基于手機信令數據的中國人口流動網絡空間結構特征研究

廖創場，郭仁忠，郭文華，賀 彪，李曉明，洪武揚，李敏敏，李亞星

（1.自然資源部國土空間大數據工程技術創新中心，深圳 518060；2.深圳大學建筑與城市規劃學院智慧城市研究院，深圳 518060；3.自然資源部城市國土資源監測與仿真重點實驗室，深圳 518034；4.粵港澳智慧城市聯合實驗室，深圳 518061；5.自然資源部信息中心，北京 100812）

0 引言

城鎮化是世界發展的核心主題，大規模的人口遷移與集聚既是城鎮化的顯著特征，又加速了城鎮化進程。中國正經歷人類歷史上規模最大、速度最快的城鎮化進程，新型城鎮化是當前和未來一個時期國家重大發展戰略，在此過程中凸顯的人地關系不協調問題將長期存在。新型城鎮化突出強調實現“人的城鎮化”[1]，摸清流動人口的特征與格局是促進“人的城鎮化”的重要前提，也是新型城鎮化的核心議題之一，對中國重大戰略的規劃和部署具有重要意義。

以前，區域人口空間結構特征研究主要針對人口在某一特定時間內于某一地理空間的集散狀態[2]，或稱之為人口的空間形式。地理學家胡煥庸先生在1935 年，利用中國分縣人口統計數據，創制了第一張中國人口等值線密度圖，并提出了標識中國人口分布東西部懸殊差異的璦琿（今黑河市）—騰沖分界線，即“胡煥庸線”[3]，自此學術界針對中國人口空間分布格局的差異特征、尺度特征、演變特征與形成優化機制等開展了大量相關研究[4-9]。BATTY 認為區域是相互作用的集合，區域的增長和形態特征與各類相互作用、信息流、物質流等具有密切關系，基于相互作用力與流的區域研究逐漸成為城市科學的新研究范式[10]。相互作用力的測度大多基于引力模型及其修正態，多用于近似表達區域間人與經濟的交互過程[11-12]。隨著信息與通信技術的發展，大量表征現實社會要素流動的數據得以應用，從數據維度看，相關研究主要圍繞微博等社交簽到數據、客運班次等時空運營數據及手機信令、導航定位等真實流動數據開展研究[13-17]；從方法維度看，復雜網絡理論與方法、分形理論、空間分析方法等能夠較好識別區域空間結構特征[18-22]。近期研究大多基于流數據與復雜網絡理論，ZHU 等[23]基于Flickr 數據，采用復雜網絡與分形方法研究中國人口流動的時空演化特征，發現了不同尺度下的統計自相似性與分形特征；胡昊宇等[24]采用客運班次數據研究中國城市群網絡的社區結構特征及其與國家規劃方案的耦合關系與差異；相關學者通過公交刷卡數據等揭示特定人群的活動空間特征[25]。

手機信令數據具有豐富的城市活動信息，能夠用于高精度的城市空間分析[26]。本文基于流空間理論與復雜網絡方法，采用手機信令數據構建中國城市間的人口流動網絡模型，從節點、社區、空間聯系3 個維度對網絡空間結構特征進行研究，分析平日和節假日兩種狀態下的人口遷移規律，對中國國土空間規劃與治理具有一定的借鑒意義。

1 數據來源

本研究數據包括兩部分：一是手機信令數據和基站工參數據，二是研究涉及的行政區劃數據。手機信令數據包括用戶主動、被動觸發的所有行為時間和位置信息，通過關聯相應月份的基站工參數據獲取用戶的時空行為。手機信令數據源自全國聯通用戶，采集年份為2018 年，每兩個月取一個平常星期，包括春節與國慶節假期在內共8個星期。行政區劃數據來源于自然資源部門。

2 研究方法

2.1 人口流動網絡模型構建

網絡模型為點與邊的集合，本文基于已處理歸集的手機信令數據，以36 個主要城市與全國340 個其他城市（少部分城市數據較少或缺失）為網絡節點單元，統計兩類單元節點之間的手機信令流動記錄，以此構建網絡模型的邊，邊權表征城市間的人口流動強度。

令Rij為i城市到j城市的人口流量。當存在手機信令記錄時，Rij≥1；當無手機信令記錄時，Rij=0。

2.2 復雜網絡方法

復雜網絡方法是描述自然界存在的大量復雜系統的數學模型與研究方法的科學體系[27]，被廣泛用于城市系統的網絡空間結構表達與統計特征研究。本文采用節點中心性指標、社區結構挖掘算法與空間聯系強度測度中國人口流動網絡空間結構模型的節點特征、社區結構與空間聯系特征。

