城市交通與土地利用協(xié)調(diào)關系的數(shù)據(jù)包絡分析

城市交通與土地利用協(xié)調(diào)關系的數(shù)據(jù)包絡分析

城市交通與土地利用的協(xié)調(diào)是解決城市交通問題、實現(xiàn)土地利用集約的重要前提。決定城市是否可持續(xù)發(fā)展的關鍵是充分考慮城市交通與土地利用關系的程度。國內(nèi)外學者對城市交通與土地利用之間的關系進行了大量研究,建立了大量描述交通與土地利用關系的模型,但基于兩者關系的定量評價研究鮮見.文獻針對美國城市分散化發(fā)展模式,提出了評價交通與土地利用協(xié)調(diào)關系的5類指標,然而對于高密度開發(fā)模式下的大多數(shù)中國城市是不適宜的.文獻構(gòu)建了交通與土地利用協(xié)調(diào)關系評價的灰色模型,但建模時需預先給定各指標的權(quán)重,在一定程度上降低了評價的可靠性.因此,有必要從我國城市高密度發(fā)展特征出發(fā),選用科學的評價方法和評價指標體系,對我國城市交通與土地利用協(xié)調(diào)關系進行評價.1dea模型選取城市交通與土地利用之間存在一種相互依存、相互促進的互動關系.兩者可看作一種互為輸入輸出的投入產(chǎn)出系統(tǒng).將城市交通作為系統(tǒng)輸入,土地利用作為系統(tǒng)輸出,系統(tǒng)的投入產(chǎn)出有效性即為城市交通對土地利用的協(xié)調(diào)程度.反之,將土地利用作為系統(tǒng)輸入,城市交通作為系統(tǒng)輸出,系統(tǒng)的投入產(chǎn)出有效性則為土地利用對城市交通的協(xié)調(diào)程度.數(shù)據(jù)包絡分析(DataEnvelopmentAnalysis,DEA)是一種非參數(shù)統(tǒng)計分析方法,特別適用于相同類型具有多輸入、多輸出投入產(chǎn)出系統(tǒng)(稱為決策單元,DecisionMakingUnits,DMU)的相對有效性評價.DEA方法的主要步驟包括決策單元選擇、輸入輸出指標確定、模型建立與求解、評價分析等.1.1土地利用評估在我國城市高密度開發(fā)的背景下,發(fā)展公共交通與集約式的土地利用(即實施TOD開發(fā)模式),成為提高城市交通與土地利用系統(tǒng)投入產(chǎn)出有效性的必然選擇.TOD開發(fā)模式通過土地混合使用、人口分布適當集中,形成適合公交發(fā)展的土地利用結(jié)構(gòu),從而縮短出行距離、減少能源消耗,實現(xiàn)城市交通與土地利用的最優(yōu)組合.為充分反映TOD模式的實施程度,本文作者經(jīng)過對16個城市大量數(shù)據(jù)的篩選,最后確定的土地利用系統(tǒng)的評價指標為:平均人口密度(X1)、交通用地面積(X2)、就業(yè)崗位與居住人口比(X3);確定城市交通系統(tǒng)的評價指標為:公交客運量(Y1)、公交承擔率(Y2)、常規(guī)公交運營里程(Y3)、軌道交通運營里程(Y4)、人均出行距離(Y5).1.2城市交通系統(tǒng)中協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)的計算DEA模型根據(jù)不同的評價環(huán)境與評價目的發(fā)展了多種形式,不失一般性,這里選用經(jīng)典的C2R模型.為獲得我國各種類型城市的交通與土地利用的協(xié)調(diào)發(fā)展情況,本文選取16個具有代表性意義的典型城市作為決策單元進行評價分析.對于n(n=16)個決策單元,每個決策單元DMUj(j=1,2,…,n)都有m(m=3,5)種輸入和s(s=5,3)種輸出,Xj和Yj分別表示第j個決策單元的輸入和輸出向量,即分別為土地利用系統(tǒng)和城市交通系統(tǒng)的評價指標向量,則評價決策單元具有非阿基米德無窮小的C2R模型為(DΙε){min[θj0-ε(?eΤS-+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(e?TS?+eTS+)]s.t.∑j=1nXjλj+S?=θj0Xj0,∑j=1nYjλj?S+=Yj0,λj0≥0,j=1,2,??n；S?≥0,S+≥0.式中:θj0為決策單元DMUj0投入相對于產(chǎn)出的有效性,稱為協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù);ε為阿基米德無窮小量,即小于任何正數(shù)且大于零的數(shù);S-為m項輸入的松弛變量;S+為s項輸出的松弛變量;λ=(λ1,λ2,…,λn)為n個DMU的組合系數(shù);?e=(1,1,?,1)Τ∈Em,e=(1,1,?,1)Τ∈Es.假設模型的最優(yōu)解為λ*,S-*,S+*,θ*j0,根據(jù)決策單元有效性定理可知:若θ*j0<1,則DMUj0為非DEA有效;若θ*j0=1,?eΤS-*+eΤS+*>0,則DMUj0為弱DEA有效;若θ*j0=1,?eΤS-*+eΤS+*=0,則DMUj0為DEA有效.首先將土地利用系統(tǒng)的各項指標Xj=(x1j,x2j,…,xmj)T,j=1,2,…,n作為模型的輸入,即以土地利用系統(tǒng)為輸入.