《Land》：TOD-Oriented Multi-Objective Optimization of Land Use Around Metro Stations in China: An Empirical Study of Xi’an Based on an Adaptively Improved NSGA-III Algorithm
Wei Li and
Hong Chen
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针对中国西部核心城市西安在高质量城镇化背景下，轨道交通网络快速扩张导致的地铁站点周边土地利用空间错配问题，制约TOD模式综合效益充分发挥的现状，本研究以西安139个运营地铁站点为研究对象，构建了以公共服务丰富度、交通可达性与人口分布均衡性为核心优化目标的多目标土地利用优化模型，并提出了一种分层自适应改进的NSGA-III算法。实验结果表明，改进算法性能显著优于传统算法，三个核心目标值较原始数据分别提升59.58%、12.94%和7.35%，且在25次迭代后实现稳定收敛，收敛效率提升30%。研究结果为西安地铁站点周边区域提出了分区、分重点、分阶段的分层土地利用优化策略，也为中国及全球其他快速城市化中心城市的TOD实践和地铁站点土地利用优化提供了可复制的研究框架与方法论参考。
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全球城市化正迈向高质量发展阶段，城市轨道交通被普遍认为是重塑城市空间格局、缓解交通拥堵、支撑城市可持续发展的关键举措。在此背景下，强调轨道交通与集约、混合土地利用一体化开发的公交导向型发展模式，已在全球多地被广泛应用。然而，在包括中国在内的快速城市化地区，尤其是西安这样的西部中心城市，地铁网络的扩展常常超前于站点影响圈内的精细化土地利用规划，导致了严重的空间不匹配，从而限制了TOD综合效益的充分发挥。西安地铁站点区普遍存在优质公共服务（如教育、医疗、生活服务）过度集中于核心城区、多模式交通融合不足、核心地铁站周边居住与就业人口过度聚集导致人口密度失衡等问题，这既降低了站点区的土地利用效率和综合服务能力，也制约了TOD模式的深入实施。为了应对这些挑战，一项聚焦于地铁站点周边土地利用优化的前沿研究应运而生。
该项研究发表在《Land》期刊上，旨在为西安乃至类似城市的精细化规划和可持续发展提供科学决策支持。为了克服这一复杂的多目标空间分配难题，研究人员开展了一项系统性实证研究。他们以西安2024年运营的139个地铁站点为研究样本，构建了一个包含交通基础设施、人口分布、公共服务、空间布局和站点基本信息5个维度的综合评估指标体系。研究的核心是建立一个以公共服务丰富度、交通可达性与人口分布均衡性为三个最大化目标的多目标土地利用优化模型。为了高效求解这个模型，研究团队没有直接使用传统的优化算法，而是创造性地提出了一种分层自适应改进的NSGA-III算法。这个算法针对西安地铁站点区的空间关联特性，实施了多维自适应参考点调整、实数-整数混合编码遗传算子设计、增强型多准则环境选择机制构建以及算法迭代动态调控四项关键技术优化。简单来说，研究者首先系统收集并处理了西安地铁站点的多源数据，构建评估体系；然后，他们建立了一个需要同时优化多个相互制约目标（公共服务、交通、人口）的数学模型；最后，他们专门设计了一种更智能、更高效的优化算法来求解这个模型，以得到一系列最优的、可实施的规划方案。
研究结果
2.2.1. 公共服务丰富度 (F1(i))
研究人员构建了精细化的公共服务丰富度目标函数，用于衡量站点区满足居民和从业者日常生活与社会服务需求的能力。该函数整合了科教文卫用地密度、餐饮密度和医疗用地密度三个核心子指标，并引入了功能区适应因子 αk(i)、空间衰减因子 β(di)、设施服务水平系数 λm和设施耦合修正项 ε(·) 等参数，以综合反映设施等级、空间异质性以及科教文卫与医疗设施的协同供给效应。这为后续优化提供了量化的、贴合西安实际的目标导向。
3. 实验结果与优化方案分析
实验数据表明，西安地铁站点区的土地利用存在显著的空间不均衡。例如，中心城区站点的科教文卫设施平均密度是外围功能区的4.3倍，中心城区站点的平均交通可达性比外围站点高29.3%，核心站点周边人口密度超过30000人/km2，而外围站点仅为6000人/km2。在TOD成熟度方面，西安地铁站点的平均混合土地利用率为0.35，公共交通接驳率为68%，远低于上海、深圳等东部城市，与成都相比也存在明显差距。
性能对比实验显示，本研究提出的自适应改进NSGA-III算法显著优于传统NSGA-III算法。改进算法驱动下，三个核心优化目标（公共服务丰富度、交通可达性、人口分布均衡性）的数值相较于原始数据分别提升了59.58%、12.94%和7.35%。算法在25次迭代后即达到稳定收敛，收敛效率提升了30%，且得到的帕累托最优解集具有良好的均匀性和覆盖性。所有80个非支配解均满足约束条件，并且解集与西安城市功能分区和空间规划高度耦合，证明了优化结果的实用性和可行性。
4. 讨论：分层优化策略与推广价值
基于优化结果，研究为西安地铁站点区提出了一个“分区、分重点、分阶段”的层级化土地利用优化策略。具体而言，针对中心城区、新兴发展区和外围功能区等不同类型的站点区域，应实施差异化的优化重点，例如中心城区侧重功能疏解与品质提升，外围区域则强调公共服务补短板和交通一体化。该策略与西安市国土空间规划、轨道交通线网规划等进行了深度耦合，增强了可操作性。本研究不仅为西安地铁站点区的精细化规划提供了直接的决策支持，其构建的“问题识别-模型构建-算法改进-策略生成”研究框架，以及针对站点区空间特征改进的NSGA-III算法，也为全球其他面临类似快速轨道交通扩张与土地利用不协调问题的城市，提供了可复制、可推广的方法论参考。
研究结论与意义
本研究成功地将多目标优化理论与TOD规划实践相结合，针对西安地铁站点区的土地利用失衡问题，构建了以公共服务丰富度、交通可达性和人口分布均衡性为核心目标的多目标优化模型。通过提出并应用一种分层自适应改进的NSGA-III算法，有效求解了该模型，获得了高质量、均匀分布且符合实际约束的帕累托最优解集。实证分析表明，优化方案能显著提升站点区的综合服务水平。研究最终形成了一套与城市发展规划紧密衔接的分层实施策略。这项工作的理论贡献在于推动了多目标进化算法在城市空间优化，特别是TOD背景下的应用与改进；其实践意义在于为西安及类似城市的地铁站点区土地资源高效配置、功能整合与可持续发展提供了科学的量化工具和决策依据，对促进城市轨道交通与土地资源一体化高质量发展具有重要价值。