（1）節點中心性。節點中心性表征網絡中節點的重要程度與關鍵作用。本文參考FREEMAN[28]的中心性定義與相關文獻，選用相關中心性指標對網絡節點特征進行測度，具體方法如表1 所示。

表1 節點中心性指標

（2）社區結構。社區結構揭示網絡中具有相對集聚特征的團體，歸屬同一個社區的節點聯系相對緊密，分屬不同社區的節點聯系相對稀疏。本文采用Louvain 社區檢測算法挖掘網絡的最佳分區[29]，相關指標計算在此不做贅述。該算法分為3個步驟。

步驟一：對網絡節點進行初始的社區分配，通過移動每個節點到它的所有鄰居社區尋找最大的正模塊化增益。若獲得正向收益，則將節點分配至對應社區，否則保留在原始社區，直至任意一次移動都無法帶來正向收益。

步驟二：基于步驟一獲得的社區，將之視為節點，節點間的邊權由對應兩個社區的節點間邊權之和確定，針對該網絡進行步驟一的最大模塊化增益狀態尋找。

步驟三：重復上述步驟，直至達到收益最大。

3 實證研究

3.1 人口流動網絡節點特征研究

由圖1（a）可知，在節假日時段，北京、鄭州、上海、天津、廣州、濟南、武漢等城市度中心性值較高；在平日時段，北京、廣州、上海、天津等城市度中心性值較高。研究表明，這些城市在相應時段具有較高的人口集散規模。由圖1（b）可知，城市在節假日與平日時段的介數中心性差異較小，表明在不同時段，節點城市在城市網絡中具有相似的控制力，其中，烏魯木齊、西寧、銀川、南寧、哈爾濱等城市在城市網絡中的控制能力較強。由圖1（c）可知，節點城市的接近中心性不僅在時段上具有相似性特征，在城市間度值亦不具有顯著差異，表明在人口流動網絡中36 個主要城市都具有相似的可接近性。由圖1（d）可知，北京與天津2 個城市具有較高的特征向量中心性，表明其在人口流動網絡中起主要樞紐作用，其余城市不具有顯著特征。

圖1 36 個節點城市節點中心性指標研究

整體而言，節點城市在中國人口流動網絡中表現出一定的層級結構。在度中心性維度方面，即節點城市的人口集散規模或重要性程度方面，北京、鄭州、上海、天津、廣州、濟南、武漢等城市為第一層級節點城市，杭州、青島、西安、深圳、成都、太原、南京、石家莊、重慶、沈陽為第二層級節點城市，其余城市為第三層級節點城市。在介數中心性維度方面，即節點城市的橋接作用或對網絡的控制程度方面，除烏魯木齊外，大多數城市的控制力與其重要性呈反比關系，表明節點城市作為人口匯入與流出的起止節點或者網絡的轉接點。

3.2 人口流動網絡社區結構研究

從人口流動視角研究中國城市在空間上的組織結構，能夠揭示城市間蘊含的潛在連接關系，發現網絡中緊密聯系的社區團體。從時段看，節假日時段中國人口流動網絡可劃分為16 個社區，平日時段人口流動網絡可劃分為19 個社區。研究表明節假日時段中國人口的流動過程在局部地區更具有聚集特性；以人口流動視角劃分的社區結構與中國省級行政區劃具有一定的耦合性，多數城市集聚在歸屬的省級行政單元，省級行政單元交接處少數城市突破了行政邊界限制，與省外城市建立了緊密聯系。

整體而言，中國東南部地區社區占地規模相對較小，局部聯系相對緊湊；西北部地區社區占地規模較大，人口流動密度較稀疏。整體劃分的社區數量遠小于省級行政區劃數量，表明中國區域合作已經實現省際合作層面。沿海區域社區大多集中在一個完整的省級行政單元，內陸區域則呈現更復雜的社區結構，不同時段沿海區域亦呈現較穩定的社區結構。

3.3 人口流動網絡空間聯系特征研究

本文采用等值分隔法，將36 個節點城市與全國城市間的人口聯系強度與人口流入、流出強度進行分級制圖表達，結果如圖2 所示。整體而言，節假日時段中國人口流動規模大于平日時段的人口流動規模，南部地區2 個時段的差異較顯著；多數強聯系集中在節點城市的地理鄰接區域，表明大部分人口流動依舊集中在局部區域，較大空間跨度的人口流動較少；大規模人口的遷移與集散主要發生在中國東南區域，空間上呈現顯著的分異特征。

