樊文平謝君王鴻康劉曉慧劉紅平
(1.山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院,山東濟(jì)南250101;2.山東建筑大學(xué)理學(xué)院,山東濟(jì)南250101)
城市功能分區(qū)是指聚集相同或相關(guān)的經(jīng)濟(jì)資源、人力資源及其他社會(huì)資源,并在一定空間內(nèi)發(fā)揮特定作用的空間載體,其充分體現(xiàn)了城市用地的職能特性。城市功能分區(qū)結(jié)構(gòu)研究可以檢驗(yàn)城市用地功能是否合理并輔助優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu),因此一直以來是城市規(guī)劃領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。王玉波等[1]以黑龍江省為研究對象,根據(jù)相應(yīng)的國家政策和發(fā)展規(guī)劃,將其劃分為7大分區(qū);趙亞博[2]根據(jù)城市發(fā)展的內(nèi)力和外力因素對其進(jìn)行闡述,為城市空間結(jié)構(gòu)的合理發(fā)展提出有效建議;王開泳等[3]從促進(jìn)城市發(fā)展的動(dòng)力系統(tǒng)出發(fā),探討了城市空間結(jié)構(gòu)演變的內(nèi)在和外在力量。然而,傳統(tǒng)的城市功能區(qū)結(jié)構(gòu)研究多通過人工走訪和問卷調(diào)查的方式進(jìn)行,需要大量的人力物力,且耗費(fèi)時(shí)間長,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也無法得到保證[4]。
大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了這一系列問題,其實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、高效性將成為研究城市空間發(fā)展的重要優(yōu)勢[5]。當(dāng)前,大數(shù)據(jù)技術(shù)也已在城市空間規(guī)劃領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用:余穎等[6]根據(jù)大數(shù)據(jù)的研究方法對重慶主城區(qū)的規(guī)劃發(fā)展提出了合理化建議;池嬌等[7]以城市電子地圖和興趣點(diǎn)POI(Point of Interest)為數(shù)據(jù)源,GIS為數(shù)據(jù)處理平臺(tái),以重分類和定量識(shí)別等研究方法,對城市功能分區(qū)進(jìn)行了相應(yīng)的研究,其結(jié)果比城市規(guī)劃圖更加細(xì)致準(zhǔn)確;韓朗逸[8]利用高德地圖的POI對天津市主中心城區(qū)和濱海副中心的城市功能分區(qū)進(jìn)行了識(shí)別與對比分析;李婭等[9]基于遙感圖像數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)及路網(wǎng)數(shù)據(jù),使用遙感信息提取技術(shù)和語義信息挖掘方法城市功能區(qū)進(jìn)行了語義分類;王奇等[10]基于POI數(shù)據(jù)和主成分分析法對寧波市主城區(qū)功能區(qū)分布格局進(jìn)行了研究。可見大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為準(zhǔn)確整合城市空間結(jié)構(gòu)的重要工具,并為處理地理空間問題和進(jìn)行城市空間研究提供了新的方向和研究方法??偨Y(jié)起來,目前研究主要包括:城市功能區(qū)識(shí)別與劃分[11-13]、城市結(jié)構(gòu)探索[4,10]、商業(yè)規(guī)劃與決策[14]、城市居民行為空間研究[15-16]以及城市社會(huì)空間與社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析[17]等?;谝陨媳尘埃詽?jì)南市城區(qū)功能用地為例,結(jié)合POI和熱力圖2項(xiàng)大數(shù)據(jù),利用GIS核密度分析等方法研究城市功能分區(qū)的空間結(jié)構(gòu)及其與人流集聚的適應(yīng)性問題。
