建成环境对轨道站点早高峰步行接驳比例的影响研究.pdf

80PLANNINGANDCONSTRUCTION规划与建设现代城市研究2024.03文章编号：1 0 0 9-6 0 0 0(2 0 2 4)0 3-0 8 0-0 6中图分类号：U121文献标识码：Bdoi:10.3969/j.issn.1009-6000.2024.03.012基金项目：江苏省高等学校基础科学（自然科学）面上项目（2 1 KJB580019）；东南大学成贤学院青年教师科研发展基金项目（z0030）作者简介：费跃，东南大学成贤学院土木与交通工程学院，讲师；温旭丽，东南大学成贤学院土木与交通工程学院，副院长，副教授；刘云，东南大学成贤学院土木与交通工程学院，副教授；毛盈盈，东南大学成贤学院土木与交通工程学院，讲师。建成环境对轨道站点早高峰步行接驳比例的影响研究Study on the Influence of Built Environment on thePedestrian Access Ratio of Rail Transit Stations duringMorning Peak费跃温旭丽刘云毛盈盈FEIYue WENXuli LIUYun MAOYingying摘要：为了分析城市建成环境对轨道交通站点早高峰步行接驳比例的影响，文章提出利用梯度提升决策树（GBDT）模型研究建成环境与步行接驳比例间的非线性关系。以南京地铁为例，获取开放平台POI数据，结合规划路网数据、接驳调查数据等多源数据，选取并计算站点周边半径8 0 0 m覆盖范围内的建成环境指标，利用GBDT算法进行回归分析，得到各指标对步行接驳比例的相对重要度和部分依赖图。研究结果表明，就业岗位密度、路网密度、用地混合摘指数、出入口方向覆盖率和公交站点密度对早高峰进出站步行接驳比例有明显的正向影响，步行可达性存在双向的影响，而住户密度和出入口数量的影响是负向的。关键词：建成环境；步行接驳比例；POI数据；GBDT模型；非线性关系Abstract:In order to analyze the influence of built environment on the pedestrian access ratio of rail transitstations during morning peak,a gradient boosted decision tree(GBDT)model was proposed to study thenonlinear relationship between built environment and pedestrian access ratio.Taking Nanjing metro as anexample,POl data of the open platform combined with multi-source data such as road network planning dataand access survey data were obtained,then built environment indexes within the coverage area of 8oo msurrounding the station were selected and calculated.GBDT algorithm was used for regression analysisto obtain the relative importance degree and partial dependence graph of each index.The results indicatethat job density,road network density,land use mixed entropy index,coverage rate in directions of stationentrance and exit and bus station density have a significant positive impact on the proportion of pedestrianaccess in and out of the station during morning peak,and walking accessibility has a two-way effect,whilethe impact of household density,quantity of entrance and exit are negative.Key words:built environment;pedestrian access ratio;POI data;GBDT model;non-linear relationship0引言步行接驳轨道交通是指通过步行交通方式从出发地到达轨道交通站点乘车，或在车辆到站后离开轨道交通站点步行到达目的地。