劉迅， 廖珊慧， 黎焯軒， 朱敏珍， 李汶軒， 林錦耀

（廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院）

1 引言

城市活力是城市的生命力，在城市的可持續(xù)發(fā)展中扮演著重要的角色[1]。簡(jiǎn)·雅各布斯最早提出城市活力的概念，她認(rèn)為城市活力體現(xiàn)在人與人的活動(dòng)及生活場(chǎng)所相互交織的過(guò)程[2]。如何建設(shè)充滿活力的城市受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。近年來(lái)，受城市發(fā)展粗放式增長(zhǎng)的影響，許多城市中心城區(qū)出現(xiàn)活力衰退的現(xiàn)象。在此背景下，從精細(xì)尺度探索城市活力的影響因素，對(duì)于城市活力的再激發(fā)具有重要意義。現(xiàn)有的城市活力研究試圖將城市活力轉(zhuǎn)化為可衡量客觀指標(biāo)，通過(guò)人群的聚集與活動(dòng)進(jìn)行反映[3-4]。然而，依靠實(shí)地調(diào)查的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且數(shù)據(jù)的代表性問(wèn)題導(dǎo)致很難得出可靠的結(jié)論[5-7]。隨著信息和通信技術(shù)的發(fā)展，地理大數(shù)據(jù)為城市活力測(cè)度提供新的視角，如手機(jī)信令數(shù)據(jù)[8]、百度熱力圖數(shù)據(jù)[9]、社交媒體簽到數(shù)據(jù)[10]、POI數(shù)據(jù)[3]以及多源大數(shù)據(jù)[11]。

以往相關(guān)研究多對(duì)綜合城市活力進(jìn)行研究[12-14]，缺乏對(duì)城市活力的多種表征形式進(jìn)行深入探討。盡管蔣滌非從社會(huì)學(xué)的視角出發(fā)，將城市活力劃分為城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化活力[15]，并有學(xué)者從該視角進(jìn)行相關(guān)的實(shí)證研究[16-17]。但是該方法并不是基于地域空間對(duì)城市活力進(jìn)行劃分，難以做到精細(xì)化。而城市功能區(qū)是具有多種城市功能但以某一種城市功能作為主導(dǎo)功能的城市用地，它是社會(huì)組織在空間上的表現(xiàn)形式[18]。不同城市功能決定了不同的城市活力，但目前從城市功能區(qū)劃分城市活力的研究相對(duì)較少。考慮活力的不同功能類型有助于精細(xì)化分析不同活力的影響因素，從而針對(duì)性地提升城市活力。

城市活力的重構(gòu)容易受到建成環(huán)境的影響。從建成環(huán)境視角研究如何激發(fā)城市活力，相關(guān)研究從多種建成環(huán)境指標(biāo)入手，如建筑密度[19]、公共交通站點(diǎn)密度[20]、道路密度[21]、土地利用混合度[22]、綠地面積占比[23]。綜上，本文以廣州市中心城區(qū)為例，基于城市功能區(qū)將城市活力分成工作活力、娛樂(lè)活力以及居住活力三大維度，綜合建筑環(huán)境、交通環(huán)境、土地功能環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等建成環(huán)境數(shù)據(jù)，分析建成環(huán)境對(duì)城市活力的激發(fā)能力。本研究所得結(jié)果有助于更好理清建成環(huán)境與各類城市活力的關(guān)系，以期在國(guó)土空間規(guī)劃中通過(guò)優(yōu)化城市建成環(huán)境為提升城市活力提供參考意見(jiàn)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)域

廣州市地處中國(guó)大陸南方，是廣東省的省會(huì)城市，是該省的政治、文化、科技、教育中心，是嶺南文化的發(fā)源地和興盛地，為中國(guó)首批歷史文化名城之一，擁有2200年以上的歷史。2018年10月，習(xí)近平總書記視察廣州期間突出強(qiáng)調(diào)廣州要實(shí)現(xiàn)“老城市新活力”。因此本文選取廣州市中心城區(qū)作為研究區(qū)域，其面積為1559.59km2，包括荔灣、越秀、海珠、天河、黃埔、白云共6個(gè)區(qū)（見(jiàn)圖1）。

圖1 廣州市中心城區(qū)

2.2 研究數(shù)據(jù)