濟(jì)南市是山東省的省會(huì),位于山東省中西部。截止到2016年末,濟(jì)南市總面積為7 998 km2,全市常住人口723.3萬人、戶籍總?cè)丝?32.8萬人。2019年3月發(fā)布的《濟(jì)南城市發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃(2018~2050年)》表示,到2025年,濟(jì)南市將成為新興的國家中心城市;到2035年,基本建成現(xiàn)代化的國際大都市,城鎮(zhèn)人口達(dá)到1 200萬。研究區(qū)域?yàn)闈?jì)南市繞城高速以內(nèi)的城區(qū)范圍。
1.2.1 數(shù)據(jù)來源
POI數(shù)據(jù)是以濟(jì)南繞城高速圈為主要范圍,通過高德地圖的開放平臺(tái)獲取代碼進(jìn)行提取的。時(shí)間截止到2019年4月份,獲取數(shù)據(jù)共11 186條、19個(gè)類別,包括生活服務(wù)、體育休閑服務(wù)、醫(yī)療保健服務(wù)、休閑體育服務(wù)等。其中,每一大類下又包含多種小類別。每條數(shù)據(jù)包含編碼、地物名稱、地址、經(jīng)緯度等屬性。
百度地圖熱力圖是百度公司的一款大數(shù)據(jù)可視化產(chǎn)品,其基于移動(dòng)位置服務(wù)LBS(Location Based Services)平臺(tái)手機(jī)用戶的地理位置數(shù)據(jù),通過地理信息空間處理動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)不同程度的人群集聚,實(shí)時(shí)地描述城市中人群的分布情況,其直觀的人口密度空間表達(dá)處理功能可以彌補(bǔ)POI的不足。熱力圖數(shù)據(jù)主要利用移動(dòng)端對百度地圖熱力圖層進(jìn)行整點(diǎn)、實(shí)時(shí)、分區(qū)截取,截取范圍為濟(jì)南繞城高速圈以內(nèi)的城區(qū)部分。考慮到節(jié)假日期間人流在地理空間上的分布與平時(shí)相比會(huì)有所差異,為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,以正常工作日和周末數(shù)據(jù)為樣本(2019年5月6日、2019年5月12日),分別截取當(dāng)天8∶00~23∶00的整點(diǎn)百度熱力圖數(shù)據(jù)。
1.2.2 數(shù)據(jù)處理
(1)POI數(shù)據(jù)處理
將獲得的POI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Excel格式,刪除重復(fù)字段和屬性缺失的部分?jǐn)?shù)據(jù),并對19類數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)歸納,最終合并為8大類,結(jié)果見表1。
表1 功能用地分類表
因?yàn)镻OI數(shù)據(jù)僅具有空間坐標(biāo)和相關(guān)的屬性信息,所以需借助ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行可視化表達(dá)。將整理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成矢量文件導(dǎo)入ArcGIS10.3中,修改空間投影坐標(biāo)系,并按照已規(guī)劃好的范圍,對數(shù)據(jù)進(jìn)行再編輯,刪除無效點(diǎn),結(jié)果如圖1所示。
圖1 POI數(shù)據(jù)分布圖
(2)百度熱力圖數(shù)據(jù)處理
