黎峰昌，陳廣乾，朱祖明，楊克布，謝相建

(東華理工大學測繪工程學院，江西 南昌 330013)

0 引 言

城市化是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要特征，是人類社會、經(jīng)濟、文化發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果[1]。建筑是城市化的重要成果，建筑從制造到拆除都與周邊的環(huán)境發(fā)生著物理的變化[2]。建材的制造、使用和建筑垃圾處理都對生態(tài)環(huán)境造成破壞。中國快速城市化的同時，資源需求和環(huán)境污染問題也日益突出[3]。城市問題與物質(zhì)代謝密切相關(guān)，資源和環(huán)境等問題的根源在于城市物質(zhì)代謝在時間和空間尺度上的阻礙和耗盡[4-6]。

1852年Moleshott研究生命循環(huán)提出代謝概念，而物質(zhì)代謝研究特定時空內(nèi)對自然生態(tài)系統(tǒng)有顯著影響的物質(zhì)流通量與分布[7]。它可以衡量社會經(jīng)濟體物質(zhì)吞吐量與經(jīng)濟發(fā)展、資源環(huán)境等之間的關(guān)系[8]。而物質(zhì)存量是物質(zhì)代謝的基礎，物質(zhì)存量泛指具有社會經(jīng)濟產(chǎn)出功能、可為人類工作和生活提供服務功能的產(chǎn)品或物料的含量，相關(guān)研究隨著全球城市化迅速發(fā)展[9]。定量化計算城市中各種建筑物質(zhì)的在用物質(zhì)存量，并利用GIS分析其分布的時空變化規(guī)律，能夠發(fā)現(xiàn)城市中存在的一些問題，并為制定城市的可持續(xù)發(fā)展策略提供數(shù)據(jù)支持。

早期建筑物質(zhì)存量研究大多集中于統(tǒng)計存量的方法與更新。目前國內(nèi)基于GIS(Geographic Information System)的物質(zhì)存量研究中，GIS常被用在大區(qū)域整體規(guī)劃層面，而局部區(qū)域?qū)用鎰傞_始，借助GIS分析城市化進程中能耗、住宅建筑物質(zhì)存量變化和住宅建筑生命周期三者聯(lián)系的研究較少，特定階段的動態(tài)演變分析被忽視[9]。國外對建筑物質(zhì)存量的GIS分析則處在起步階段，主要從宏觀上分析存量分布現(xiàn)象或?qū)ζ淠硞€方面進行研究。

目前城市代謝主要基于實物物理單位，根據(jù)研究對象的區(qū)別，研究方法目前應用較為廣泛的有：物質(zhì)能量流分析、生命周期分析和生態(tài)足跡分析[10]。按研究視角的不同，物質(zhì)存量研究分為對元素存量的分析和對代謝主體存量的分析。特定元素存量研究多是金屬類物質(zhì)的存量研究。非特定物質(zhì)存量研究的對象主要包括“建成環(huán)境和人工制品”[11]等具有完善服務功能的代謝主體。自下而上法把物質(zhì)存量按結(jié)構(gòu)類型進行劃分，定義結(jié)構(gòu)內(nèi)標準單位的物質(zhì)含量——物質(zhì)強度系數(shù)。GIS技術(shù)能更直觀地呈現(xiàn)物質(zhì)存量的空間分布和時間變化信息，激光雷達的數(shù)據(jù)標明建筑物的高度信息,它們對自下而上法是極大的補充[12]。

南昌城市化進程快，住宅建筑物質(zhì)存量的研究增多。但大多依賴年鑒數(shù)據(jù)，通過查閱當年流入流出物質(zhì)量，得到住宅建筑在用物質(zhì)存量凈增量。這遺失了較多的數(shù)據(jù)細節(jié)，如住宅建筑中的物質(zhì)構(gòu)成比例，物質(zhì)存量空間分布等信息。針對以上研究的不足，本文基于眾源數(shù)據(jù)提取南昌市住宅建筑基礎信息，以自下而上存量分析思想計算南昌市住宅建筑水泥和鋼筋在用存量，分析其空間分布特征，以及探測近30年其總量變化和時空演變規(guī)律。

1 研究方法

1.1 住宅建筑信息數(shù)據(jù)獲取

首先利用網(wǎng)絡爬蟲工具從房地產(chǎn)網(wǎng)站快速搜集海量的南昌市的小區(qū)住宅建筑信息。其工作原理是通過人在網(wǎng)頁上的操作，將網(wǎng)頁分區(qū)域，記錄人在該區(qū)域的具體操作，從而實施模擬，自動提取網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，采集完成的結(jié)果可以手動或自動導出到數(shù)據(jù)庫[13]。采集數(shù)據(jù)的步驟為：點擊小區(qū)進入首頁，再點擊小區(qū)詳情頁，提取小區(qū)名、建筑面積、占地面積、總樓棟數(shù)、詳細地址、戶型及面積、層數(shù)等數(shù)據(jù)。住宅建筑數(shù)據(jù)的具體采集流程如圖1所示。

