基于POI數(shù)據(jù)的濟(jì)南市城市功能分區(qū)研究

馬子云，何貞銘，崔海福，蔣松諭

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430100)

0 引言

城市化是重要的全球化社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象[1]。隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，環(huán)境惡化、住房緊缺、交通堵塞等“城市病”隨之而來[2]，制約了城市的發(fā)展，并對居民的生活產(chǎn)生了一定影響。城市功能分區(qū)是進(jìn)行現(xiàn)代城市規(guī)劃的基本原則之一，是城市功能分化成長在空間上的反映[3]，其科學(xué)布局可提升城市土地利用效益，對于保障城市的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[4]。

準(zhǔn)確高效地識別和劃分功能區(qū)，有助于更深層次地理解城市空間開發(fā)和城市規(guī)劃，并為城市發(fā)展提供科學(xué)的支撐和依據(jù)[5]，但傳統(tǒng)的劃分方法多以經(jīng)驗(yàn)為主，進(jìn)行主觀判斷和定性分析[6]，導(dǎo)致結(jié)果不夠科學(xué)準(zhǔn)確。大數(shù)據(jù)時代的來臨，為城市功能分區(qū)的定量分析提供了新思路，也使得城市功能分區(qū)更具價值。其中，興趣點(diǎn)(Point of Interest,POI)數(shù)據(jù)具有大數(shù)據(jù)量、高開放性、涵蓋信息細(xì)致等優(yōu)勢[7]，可以更好地反映城市空間結(jié)構(gòu)[8]，國內(nèi)外學(xué)者已對此展開了研究。張慧馨等[9]采用開封市主城區(qū)POI 數(shù)據(jù)，利用區(qū)位熵方法識別出了不同街區(qū)的主導(dǎo)功能；Qin 等[10]通過捕捉興趣點(diǎn)的多空間分布模式來識別城市功能區(qū)，準(zhǔn)確率為72.9%；Xue等人[11]基于POI數(shù)據(jù)和行政邊界數(shù)據(jù)等多源大數(shù)據(jù)，識別了沈陽市城市功能區(qū)。

本文以路網(wǎng)尺度下的POI 數(shù)據(jù)量化方法識別城市功能分區(qū)，并對城市功能混合度進(jìn)行計算，定量分析城市空間結(jié)構(gòu)，以期為城市功能分區(qū)研究提供一定的參考，幫助城市規(guī)劃者更好地把握城市空間布局。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)概況

1.1 研究區(qū)域概況

濟(jì)南市作為山東省省會，山東半島城市群和濟(jì)南都市圈核心城市，在城市中具有一定代表性，具有較高的研究意義。本文參照《濟(jì)南市城市總體規(guī)劃(2011—2020 年）》選取濟(jì)南市中心城區(qū)作為研究區(qū)域，總面積約為1 016km2。

1.2 研究數(shù)據(jù)概況

1.2.1 POI數(shù)據(jù)

POI是表征地理空間實(shí)體的點(diǎn)數(shù)據(jù)，具有名稱、經(jīng)度、緯度以及類型等屬性[12]，海量、多樣性、處理速度快和精確度高等特點(diǎn)。

利用Python 軟件2022 年6 月爬取高德地圖公開的濟(jì)南市中心城區(qū)POI數(shù)據(jù)，剔除重復(fù)數(shù)據(jù)和影響力較低的數(shù)據(jù)后最終得到219905條數(shù)據(jù)。參照《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》及POI數(shù)據(jù)實(shí)際獲得類型，將POI重分類為居住用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、公共管理服務(wù)用地、交通設(shè)施用地、工業(yè)用地、綠地和廣場用地六大類型，數(shù)據(jù)采集及重分類結(jié)果如圖1所示。

1.2.2 OSM路網(wǎng)數(shù)據(jù)

OSM 道路網(wǎng)數(shù)據(jù)2022 年在Open Street Map 官網(wǎng)下載獲取，借助ArcGIS軟件，提取濟(jì)南市高速公路、城市主干道及一級、二級、三級道路，修改道路拓?fù)溴e誤，轉(zhuǎn)換獲取閉合無缺的面狀要素作為研究單元。

2 研究方法

2.1 POI權(quán)重賦值方法

為降低因POI 數(shù)量及其包含語義的差異對功能區(qū)分類造成的不同程度影響[13]，引入公眾認(rèn)知度、空間面積特征2個指標(biāo)分析計算POI數(shù)據(jù)的權(quán)重值。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)研究，得到最終權(quán)重如表1所示。

圖1 POI重分類結(jié)果

表1 濟(jì)南市中心城區(qū)重分類POI權(quán)重表

2.2 POI核密度的計算

核密度估計基于地理學(xué)第一定律，是衡量POI數(shù)據(jù)聚集程度最重要、最直觀的方法[14]，且結(jié)果可視化，被廣泛應(yīng)用于城市商業(yè)聚集空間及熱點(diