城市軌道站點拓撲網絡通達性建模及分析

洪武揚

(1. 國土資源部城市土地資源監測與仿真重點實驗室，廣東 深圳 518040； 2. 深圳市規劃國土發展研究中心，廣東 深圳 518004)

城市交通網絡構成了城市的基本骨架結構，可有效支撐和引導功能布局與用地開發，是城市形成和發展的關鍵性因素。軌道交通是交通網絡的重要組成部分，近年來城市軌道建設持續推進，研究其對居民出行模式和土地利用的影響機制具有重要的理論與現實意義[1]。作為定量評估交通狀況的重要手段，通達性可用于分析城市交通網絡的空間延展及其聯系的緊密程度，揭示城市土地利用、公共交通系統建設等問題，使之成為交通地理學研究的熱點[2-3]。

通達性是評價交通網絡和交通區位的綜合性指標，也稱可達性。國內外學者普遍采用時間度量法[4-5]、距離度量法、潛力模型和空間句法[6-7]等度量通達性，但一般是在一個維度上(如鐵路、公路等)進行研究，且側重于對線性網絡及其構建方法的探索，對軌道站點的研究相對不足，難以滿足對區域的通達性進行綜合評價的要求[8-9]。伴隨著土地資源緊缺、社會經濟要素集聚等的加劇，城市交通體系從最簡單的路面交通階段到“點式”立交、高架道路階段，再到軌道交通階段，經歷了從二維平面向三維空間拓展的歷程，因此，迫切需要研究一種在多個維度上能夠融合的通達性度量方法，而這種整合既需要算法上的可行性，又需要實證上的合理性[10]。空間句法關注基于拓撲的網絡通達性和關聯性，從空間拓撲連接形態的基礎出發分析其對運動和功能的影響[11]，在定量研究交通網絡可達性方面有著獨特的優勢[12-13]。

針對于此，本文立足于立體化的交通模式，嘗試將地下軌道交通網絡與站點周邊道路網絡進行拓撲耦合，將研究視角由“線性”網絡轉換為軌道“站點”，構建城市軌道站點通達性的模型；并以深圳為對象進行示范應用，借助建筑普查數據進一步探究交通形態與城市用地功能的相互關系，以期為同類研究提供參考。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

深圳市地處廣東省南部、珠江三角洲東岸，毗鄰香港，下轄羅湖區、龍崗區、龍華區、福田區、寶安區、南山區、鹽田區、坪山區8個行政區，以及光明和大鵬2個新區。深圳是中國改革開放建立的第一個經濟特區，已發展為具有一定影響力的國際化城市。

隨著經濟社會和人口的快速發展，深圳市交通形勢日益嚴峻。軌道交通是解決城市交通問題的重要途徑之一[14]，也是一項普遍的城市發展模式和規劃策略。1992、2003年深圳市政府先后組織編制了兩版軌道交通網絡總體規劃，提出了構建以軌道交通為骨干的交通體系目標，充分發揮軌道交通引導城市發展、優化空間結構的作用。截至2014年，地鐵一期和二期全面建成開通，形成總長178 km、覆蓋深圳市主要發展軸的軌道交通運營網絡，以軌道交通為骨干、城市道路系統結構合理、多種交通方式協調發展的立體化交通系統初步形成。

1.2 數據源與預處理

采用深圳市交通網絡、軌道站點等數據作為通達性評價的數據源，其中城市道路網絡數據包括2014年高速公路、快速路、主干道、次干道和支路，城市軌道網絡采用2014年建成開通的5條線路，站點數共計117座。此外，本文還收集了建筑普查數據，用于開展站點通達性與土地利用的相互作用分析。

研究獲取的城市交通網絡原始數據無法直接用于分析，需要對數據進行預處理。利用AutoCAD Map 3D軟件進行數據清理，主要操作包括刪除重復項、刪除短對象、打斷交叉對象、延伸未及點、捕捉聚合節點、融合偽節點、刪除懸掛對象等。在指標計算方面，采用卡迪夫大學研究的sDNA句法分析方法獲取相關句法參數。

2 研究方法

2.1 空間句法

空間句法是將空間轉變為抽象元素并利用數學模型進行計算的研究手段，它以拓撲學和圖論為基礎，可用定量指標描述空間結構和人在空間中的移動狀態，幫助理解空間結構和人在空間中的運動模式[11,15]，目前已經在多個國家和研究機構得到積極應用。

