基于交通流數據的城市群空間結構特征分析方法

賀明光，李葆青，莊洲洋

（1.長沙理工大學，湖南 長沙 410114；2.交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

區域空間結構是在一定時期和地域范圍內，各要素通過其內在機制相互聯系、相互作用而形成的空間形態。該空間形態既可表現為點、線、網絡、面域等靜態要素以不同的組合模式形成的區域空間布局，也可表現為基于以上要素的流動負載（如人流、物流、信息流、資金流等）。隨著全球化和互聯網信息技術的發展，人員、物資、信息、資金在城市間的流動顯著增大，距離對空間關聯的約束作用逐漸弱化，傳統的“地理空間”被“流空間”融合[1]，國內外研究關注重點逐漸轉移到以流動負載為主的空間結構表現形式上來，城市群空間結構研究由關注靜態的城市節點等級規模向關注動態網絡化的城際聯系功能流轉變[2-3]，這些“流”通過各種形式的網絡通道，體現廣泛的城市群空間網絡特征。

目前，國內外對于區域空間結構的網絡化特征研究主要分三個方向：（1）以分形理論為基礎計算區位熵，通過計算基于客貨運輸流[4]、企業組織結構[5]、專利創新數量[6]、基礎設施聯系等指標的關聯強度構建城市關聯網絡，對研究城市進行功能層次劃分，研究空間極化發展對區域經濟發展及空間結構塑造產生的影響[7-8]；（2）采用引力模型或社會網絡法分析城市群空間格局的演變[9]；（3）基于拓撲圖論法（如Infomap 等社區發現類算法）分析城市群網絡結構演變[10]，以城市群間和城市群內各城市間聯系路徑的編碼系數期望值最小為目標識別社區網絡。還有研究利用UCINET 軟件識別了城市群內部城市節點構成的凝聚子群[11-12]。以上方法能發掘城市群發展的總體空間特征[13]，也對城市間的交互作用進行了分析[14]，對城市群協調性和一體化推進有重要意義。

然而城市群空間結構的研究中還存在一些不足，如針對局部城市間的交互特征仍以聚類分析為主，而對聯系方向性和研究對象城市本身的關注不足；針對凝聚子群的分析多基于宏觀指標進行聯系強度測算，忽略了對個體節點的特征分析和局部優化，而這通常是改善區域協調性的關鍵。針對以上問題，本文提出了一種基于相似流識別的空間結構表示方法：以一段時間內有向的動態交通流表示城市間交互，提取具有相似交通流特征的相鄰城市構建區域組，從而識別城市群內部區域組團間的互動模式和要素供給關系，挖掘城市群空間結構特征，進一步優化城市群交通規劃及服務供給，為推動城市群產業聚集和協同發展提供理論支撐。

1 研究假設

1.1 理論基礎

本研究基礎假設主要依據3 個理論：Ricardo的比較優勢理論[15]，Tobler 提出的地理學第一定律[16]和Goodchild提出的地理學第二定律[17]。

（1）基于比較優勢理論，人力、資源等生產要素的不平衡產生了供需關系；交通流作為人、物資源在區域間移動的主要載體，能反映出城市群內部各區域組的經濟活躍程度和組間生產要素供給關系。

（2）本研究以地理學第一定律、第二定律為基礎理論，認為相鄰的城市或區域大概率存在相似的空間結構，即均與距離較遠的某城市或某區域存在相似的交互、供需關系。

1.2 基本假設

根據上述理論，本文建模基于以下3點假設。

（1）生產要素的交互關系既存在于兩個獨立的城市間，也存在于一組城市與另一組城市之間。

（2）相鄰城市間很可能存在相似的空間結構，即均與某幾個相隔較遠的城市間存在相似的交互關系。

（3）具有相似空間結構的相鄰城市構成區域群組，能與其他區域群組形成有向的組間交互，將其定義為起始區域組和終止區域組，形成的交通流集合稱為相似流集合。

2 研究方法

2.1 方法概述

本文借鑒Kim 等[18]研究地鐵乘客在區域間的移動模式時采用的區域間行動模式（Movement Patterns Between Zones,MZPs）建模思想（見圖1（a）），其利用地鐵刷卡數據表征乘客的出行軌跡，通過站點周邊用地性質定義站點間關系，找出區域組和組間移動模式。

圖1 區域間行動模型在城市群空間表達中應用示意圖

在城市群空間結構特征分析中，很難賦予城市單一的屬性定位，但通過交通流的走向特征和空間分布可識別出城市間的交通要素供需模式，同時進行區域合并和區域組間運動模式判斷（見圖1（b））。有別于城市交通MZPs 模型，評價流的相似性時，判斷依據在于交互流量和區域流強度兩個指標[19]，并通過閾值判斷空間合并條件。