共截取了2019年5月6日和5月12日的70張百度地圖熱力圖作為分析數(shù)據(jù)。根據(jù)研究內(nèi)容,篩選具有代表性的樣本數(shù)據(jù)。利用繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接,文中所涉及的百度地圖審圖號(hào)為GS(2017)2638。
核密度估計(jì)方法的好壞依賴于帶寬h的選擇。運(yùn)用ArcGIS計(jì)算濟(jì)南市POI核密度分布時(shí)的默認(rèn)帶寬為1 000 m,將其與帶寬為500和1 500 m的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果如圖2所示。
圖2 帶寬對比圖/m
通過對比圖2可知,h2=1 000 m時(shí),僅周邊地區(qū)有離散數(shù)據(jù)點(diǎn),中心地區(qū)平滑且含有較多細(xì)節(jié)信息,核密度分析結(jié)果能夠重點(diǎn)突出各城市功能區(qū)空間特點(diǎn),能較好地反映出空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)律。因此,文中研究以ArcGIS軟件默認(rèn)帶寬1 000 m為最佳寬帶,重點(diǎn)突出各城市功能區(qū)的空間特點(diǎn)。
基于ArcGIS中的Jenks自然斷裂法分別將各類POI核密度分析結(jié)果按9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)顯示,從而挖掘濟(jì)南市城市功能分區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。結(jié)果如圖3~10所示。
(1)居住用地核密度分析
由圖3可以看出,居住用地在整個(gè)范圍內(nèi)分布均勻。呈現(xiàn)中心地區(qū)集中連綿,周邊地區(qū)均勻分散并逐步向東部地區(qū)遷移的發(fā)展趨勢。其中,主要的最高密度中心位于由泉城廣場—趵突泉—大明湖組成的三角輻射范圍內(nèi)。在離中心區(qū)域距離較近的經(jīng)十路以北、山師東路附近也有小片的密集區(qū)域。除此之外,其余高等密度區(qū)域主要位于由二環(huán)西高架道路—黃河—二環(huán)東路—二環(huán)南高架道路組成的多邊形區(qū)域內(nèi)。
圖3 居住用地分布圖
(2)公共管理與服務(wù)設(shè)施用地核密度分析
由圖4可以看出,公共管理與服務(wù)設(shè)施用地各聚集區(qū)距離較近,多位于市中區(qū)和歷城區(qū)交界處。中等密度中心沿經(jīng)十路或其他城市道路分布,與高等密度中心的輻射范圍相交,可覆蓋大部分黃河以南、二環(huán)南高架橋以北區(qū)域??傮w來看,其分布呈現(xiàn)多中心的發(fā)展趨勢。但由圖4也可看出,周邊密度中心距主中心距離較近,且離散點(diǎn)較少,大小密度中心都沿主要城市道路分布。因此,該用地類型趨向性明顯,聚集度高。在整體分布上,呈現(xiàn)出順應(yīng)經(jīng)十路的東西走向并橫向貫穿研究區(qū)域的趨勢,同時(shí)在南北方向以玉函路為軸心,與橫向組成了“T”形分布的城市空間結(jié)構(gòu)。
(3)商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地核密度分析
由圖5可知,商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地中各聚集區(qū)面積中等、分布均勻。極高的密度中心都位于濟(jì)廣高速—二環(huán)西高架路—經(jīng)十路—二環(huán)東路構(gòu)成的四邊形范圍內(nèi),并以此為邊界向四周擴(kuò)散。其區(qū)域內(nèi)各核心都偏向于西部地區(qū),僅在東部地區(qū)形成了一個(gè)范圍小,等級(jí)低的較高的密度中心。因此,其整體分布相對集中,空間結(jié)構(gòu)差異性較大。但是,在分布區(qū)域內(nèi)沒有絕對的聚集中心,各高等聚集區(qū)均以不同的輻射形式分布于槐蔭區(qū)—市中區(qū)—?dú)v下區(qū)—?dú)v城區(qū)—天橋區(qū)范圍內(nèi),呈現(xiàn)整個(gè)中心地區(qū)共同發(fā)展的趨勢。