對于空間網絡的度量，主要觀察句法模型的數值大小和分布，其中最為重要的兩個參數為集成度和選擇度。集成度用以衡量不同空間的便捷程度，指標值越高表明空間便捷性越好，吸引到達交通的潛力越強，具有可達性、集成性及滲透性優勢。在局部尺度下，集成度表示某節點與附近幾步內的節點之間聯系的緊密程度，相關研究表明[16-18]，人們對拓撲深度在3步以上(3次明顯的轉彎空間的認知能力開始明顯降低)，故通常使用3步深度作為衡量局部空間集成度的半徑值[19]。因此本文采用集成度測度通達性水平，計算公式如下

(1)

(2)

2.2 通達性模型

本文將通達性定義為由地面道路網交通系統和軌道交通系統共同構成的空間通達性指標。參考相關研究[20-21]，本文對地面交通網絡和軌道交通網絡分離建模，分別提取軌道站點的地面通達性和地下通達性集成度參數，最后進行句法參數整合，獲得站點通達性數值。在模型構建中，結合研究區和數據情況，嘗試在軌道站點網絡距離緩沖區分析、地鐵網絡拓撲網絡構建等方面提出完善建議。

2.2.1 地面通達性

首先利用sDNA軟件對深圳全市道路網絡進行句法分析，獲取深圳全市道路網絡的句法參數，再計算軌道站點500 m緩沖區范圍內的道路網絡集成度值的平均數，將其作為軌道站點的地面通達性值。因此，緩沖區的形狀和空間范圍直接決定了通達性的評價精度。傳統對設施點的服務半徑分析基本采用直線距離法，但這種劃分方法與實際的街道網絡存在很大的差別。為消除直線距離分析產生的差異，本文基于GIS服務設施分析工具，采用網絡距離方法用于構建各個軌道站點的緩沖區多邊形，結果如圖1所示。

2.2.2 地下通達性

將與站點相連接的軌道線段集成度值的平均數作為軌道站點的地下通達性。相關學者在針對軌道網絡建模時往往將一條地鐵線路作為整體，將地鐵線路作為最小連接單元研究站點的通達性，忽略地鐵線路網絡上站點分布的差異性[22]。本文借鑒軸線地圖思想，根據站點聯通關系和線路聯通關系生成軸線地圖，再利用sDNA軟件進行句法分析。考慮到換乘站的特殊性，將換乘站賦權為2，非換乘站賦權為1。

2.2.3 站點通達性

將地面通達性和地下通達性數值進行線性加和，將其作為軌道站點的通達性值，如下

(3)

3 結果分析

3.1 軌道站點的通達性分析

統計結果表明，深圳市軌道站點通達性平均值為0.088 4，各站點整體差異不大，標準差僅為0.05，通達性數值離散程度較低。通達性值較高的軌道站點主要包括燕南、華強北、華新、登良、后海、國貿、東門、福田、購物公園、老街等(見表1)。其中燕南站、華強北站和華新站位列前三，均位于深圳華強北商業片區，可達性值分別為0.293 3、0.254 5和0.220 9。長嶺陂、留仙洞等站點的可達性最差，為0.013 7，這些站點本身并未具有換乘功能，且站點周邊道路網絡的連通性較差。

表1 軌道站點通達性評價結果

圖2直觀展現了軌道站點通達性的空間分布特征，可以看出，通達性高的軌道站點集中分布在福田區、羅湖區和南山區等中心城區，形成了以福田站-市民中心站-購物公園站-會展中心站-崗廈站為主的福田中心區、以華新站-通新嶺站-華強北站-燕南站-科學館站為主的福田華強北片區、以老街站-東門站-國貿站-曬布站為主的羅湖東門片區、以后海站-登良站為主的南山后海片區4個熱點區。這些區域是深圳主要商業和辦公集中區，軌道換乘方便，站點與周邊路面網絡的銜接十分友好，這種立體化軌道交通的發展對周邊土地的開發利用產生極為重要的導向和促進作用。

3.2 站點通達性與土地利用關系分析

軌道交通系統與城市土地利用之間存在著既相互促進又相互制約的關系。軌道交通站點是城市發展的觸媒，對周邊土地開發具有吸引效應、空間分異效應和地價促進效應[23-24]，進而影響站點周邊用地的規模和布局，通過可達性與用地規模的相關性分析可以判斷軌道站點對哪些用地產生了激活和驅動作用。同時，根據軌道站點所處區位、周邊土地利用情況、現狀開發程度的不同，軌道站點往往與城市開發活動具有不同的結合方式[25]，根據這種組合方式可分析軌道站點對周邊土地利用的承載程度，判斷哪些站點需要提高通達性水平，以匹配城市功能。因此，本文采用2014年深圳市建筑普查成果，進一步探討軌道站點通達性與周邊土地利用的相互作用關系。