2.2 鄰域定義

在原MZPs 模型中線路站點間相鄰特征顯著（見圖2（a）），而在三維空間中，鄰域有多種存在形式（見圖2（b））。本文目的是研究區域組間空間聯系和交互特征，研究對象應最大限度考慮鄰域空間與目標空間的相似性，因此選擇圖2（b4）所示的緩沖區鄰域關系[20]，即基于空間位置，犧牲迭代時間，拓展研究距離，以擴大模型考慮的空間范圍。

圖2 線路節點和面域空間鄰域關系

2.3 相似流識別

命名區域組和區域流集合。區域組包括起始區域組Orig={O1,O2,O3,…,Om}和終止區域組Dest={D1,D2,D3,…,Dn}，m,n代表區域組元素初始個數。區域組的每個元素Oi和Dj都是由符合以上定義鄰域關系的單個區域合并組合而成。區域流集合為Flow={Fij,i≤m,j≤n}，其中Fij表示從起始節點i至終止節點j的流量，設fk(k∈R)為該單向流的初始命名，初始時Fij=fk；區域流強度集合為Stre={Sij,i≤m,j≤n}，其中Sij表示從起始節點i到終止節點j的流量強度，Sij=Ik,Ik為該單向流強度計算值，其計算公式[18]為：

式（1）中：Ik為單向流強度；UniF(fk)為被識別的起點為Oi鄰域或終點為Dj鄰域的單向流；∑fi*為起始區域為Oi的所有區域流之和；∑f*j為終止區域為Dj的所有區域流之和。

區域流每個元素都對應一對起始組元素和終止組元素，即對于流Fij，Oi∈Orig,Dj∈Dest，元素Oi和Dj在空間上可以相鄰，但不可以相交。參考MZPs模型定義相似流，將單向流強度Ik作為識別相似流的主要指標。如圖3 所示，初始區域組Orig={s1,s2,s4,s5,s6,s7}，終止區域組Dest={s1,s3,s4,s5,s6,s7}，初始區域流Flow={f1,f2,f3,…,f12}，計算所有節點的中心度排名和交通流大小等優先級，根據優先級順序優先比較以s6節點為起點和終點的鄰域交通流，給定閾值δ，當I7=f7/[(f7+f9+f11)×(f7+f1+f8)]≥δ時，f7即可被識別為區域相似流。

圖3 識別相似流及區域組合并迭代過程

參考MZPs 模型的相似流識別方式，定義面域交通流相似性特征，但相對于線性節點，面域元素的相鄰元素數量大幅增加，需對指標Ik的計算公式進行修正。經算例實驗可知，修改為（計算公式見式（2））更符合實際要求。此外，閾值δ也需根據特征值進行動態調整（調整為δ′），以提高模型的收斂性。

當不小于給定閾值δ′時，識別為相似流。

2.4 面域合并

由調整后的指標識別相似流，設區域組合并條件如下：

式（3）中：Fmn為符合合并條件的流。若Om與Oi為鄰域關系，或Dn與Dj為鄰域關系，給定閾值θ，當Sij≥θ時，即可將Om與Oi或Dn與Dj進行合并，同步修改=Fij+Fmn，=Sij+。最終得到區域流強度Flow和區域流貢獻率Stre兩個集合，得出空間結構關系如圖4所示。

圖4 區域組相似流識別示意圖

3 實證分析

3.1 研究范圍

本文選擇珠江三角洲城市群進行實證分析。珠江三角洲是我國發展較成熟的城市群之一，本研究涉及的珠三角城市群包括：廣州、深圳、佛山、東莞、中山、珠海、江門、肇慶、惠州共9個城市及其所轄區、縣，其中東莞市和中山市不設區縣，分別整體作為一個空間單元。

3.2 數據來源

區縣是新型城鎮化建設與區域協同發展的重要區域，縣域經濟是功能完備的綜合性經濟體系，是國民經濟的基本單元。因此以縣級行政區劃為地理空間基礎單元進行研究。

實驗中使用的基礎數據由兩部分組成：①珠三角9 個城市所轄區縣構成的行政區劃多邊形，用于確定城市空間關系，由民政部最新更新的行政區劃圖確定；②不同城市區縣間的流動數據。本文獲取了2019 年3 月珠三角9 個城市所轄區縣間的高速公路出入口數據，經過異常值處理、降噪、OD 識別分配，得到每日區縣間OD 數據，包括出發地區縣、目的地區縣和對應標準車車流量數據約10 200條，作為基礎數據。

3.3 珠三角城市群空間特征分析

采用上述研究方法，設區縣為區域單元，采用圖2（b4）所示的空間關系及式（1）～式（3）相似流識別及面域合并條件建模，得到16 對起始、終止區域組及其相似流集合。圖5 給出了珠三角城市群空間特征分析結果中的部分圖形。

圖5 起始區域與終止區域組集合圖示

由計算得出的起始區域組集合和終止區域組集合可發現：①起始區域組和終止區域組構成相似，說明各區縣間空間聚集特征明顯，交通活躍區域在城市群范圍內相對顯著，流向明確；②比較特殊的東莞市和深圳市（龍崗區）區域組僅作為流出區域；③佛山市（南海區、荔灣區）區域組僅作為流入區域。