2.2.1 城市活力測(cè)度

本研究通過(guò)騰訊位置大數(shù)據(jù)反映城市活力，在騰訊位置大數(shù)據(jù)平臺(tái)利用爬蟲(chóng)技術(shù)采集了廣州市中心城區(qū)2019年5月4日～10日的數(shù)據(jù)，共有時(shí)間、緯度、經(jīng)度及定位次數(shù)4個(gè)字段，空間分辨率約為500m。根據(jù)2019年5月4日～10日的實(shí)際情況，將2019年5月4日劃分為非工作日，2019年5月5日～10日劃分為工作日，分別對(duì)數(shù)據(jù)求平均后，通過(guò)插值分析和分區(qū)統(tǒng)計(jì)獲得對(duì)應(yīng)的平均每小時(shí)人口數(shù)。本研究以數(shù)據(jù)格網(wǎng)為研究單元，將研究單元的平均每小時(shí)人口數(shù)作為城市活力強(qiáng)度值。將工作日工作區(qū)內(nèi)白天（7：00-19：00）的平均每小時(shí)人口數(shù)定義為城市工作活力；將非工作日娛樂(lè)區(qū)內(nèi)的全天平均每小時(shí)人口數(shù)定義為城市娛樂(lè)活力；將非白天居住區(qū)內(nèi)的平均每小時(shí)人口數(shù)定義為城市居住活力。

2.2.2 建成環(huán)境測(cè)度

綜合前人的研究成果[19-23]，根據(jù)變量數(shù)據(jù)的可獲取性和質(zhì)量水平，從建筑環(huán)境、交通環(huán)境、土地功能環(huán)境和生態(tài)環(huán)境4個(gè)方面選取7個(gè)自變量（見(jiàn)表1），探究廣州市中心城區(qū)建成環(huán)境與城市活力的關(guān)系。各建成環(huán)境變量中，POI數(shù)據(jù)、公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)、地鐵站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及建筑輪廓數(shù)據(jù)來(lái)源于高德地圖網(wǎng)站；道路數(shù)據(jù)來(lái)源于Open Street Map網(wǎng)站；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于清華大學(xué)FROM-GLC10產(chǎn)品的10m分辨率土地覆蓋圖[24]；城市功能區(qū)參考EULUC-China產(chǎn)品進(jìn)行劃分，劃分為工作區(qū)、娛樂(lè)區(qū)、居住區(qū)及其他[25]。

表1 建成環(huán)境的變量體系

2.3 研究方法

2.3.1 熵指數(shù)

熵指數(shù)用于測(cè)度空間信息的不確定性，熵值越大，混亂程度越大[26]。在本研究中，熵指數(shù)利用POI數(shù)據(jù)計(jì)算，用于反映土地功能混合度。熵指數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：

式（1）中：EI為POI的熵指數(shù)；i為POI的種類，Si為研究單元格內(nèi)第i類POI占總POI數(shù)量的比例。EI越大，表示研究區(qū)域土地功能混合度越大；EI越小，表示研究區(qū)域土地功能混合度越小。

2.3.2 相關(guān)分析

相關(guān)分析主要用于判斷兩個(gè)變量之間是否存在某種依存關(guān)系，主要通過(guò)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行判斷[27]。相關(guān)系數(shù)的取值在[-1,1]區(qū)間內(nèi)。當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于0，表示兩個(gè)變量存在正相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)小于0，表示兩個(gè)變量存在負(fù)相關(guān)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)等于0，表示兩個(gè)變量不存在相關(guān)關(guān)系。

2.3.3 隨機(jī)森林模型

隨機(jī)森林模型是由Leo Breiman和Cutlery Adele在2001年提出的一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法[28]。隨機(jī)森林模型是通過(guò)集成學(xué)習(xí)的思想將多棵決策樹(shù)集成的算法，不同決策樹(shù)的組合可以生成比任何單個(gè)決策樹(shù)更準(zhǔn)確的結(jié)果[29]。

隨機(jī)森林模型中的袋外數(shù)據(jù)（Out-Of-Bag，OOB）為每次抽樣未被抽到的樣本，可以度量變量因子的重要性，變量重要性的值越大說(shuō)明該變量因子的重要性越高，越能解釋因變量[27]。

