城市交通与土地利用协调关系的数据包络分析

城市交通与土地利用协调关系的数据包络分析

城市交通与土地利用的协调是解决城市交通问题、实现土地利用集约的重要前提。决定城市是否可持续发展的关键是充分考虑城市交通与土地利用关系的程度。国内外学者对城市交通与土地利用之间的关系进行了大量研究,建立了大量描述交通与土地利用关系的模型,但基于两者关系的定量评价研究鲜见.文献针对美国城市分散化发展模式,提出了评价交通与土地利用协调关系的5类指标,然而对于高密度开发模式下的大多数中国城市是不适宜的.文献构建了交通与土地利用协调关系评价的灰色模型,但建模时需预先给定各指标的权重,在一定程度上降低了评价的可靠性.因此,有必要从我国城市高密度发展特征出发,选用科学的评价方法和评价指标体系,对我国城市交通与土地利用协调关系进行评价.1dea模型选取城市交通与土地利用之间存在一种相互依存、相互促进的互动关系.两者可看作一种互为输入输出的投入产出系统.将城市交通作为系统输入,土地利用作为系统输出,系统的投入产出有效性即为城市交通对土地利用的协调程度.反之,将土地利用作为系统输入,城市交通作为系统输出,系统的投入产出有效性则为土地利用对城市交通的协调程度.数据包络分析(DataEnvelopmentAnalysis,DEA)是一种非参数统计分析方法,特别适用于相同类型具有多输入、多输出投入产出系统(称为决策单元,DecisionMakingUnits,DMU)的相对有效性评价.DEA方法的主要步骤包括决策单元选择、输入输出指标确定、模型建立与求解、评价分析等.1.1土地利用评估在我国城市高密度开发的背景下,发展公共交通与集约式的土地利用(即实施TOD开发模式),成为提高城市交通与土地利用系统投入产出有效性的必然选择.TOD开发模式通过土地混合使用、人口分布适当集中,形成适合公交发展的土地利用结构,从而缩短出行距离、减少能源消耗,实现城市交通与土地利用的最优组合.为充分反映TOD模式的实施程度,本文作者经过对16个城市大量数据的筛选,最后确定的土地利用系统的评价指标为:平均人口密度(X1)、交通用地面积(X2)、就业岗位与居住人口比(X3);确定城市交通系统的评价指标为:公交客运量(Y1)、公交承担率(Y2)、常规公交运营里程(Y3)、轨道交通运营里程(Y4)、人均出行距离(Y5).1.2城市交通系统中协调发展指数的计算DEA模型根据不同的评价环境与评价目的发展了多种形式,不失一般性,这里选用经典的C2R模型.为获得我国各种类型城市的交通与土地利用的协调发展情况,本文选取16个具有代表性意义的典型城市作为决策单元进行评价分析.对于n(n=16)个决策单元,每个决策单元DMUj(j=1,2,…,n)都有m(m=3,5)种输入和s(s=5,3)种输出,Xj和Yj分别表示第j个决策单元的输入和输出向量,即分别为土地利用系统和城市交通系统的评价指标向量,则评价决策单元具有非阿基米德无穷小的C2R模型为(DΙε){min[θj0-ε(ˆeΤS-+eΤS+)]s.t.n∑j=1Xjλj+S-=θj0Xj0,n∑j=1Yjλj-S+=Yj0,λj0≥0,j=1,2,⋯‚n；S-≥0,S+≥0.(DIε)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪min[θj0−ε(eˆTS−+eTS+)]s.t.∑j=1nXjλj+S−=θj0Xj0,∑j=1nYjλj−S+=Yj0,λj0≥0,j=1,2,⋯‚n；S−≥0,S+≥0.式中:θj0为决策单元DMUj0投入相对于产出的有效性,称为协调发展指数;ε为阿基米德无穷小量,即小于任何正数且大于零的数;S-为m项输入的松弛变量;S+为s项输出的松弛变量;λ=(λ1,λ2,…,λn)为n个DMU的组合系数;ˆe=(1,1,⋯,1)Τ∈Em,e=(1,1,⋯,1)Τ∈Es.假设模型的最优解为λ*,S-*,S+*,θ*j0,根据决策单元有效性定理可知:若θ*j0<1,则DMUj0为非DEA有效;若θ*j0=1,ˆeΤS-*+eΤS+*>0,则DMUj0为弱DEA有效;若θ*j0=1,ˆeΤS-*+eΤS+*=0,则DMUj0为DEA有效.