基于大數據的濟南城市功能分區結構研究

樊文平謝君王鴻康劉曉慧劉紅平

(1.山東建筑大學測繪地理信息學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學理學院，山東濟南250101)

0 引言

城市功能分區是指聚集相同或相關的經濟資源、人力資源及其他社會資源，并在一定空間內發揮特定作用的空間載體，其充分體現了城市用地的職能特性。城市功能分區結構研究可以檢驗城市用地功能是否合理并輔助優化城市空間結構，因此一直以來是城市規劃領域的重點研究方向。王玉波等[1]以黑龍江省為研究對象，根據相應的國家政策和發展規劃，將其劃分為7大分區；趙亞博[2]根據城市發展的內力和外力因素對其進行闡述，為城市空間結構的合理發展提出有效建議；王開泳等[3]從促進城市發展的動力系統出發，探討了城市空間結構演變的內在和外在力量。然而，傳統的城市功能區結構研究多通過人工走訪和問卷調查的方式進行，需要大量的人力物力，且耗費時間長，數據準確性也無法得到保證[4]。

大數據技術的出現有效地解決了這一系列問題，其實時性、動態性、高效性將成為研究城市空間發展的重要優勢[5]。當前，大數據技術也已在城市空間規劃領域中得到了廣泛的應用:余穎等[6]根據大數據的研究方法對重慶主城區的規劃發展提出了合理化建議；池嬌等[7]以城市電子地圖和興趣點POI(Point of Interest)為數據源，GIS為數據處理平臺，以重分類和定量識別等研究方法，對城市功能分區進行了相應的研究，其結果比城市規劃圖更加細致準確；韓朗逸[8]利用高德地圖的POI對天津市主中心城區和濱海副中心的城市功能分區進行了識別與對比分析；李婭等[9]基于遙感圖像數據、POI數據及路網數據，使用遙感信息提取技術和語義信息挖掘方法城市功能區進行了語義分類；王奇等[10]基于POI數據和主成分分析法對寧波市主城區功能區分布格局進行了研究。可見大數據已經成為準確整合城市空間結構的重要工具，并為處理地理空間問題和進行城市空間研究提供了新的方向和研究方法?？偨Y起來，目前研究主要包括:城市功能區識別與劃分[11-13]、城市結構探索[4，10]、商業規劃與決策[14]、城市居民行為空間研究[15-16]以及城市社會空間與社會網絡分析[17]等?；谝陨媳尘?，以濟南市城區功能用地為例，結合POI和熱力圖2項大數據，利用GIS核密度分析等方法研究城市功能分區的空間結構及其與人流集聚的適應性問題。

1 研究區域概況及數據預處理

1.1 研究區域概況

濟南市是山東省的省會，位于山東省中西部。截止到2016年末，濟南市總面積為7 998 km2，全市常住人口723.3萬人、戶籍總人口632.8萬人。2019年3月發布的《濟南城市發展戰略規劃(2018～2050年)》表示，到2025年，濟南市將成為新興的國家中心城市；到2035年，基本建成現代化的國際大都市，城鎮人口達到1 200萬。研究區域為濟南市繞城高速以內的城區范圍。

1.2 數據來源及預處理

1.2.1 數據來源

POI數據是以濟南繞城高速圈為主要范圍，通過高德地圖的開放平臺獲取代碼進行提取的。時間截止到2019年4月份，獲取數據共11 186條、19個類別，包括生活服務、體育休閑服務、醫療保健服務、休閑體育服務等。其中，每一大類下又包含多種小類別。每條數據包含編碼、地物名稱、地址、經緯度等屬性。

百度地圖熱力圖是百度公司的一款大數據可視化產品，其基于移動位置服務LBS(Location Based Services)平臺手機用戶的地理位置數據，通過地理信息空間處理動態地展現不同程度的人群集聚，實時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處理功能可以彌補POI的不足。熱力圖數據主要利用移動端對百度地圖熱力圖層進行整點、實時、分區截取，截取范圍為濟南繞城高速圈以內的城區部分。考慮到節假日期間人流在地理空間上的分布與平時相比會有所差異，為保證數據的準確性，以正常工作日和周末數據為樣本(2019年5月6日、2019年5月12日)，分別截取當天8∶00～23∶00的整點百度熱力圖數據。

