基于POI與核密度分析的城市邊緣區(qū)擴(kuò)張監(jiān)測(cè)
——以宿遷市宿城區(qū)為例

朱益民，章仁斌，岳秋麗，孫小榮

(宿遷學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800)

0 前 言

在快速蔓延的城市擴(kuò)張中，城市邊緣區(qū)是介于城市與農(nóng)村之間，在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口等多方面具有明顯融合特征的漸變區(qū)域。對(duì)城市邊緣區(qū)的擴(kuò)張進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，分析其背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，可科學(xué)合理地指導(dǎo)城市規(guī)劃，控制用地規(guī)模，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和有限的土地資源，具有重要意義。目前，關(guān)于城市邊緣區(qū)加以識(shí)別的研究，大多以定性為主，而借助各類城市功能在空間上的實(shí)際分布數(shù)據(jù)來描述和分析城市邊緣區(qū)這一方法，對(duì)城市擴(kuò)展模式進(jìn)行探索分析的文獻(xiàn)，還相對(duì)較少。本文嘗試通過后一途徑來展開研究。

各種技術(shù)的發(fā)展，突破了早期以行政邊界來界定城市邊緣區(qū)的模式，從而促生出對(duì)城市邊緣區(qū)加以界定的新方法，其中應(yīng)用較廣者，是采用與城市活動(dòng)高度相關(guān)的要素，通過構(gòu)建指標(biāo)體系，進(jìn)而利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行界定。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，利用遙感影像識(shí)別與分類來研究城市邊緣區(qū)的擴(kuò)張與演化，則成為大勢(shì)所趨。姜祎[1]基于網(wǎng)絡(luò)POI數(shù)據(jù)，運(yùn)用核密度和自然點(diǎn)間斷法識(shí)別城市邊緣區(qū)，從擴(kuò)張數(shù)量、擴(kuò)張速度、擴(kuò)展方向等方面分析干旱區(qū)綠洲城市邊緣區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與空間擴(kuò)展部分，并討論了城市擴(kuò)張模式。楊子江等[2]以POI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用核密度分析和空間相關(guān)指數(shù)，根據(jù)不同類型的POI數(shù)據(jù)的空間分布和集聚特征，分析出城市不同功能的城市中心之間的空間分異和空間相關(guān)指數(shù)。高晨[3]則對(duì)POI數(shù)據(jù)進(jìn)行核密度估計(jì)，并通過歸一化特征距離模型，計(jì)算建設(shè)用地多尺度分割后地塊范圍歸一化核密度值與典型產(chǎn)業(yè)地塊范圍相應(yīng)值之間的距離，來對(duì)城市建設(shè)用地地塊進(jìn)行功能分類。

宿遷市則是中國(guó)沿海地區(qū)向內(nèi)地輻射的重要門戶城市，也是“一帶一路”節(jié)點(diǎn)城市，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要戰(zhàn)略支點(diǎn)。《宿遷城市總體規(guī)劃<2015-2030>》中提出了宿遷市域城鄉(xiāng)空間結(jié)構(gòu)，形成“一主三副、三軸多點(diǎn)”的市域城鎮(zhèn)空間發(fā)展格局。本研究選取宿遷市的中心城區(qū)——宿城區(qū)作為研究區(qū)域，基于宿城區(qū)的POI數(shù)據(jù)，利用核密度分析方法，對(duì)宿城區(qū)的城市擴(kuò)張區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從數(shù)量、方向、強(qiáng)度等方面分析城市擴(kuò)張的空間分布特征。為進(jìn)一步探索宿城區(qū)社會(huì)發(fā)展結(jié)構(gòu)提供研究基礎(chǔ)，并為宿遷市城市發(fā)展和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的原始數(shù)據(jù)，是宿遷市宿城區(qū)2011、2016、2019年三個(gè)年份的在線地圖POI數(shù)據(jù)，通過Python語(yǔ)言編程、創(chuàng)建開放接口獲得。POI數(shù)據(jù)廣泛用于導(dǎo)航與移動(dòng)通信領(lǐng)域，包含了名稱、類別、坐標(biāo)、分類等方面的屬性信息，是城市實(shí)體在數(shù)字地圖的抽象描述。可以認(rèn)為，POI數(shù)據(jù)基本包含了研究區(qū)域內(nèi)空間實(shí)體的地理信息，而這些數(shù)據(jù)也真實(shí)反映了城市中各類功能實(shí)體的空間分布狀況。本文在獲取POI數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行了檢校，其中2011年P(guān)OI數(shù)據(jù)為7 213個(gè)，2016年包含8 468個(gè)數(shù)據(jù)，而2019年有效POI數(shù)據(jù)量則高達(dá)56 477個(gè)。