圖4 公管用地分布圖
圖5 商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地分布圖
(4)工業(yè)用地核密度分析
由圖6可以看出,工業(yè)用地聚集區(qū)兩兩相鄰,形成局部聯(lián)結(jié)趨勢。主要位于金龍大廈—山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)和山東省文化廳—大明湖站2大區(qū)域內(nèi),且多沿鐵路、經(jīng)十路或其他主干道路分布。除此之外,和其他用地類型相比,周邊區(qū)域的中等聚集區(qū)面積更大、等級(jí)更高、分布更密,并逐漸向西南地區(qū)、黃河以北和東部地區(qū)延伸。研究區(qū)域中工業(yè)用地主要分布于北園高架橋以南,二環(huán)東路以西,經(jīng)十路以北和二環(huán)西路以東范圍內(nèi)。整體來看,工業(yè)用地的發(fā)展呈現(xiàn)均勻的多核心發(fā)展規(guī)律,并逐漸脫離主城區(qū)向東部地區(qū)和西南地區(qū)發(fā)展。
圖6 工業(yè)用地分布圖
(5)物流倉儲(chǔ)用地核密度分析
由圖7可知,物流倉儲(chǔ)用地占總用地面積的比例較小,密度中心分布不集中,僅包含3個(gè)小面積的高密度點(diǎn),其中最明顯的密度點(diǎn)位于濟(jì)南北立交橋。橫向上,可明顯看出沿經(jīng)十路和小清河分布。縱向上,將密度中心的分布以經(jīng)十路為中線,劃分為南北2部分。經(jīng)十路以南區(qū)域多靠近京福線和英雄山路;經(jīng)十路以北地區(qū)多分布在二環(huán)西高架路、順河高架路的東西2側(cè),形成2條縱向分布的寬帶。因此,其在空間分布上形成了“兩橫兩縱”、沿河流和城市主干道路分布的趨勢。
圖7 物流倉儲(chǔ)用地分布圖
(6)交通附屬設(shè)施用地核密度分析
因在數(shù)據(jù)處理中,刪掉了對城市功能辨識(shí)度小的公交站等交通用地,僅留下了重要的交通樞紐、場站。因此,在核密度分析時(shí),數(shù)據(jù)量相對較少,但針對性強(qiáng),由圖8可以看出,僅高密度區(qū)就占總數(shù)的50%。針對這些密度點(diǎn)可從內(nèi)、外兩層進(jìn)行研究。外層,呈半圓狀,沿濟(jì)南繞城高速道路分布;內(nèi)層,多位于濟(jì)南內(nèi)部高速道路或者其他城市道路的交叉點(diǎn)及立交橋處,以中心區(qū)域的濟(jì)南立交橋—濟(jì)南北立交橋最為突出。整體來看,其在區(qū)域內(nèi)分布均勻,重點(diǎn)突出。以濟(jì)廣高速、經(jīng)十路為軸心,形成了雙軸、橫向發(fā)展的多核心城市空間結(jié)構(gòu)。
圖8 交通附屬設(shè)施用地分布圖
(7)公共設(shè)施用地核密度分析
由圖9可以看出,公共設(shè)施用地在區(qū)域內(nèi)分布廣泛,以同心多邊形方式向四周擴(kuò)散。其離散區(qū)較少,多為中等及偏上等級(jí),主要位于黃河以北的交通樞紐處。黃河以南地區(qū),有密度極高的單核中心,空間顯示突出,周邊中等密度區(qū)可通過輻射形成集中連片的覆蓋網(wǎng)。整體來看,公用設(shè)施用地主要分布在由濟(jì)廣高速—二環(huán)西高架路—二環(huán)南高架路—二環(huán)東路組成的區(qū)域內(nèi)。在東部地區(qū)的工業(yè)南路、奧體中心體育場附近也有小片的密集區(qū)。從空間格局的規(guī)劃來看,公共設(shè)施用地呈現(xiàn)高聚集、廣輻射,并逐步向四周發(fā)散的趨勢,也就是“大集聚、小分散”的格局。
(8)綠地與廣場用地核密度分析
圖10中,綠地與廣場用地的中心區(qū)域聚集度最高、面積最大,主要位于趵突泉附近。其周邊地區(qū)密度中心的聚集度都較小,大多位于風(fēng)景名勝景點(diǎn)或者公園附近,且都以同心圓方式分布。在中心地區(qū),各同心圓輻射范圍相交,可集中連片顯示,空間顯示度較高;但周邊地區(qū),各密度中心距離較遠(yuǎn),難以形成空間全覆蓋。因此,根據(jù)綠地與廣場核密度分析圖可以初步判定,綠地與廣場用地的分布呈現(xiàn)中心聚集,周邊離散的空間格局。