圖1 眾源數(shù)據(jù)采集流程圖

1.2 數(shù)據(jù)清洗及空間可視化

1.2.1 數(shù)據(jù)清洗整理

在Python中編寫代碼，對所有數(shù)據(jù)進行清洗得到可利用住房信息字段。

直接從網(wǎng)站獲取的住房信息中有部分字段信息不規(guī)范，為了得到所有住宅建筑的規(guī)范屬性信息，研究通過編寫Python代碼，對爬取的每一條記錄的地區(qū)、年代、室、廳、樓層、朝向、建筑面積等字段信息進行規(guī)范整理，刪除重復的和信息不全的。另外，為進一步獲取住宅建筑的詳細地址，研究借助百度地圖平臺提供的位置查詢API接口，每一條記錄以“小區(qū)名”+‘棟’或‘樓’為關(guān)鍵字進行搜索，循環(huán)搜索得到小區(qū)內(nèi)匹配到的住宅建筑的地址信息。

1.2.2 坐標獲取

在Excel中添加Datamap for Excel插件將數(shù)據(jù)清洗整理得到的詳細地址進行地址解析，獲得地址對應的地理坐標。并將Datamap for Excel得到的百度坐標系下的經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)為WGS84坐標下的經(jīng)緯度坐標。整理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)清洗整理流程圖

1.2.3 空間可視化

在ArcGIS中導入住宅建筑數(shù)據(jù)表要素，以WGS-84坐標系(World Geodetic System——1984 Coordinate System) 中經(jīng)度為 X 字段，緯度為 Y 字段顯示表中元素，加載南昌市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，添加基本地理要素，建立住宅建筑點圖層并可視化。數(shù)據(jù)清洗后獲取地址并轉(zhuǎn)換坐標后的結(jié)果示例如表1所示。

表1 南昌市住房網(wǎng)絡數(shù)據(jù)抓取示例

1.3 住宅建筑在用物質(zhì)存量估算

根據(jù)不同住宅建筑結(jié)構(gòu)類型所含建筑材料物質(zhì)存量的差異，將南昌市住宅進行分類，構(gòu)建不同回歸分析模型，可以計算得到每一種存量單元的物質(zhì)存量以及整個研究區(qū)各種建筑材料的物質(zhì)存量[14]。建筑材料的種類繁多，其中以鋼筋和水泥為主，因此本研究以鋼筋和水泥為代表，對住宅建筑的在用物質(zhì)存量進行分析。

現(xiàn)實中住宅建筑類型多樣，結(jié)構(gòu)復雜，詳細的建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)不易獲取，因此，研究通過設定住宅標準層高，根據(jù)南昌市住宅建筑的現(xiàn)狀和住宅層數(shù)將南昌市住宅建筑劃分為低層(1～6層)住宅，多層(7～9層)住宅，高層(10層及以上)住宅[15]。

在住宅建筑結(jié)構(gòu)類型相同時，住宅建筑面積與住宅建筑物質(zhì)存量之間存在線性關(guān)系?；谶@一假設，通過對不同結(jié)構(gòu)類型的南昌市住宅建筑的工程造價信息價樣本數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建回歸分析方程，據(jù)此根據(jù)建筑面積估算該類型建筑內(nèi)的在用物質(zhì)存量。以低層住宅結(jié)構(gòu)參考建筑樣本數(shù)據(jù)為例，借助Excel構(gòu)建單位面積鋼筋耗量估算模型。樣本數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 低層住宅磚混結(jié)構(gòu)樣本

設單位建筑面積鋼筋耗量為因變量y，建筑面積為自變量x，建立一元線性回歸模型y=ax+b，線性回歸分析結(jié)果如表3和表4所示。

表3 回歸統(tǒng)計

表4 方差分析

根據(jù)表4可知，回歸系數(shù)a為0.003 001 232，回歸常數(shù)b為17.071 510 4，則一元線性回歸模型為：

y=17.071 510 4+0.003 001 23x

(1)