1.2 研究方法

本研究采用核密度分析的方法，對(duì)宿城區(qū)多個(gè)年份下的POI數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。核密度是一種應(yīng)用最廣泛的非參數(shù)估計(jì)方法，而核密度分析，則用于計(jì)算空間點(diǎn)、線要素的領(lǐng)域的密度值，模擬密度分布的連續(xù)化。常用的核密度估計(jì)函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，k為核函數(shù)；h為選定區(qū)域的帶寬；Dij表示空間點(diǎn)i與研究對(duì)象j之間的距離，而當(dāng)樣本容量N較大時(shí)，即使h足夠小，也足可保證區(qū)間內(nèi)有足夠多的點(diǎn)，用于計(jì)算概率密度。通常要求，當(dāng)N→∞時(shí)，h→0。最優(yōu)的關(guān)系式為h=c·N-1/5。若就正態(tài)分布來看，可以算出c=1.05σ。

2 宿城區(qū)城市演變過程與格局

2.1 基于核密度分析的城市整體演變過程

2.1.1 搜索半徑的選取與核密度的計(jì)算

運(yùn)用核密度分析模型時(shí)，若所選取的搜索半徑變化，則所得到的結(jié)果也有所不同，從直觀上看，這種不同直接表現(xiàn)為像素大小及其邊緣平滑程度上的差異。本研究首先設(shè)置500、1 000、1 500、2 000 m這四個(gè)搜索半徑，對(duì)2011、2016、2019年的宿城區(qū)POI數(shù)據(jù)進(jìn)行核密度計(jì)算試驗(yàn)，由此進(jìn)行比較分析，圖1顯示出不同搜索半徑對(duì)應(yīng)的POI空間聚集結(jié)構(gòu)變化。對(duì)比四個(gè)搜索半徑方案下的試驗(yàn)結(jié)果，可以看到：①當(dāng)搜索半徑逐漸增加時(shí)，區(qū)域整體上空間結(jié)構(gòu)的宏觀感覺是POI的聚集程度在逐漸減弱，等值線則較為平滑；②而當(dāng)搜索半徑越小時(shí)，則POI數(shù)據(jù)的耦合程度就越高，區(qū)域整體上的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)越緊密，也越能識(shí)別出小范圍的POI聚集區(qū)域。

圖1 不同搜索半徑對(duì)應(yīng)的POI空間聚集結(jié)構(gòu)變化(單位:m)

通過對(duì)比研究，結(jié)合已有城區(qū)的空間結(jié)構(gòu)緊密率及不同的搜索半徑對(duì)局部細(xì)節(jié)的影響，加上宿城區(qū)的區(qū)域面積并不大等其他影響因素，研究選擇500 m作為最終的搜索半徑，展開核密度分析，得到如圖2所示2011、2016、2019年三個(gè)年份下的不同類型POI核密度圖。

圖2 2011年、2016年、2019不同類型POI核密度值

2.1.2 核密度結(jié)果分析與討論

根據(jù)圖2中三個(gè)年份下各城市功能的POI核密度圖，可以得出以下結(jié)論。

1)從2019、2016、2011年總核密度來看，主城區(qū)以洪澤湖路、西湖東路、發(fā)展大道以及省道S324為主干道路，各種類型沿著主干道路以組團(tuán)方式存在，空間分布密度大，結(jié)構(gòu)層次清晰，城市中心輻射南至三樹新城，西至通湖大道，以宿城區(qū)主城區(qū)為中心，呈現(xiàn)輻射狀。

2)2011年，洋河鎮(zhèn)發(fā)展?fàn)顩r已開始發(fā)生變化，它逐步承擔(dān)起副中心的角色，呈現(xiàn)一種同心圓發(fā)展的態(tài)勢(shì)，雖勢(shì)頭較弱，但已逐步形成一定的規(guī)模。

3)在2011～2019年，宿城區(qū)主城區(qū)仍以城市主中心的地位，逐年地沿主干道路進(jìn)行擴(kuò)張，且每次邊緣區(qū)的擴(kuò)張，都伴隨有次級(jí)核心的存在，呈現(xiàn)同心圓擴(kuò)張加輻射擴(kuò)張的邊緣區(qū)綜合擴(kuò)張模式。

4)縱向?qū)Ρ雀鞣N城市功能的發(fā)展可知，公共服務(wù)這一城市功能的擴(kuò)張較為迅速，輻射現(xiàn)象較為明顯，城市邊緣區(qū)表現(xiàn)也較為明顯。而橫向?qū)Ρ雀鞣N功能在各年份下的發(fā)展可知，仍是公共服務(wù)的發(fā)展勢(shì)頭占優(yōu)。

