CEUS | 南京大学提出一种三维（3D）土地利用混合测算新方法

期刊：Computers, Environment and Urban Systems

题目：3-D multi-aspect mix degree index: A method for measuring land use mix at street block level

DOI：https://doi.org/10.1016/j.compenvurbsys.2023.102005

摘要：土地利用组合是指在一定区域内整合不同的土地利用类型，这对于可持续城市至关重要。全面、准确、合理的指标是评价混合度的优先因素，目前的指标大多局限于二维（2-D）空间。基于建筑物和兴趣点（POI）数据的三维（3-D）信息，改进了二维指标的计算方法，构建了三维多方面混合度指标，包括单一指标（三维多样性指标、三维可达性指标和三维街区兼容性指标）和综合指标（三维综合混合度指标， CMDI技术.3D).以街道街区为研究单元，结果表明：深圳的土地利用组合水平较高，尤其是社会经济条件较好的城市中心，CMDI.3D可以描绘显著的空间异质性。比较分析显示，CMDI.3D受空间尺度影响较小，与移动距离呈负相关（R ≤ −0.145），与其他单一指标（R ≥ 0.40）密切相关，证明了其稳定性和提供额外特征的能力。与二维指标相比，实证验证和与行驶距离的更强相关性也验证了三维指标的有效性和优势。该指数对改善城市规划和管理有很大帮助。

研究背景：

土地利用混合是指在一定区域内不同土地利用类型的整合，对于城市的可持续发展具有重要意义。目前，土地利用混合的测度主要包括多样性、可达性和兼容性三个方面，但现有的指标大多只考虑了其中一个方面，缺乏综合考虑，而且主要基于二维空间的数据，忽略了城市中的纵向空间信息。因此，本文提出了一种基于三维建筑和兴趣点数据的三维多方面混合度指数，以更全面、准确和合理地评估城市的土地利用混合程度。

研究内容：

①三维多方面混合度指数：提出了一种基于建筑物和兴趣点数据的三维混合度指数，包括单一指标（三维多样性指标、三维可达性指标和三维街区兼容性指标）和综合指标（三维综合混合度指标）。

②混合度指标的计算方法：优化或重构了二维指标的计算方法，引入了楼层面积加权土地面积比、三维希尔数、三维累积机会、三维街区兼容性等概念，以考虑三维空间的信息。

③深圳市街区混合度的空间分布：以街区为研究单元，分析了深圳市的混合度指标的空间分布特征，发现深圳市的土地利用混合度较高，尤其是中心区域，且三维综合混合度指标能够揭示明显的空间异质性。

研究数据：

本文以深圳市为研究区域，选取了2014年的城市土地利用数据、建筑数据和兴趣点数据。土地利用数据以地块为基本单元，包含了43个分类，本文将其合并为10个类别，分别是住宅、商业、一类工业、二类工业、新型促进工业、公共服务、交通、物流仓储、特殊和其他。建筑数据包含了建筑层数和建筑面积等三维信息，本文将建筑的功能赋予为其所在地块的土地利用类型。兴趣点数据包含了不同设施的名称、地址、坐标和类别等信息，本文将其分为10个类别，分别是餐饮、房地产、娱乐、政府机构、教育、医疗、金融、公司、交通和购物。

研究方法：

本文首先计算了单一指标，包括三维多样性指标（0 DI3D, 1 DI3D, 212 DI3D）、三维可达性指标（AI3D）和三维街区兼容性指标（SCI3D），然后综合这些单一指标构建了三维综合混合度指标（CMDI3D）。三维多样性指标采用了Hill Numbers方法，通过引入建筑面积加权的土地面积比（Mk）来替代二维空间中的土地面积比（Pk），从而考虑了不同土地利用类型的层数和面积信息。三维可达性指标采用了累积机会测度方法，通过计算每个地块到所有兴趣点的累积机会，同时考虑了水平和垂直方向的距离和时间。三维街区兼容性指标采用了兼容性评价方法，通过构建不同土地利用类型之间的兼容性判断矩阵，计算每个地块在1.5公里范围内的兼容性，同样使用了建筑面积加权的土地面积比作为权重系数。三维综合混合度指标采用了熵权法，根据单一指标的信息量确定各自的权重，然后进行加权求和，得到街区层面的综合混合度值。

结论：

土地利用组合是不同土地利用类型的整合，其衡量对可持续发展和城市规划具有重要意义。通过整合建筑和POI数据的建筑面积和垂直行驶时间的三维信息，我们从多样性、可达性和兼容性等多个方面提出了一个三维混合度指数。五个单一指标（0地.3D,1地.3D,2地.3D.AI.3D和 SCI.3D）和综合指标（CMDI.3D）被构造。以街道街区为研究单元，发现深圳市土地利用组合总体较高，尤其是福田区、罗湖区、宝安区等社会经济条件较好的城市中心。

此外，还对三维指标的性能进行了探索，结果表明：（1）SCI.3D和 CMDI.3D受空间尺度的影响较小，而0地.3D更敏感。（2）与二维指标相比，实证验证和与行驶距离的强负相关也表明了三维指标在土地利用结构测度方面的有效性和优势。（3） CMDI技术.3D与行驶距离呈负相关（R ≤ −0.145），与其他单一指标（R ≥ 0.40）强相关，验证了综合指标的有效性和丰富内涵。以上结果间接验证了所提三维空间指标的正确性，为土地利用组合的测度提供了改进和优化。该方法未来将应用于其他城市，为城市规划管理提供数据和技术支持。

转自：“生态遥感前沿”微信公众号

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