3 廣州市中心城區(qū)城市活力空間特征

廣州市中心城區(qū)工作活力呈現(xiàn)出西南高、東北低，集中分布于珠江兩岸的空間分布特征。城市工作活力值與其距城市中心區(qū)域的遠(yuǎn)近呈負(fù)相關(guān)，即距離城市中心區(qū)域越遠(yuǎn)，活力值越低。中心城區(qū)西南部呈現(xiàn)出較高的工作活力，而珠江沿岸地區(qū)同樣是工作活力的高值區(qū)域，分布有以北京街道和天河南街道為代表的商業(yè)商務(wù)中心，這一區(qū)域內(nèi)諸多的企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)、總部機(jī)構(gòu)等提供了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)和工作崗位，使得該區(qū)域的工作活力值呈現(xiàn)出高值集中連續(xù)分布的特征。東北部工作活力值較低，主要因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)分布有帽峰山森林公園等以生態(tài)旅游休閑產(chǎn)業(yè)為發(fā)展方向的生態(tài)示范區(qū)，以及位于黃埔區(qū)的中新知識(shí)城則因存在產(chǎn)業(yè)規(guī)模性集聚局面尚未完全形成等問(wèn)題，其工作活力與城市中心區(qū)域相比差距較大。

廣州市中心城區(qū)城市娛樂(lè)活力在空間上表現(xiàn)為南高北低、西高東低、高值區(qū)域塊狀分布。城市娛樂(lè)活力值的高低與區(qū)域內(nèi)娛樂(lè)活動(dòng)和休閑場(chǎng)所數(shù)量的多少呈正相關(guān)。南部區(qū)域呈現(xiàn)出活力值集中塊狀分布的特點(diǎn)，且?jiàn)蕵?lè)活力較高，原因在于該區(qū)域內(nèi)部有豐富的娛樂(lè)休閑資源，涵蓋了大型購(gòu)物中心、公益性文化設(shè)施等等。例如天河南街道中有由天河城、天環(huán)廣場(chǎng)等大型購(gòu)物中心組成的商圈，獵德街道中分布有廣州圖書館、廣東省博物館等文化設(shè)施；北京街道有著名的商業(yè)步行街北京路等，豐富的商業(yè)資源和多樣的娛樂(lè)設(shè)施吸引了大量的人流，因此該區(qū)域的娛樂(lè)活力值顯著高于其他區(qū)域。西部區(qū)域的娛樂(lè)活力在空間上表現(xiàn)為連片集中，活力值低于南部區(qū)域，該區(qū)域在空間上緊鄰老城區(qū)，承接老城區(qū)外溢人口的同時(shí)，也承擔(dān)著外溢人口對(duì)于居住生活、休閑娛樂(lè)等方面的需求，并帶動(dòng)了本區(qū)域娛樂(lè)休閑功能的發(fā)展，但在服務(wù)等級(jí)上較低，對(duì)人流的吸引力較弱，因此表現(xiàn)出娛樂(lè)活力值連片集中、低于城市中心區(qū)域的特點(diǎn)；而東部和北部娛樂(lè)活力值遠(yuǎn)低于其他區(qū)域，主要因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)部缺乏娛樂(lè)休閑資源，原生娛樂(lè)需求不足。

廣州市中心城區(qū)城市居住活力空間分布格局為西南高、東北低、高值區(qū)域連片集中、低值區(qū)域零碎分散。城市居住活力在數(shù)值上低于工作和娛樂(lè)活力，但在空間分布上卻更為集中。居住活力高值區(qū)域分為西部高值區(qū)和南部高值區(qū)。西部高值區(qū)的街道具有鄰近老城區(qū)、生活成本低等優(yōu)勢(shì)，吸引了大量的中低收入人群聚集，使得該區(qū)域在空間上表現(xiàn)出居住活力值高、連片集中的特征；南部高值區(qū)中的街道多具有生活配套齊全、交通通達(dá)性好、居住條件優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，居住功能突出。此外，東北部低值區(qū)居住活力低于西部和南部，是因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)部相應(yīng)的生活配套服務(wù)不及老城區(qū)成熟、工作活力低于老城區(qū)，加之其與老城區(qū)距離較遠(yuǎn)、通勤成本過(guò)高，難以對(duì)人口形成有力的吸引（見(jiàn)圖2）。