假設土地利用系統(tǒng)對城市交通系統(tǒng)的投入、貢獻直至進一步推動城市交通系統(tǒng)發(fā)展為一個過程,通過DEA模型計算,可得到對于城市交通系統(tǒng)而言,土地利用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù),記為θ=(θ1,θ2,…,θn);然后將城市交通系統(tǒng)的各項指標Yj=(y1j,y2j,…,ymj)T,j=1,2,…,n作為模型輸入,則可得對于土地利用系統(tǒng)而言,城市交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù),記為θ′=(θ1′,θ2′,…,θn′).1.3dea無效的決策單元dmuj0用D表示評價指標體系,Di表示D中去掉第i個評價指標后的指標體系,θj(D)(或θj′(D))和θj(Di)(或θj′(Di))表示第j個決策單元分別在指標集D和Di下的土地利用系統(tǒng)(或城市交通系統(tǒng))協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù).對θj(D)<1或θj′(D)<1(即DEA無效)的決策單元DMUj0,計算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)假設第i0和第i1指標分別滿足Sj0(i0)=miniSj0(i)和Sj0(i1)=maxiSj0(i),則第i0和第i1指標分別是對決策單元DMUj0無效性影響最大和最小的指標.若為輸入指標,表明第i0指標對應的輸入過大或利用率太低,第i1指標對應的輸入過少而成為制約DMUj0協(xié)調(diào)發(fā)展的約束因素;若為輸出指標,則表明第i0指標對應的輸出太少,而第i1指標對應的輸出太大.2城市土地利用評價橫向決策單元2R模型,計算出不同指標體系下各城市土地利用系統(tǒng)相對于城市交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)θ以及城市交通系統(tǒng)相對于土地利用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)θ′;運用式(1),計算反映決策單元無效性成因的分析指標Sj(i)與Sj′(i).其中6個城市的計算結(jié)果如表1、表2所示.(1)從表1中初始DEA評價結(jié)果可看出,2004年我國城市交通與土地利用協(xié)調(diào)關系在地區(qū)分布上,呈現(xiàn)“兩端高、中間低”的現(xiàn)象,即特大城市(如北京、香港)與小城市(如阜陽)的協(xié)調(diào)性相對較好,而中等城市(如哈爾濱、無錫)的協(xié)調(diào)性相對較差.(2)分析表2橫向決策單元,可以獲得各城市交通與土地利用相互關系非DEA有效的形成原因及優(yōu)化方向.這里對北京、哈爾濱、阜陽3個決策單元進行具體分析.北京市未能實現(xiàn)交通與土地利用關系的雙向DEA有效,雙向協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)分別為0.9039和0.9218.通過表2分析可知,公交承擔率不足、就業(yè)崗位與居住人口之比偏低分別是城市交通系統(tǒng)與土地利用系統(tǒng)協(xié)調(diào)性較差的最主要原因.因此,優(yōu)化北京市交通與土地利用之間關系,需進一步加強公共交通系統(tǒng)建設,依托城市軌道交通形成就業(yè)?居住?商業(yè)混合布設的土地利用形態(tài),確保TOD開發(fā)模式的順利實施.哈爾濱的交通與土地利用協(xié)調(diào)性相對較差,雙向協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)分別為0.6773和0.7612.通過表2分析可知,就業(yè)崗位與居住人口比偏低是土地利用系統(tǒng)未能實現(xiàn)與城市交通系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的最主要原因,公交承擔率低是城市交通系統(tǒng)未能實現(xiàn)與土地利用系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的最主要原因.優(yōu)化哈爾濱市交通與土地利用之間關系,應吸取特大城市經(jīng)驗教訓,重點加強公共交通基礎設施建設,科學制定城市發(fā)展規(guī)劃,使城市土地利用模式逐步向TOD模式轉(zhuǎn)變.阜陽實現(xiàn)了土地利用對交通的協(xié)調(diào)發(fā)展,但未實現(xiàn)交通對土地利用的協(xié)調(diào)發(fā)展.通過表2分析可知,公交承擔率低是城市交通未能實現(xiàn)與土地利用協(xié)調(diào)發(fā)展的最主要原因.因此,優(yōu)化阜陽市交通與土地利用之間關系,應充分利用土地利用布局較為合理的優(yōu)勢,集中發(fā)展公共交通,為實施TOD開發(fā)模式創(chuàng)造條件.3評價指標體系的建立研究了城市高密度開發(fā)特征下交通與土地利用的協(xié)調(diào)發(fā)展的定量評價問題,為我國城市交通及土地利用規(guī)劃提供了決策依據(jù).主要研究成果如下:(1)立足我國城市高密度開發(fā)特征,建立了基于TOD開發(fā)模式的評價指標體系.(2)采用一種新的非參數(shù)統(tǒng)計分析方法,構(gòu)造了評價城市交通與土地利用協(xié)調(diào)關系的DE