圖9 公共設(shè)施用地分布圖
圖10 綠地與廣場用地分布圖
在熱力圖分析中將城市用地分為2種情況,一種有具體的時(shí)間要求,比如居住用地、公管、商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地等。該用地類型僅在部分時(shí)間段會(huì)有人流量的高峰期,因此對數(shù)據(jù)時(shí)段性要求嚴(yán)格;還有一種無明確時(shí)間要求、需要綜合分析,如工業(yè)用地、公共設(shè)施用地等,該用地類型無法根據(jù)單一時(shí)間段進(jìn)行判斷,需進(jìn)行綜合分析。
(1)單一熱力圖分析
針對居住用地,其活動(dòng)范圍內(nèi)人流具有早出晚歸的特點(diǎn)。但早晨軟件的用戶訪問量少,熱力圖顯示不明確。 因此,文章考察了晚上 22∶00、23∶00的數(shù)據(jù)(如圖11所示)。該時(shí)段內(nèi)人流密度主要位于萬達(dá)廣場、趵突泉—泉城廣場附近,在山東大學(xué)(洪家樓校區(qū))和工業(yè)南路也有中等面積的人流聚集區(qū)。整體來看,人流活動(dòng)區(qū)域位于由小清河和濟(jì)南市二環(huán)道路組成的多邊形和工業(yè)南路附近,與核密度分析中得到的結(jié)果相呼應(yīng)。
商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地在中午 11∶00~13∶00、下午18∶00~19∶00 具有較強(qiáng)的活力,因此以 12∶00 和18∶00的數(shù)據(jù)作為考察對象(如圖11所示),可以發(fā)現(xiàn)該段時(shí)間內(nèi)主要的人流聚集區(qū)與商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地核密度分析結(jié)果基本吻合,主要位于和諧廣場、嘉華購物廣場、萬達(dá)廣場、山東師范大學(xué)(千佛山校區(qū))、趵突泉—泉城廣場、解放橋、高新區(qū)工業(yè)南路及奧體附近,另外其他的較大型的商業(yè)和商務(wù)用地附近也有較高人流聚集,商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地對人流的聚集作用顯著。
綠地與廣場用地的人流高峰期多出現(xiàn)在周末和節(jié)假日期間,因此,選取5月12日(周天)上午10∶00和下午16∶00的數(shù)據(jù)作為考察對象(如圖12所示)。研究時(shí)段內(nèi)人流量主要集中于趵突泉—泉城廣場區(qū)域,同時(shí)在山東大學(xué)(千佛山校區(qū))、南部山區(qū)、泉城公園、英雄山風(fēng)景區(qū)也有中高等的密度覆蓋區(qū),這與功能用地的分布大體一致。
(2)綜合熱力圖分析
核密度分析中得到的公共管理與服務(wù)設(shè)施用地主要位于小清河和濟(jì)南市二環(huán)道路組成的區(qū)域中,并且呈“T”形分布,由圖11、12可以看出其在經(jīng)十路以南的英雄山路附近有中等偏高等級(jí)分布范圍并呈現(xiàn)向南延伸的趨勢,而此區(qū)域卻無明顯的人流活動(dòng)的高峰期,因此該區(qū)域的人口發(fā)展還有較大潛力。
對于工業(yè)用地,在研究區(qū)域的西部、東部都有工業(yè)區(qū)聚集但無對應(yīng)的人流變化,與兩翼地區(qū)初步發(fā)展密不可分。近年來,為帶動(dòng)周邊地區(qū)發(fā)展,部分工業(yè)外遷,但兩翼地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平有限,人口流動(dòng)還無法達(dá)到聚集程度。