首先選取商業、居住、工業倉儲和辦公4類建筑物，分別統計位于軌道站點網絡緩沖區范圍的不同類型建筑總面積，將其與站點通達性進行相關性分析，結果如圖3所示。商業用地與站點通達性的相關性程度最高，相關系數接近0.7，說明了深圳市商業用地和軌道站點在空間分布上更加傾向于人流量集中的空間節點。辦公用地的相關性程度次之，相關系數約為0.55。居住用地的相關性程度約為0.2，在500 m步行尺度下與站點的通達性關聯程度并不如商業和辦公明顯。工業倉儲用地與站點通達性的分布呈現負相關性的狀態，且這種相關性極弱，可見工業倉儲用地并非軌道站點布局主要考慮的因素，受站點的影響較小。

基于相關性分析結論，將商業建筑、辦公建筑和居住建筑總規模作為潛在城市功能需求，將總規模劃分為高、中、低3個等級，將其與站點通達性(亦劃分為高、中、低3個等級)進行組合分析，進一步分析軌道站點對周邊土地利用的承載情況。根據各站點土地利用需求高、中、低值與通達性高、中、低值的組合情況(如圖4所示)，東門站、福田站、購物公園站、華強北站等28個站點處于高用地規模高通達性水平，安托山站、西麗站、翠竹站、木棉站等17個站點處于中用地規模中通達性水平，大運站、荷坳站、留仙洞站、長嶺陂站等19個站點處于低用地規模低通達性水平，共計64個軌道站點與周邊土地利用可實現協調發展；后瑞站、紅山站、紅樹灣站等15個站點處于低用地規模中通達性水平，登良站、民治站等5個站點處于中用地規模高可達性水平，可根據實際增加相關功能用地配置規模，適度提高建筑容積率，發揮良好交通條件的優勢地位；南聯站、海月站、西鄉站等11個站點處于高用地規模中通達性水平，大芬站、布吉站、科苑站等16個站點處于中用地規模低通達性水平，共計27個站點需提升綜合立體交通體系功能，尤其需優化與軌道站點直接相連接的城市道路網絡，解決城市功能用地需求與交通條件不匹配之間的矛盾。

4 結 語

本文基于地下軌道交通和地面道路交通構成的復合拓撲網絡，借助空間句法方法構建軌道站點通達性評價模型，分析了深圳市軌道站點通達性的規模特征和空間分布特征，并量化分析了軌道站點通達性與周邊土地利用的相互關系。研究形成的結論如下：

(1) 軌道站點通達性平均值為0.088 4，燕南、華強北、華新、登良、后海、國貿、東門、福田、購物公園、老街等站點通達性水平較高，全市形成了福田中心區、華強北商業區、東門商業區和后海片區等高值熱點區，這些區域與深圳主要商圈的分布基本一致，軌道站點及其與周邊交通網絡的導向作用顯著。

(2) 商業用地、辦公用地與軌道站點通達性的相關性程度最大，軌道站點的設置更多是向激活城市活力的商業及辦公用地傾斜，站點在滿足交通轉換功能的同時，還使周邊土地面臨更多的商業開發和地區交通量的匯集，直接影響了土地利用空間布局。

(3) 軌道交通站點基本可承載周邊的土地開發，其中64個站點可基本實現與周邊土地利用的協調發展，26個站點的通達性等級高于用地規模等級，可根據實際適當提升相關功能用地的配置規模。組合類型為高-中、中-低的27個軌道站點(站點數量占比低于25%)未能滿足相同等級類型的功能用地需求，需提升綜合立體交通體系功能。

歷經大量實證研究積累，空間句法已經形成了一套比較成熟的理論和模型方法[26-27]，在城市地理領域能夠反映空間(城市空間形態)、運動(交通流量)、功能(城市用地功能)三者之間的關系[28]。后續研究可收集軌道刷卡和道路交通流量數據，分析和預測城市系統中的運動分布信息，進一步驗證軌道站點的空間吸引力。同時，如何構建更多類型、不同維度交通網絡耦合的通達性模型，如何論述空間尺度下交通與土地利用相互關系也是后續研究的方向。