圖2 廣州市中心城區(qū)城市活力空間格局

4 建成環(huán)境對(duì)城市活力的影響

通過(guò)相關(guān)分析探究廣州市中心城區(qū)建成環(huán)境與城市工作、娛樂(lè)、居住活力的關(guān)系，得到對(duì)應(yīng)的Spearman系數(shù)（見(jiàn)表2），發(fā)現(xiàn)所有系數(shù)都通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明城市活力受建成環(huán)境的影響。總體而言，建筑環(huán)境和交通環(huán)境對(duì)城市各種活力的激發(fā)能力較大且為正向作用，生態(tài)環(huán)境對(duì)城市各種活力的激發(fā)能力為負(fù)向作用。

表2 建成環(huán)境對(duì)城市活力的影響

其中建筑密度、公交站密度對(duì)城市居住活力的影響最為顯著。高強(qiáng)度建筑開(kāi)發(fā)區(qū)域使居住用地利用效率大大提高，給居住空間帶來(lái)更大的容納量，促進(jìn)城市居住活力的提升。公交站密度滿足了市民出行的最后一公里，極大方便了他們的出行，利于城市居住活力的進(jìn)一步發(fā)展。地鐵站密度對(duì)城市工作、娛樂(lè)、居住活力的影響基本相等。地鐵站密度往往設(shè)置在城市工作區(qū)、娛樂(lè)區(qū)、居住區(qū)，便于市民生活上的各種需求，能夠提升城市的各種活力。道路密度、功能混合度對(duì)城市工作活力的影響最為顯著。道路密度越大，交通通達(dá)性越高，吸引企業(yè)的集聚，提升城市工作活力。功能混合度高使城市空間功能多樣化，增強(qiáng)了城市工作活力。綠地密度對(duì)城市工作、娛樂(lè)、居住活力為負(fù)向作用。綠地密度較高的區(qū)域?yàn)槌鞘袝何撮_(kāi)發(fā)的區(qū)域或開(kāi)發(fā)程度較低的區(qū)域，綠地密度較低的區(qū)域?yàn)槌鞘虚_(kāi)發(fā)程度較高的區(qū)域。而城市開(kāi)發(fā)程度影響著城市人口的多少，城市開(kāi)發(fā)程度低會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域人口較少，城市各種活力較低。另一方面，可能是因?yàn)槠渚G地景觀品質(zhì)較差，難以對(duì)居民產(chǎn)生足夠的吸引力，從而體現(xiàn)不出帶動(dòng)城市活力的作用。

雖然多元線性回歸已普遍用于分析因變量和解釋變量之間的關(guān)系，但是這種方法只能用于線性分析，不能用于非線性分析。此外，多變量可能會(huì)引起共線性的問(wèn)題。因此，本研究采用隨機(jī)森林模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究，避免多線性回歸的局限性。隨機(jī)森林模型中，R（相關(guān)系數(shù)）越接近1，模型擬合度越好；RAE（相對(duì)絕對(duì)誤差）和RRSE（相對(duì)均方根誤差）越接近0，誤差越小。三種活力的模型的R都大于0.97，RAE和RRSE都小于24%（見(jiàn)表3），說(shuō)明擬合效果較好，城市工作、娛樂(lè)、居住活力都受到建成環(huán)境的影響。

表3 隨機(jī)森林模型評(píng)價(jià)

為了確定哪些建成環(huán)境指標(biāo)對(duì)城市活力的激發(fā)能力最為重要，進(jìn)一步從隨機(jī)森林模型的袋外數(shù)據(jù)（OOB，out-of-bag）中獲得解釋變量的重要性值。重要性值越大，表明該解釋變量的作用越大[30]。地鐵站密度、公交站密度、道路密度是影響城市工作活力最大的因素（見(jiàn)圖3）；地鐵站密度、公交站密度、建筑密度是影響城市娛樂(lè)活力最大的因素（見(jiàn)圖4）；公交站密度、建筑密度、道路密度是影響城市居住活力最大的因素（見(jiàn)圖5）。綜上所述，城市工作活力主要受交通環(huán)境的正向影響，城市娛樂(lè)、居住活力主要受交通環(huán)境與建筑環(huán)境的正向影響，與相關(guān)分析的結(jié)果類似。