相關(guān)系數(shù)R是反映兩變量間線性關(guān)聯(lián)程度的量化指數(shù)。從表2可以得出R=0.983>0.950，所以在T=0.05的顯著性檢驗水平上，R檢驗通過，說明單位建筑面積鋼筋耗量與建筑面積之間線性關(guān)系合理。t檢驗和F檢驗中有一個共同的判斷法則P-value法，表中的置信區(qū)間為95%，那么α=1-0.95=0.05，P-value=0.016 728 147<0.05，則可以說明單位建筑面積鋼筋耗量與建筑面積之間存在一個顯著的關(guān)系。以上相關(guān)系數(shù)R檢驗及P-value檢驗都說明建立的回歸模型成立，即在住宅建筑結(jié)構(gòu)類型相同時，單位建筑面積鋼筋耗量之間線性關(guān)系合理。因此，可以分別構(gòu)建不同種類建筑類型的物質(zhì)存量估算模型?；讷@取的數(shù)據(jù)，通過回歸分析方程，南昌市各類住宅建筑在用物質(zhì)存量估算結(jié)果如表5所示。

表5 各類型水泥、鋼筋估算存量

表5(續(xù))

2 結(jié)果與分析

2.1 南昌市住宅建筑在用物質(zhì)存量總體變化分析

從圖3可以看出，1995～2019年南昌市住宅建筑在用物質(zhì)存量增長了約100倍，水泥和鋼筋在用總存量從101 780.67 t增長到9 569 598.14 t。南昌市住宅建筑在用物質(zhì)存量歷經(jīng)了從1995～2009年快速增長、2009～2016年高速增長到2016～2019穩(wěn)步增長的3個階段，具有鮮明的城市發(fā)展階段特征。

圖3 南昌市住宅建筑各年份水泥、鋼筋在用存量及比值

2.2 南昌市住宅建筑在用物質(zhì)存量時空演變分析

南昌市當前住宅建筑水泥和鋼筋在用存量分布總體呈環(huán)形放射加方格網(wǎng)的軸網(wǎng)布局，主要聚集在贛江兩側(cè)，分布極其不均(圖4)。大量集中分布在青山湖區(qū)的京東鎮(zhèn)、蛟橋鎮(zhèn)、塘山街道，東湖區(qū)的董家窯街、滕王閣街，紅谷灘區(qū)的沙井街道、生米鎮(zhèn)，南昌縣的小藍鄉(xiāng)，新建區(qū)的望城鎮(zhèn)、西湖區(qū)的桃花鎮(zhèn)。灣里區(qū)的幸福街道和站前街道，南昌縣的麻丘鎮(zhèn)也有部分分布。龍津鎮(zhèn)、松湖鎮(zhèn)和塔湖鄉(xiāng)的住宅建筑物質(zhì)存量則很少(圖5)。

圖4 南昌市住宅建筑鋼筋、水泥在用存量統(tǒng)計柱狀圖

圖5 1990～2000年南昌市轄區(qū)水泥、鋼筋存量統(tǒng)計

從20世紀70年代開始，南昌市住宅建筑在用物質(zhì)存量為點陣分布，主要集中在南昌市南部和西部。之后，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市規(guī)劃的不斷深化，南昌市住宅建筑在用物質(zhì)存量分布演變?yōu)槌拭黠@的環(huán)狀輻射和方形網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。南昌市中軸線網(wǎng)絡的發(fā)展歷程反映出該地區(qū)由封閉向多樣化開放、由零散到有序完備的轉(zhuǎn)變，為未來的大發(fā)展打下了堅實的基石。

3 結(jié) 語

研究以南昌市為研究區(qū)域，利用網(wǎng)絡爬蟲技術(shù)快速獲取住宅建筑結(jié)構(gòu)信息，同時選取了建筑面積和層高等主要影響因素建立回歸模型，以估算住房建筑在用物質(zhì)存量，重點探討了南昌市住宅建筑在用鋼筋和水泥存量的時空分布特征及其演變規(guī)律。從研究結(jié)果來看：近幾十年來，南昌市住宅建筑物質(zhì)存量激增，紅谷灘區(qū)、青山湖區(qū)、南昌縣三個市區(qū)住宅建筑物質(zhì)存量最大；當前南昌市住宅建筑在用物質(zhì)存量總體呈環(huán)形放射加方格網(wǎng)的軸網(wǎng)布局，聚集在贛江兩側(cè)的中心城區(qū)。

另一方面，本文對南昌市住宅建筑在用物質(zhì)存量演變分析仍存在不足：研究只采用了自下而上的分析方法，沒有對比研究其他方法進行對比論證。本文主要是分析鋼筋、水泥物質(zhì)存量，其他要素暫未討論。估算模型方面，主要考慮了相關(guān)較強的建筑面積和層高等結(jié)構(gòu)因素，綜合戶型等更多影響因子可以進一步改善估算精度。另外，本研究基于眾源數(shù)據(jù)獲得的住宅建筑信息，并不能全周期全地域覆蓋整個南昌市。