道路相對獨立影響的最大服務半徑分別為400 m和200 m。

4.2.2 不同等級道路兩側的建設用地用途結構 依據表3，從建設用地的主要（主導）用途數量看：（1）整體上，建設用地的主要用途數量隨距道路距離產生階梯型變化，距離道路縮短，主要用途類型增加，但并非建設用地面積一定增大。一般而言，趨近道路可節約時間、經濟等各類成本提高效率和效益，因此作為實現人類多元目標的空間載體，建設用地往往趨近道路分布。但受現實條件限制，例如受交通噪音和隔離帶等影響，趨近高速公路不適合布局建設用地。（2）具體地，綜合道路影響下用途類型為3—5類，各級道路獨立影響下用地用途類型為1—3類，說明道路聚合對建設用地利用形成更優的空間聚集效應。綜合道路用途類型涵蓋三、四、五類，以三類為主，占總類型的50%，表明綜合道路周圍以居住、公共管理與公共服務、村鎮建設三種用途混合的建設用地為主；一至四級道路涵蓋的用途類型特征存在差異，但均以二類為主，比例分別為80%、60%、50%和100%，表明一至四級道路兩側以兩種用途混合的建設用地為主，其中一、四級道路兩側為居住、村鎮建設兩種用途混合，二、三級道路兩側則以居住、公共管理與公共服務兩種用途混合為主。究其原因，由于各類生活、生產主體對道路的訴求不同，不同等級道路對建設用地用途類型的吸引情況存在差異，道路之間也存在互補關系，因此，道路聚合有助于滿足生活、生產主體的多元需求，為各主體的空間聚集奠定了基礎，加之各類生活、生產主體的空間聚集能帶來規模經濟效益，最終形成建設用地用途類型的多樣性。

依據表3，從建設用地用途的結構來看：（1）就研究區內所有道路而言，在各緩沖區內，居住用地數量基本上為最大，這表明道路對于居住用地具有很大的吸引力。（2）在各等級道路的全部緩沖區內，綜合道路的用地用途結構中，居住用地面積占50%。一、四級道路具有比較相似的用地用途結構特征，其居住用地數量最大為45%；村鎮建設用地次之，原因在于一、四級道路主要分布在城郊或規劃區邊緣，高等級道路的封閉性和阻隔作用較高，低等級道路輻射能力有限且衰減效應顯著，因此均未能有效吸引其他用途類型聚集分布。二級和三級道路也具有較相似的用途結構特征，其居住用地數量最大，占比分別為48%、63%，公共管理與公共服務用地次之，占比分別為24%、18%，由于設計車速、通行能力等適中，二、三級道路成為服務性、交互性較強的開放式系統，能很好滿足生活生產活動集聚化關聯化需求，因此，二、三道路沿線容易形成較優經濟區位，吸引居住、公服用地聚集布局。（3）在各等級道路的0—100 m緩沖區內，一級道路的用地用途結構為工業用地、居住用地和村鎮建設用地，占比分別為61%、21%和18%；二級道路的主要用地用途結構為居住用地、商服用地和公共管理與公共服務用地，占比分別為46%、24%和12%；三級道路的主要用地用途結構為居住用地、公共管理與公共服務用地和村鎮建設用地，占比分比為54%、15%和11%；四級道路的主要用地用途結構為居住用地和村鎮建設用地，占比分別為54%和26%。

5 結論與討論

5.1 結論

道路交通是城市發展的骨架，對建設用地空間形態與用途格局具有導向作用，同時也在一定程度上影響城鎮空間形態。本文利用“高分一號”影像為主的多源數據，分析得到以下結論。

（1）總體上研究區道路密度和完善度水平較低，不同等級道路交通分形特征存在差異，高、低等級道路的分形特征較為一致，距離樞紐中心越遠道路密度越大。建設用地景觀破碎度由城區向周圍地帶呈“降—升—降”的變化趨勢，其與二、三、四級道路關系密切，而受一級道路的影響較小。道路交通促成的經濟區位差異對建設用地用途的作用力存在差異，6類建設用地在空間上整體呈圈層分布特征，同時也存在部分用地用途交叉現象。