首先将土地利用系统的各项指标Xj=(x1j,x2j,…,xmj)T,j=1,2,…,n作为模型的输入,即以土地利用系统为输入.假设土地利用系统对城市交通系统的投入、贡献直至进一步推动城市交通系统发展为一个过程,通过DEA模型计算,可得到对于城市交通系统而言,土地利用系统的协调发展指数,记为θ=(θ1,θ2,…,θn);然后将城市交通系统的各项指标Yj=(y1j,y2j,…,ymj)T,j=1,2,…,n作为模型输入,则可得对于土地利用系统而言,城市交通系统的协调发展指数,记为θ′=(θ1′,θ2′,…,θn′).1.3dea无效的决策单元dmuj0用D表示评价指标体系,Di表示D中去掉第i个评价指标后的指标体系,θj(D)(或θj′(D))和θj(Di)(或θj′(Di))表示第j个决策单元分别在指标集D和Di下的土地利用系统(或城市交通系统)协调发展指数.对θj(D)<1或θj′(D)<1(即DEA无效)的决策单元DMUj0,计算Sj0(i)=θj0(D)-θj0(Di)θj0(Di),i=1,2,⋯,τ；或S′j0(i)=θ′j0(D)-θ′j0(Di)θ′j0(Di),i=1,2,⋯,τ(1)假设第i0和第i1指标分别满足Sj0(i0)=miniSj0(i)和Sj0(i1)=maxiSj0(i),则第i0和第i1指标分别是对决策单元DMUj0无效性影响最大和最小的指标.若为输入指标,表明第i0指标对应的输入过大或利用率太低,第i1指标对应的输入过少而成为制约DMUj0协调发展的约束因素;若为输出指标,则表明第i0指标对应的输出太少,而第i1指标对应的输出太大.2城市土地利用评价横向决策单元2R模型,计算出不同指标体系下各城市土地利用系统相对于城市交通系统的协调发展指数θ以及城市交通系统相对于土地利用系统的协调发展指数θ′;运用式(1),计算反映决策单元无效性成因的分析指标Sj(i)与Sj′(i).其中6个城市的计算结果如表1、表2所示.(1)从表1中初始DEA评价结果可看出,2004年我国城市交通与土地利用协调关系在地区分布上,呈现“两端高、中间低”的现象,即特大城市(如北京、香港)与小城市(如阜阳)的协调性相对较好,而中等城市(如哈尔滨、无锡)的协调性相对较差.(2)分析表2横向决策单元,可以获得各城市交通与土地利用相互关系非DEA有效的形成原因及优化方向.这里对北京、哈尔滨、阜阳3个决策单元进行具体分析.北京市未能实现交通与土地利用关系的双向DEA有效,双向协调发展指数分别为0.9039和0.9218.通过表2分析可知,公交承担率不足、就业岗位与居住人口之比偏低分别是城市交通系统与土地利用系统协调性较差的最主要原因.因此,优化北京市交通与土地利用之间关系,需进一步加强公共交通系统建设,依托城市轨道交通形成就业?居住?商业混合布设的土地利用形态,确保TOD开发模式的顺利实施.哈尔滨的交通与土地利用协调性相对较差,双向协调发展指数分别为0.6773和0.7612.通过表2分析可知,就业岗位与居住人口比偏低是土地利用系统未能实现与城市交通系统协调发展的最主要原因,公交承担率低是城市交通系统未能实现与土地利用系统协调发展的最主要原因.优化哈尔滨市交通与土地利用之间关系,应吸取特大城市经验教训,重点加强公共交通基础设施建设,科学制定城市发展规划,使城市土地利用模式逐步向TOD模式转变.阜阳实现了土地利用对交通的协调发展,但未实现交通对土地利用的协调发展.通过表2分析可知,公交承担率低是城市交通未能实现与土地利用协调发展的最主要原因.因此,优化阜阳市交通与土地利用之间关系,应充分利用土地利用布局较为合理的优势,集中发展公共交通,为实施TOD开发模式创造条件.3评价指标体系的建立研究了城市高密度开发特征下交通与土地利用的协调发展的定量评价问题,为我国城市交通及土地利用规划提供了决策依据.主要研究成果如下:(1)立足我国城市高密度开发特征,建立了基于TOD开发模式的评价指标体系.(2)采用一种新的非参数统计分析方法,构造了评价城市交通与土地利用协调关系的DE