1.2.2 數據處理

(1)POI數據處理

將獲得的POI數據轉換為Excel格式，刪除重復字段和屬性缺失的部分數據，并對19類數據進行精細歸納，最終合并為8大類，結果見表1。

表1 功能用地分類表

因為POI數據僅具有空間坐標和相關的屬性信息，所以需借助ArcGIS平臺進行可視化表達。將整理后的數據轉成矢量文件導入ArcGIS10.3中，修改空間投影坐標系，并按照已規劃好的范圍，對數據進行再編輯，刪除無效點，結果如圖1所示。

圖1 POI數據分布圖

(2)百度熱力圖數據處理

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據。根據研究內容，篩選具有代表性的樣本數據。利用繪圖軟件進行數據拼接，文中所涉及的百度地圖審圖號為GS(2017)2638。

2 結果與分析

2.1 POI數據核密度分析帶寬

核密度估計方法的好壞依賴于帶寬h的選擇。運用ArcGIS計算濟南市POI核密度分布時的默認帶寬為1 000 m，將其與帶寬為500和1 500 m的計算結果進行對比，結果如圖2所示。

圖2 帶寬對比圖/m

通過對比圖2可知，h2=1 000 m時，僅周邊地區有離散數據點，中心地區平滑且含有較多細節信息，核密度分析結果能夠重點突出各城市功能區空間特點，能較好地反映出空間結構的發展規律。因此，文中研究以ArcGIS軟件默認帶寬1 000 m為最佳寬帶，重點突出各城市功能區的空間特點。

2.2 城市功能分區結構

基于ArcGIS中的Jenks自然斷裂法分別將各類POI核密度分析結果按9級標準進行分級顯示，從而挖掘濟南市城市功能分區的結構特點。結果如圖3～10所示。

(1)居住用地核密度分析

由圖3可以看出，居住用地在整個范圍內分布均勻。呈現中心地區集中連綿，周邊地區均勻分散并逐步向東部地區遷移的發展趨勢。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。在離中心區域距離較近的經十路以北、山師東路附近也有小片的密集區域。除此之外，其余高等密度區域主要位于由二環西高架道路—黃河—二環東路—二環南高架道路組成的多邊形區域內。

圖3 居住用地分布圖

(2)公共管理與服務設施用地核密度分析

由圖4可以看出，公共管理與服務設施用地各聚集區距離較近，多位于市中區和歷城區交界處。中等密度中心沿經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、二環南高架橋以北區域?？傮w來看，其分布呈現多中心的發展趨勢。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，呈現出順應經十路的東西走向并橫向貫穿研究區域的趨勢，同時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構。

(3)商業服務設施用地核密度分析

由圖5可知，商業服務設施用地中各聚集區面積中等、分布均勻。極高的密度中心都位于濟廣高速—二環西高架路—經十路—二環東路構成的四邊形范圍內，并以此為邊界向四周擴散。其區域內各核心都偏向于西部地區，僅在東部地區形成了一個范圍小，等級低的較高的密度中心。因此，其整體分布相對集中，空間結構差異性較大。但是，在分布區域內沒有絕對的聚集中心，各高等聚集區均以不同的輻射形式分布于槐蔭區—市中區—歷下區—歷城區—天橋區范圍內，呈現整個中心地區共同發展的趨勢。

圖4 公管用地分布圖

圖5 商業服務設施用地分布圖

(4)工業用地核密度分析

由圖6可以看出，工業用地聚集區兩兩相鄰，形成局部聯結趨勢。主要位于金龍大廈—山東省實驗中學和山東省文化廳—大明湖站2大區域內，且多沿鐵路、經十路或其他主干道路分布。除此之外，和其他用地類型相比，周邊區域的中等聚集區面積更大、等級更高、分布更密，并逐漸向西南地區、黃河以北和東部地區延伸。研究區域中工業用地主要分布于北園高架橋以南，二環東路以西，經十路以北和二環西路以東范圍內。整體來看，工業用地的發展呈現均勻的多核心發展規律，并逐漸脫離主城區向東部地區和西南地區發展。

圖6 工業用地分布圖

(5)物流倉儲用地核密度分析

由圖7可知，物流倉儲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個小面積的高密度點，其中最明顯的密度點位于濟南北立交橋。橫向上，可明顯看出沿經十路和小清河分布?？v向上，將密度中心的分布以經十路為中線，劃分為南北2部分。經十路以南區域多靠近京福線和英雄山路；經十路以北地區多分布在二環西高架路、順河高架路的東西2側，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 物流倉儲用地分布圖

(6)交通附屬設施用地核密度分析

因在數據處理中，刪掉了對城市功能辨識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，數據量相對較少，但針對性強，由圖8可以看出，僅高密度區就占總數的50%。針對這些密度點可從內、外兩層進行研究。外層，呈半圓狀，沿濟南繞城高速道路分布；內層，多位于濟南內部高速道路或者其他城市道路的交叉點及立交橋處，以中心區域的濟南立交橋—濟南北立交橋最為突出。整體來看，其在區域內分布均勻，重點突出。以濟廣高速、經十路為軸心，形成了雙軸、橫向發展的多核心城市空間結構。

圖8 交通附屬設施用地分布圖

(7)公共設施用地核密度分析

由圖9可以看出，公共設施用地在區域內分布廣泛，以同心多邊形方式向四周擴散。其離散區較少，多為中等及偏上等級，主要位于黃河以北的交通樞紐處。黃河以南地區，有密度極高的單核中心，空間顯示突出，周邊中等密度區可通過輻射形成集中連片的覆蓋網。整體來看，公用設施用地主要分布在由濟廣高速—二環西高架路—二環南高架路—二環東路組成的區域內。在東部地區的工業南路、奧體中心體育場附近也有小片的密集區。從空間格局的規劃來看，公共設施用地呈現高聚集、廣輻射，并逐步向四周發散的趨勢，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域聚集度最高、面積最大，主要位于趵突泉附近。其周邊地區密度中心的聚集度都較小，大多位于風景名勝景點或者公園附近，且都以同心圓方式分布。在中心地區，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，各密度中心距離較遠，難以形成空間全覆蓋。因此，根據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中心聚集，周邊離散的空間格局。

圖9 公共設施用地分布圖

圖10 綠地與廣場用地分布圖

2.3 熱力圖驗證分析

在熱力圖分析中將城市用地分為2種情況，一種有具體的時間要求，比如居住用地、公管、商業服務設施用地等。該用地類型僅在部分時間段會有人流量的高峰期，因此對數據時段性要求嚴格；還有一種無明確時間要求、需要綜合分析，如工業用地、公共設施用地等，該用地類型無法根據單一時間段進行判斷，需進行綜合分析。

(1)單一熱力圖分析

針對居住用地，其活動范圍內人流具有早出晚歸的特點。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的數據(如圖11所示)。該時段內人流密度主要位于萬達廣場、趵突泉—泉城廣場附近，在山東大學(洪家樓校區)和工業南路也有中等面積的人流聚集區。整體來看，人流活動區域位于由小清河和濟南市二環道路組成的多邊形和工業南路附近，與核密度分析中得到的結果相呼應。