圖2 36 個節點城市與全國城市的人口聯系強度（空間示意圖）

從人口流入量看，北京、廣州、上海、天津、杭州、深圳、鄭州、沈陽、成都、烏魯木齊等城市平日時段人口流入較多，北京、鄭州、上海、天津、廣州、濟南、武漢、杭州、青島、深圳等城市節假日時段人口流入較多，表明這些城市是人口流動網絡中主要的集聚中心。從人口流出量看，北京、廣州、上海、天津、深圳、杭州、沈陽、鄭州、成都、重慶等城市平日時段人口流出較多，北京、上海、鄭州、天津、廣州、濟南、武漢、西安、杭州、青島等城市節假日時段人口流出較多，表明這些城市是網絡中主要的疏散中心。整體而言，人口流入與流出強度具有一定的正相關性，北京、上海、廣州、天津、杭州、深圳等城市作為中國的主要城市，承接了較大規模的人口資源。

平日時段人口流出較頻繁的區域為北京—廊坊、廣州—佛山、上海—蘇州、天津—廊坊、烏魯木齊—吐魯番，人口流入較頻繁的區域為佛山—廣州、廊坊—北京、蘇州—上海、吐魯番—烏魯木齊、東莞—深圳。節假日時段人口流出較頻繁的區域為北京—廊坊、上海—蘇州、廣州—佛山、北京—天津、天津—北京，人口流入較頻繁的區域為廊坊—北京、蘇州—上海、佛山—廣州、天津—北京、保定—北京。整體上，北京、天津與廊坊，廣州與佛山，上海與蘇州是中國聯系最緊密的三個區域，位于中國京津冀城市群、長三角城市群與粵港澳大灣區城市群的核心區域，如圖3 所示。

圖3 城市間人口聯系強度（前30 位序）

4 結論

面向國家新型城鎮化戰略，本文采用復雜網絡方法，基于表征現實世界人員流動模式的手機信令數據，針對36 個主要節點城市與全國城市的交互過程，以網絡的方式對城市節點特征、社區結構與空間聯系特征進行識別，得出如下主要結論。

（1）中國36 個主要節點城市呈現顯著的層級結構與作用模式差異，36 個節點城市可劃分為3 個重要性層級，節點城市作為人口流動的主要目的地或主要轉接點。節點城市在網絡中的可接近程度均較高，與網絡中其余城市節點的交互關系均較強。除北京與天津外，節點城市的相鄰城市均未表現較高重要性，表明節點城市對周邊城市的帶動作用有待加強。節假日城市人口活力高于平日，人口流動的主要目的地發生變化。

（2）從人口流動視角看，中國大體可劃分近20 個社區，城市主要集聚在各自歸屬的省級行政單元。東南部地區社區數量較多且相對緊湊；西北部地區社區數量較少。在不同時段，沿海地區社區結構相對穩定，表明沿海地區的人口流動持續發生在一定的局部區域。

（3）城市的人口遷徙受空間距離的影響較大，節點城市與周邊城市的聯系更加密切，整體呈現“東南部緊密、西北部稀疏”的空間分異特征。北京、上海、廣州、天津、杭州、深圳等城市是中國主要的人口流入流出節點，人口流動網絡呈現顯著的多中心化結構。較強聯系大多發生在京津冀城市群、長三角城市群與粵港澳大灣區城市群的核心區域，表明中國在局部地區已經實現了較強的協同發展態勢。

總體上，聯通手機信令數據可以實時反映城市間的人口流動特征，更加準確地捕捉人口流動的實時性、動態性、方向性，復雜網絡方法能夠較好識別人口流動網絡的特征與潛在規律。本研究仍存在一定不足與局限性，聯通日均用戶數可整體反映人口遷徙規律，人口遷徙受空間距離的影響較明顯，若結合產業、交通、客貨運等信息，可以更豐富地表達人口遷徙特征、刻畫人隨產業走的遷徙規律；豐富36 個節點城市與全國其他城市的數據采樣范圍，可以更詳細地反映全國人口流動特征；面向全國尺度的研究能夠發現宏觀特征與規律，若細化研究尺度，從城市群、省、市等單元內部進行多層次研究，有助于進一步刻畫區域空間結構。未來研究應構建多要素、多層級、多方法的流數據與研究體系，對中國空間結構進行深入分析。