步行方式是城市轨道交通接驳的重要组成部分，相关研究表明，采用步行方式接驳轨道交通的比例达7 0%以上(-2。轨道交通站点周边良好的建成环境利于提高居民的步行接驳比例，有助于碳中和81建成环境对轨道站点早高峰步行接驳比例的影响研究|费跃温旭丽刘云毛盈盈以及城市可持续发展目标的实现。国内外学者关于建成环境对步行行为的影响研究主要集中于公共健康、城市规划、交通规划和地理学等相关领域。既有研究表明，轨道交通影响范围内的建成环境与客流存在不同程度的正向或负向相关性 3-4，且同一建成环境要素在不同时段对不同区位的轨道站点客流的影响程度存在差异 5。有学者从土地利用、站点可达性、站点区位等建成环境角度出发，进一步分析了建成环境对轨道交通接驳换乘行为的影响1 6-7。在分析方法上，普通最小二乘法（OLS）、泊松回归（Poissonregression）、离散选择模型等方法得到了广泛的运用，也有学者从非线性关系的角度分析建成环境对步行出行的影响1 8-9，并将机器学习算法应用到分析研究中1 1 0-1。既有研究主要集中在分析轨道交通站点附近的建成环境对轨道客流的整体影响，对于建成环境与步行接驳比例的关系研究较少，而早高峰又是一天中轨道交通客流最集中的时段，对早高峰时段步行接驳比例的研究对于优化轨道交通换乘体系具有重要的意义。本文利用梯度提升决策树（GBDT）模型分析轨道交通站点周边建成环境与早高峰步行接驳比例的关系，为轨道交通站点周边用地规划和交通设计提供参考依据。1建成环境指标的确定瑟夫洛（Cervero）和科克曼（K o c k e l ma n）1 2 最早提出了表征建成环境的“3 D”要素，包括“密度”“混合度/多样性”“设计”，后来又将“可达性”和“到公共交通站点距离”加人其中，扩展为“5D”要素 1 3。在分析建成环境对轨道交通客流及接驳方式影响时，国内外学者 1 4.0.41 综合考虑了居住人口、就业岗位密度、小区容积率、商业用地和办公用地面积或占比、用地多样性、轨道站点周边路网长度、是否为换乘站、首末站以及是否位于CBD区域（哑元变量）等因素。本文综合“5D”要素和既有研究成果，确定轨道交通站点周边的建成环境指标。（1）密度指标。密度要素以居住人口密度、就业岗位密度两个指标来表征。调查获取详细的居住人口数据和就业岗位数据存在较大困难，因此，利用房屋中介网站和企业查询网站的住户数和企业人员规模来估算轨道交通站点合理步行范围内的住户密度和就业岗位密度。（2）混合度/多样性指标。采用土地利用混合炳指数来表征混合度要素1 5。假设轨道交通站点合理步行范围内的POI总数量为S，共有m种类型的POI，每种类型的POI数量为S(i=1,2,m)，则用地混合嫡指数为1 5mSSlnSS(1)E=1inm式中：用地混合熵指数E是实际城市用地结构信息熵与最大值之比，其取值范围为 0,1，用于描述城市各类POI数据点数量多少的差异，取值越大，表明各类POI数据点数量相差越小，用地混合程度越高，用地类型越均衡。（3）设计指标。设计要素会影响步行路径的选择和步行的便捷性，包含两个层面的指标。一是轨道交通站点周边的路网设计，以路网密度和交叉口密度 1 6 两项指标来表征，通过计算轨道交通站点合理步行范围内的步行路网密度和交叉口密度作为其指标值。二是轨道交通站点层面的设计，主要是基于轨道交通站点的人行天桥系统和人行地道系统。由于南京城市轨道交通站点均为地下车站或高架车站形式，车站出人口本身可以为行人立体过街提供便利。同时，一些高等级道路沿线或位于市中心的站点，也会结合轨道站点出人口设置立体过街设施方便行人过街。因此，选取车站的出入口数量和出人口方向覆盖率两个指标来表征车站层面的设计要素。其中，出入口数量即轨道站点实际设置的出口个数。而出人口方向覆盖率指站点出人口（包括与其衔接的立体过街设施）对交叉口或路段各方向的服务覆盖比例。以常见的四路交叉为例，若交叉口各个象限上均有站点出人口（或与其衔接的立体过街设施），则该站点的出人口方向覆盖率为1.0，如只有3 个象限上设置，则出人口方向覆盖率为0.75，依此类推。（4）可达性指标。可达性要素由轨道交通站点合理步行范围内的步行可达性来表征。采用基于空间阻抗的可达性模型，以距离作为阻抗值，在步行路网的基础上计算轨道交通站点的步行可达性，作为可达性指标。（5）公交服务指标。由于我国大多数轨道交通站点周边都配套了常规公交接驳站点，采用公交站点密度来表征此要素。利用POI数据计算轨道站点合理步行范围内的公交站台密度，作为公交服务指标。建成环境要素、计算指标及其含义如表1 所示。