商業服務設施用地在中午 11∶00～13∶00、下午18∶00～19∶00 具有較強的活力，因此以 12∶00 和18∶00的數據作為考察對象(如圖11所示)，可以發現該段時間內主要的人流聚集區與商業服務設施用地核密度分析結果基本吻合，主要位于和諧廣場、嘉華購物廣場、萬達廣場、山東師范大學(千佛山校區)、趵突泉—泉城廣場、解放橋、高新區工業南路及奧體附近，另外其他的較大型的商業和商務用地附近也有較高人流聚集，商業服務設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在周末和節假日期間，因此，選取5月12日(周天)上午10∶00和下午16∶00的數據作為考察對象(如圖12所示)。研究時段內人流量主要集中于趵突泉—泉城廣場區域，同時在山東大學(千佛山校區)、南部山區、泉城公園、英雄山風景區也有中高等的密度覆蓋區，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設施用地主要位于小清河和濟南市二環道路組成的區域中，并且呈“T”形分布，由圖11、12可以看出其在經十路以南的英雄山路附近有中等偏高等級分布范圍并呈現向南延伸的趨勢，而此區域卻無明顯的人流活動的高峰期，因此該區域的人口發展還有較大潛力。

對于工業用地，在研究區域的西部、東部都有工業區聚集但無對應的人流變化，與兩翼地區初步發展密不可分。近年來，為帶動周邊地區發展，部分工業外遷，但兩翼地區的經濟水平有限，人口流動還無法達到聚集程度。

物流倉儲用地，多分布在人口流動的高頻地區—經十路附近，周邊多是物流中轉中心或中高等快遞派送點。交通附屬設施用地分為內外2層，外層靠近濟南繞城高速，人流量少，人口密度?。粌葘涌拷鼭鷱V高速和經十路，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范。

公用設施用地人流主要分布于濟廣高速和二環路組成的區域內，東部工業南路、奧體中心體育場附近也有小片的密集區。核密度分析中得到的公用設施用地覆蓋面更廣，幾乎涵蓋了全部黃河以南的城區范圍。與公管用地范圍類似，其在經十路以南的英雄山路附近也有中等偏高等級的分布范圍并呈現向南延伸趨勢，而此處人流活動并無明顯高峰，同樣印證了該區域的人口發展潛力有待進一步挖掘。

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

根據上述分析，綜合現有城市規劃內容可見，居住用地布局恰當、面積最大、分布最廣，在今后可逐漸脫離主城區，朝向兩側、多核心發展，減輕中心城區的壓力。物流倉儲用地分布合理，多位于城市外圈或邊緣地帶。今后可加快主城區物流中心的發展，同時將各級倉庫用地向城市邊緣及郊區地帶轉移。濟南市東部及西部地區的工業用地、南部地區的公共管理與服務設施用地和公共設施用地人流聚集作用有待增強，三者分布區域相似，在發展上可形成優勢互補挖掘更多人口潛力。商業服務設施用地聚集人流作用明顯，今后的城市規劃中，商業用地的范圍可進一步擴展，以充分發揮人口快速流動帶來的經濟效益優勢。交通附屬設施用地分布合理，按道路分布分為了內外兩層，在城區建設中可適量增加繞城高速圈的附屬交通設施，增加用地范圍。綠地與廣場用地在中心城區的分布符合人口流動規律，但在經十路以南的山區人流量較少，可適量增加景區的基礎配套服務設施，吸引更多旅客，使功能用地得到充分應用。

3 結論

基于濟南市中心城區的POI數據和百度熱力圖數據，利用GIS核密度分析方法對城市空間功能分區結構進行研究，結果表明:

(1)濟南市居住用地、物流倉儲用地、交通附屬設施用地、綠地與廣場用地分布合理；工業用地在西部和東部地區人流集聚程度較低；公管用地和公共設施用地在南部地區的人口發展潛力較大；商業用地聚集人流作用明顯。

(2)總體上看，多數功能用地的分布仍處于發展階段，在中心城區呈現高聚集、分布廣的形式，在兩翼地區呈現多離散、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、覆蓋廣的方向發展，這有助于減輕中心城區的壓力。

基于POI和地圖熱力圖等大數據的城市功能分區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構進行重新梳理，并針對城市用地的現有情況提出導向性建議。后續可以繼續補充其他大數據形式(如手機信令等)進行綜合定量比較研究，詳細挖掘城市空間功能布局信息。