圖3 城市工作活力解釋變量重要性程度

圖4 城市娛樂(lè)活力解釋變量重要性程度

圖5 城市居住活力解釋變量重要性程度

5 空間規(guī)劃建議

本研究基于廣州市中心城區(qū)城市活力空間特征及建成環(huán)境對(duì)城市活力的影響結(jié)果，提出以下規(guī)劃建議：

1）在城市工作區(qū)、娛樂(lè)區(qū)、居住區(qū)加強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)

本研究發(fā)現(xiàn)，城市工作、娛樂(lè)、居住活力均顯著受到城市交通環(huán)境的影響，因此規(guī)劃部門需結(jié)合廣州市中心城區(qū)的實(shí)際情況，適度增加公交站密度、地鐵站密度以及道路密度，提升交通基礎(chǔ)設(shè)施的整體效能，實(shí)現(xiàn)交通大突破。在越秀區(qū)、荔灣區(qū)、海珠區(qū)等老城區(qū)，提質(zhì)改造重要交通干道，確保其最大暢通度，同時(shí)優(yōu)化公交站點(diǎn)、地鐵站的布局，打通居民出行的最后一公里，縮短居民出行的時(shí)空距離；在天河區(qū)、黃埔區(qū)等新城區(qū)，高起點(diǎn)高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃交通基礎(chǔ)設(shè)施，做到國(guó)際一流、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、適度超前，激發(fā)城市的各種活力，致力于打造為廣州市中心城區(qū)各種活力的引爆區(qū)。

2）在城市娛樂(lè)區(qū)、居住區(qū)合理加大空間開(kāi)發(fā)建設(shè)強(qiáng)度

本研究發(fā)現(xiàn)，提高建設(shè)密度是提升城市娛樂(lè)、居住活力的重要途徑。在城市娛樂(lè)、居住活力不足的白云區(qū)和黃埔區(qū)，充分利用土地資源，正確把握城市娛樂(lè)區(qū)、居住區(qū)的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，打造高質(zhì)量的建筑空間，積極承接老城區(qū)的人口的溢出，提升城市娛樂(lè)、居住活力的水平與質(zhì)量，同時(shí)避免無(wú)序的城市擴(kuò)張，形成與國(guó)家重要中心城市、國(guó)際大都市功能定位相適應(yīng)，與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相協(xié)調(diào)的良好的城市形象。

3）在城市工作區(qū)、娛樂(lè)區(qū)、居住區(qū)提高土地的功能混合度

本研究發(fā)現(xiàn)，土地功能混合度的大小在一定程度上影響了城市活力。在某一功能為主導(dǎo)的城市用地，需通過(guò)城市更新、改造，植入多元的城市功能，使不同城市功能在同一土地上的空間實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配置，使單一時(shí)段的城市活力變成全天候的城市活力。

6 結(jié)論與討論

本文基于城市功能區(qū)，集成多源大數(shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)分析和隨機(jī)森林模型分析了廣州市中心城區(qū)城市建成環(huán)境對(duì)城市活力的激發(fā)能力，得到以下結(jié)論：

①?gòu)V州市中心城區(qū)城市工作、娛樂(lè)、居住活力空間格局存在差異，城市工作活力空間分布呈現(xiàn)出西南高、東北低，集中分布于珠江兩岸的特征，城市娛樂(lè)活力空間分布呈現(xiàn)南高北低、西高東低、高值區(qū)域塊狀分布的特征，城市居住活力空間分布呈現(xiàn)西南高、東北低、高值區(qū)域連片集中、低值區(qū)域零碎分散的特征。

②建成環(huán)境對(duì)城市工作、娛樂(lè)、居住活力的影響存在差異，城市工作活力主要受交通環(huán)境的正向影響，城市娛樂(lè)、居住活力主要受交通環(huán)境與建筑環(huán)境的正向影響。

本文所提出的相關(guān)結(jié)論可以為城市中心城區(qū)建成環(huán)境的優(yōu)化以提升城市活力提供新思路。同時(shí)，騰訊位置大數(shù)據(jù)計(jì)算所得到的每小時(shí)平均人口數(shù)難以完全代表城市活力，后期可以采用不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步研究；本文僅參考EULUC-China 產(chǎn)品對(duì)城市功能區(qū)進(jìn)行劃分，后期可以通過(guò)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的劃分。