2数据获取与指标计算2.1研范围的确定选取南京地铁在中心城区范围内表1建成环境指标及其含义建成环境要素计算指标指标含义居住人口密度/（万人/km）轨道站点合理步行范围内单位面积的居住人口数密度轨道站点合理步行范围内单位面积可提供就业岗位的POI就业岗位密度/（个/km）个数混合度/多样性用地混合摘指数轨道站点合理步行范围内用地混合指数路网密度/（km/km）轨道站点合理步行范围内单位面积的路网长度交叉口密度/（个/km）轨道站点合理步行范围内单位面积的交叉口个数设计出人口数量/个轨道站点出人口个数轨道站点出入口（包括与其衔接的立体过街设施）对交叉出人口方向覆盖率口或路段各方向的服务覆盖比例可达性站点步行可达性轨道站点合理步行范围内的步行可达性公交服务公交站点密度/（个/km）轨道站点合理步行范围内单位面积的公交站点数量82规划与建设PLANNINGANDCONSTRUCTION现代城市研究2024.03的8 2 个车站作为研究对象，站点分布于城市核心区、主城边缘、外围副城等区域，如图1 所示。站点周边用地涵盖各种开发类型及不同开发阶段，保证了建成环境指标值的覆盖范围。数据获取范围为轨道交通站点合理步行范围。国外研究表明大多数步行接驳轨道交通的距离在8 0 0 m左右（1 0 1 2 mi n 步行时间）1 7-1 8,，文献 1 9 定义距离轨道站点50 0 8 0 0 m、步行约1 5min内的区域为轨道交通影响区。综合相关研究，本文以轨道站点周边800m半径覆盖范围作为获取建成环境数据的研究范围，利用ArcGIS软件构建轨道交通站点8 0 0 m半径缓冲区，如图1 所示。2.2数据获取与计算本文融合高德地图POI数据、网站数据、规划路网数据、实地调查数据等多源数据进行建成环境指标的计算。通过Python编程从高德地图Web服务的API接口获取POI数据，包括兴趣点名称、经纬度、类型等字段结合我国居民步行出行特点，在文献20的基础上，结合不同POI的步行出行需求，将POI数据分为1 1 类，如表2 所示，包括住宅、企业办公、学校、大型超市、便利店、银行、政府机构、医院、餐厅、休闲餐饮（饮品店/糕饼店/甜品店）商场等。在分类中细化了商业类型用地的POI设施的分类，使其能更好地反映步行沿线建成环境的“混合度/多样性”要素。基于居住类和就业类的POI数据名称，分别从住房中介网站和企业查询网站获取相应的居住小区户数和企业人员规模路网数据来源于文献 2 1，并结合现状进行了调整完善。出人口数量和出入口方向覆盖率数据通过实地调查统计获得。将获取到的POI数据、路网数据导人ArcGIS软件，将坐标系统一转换为WGS84坐标系，利用ArcGIS软件进行空间统计后得到结果如表3 所示。通过实地调查获取轨道交通站点早高峰7:3 0 至8:3 0 进出站步行接驳比例数据，作为输人因变量参数。接驳数据的统计描述如表4所示。3模型构建与计算3.1GBDT模型GBDT模型使用梯度提升（gradientboosting）算法来评估计算值和目标值之间的残差，利用损失函数的负梯度在当前模型的值作为回归问题提升树算法中的残差近似值，以此来拟合一个回归树 2。其算法基本流程如下 2 3。对于训练数据集T=(,y),(,),(x),其中x,eXcR,yeYcR，损失函数L(yJ(x)。首先初始化回归树：ro(x)=arg min ZL(y,c)Ni-(2)对第m棵树（m=1,2,M）进行轨道站点800m半径缓冲区图1 研究站点分布及数据获取范围表2POI数据分类序号兴趣点类型序号兴趣点类型1住宅7政府机构2企业办公8医院3学校9餐厅4大型超市10休闲餐饮5便利店11商场6银行表3建成环境指标统计描述序号要素指标最小值最大值平均值标准差1住户密度/（万户/km）0.011.900.530.31密度2就业设施密度/（百个/km）0.0816.683.473.233混合度/多样性用地混合摘指数0.340.790.660.104路网密度/（km/km）2.2915.287.143.195交叉口密度/（个/km）1.4967.6818.6215.76设计6出人口数量/个2243.722.657出人口方向覆盖率0.2510.610.248可达性轨道站点步行可达性0.2413.734.712.289到公交站点距离公交站点密度/（个/km）1.4911.945.792.34表4早高峰步行接驳比例统计描述序号进出站最小值最大值平均值标准差1进站0.430.920.700.112出站0.570.940.840.0883建成环境对轨道站点早高峰步行接驳比例的影响研究|费跃温旭丽刘云毛盈盈计算：aL(y.f(x)i=1,2,N(x)Jm-(a)(3)对r拟合一个回归树，得到第m棵树的叶节点区域Rm=1,2,J对j=1,2,J进行计算=argmin(y,m(x)+c)(4)C更新.(x)=fm(x)+Zc1(xeR）得到回归树：(x)=f.(x)=ZZcu(xeR.)(5)CBDT基于多个学习者的组合避免了单一学习者的能力有限而导致的糟糕预测 2 6。同时，GBDT能够提供不同的建成环境变量影响的相对重要度 2 4O3.2结果计算与分析3.2.1模型求解在利用GBDT模型分析前，对自变量进行多重共线性检验，通过SPSS软件分析发现，交叉口密度的膨胀系数VIF值大于1 0，存在严重的共线性问题，需要剔除该指标。由于本研究分析的是建成环境指标对轨道交通步行接驳比例的影响，剔除交叉口密度指标可能会引起影响因素分析的缺失，但考虑到路网密度指标与交叉口密度指标的关联性较大，一定程度上可以替代交叉口指标，因此将交叉口指标从模型中剔除，剔除后，其他指标的VIF值均有下降，并小于5。