由上述分析可知：總體看來，宿城區(qū)的城市邊緣區(qū)的擴(kuò)張，與城市主干道路的方向以及不同的城市功能的輻射與發(fā)展有著很大的關(guān)系，其中與公共服務(wù)這一功能的關(guān)聯(lián)最大。城市邊緣區(qū)的現(xiàn)象呈現(xiàn)出明顯的差異，體現(xiàn)在兩個(gè)城市中心之間，且主中心宿城區(qū)與副中心洋河鎮(zhèn)之間的發(fā)展差異較大。

2.2 宿城區(qū)城市邊緣區(qū)的城市擴(kuò)張類型分析

根據(jù)已有研究可知，城市邊緣區(qū)擴(kuò)張可分為三種類型：一是向外擴(kuò)張型，即由鄉(xiāng)村腹地轉(zhuǎn)為城市邊緣區(qū)的地域；二是內(nèi)部填充型，即不同的發(fā)展階段都屬于城市邊緣區(qū)；三是轉(zhuǎn)化核心型，即由城市邊緣區(qū)向城市中心轉(zhuǎn)換的區(qū)域。這三種類型變現(xiàn)了城市邊緣區(qū)發(fā)展的不同階段，且三種模式是共存的。

作出2019年度宿城區(qū)POI數(shù)據(jù)與經(jīng)緯度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，該圖以經(jīng)緯度為索引，對(duì)宿城區(qū)POI在各經(jīng)緯度值上的頻數(shù)進(jìn)行分析(見圖3)。由圖3可知：宿城區(qū)在2019年度以主城區(qū)及洋河鎮(zhèn)為兩個(gè)中心城區(qū)，POI在各經(jīng)緯度值上的頻數(shù)分布，呈現(xiàn)出較為明顯的正態(tài)特征。

1)其中，中心城區(qū)的發(fā)展較為迅速，耦合程度高，組團(tuán)現(xiàn)象明顯，空間結(jié)構(gòu)緊密，其城市邊緣區(qū)的發(fā)展以核心為中點(diǎn)，呈向外輻射型擴(kuò)張、沿著道路向外擴(kuò)張的條帶狀，在總體上呈現(xiàn)出向南發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

2)而副中心洋河鎮(zhèn)的擴(kuò)張速度，較主城區(qū)而言較為緩慢，其發(fā)展模式與主城區(qū)類似，但其城市邊緣區(qū)的擴(kuò)張方向則較為清晰，屬于第三種類型：轉(zhuǎn)化核心型。

圖3 經(jīng)緯度索引下2019年度宿城區(qū)POI頻數(shù)分析圖

3 結(jié) 論

城市邊緣區(qū)的出現(xiàn)是城市化進(jìn)程中的必然現(xiàn)象。城市邊緣區(qū)的存在，使邊緣區(qū)與城市中心之間的聯(lián)系更加緊密，從而為主城區(qū)分擔(dān)職能，實(shí)現(xiàn)城市資源的合理配置。基于POI數(shù)據(jù)，對(duì)宿城區(qū)的邊緣區(qū)擴(kuò)張進(jìn)行了核密度分析和討論，可得出如下結(jié)論。

1)宿城區(qū)的城市擴(kuò)張，大致呈較為規(guī)則的環(huán)狀分布。而

其城市邊緣區(qū)，則沿著城區(qū)的主干道進(jìn)行擴(kuò)張。宿城區(qū)發(fā)展的平衡態(tài)，大致呈正態(tài)分布性。

2)宿城區(qū)南部地勢(shì)平坦，成為城市空間擴(kuò)張的主要方向，城區(qū)的發(fā)展呈現(xiàn)條帶狀分布，而且，正在逐步形成多核心的城市發(fā)展趨勢(shì)。

3)由于城市邊緣區(qū)具有模糊性及動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，因此基于POI數(shù)據(jù)和核密度分析模型，對(duì)城市邊緣區(qū)進(jìn)行識(shí)別與空間擴(kuò)張分析，具有一定優(yōu)勢(shì)。但文中并未進(jìn)一步探究城市邊緣區(qū)擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因素，且空間分析方法也相對(duì)單薄。

將來，可在本研究的基礎(chǔ)上，借助于更多期的POI數(shù)據(jù)，運(yùn)用更具對(duì)照性的多種分析方法，對(duì)城市邊緣區(qū)的城市擴(kuò)張及其驅(qū)動(dòng)因素開展深入探究。

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