物流倉儲(chǔ)用地,多分布在人口流動(dòng)的高頻地區(qū)—經(jīng)十路附近,周邊多是物流中轉(zhuǎn)中心或中高等快遞派送點(diǎn)。交通附屬設(shè)施用地分為內(nèi)外2層,外層靠近濟(jì)南繞城高速,人流量少,人口密度??;內(nèi)層靠近濟(jì)廣高速和經(jīng)十路,人流量多,人口密度大。整體來看,這2種用地類型都符合城市用地規(guī)范。
公用設(shè)施用地人流主要分布于濟(jì)廣高速和二環(huán)路組成的區(qū)域內(nèi),東部工業(yè)南路、奧體中心體育場附近也有小片的密集區(qū)。核密度分析中得到的公用設(shè)施用地覆蓋面更廣,幾乎涵蓋了全部黃河以南的城區(qū)范圍。與公管用地范圍類似,其在經(jīng)十路以南的英雄山路附近也有中等偏高等級(jí)的分布范圍并呈現(xiàn)向南延伸趨勢,而此處人流活動(dòng)并無明顯高峰,同樣印證了該區(qū)域的人口發(fā)展?jié)摿τ写M(jìn)一步挖掘。
圖11 2019年5月6日 8∶00~23∶00熱力圖
圖 12 2019年 5 月 12日 10∶00、16∶00熱力圖
根據(jù)上述分析,綜合現(xiàn)有城市規(guī)劃內(nèi)容可見,居住用地布局恰當(dāng)、面積最大、分布最廣,在今后可逐漸脫離主城區(qū),朝向兩側(cè)、多核心發(fā)展,減輕中心城區(qū)的壓力。物流倉儲(chǔ)用地分布合理,多位于城市外圈或邊緣地帶。今后可加快主城區(qū)物流中心的發(fā)展,同時(shí)將各級(jí)倉庫用地向城市邊緣及郊區(qū)地帶轉(zhuǎn)移。濟(jì)南市東部及西部地區(qū)的工業(yè)用地、南部地區(qū)的公共管理與服務(wù)設(shè)施用地和公共設(shè)施用地人流聚集作用有待增強(qiáng),三者分布區(qū)域相似,在發(fā)展上可形成優(yōu)勢互補(bǔ)挖掘更多人口潛力。商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地聚集人流作用明顯,今后的城市規(guī)劃中,商業(yè)用地的范圍可進(jìn)一步擴(kuò)展,以充分發(fā)揮人口快速流動(dòng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。交通附屬設(shè)施用地分布合理,按道路分布分為了內(nèi)外兩層,在城區(qū)建設(shè)中可適量增加繞城高速圈的附屬交通設(shè)施,增加用地范圍。綠地與廣場用地在中心城區(qū)的分布符合人口流動(dòng)規(guī)律,但在經(jīng)十路以南的山區(qū)人流量較少,可適量增加景區(qū)的基礎(chǔ)配套服務(wù)設(shè)施,吸引更多旅客,使功能用地得到充分應(yīng)用。
基于濟(jì)南市中心城區(qū)的POI數(shù)據(jù)和百度熱力圖數(shù)據(jù),利用GIS核密度分析方法對城市空間功能分區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,結(jié)果表明:
(1)濟(jì)南市居住用地、物流倉儲(chǔ)用地、交通附屬設(shè)施用地、綠地與廣場用地分布合理;工業(yè)用地在西部和東部地區(qū)人流集聚程度較低;公管用地和公共設(shè)施用地在南部地區(qū)的人口發(fā)展?jié)摿^大;商業(yè)用地聚集人流作用明顯。
(2)總體上看,多數(shù)功能用地的分布仍處于發(fā)展階段,在中心城區(qū)呈現(xiàn)高聚集、分布廣的形式,在兩翼地區(qū)呈現(xiàn)多離散、少覆蓋的形式。整體來講,各城市功能用地都開始朝向多核心、少聚集、覆蓋廣的方向發(fā)展,這有助于減輕中心城區(qū)的壓力。
基于POI和地圖熱力圖等大數(shù)據(jù)的城市功能分區(qū)研究為城市空間研究提供了新的視角,有助于對城市空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新梳理,并針對城市用地的現(xiàn)有情況提出導(dǎo)向性建議。后續(xù)可以繼續(xù)補(bǔ)充其他大數(shù)據(jù)形式(如手機(jī)信令等)進(jìn)行綜合定量比較研究,詳細(xì)挖掘城市空間功能布局信息。