以建成环境指标为自变量，轨道交通站点早高峰进出站步行接驳比例为因变量，利用R语言中的gbm包实现梯度提升回归模型的计算求解，计算结果如表5所示。回归结果表明，相对于线性回归模型，GBDT模型的拟合效果更好，也说明了建成环境与早高峰进出站步行接驳比例之间的非线性关系假设是合理的。从相对重要度看，各建成环境指标在模型中存在较大差异，对进站步行接驳比例来说，就业设施密度路网密度、出人口方向覆盖率、混合熵指数的影响较大，分别达到3 4.3 5%22.02%、1 3.6 1%和1 2.6 7%，其他各指标的相对重要度均在1 0%以下。对出站步行接驳比例来说，混合指数、步行可达性、公交站点密度、出入口数量的影响较大，分别为2 9.3 1%17.28%、1 6.55%和1 0.9 3%，其他指标的相对重要度均在1 0%以下。3.2.2独立效应分析图2 显示了在控制其他指标变量固定不变的情况下，某一建成环境指标对轨道交通站点早高峰进站步行接驳比例的影响。其中，就业设施密度对步行接驳比例产生正向影响并呈现两个阶梯，就业设施密度数值在4 8范围时，步行接驳比例为第一级阶梯，超过1 0.5后为第二阶梯且达到饱和；用地混合熵指数、路网密度、出人口方向覆盖率、公交站点密度对步行接驳比例的影响也是正向的，其数值分别超过0.58、5、0.3、5.5后，步行接驳比例逐渐上升，且在混合熵指数值超过0.7 1、路网密度值超过1 2、出入表5模型计算结果客流方向进站出站模型GBDT模型线性回归GBDT模型线性回归建成环境指标相对重要度/%排序系数估计值相对重要度/%排序系数估计值住户密度3.357-0.062.358-0.021就业设施密度34.3510.0139.5950.004混合熵指数12.6740.20829.3110.103路网密度22.0220.0078.6360.005出人口数量0.238-0.00810.934-0.003出入口方向覆盖率13.6130.0865.3670.065步行可达性6.656-0.00417.282-0.004公交站点密度7.1250.00616.5530.004常数项0.460*0.702*调整后的R?0.730.340.330.21注：*表示P值小于0.0 0 1。0.800.800.750.750.700.700.650.650.600.600.00.51.01.52.00.05.010.015.0住户密度3.3 5%就业设施密度3 4.3 5%0.800.800.750.750.700.700.650.650.600.600.40.50.60.70.85.010.015.0用地混合腐指数1 2.6 7%路网密度2 2.0 2%0.800.80%/0.750.750.700.700.650.650.600.605.010.015.020.025.00.40.60.81.0出入口数量0.2 3%出入口方向覆盖率1 3.6 1%0.800.800.750.750.700.700.650.650.600.600.05.010.02.04.06.08.010.012.0轨道站点步行可达性6.6 5%公交站点密度7.1 2%图2建成环境指标对早高峰进站步行接驳比例的影响84规划与建设PLANNINGANDCONSTRUCTION现代城市研究2024.03口方向覆盖率值超过0.5、公交站点密度值超过7 后步行接驳比例达到饱和。步行可达性对步行接驳比例的影响呈现先上升后下降的现象，当可达性数值在0 4.5之间时，步行接驳比例呈现缓慢的上升趋势，而当可达性数值在4.5 9.5之间时，步行接驳比例呈下降趋势，并在可达性数值大于9.5后趋于稳定。与一般认识存在差异的是，住户密度与出人口数量对步行接驳比例的影响是负向且不显著的，当住户密度值在0.6、出入口数量值在6附近时，步行接驳比例均有微小的降低，之后趋于稳定。图3 显示了建成环境各指标与轨道交通站点早高峰出站步行接驳比例之间的非线性关系。其中，就业设施密度、用地混合熵指数、路网密度出人口方向覆盖率、公交站点密度的影响是正向的，当其数值分别超过3.50.58、7.5、0.3、4.6 后，出站步行接驳比例逐渐上升并达到饱和。步行可达性对出站步行接驳比例的影响仍然是双向的，当可达性数值小于4.5时，对步行接驳比例的影响是正向的，之后的影响则是负向的。对于出站而言，住户密度和出人口数量的变化对步行接驳比例的影响仍然是负向的，在住户密度值小于0.8 时，步行接驳比例有很小幅度的波动下降。步行接驳比例在出人口数量值为4.5附近时有一个下降，之后趋于稳定。3.3结果讨论由CBDT模型结果可知，不同建成环境指标对轨道交通早高峰进出站步行接驳比例的影响存在差异。就业设施密度、用地混合熵指数、路网密度出人口方向覆盖率、公交站点密度对进出站步行接驳比例的影响是正向的，说明提高用地的开发强度和用地混合度，提供便捷的路网、多样的路径选择、立体化的步行过街设施和方便的公交换乘，可以促进步行接驳轨道交通，这与既有研究的结论是一致的。