表3 各級道路緩沖區內建設用地用途組合結構Tab.3 Combined structure of constructional land on functional types in all level road buffer

（2）綜合道路最大服務范圍最大，一、二級道路相對獨立影響范圍次之，三、四級逐級縮小，在相對獨立影響范圍內主要受某一種道路的控制作用。

（3）不同等級道路對建設用地用途的吸引存在差異，既體現在用途類型總量和用地用途結構上，又表現在受道路所處空間區位的影響上。總量上，距離道路縮短，建設用地的主導用途類型增加。結構上，道路對居住用地的吸引力最大。空間區位上，建設用地用途結構由從城市外圍向城市中心的空間轉換而趨于單調化。

（4）高分影像可提高建設用地和道路提取效率，特別表現在城市次干路、鄉道等的提取上，利于建設用地用途的判讀。

5.2 討論

本文研究的各等級道路并非完全獨立，道路間可能存在一定程度的交叉影響；由于進行道路獨立性處理，建設用地用途類型存在一定程度的損失，對研究結果有一定影響；研究中未將道路交通所處的空間區位差異列入考慮范圍，從而忽視了空間區位對用地用途的影響作用。如何進一步減少交叉影響，并盡量完整保留建設用地用途類型，有待加強方法設計和深入研究。本文以從化中心城區規劃區為實證區，其道路交通并非非常完善，對道路交通特別發達區域的相關研究有待展開。

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（本文責編：陳美景）

The Impacts of Traffc Road on the Spatial Pattern of Construction Land based on Multi-source Remote Sensing Image: A Case Study of Conghua Central Urban Planning Area

WANG Hong-mei1，2，3, ZHENG Biao1，2，3, LU Yang-lu2，3，4, HU Yue-ming2，3，4, WANG Miao-miao1，2，3, YI Lu1，2，3
（1. College of Public Management, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Key Laboratory of Construction Land Transformation, Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510640, China; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Land Use and Reconstruction, Guangzhou 510640, China; 4. College of Natural Resources and Enviroment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China）

The purpose of this paper is to analyse the impacts of traffic road on the spatial pattern of construction land in urban planning area by using satellite imagery of the high-definition earth observation satellite “Gaofen-1”. Taking theroad of central urban planning area of Conghua for an example, we employ methods of GIS spatial analysis and landscape indexes（such as road density index, length-radius fractal dimension, landscape fragmentation degree and weaver index）to test the relationship bewtten traffic road and construction land.The results are obtained as follows . Firstly, the fractal characteristic of road network is obvious while the improvement degree is low in central urban planning area of Conghua. The macro layout of the utilization of construction land shows layer distribution. Secondly, the relatively independent influence range of the integrated road is the maximum, followed by the first and second grade roads and declined from the third grade roads to the fourth roads. Thirdly, the number of main utilization types of construction land is inversely proportional to the distance from the road. There are three main utilization types around the integrated road, yet there is a different combination of two main utilization types on both sides of grade roads from the first to the fourth. Furthermore, high-resolution remote sensing image is conducive to the extraction of rural road and the interpretation of utilization types of construction land. This paper suggests that traffic road has the guiding function to the utilization pattern of construction land in the planning area.

land information; construction land; spatial pattern; landscape pattern index; road traffic; planning area

F301.2

A

1001-8158（2016）11-0086-09

10.11994/zgtdkx.20161207.090824

2016-07-20；

2016-10-28

國家自然科學基金項目（41301078）；教育部人文社會科學規劃基金項目（15YJAZH071）。

王紅梅（1964-），女，福建德化人，博士生導師，教授。主要研究方向為建設用地再開發。E-mail: hmwang@scau.edu.cn