計算得出存在強交互關系的6 對區域組（見圖6），包括：①廣州市（白云區、越秀區）與珠海市（香洲區、金灣區）；②珠海市（香洲區、金灣區）與深圳市（龍崗區、鹽田區）；③肇慶市（鼎湖區、端州區）與肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）；④佛山市（禪城區、順德區）與中山市、珠海市（香洲區）；⑤深圳市（寶安區、福田區）與深圳市（龍崗區、鹽田區）；⑥肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）與肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）。

圖6 強交互關系的區域組

計算在起始、終止區域組兩個集合中出現超過3 次的區域組，包括：①肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）；②珠海市（香洲區、金灣區）；③深圳市（龍崗區、鹽田區）；④深圳市（福田區、南山區、寶安區）。將與其存在流關系的其他區域組一同標出，見圖7。

圖7 高頻率出現的區域組及其空間交互關系

由圖7可看出：①肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）為流量輸出主要城市，對肇慶市（鼎湖區、端州區）和中山市、珠海市（香洲區）兩個區域組存在生產要素供應關系，自身內部流動特征也較為顯著；②珠海市（香洲區、金灣區）與多個區域組存在流關系，經濟活躍，流動頻繁。

各區域組間流量強度見表1，結合Sij和I′k判斷面域合并條件。表1 中的起始區域組和終止區域組為經相似面域合并后得到的區域流起終點集合。表1 中流量強度數據公差較大，F_ID=1 流量強度雖小，但強度貢獻率不是最低的，即從深圳市龍崗區、鹽田區構成區域組出發的交通流大部分流向深圳市福田區、南山區、寶安區，而流入深圳市福田區、南山區、寶安區的交通流大部分來自深圳市龍崗區、鹽田區，二者供需關系較強，亦可構成合并條件，形成區域組。由表1 可看出：①廣州市（白云區、天河區）→佛山市（南海區、荔灣區）區域組為流量強度最大的區域組；②佛山市（禪城區、順德區）與中山市、珠海市（香洲區）交流密切，交互強度較大，流量貢獻率較高；③深圳市（南山區、寶安區、福田區）與深圳市（龍崗區、鹽田區）交流密切，交互強度較大，流量貢獻率較高。

表1 區域組間流量強度及貢獻率

表1 （續）

3.3 珠三角城市群空間結構發展規律

通過分析珠三角城市群內部的區域空間結構及交互關系，依據上文給出的空間結構特征，可得出以下結論：

（1）以區縣為基礎單元分析其構成的城市群空間結構，發現由交通流合并所體現的區域組打破了傳統地級市行政區劃，更符合區域發展的自然規律。

（2）以區縣級行政單元作為基礎面元分析城市群空間結構和要素供給，與以城市為基礎面元得出的結論（可參見廣州市規劃和自然資源局發布的《2020 年廣州市交通發展年報》中廣東省內各城市對外出行OD 分布圖）有顯著差異：傳統意義上的珠三角自然形成的“廣佛肇”“深莞惠”“珠中江”3 個城市組團在本文圖6 中并不顯著，說明隨著城市群的日益融合和粵港澳大灣區發展戰略的提出，市域邊界逐漸模糊，空間關系和資源互補對組團凝聚的影響作用更大。

（3）廣佛交通流最顯著的特征是“樞紐共享”。佛山出入交通流占廣州白云機場和廣州南站現狀總客流近20%，是本研究涉及的城市中占比最大的；88%的佛山交通流可在45min 內到達廣州南站。佛山市在高水平基礎設施和低營商成本的結構性優勢下，與廣州的同城化趨勢愈加明顯。

（4）肇慶市4縣（封開縣、廣寧縣、懷集縣、德慶縣）的經濟對廣州、深圳的依賴性較強：流量絕對水平不高，但在其流入流出量中貢獻率占比較高，低水平均衡狀態亟待擺脫。

4 結語

本文通過分析區域組的經濟活躍度、與其他區域組的聯系廣度等，挖掘出相關區域組的生產要素供給交互特征。珠三角各區縣構成區域組間的要素供給關系顯著，其集聚效應不斷轉化為擴散效應，“廣深佛莞”的新型城市關系正在形成。本文通過研究2019年珠三角城市群公路交通流這一斷面，發現樞紐共享、傳統生產要素共享等現象對組團凝聚有明顯推動作用，體現了珠三角城市群呈現出的部分一體化特征，分析方法可為實現個體城市優化和整體區域協調提供理論依據。本文基于交通流數據對珠三角城市群空間結構特征進行分析，充分解釋了由區縣構成的區域組間的交互模式，也能判斷區域組的經濟活躍度、與其他區域組的生產要素供給關系等，但對空間結構形成的內在機制探討不足，且出于數據獲取難度較大等原因缺乏歷史對比分析。未來需提升研究精度、拓展數據來源渠道，并通過引入社會網絡分析法等加強對比分析。