例如，车站周边较高的用地混合度会增加早高峰进出站步行接驳的比例，因为土地使用混合度高的区域能够在步行距离内提供更多的目的地 2 5。住户密度对步行接驳比例的影响并不显著，且对步行接驳比例的影响在初始阶段是负向的，说明在居住人口密度不高的地区，刚开始提升人口密度并不能带来步行接驳比例的上升，需要突破某一阈值。出入口数量对进站步行接驳比例的影响不显著，但对出站步行接驳比例有一定的负向影响，超过某一闯值后趋于稳定。同时，可达性的影响并不是单调的，这些影响的具体原因还需要进一步的研究分析。虽然单个建成环境指标的改变对轨道交通步行接驳比例的影响并不大，但考虑到改变接驳方式的实际困难以及各类因素的叠加影响，建成环境指标对步行接驳比例的影响仍是有意义的。轨道交通站点周边的建成环境与早高峰步行接驳比例之间的非线性关系研究为改善轨道交通步行接驳环境提供了参考依据。首先，轨道交通周边的用地开发应更多地关注多样性和混合度，特别是不同业态的商业、办公的混合。其次，由于步行出行的路径选择自由度较高，轨道站点周边应规划较高的路网密度，设置服务不同方向的出人口，提供更灵活的步行出行空间和路径选择，而对于片区交通改善而言，开放用地内部道路用于步行是一种可行的方式。第三，提高就业类设施密度，这样做一方面可以提高用地的开发强度，另一方面也增加了用地的混合度，对于促进步行接驳比例也是有益的。4结论本文研究了轨道交通站点周边建0.900.90%/0.880.880.860.860.840.840.820.820.800.800.00.51.01.52.00.05.010.015.0住户密度2.3 5%就业设施密度9.59%0.900.90%0.880.880.860.860.840.840.820.820.800.800.40.50.60.70.85.010.015.0用地混合指数2 9.3 1%路网密度8.6 3%0.900.900.880.880.860.860.840.840.820.820.800.805.010.015.020.025.00.40.60.81.0出入口数量1 0.9 3%出入口方向覆盖率5.3 6%0.900.90%乐0.880.880.860.860.840.840.820.820.800.800.05.010.02.04.06.08.010.0 12.0轨道站点步行可达性1 7.2 8%公交站点密度1 6.55%图3建成环境指标对早高峰出站步行接驳比例的影响85建成环境对轨道站点早高峰步行接驳比例的影响研究|费跃温旭丽可刘云毛盈盈成环境对早高峰进出站步行接驳比例的影响。研究结果表明，建成环境与步行接驳比例之间具有较强的非线性关联性。就业设施密度、用地混合熵指数、路网密度、出人口方向覆盖率和公交站点密度对步行接驳比例的影响是正向的，其对进出站步行接驳比例总的影响权重分别达到8 9.7 7%和69.44%。此外，可达性对于步行接驳比例的影响并非单调的，当可达性值为4.5时，步行接驳比例达到最大。在城市和交通规划中应考虑这种非线性关系的影响，并利用各指标影响阈值制定有效的规划设计方案。参考文献：川吴韬，严建伟.北京市轨道站点吸引范围研究 J.交通运输系统工程与信息,2 0 1 3,1 3(3):1 8 3-1 8 8.2岳芳，毛保华，陈团生.城市轨道交通接驳方式的选择.都市轨道交通,2 0 0 7,2 0(4):3 6-3 9.3LOO B,CHEN C,CHAN E.Rail-basedtransit-oriented development:lessons from NewYork city and Hong KongJ.Landscape andurban planning,2010,97(3):202-212.4JUN M J,CHOI K,JEONG J E,et al.Land usecharacteristics of subway catchment areas andtheir influence on subway ridership in SeoulJ.Journal of transport geography,2015,48:30-40.5张娜.深圳南山区居住小区建成环境对居民出行行为影响研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 1 4.6PAN H X,SHEN Q,ZHAO T.Travel and carownership of residents near new suburban metrostations in Shanghai,ChinaJj.Transportationresearch record journal of the transportationresearch 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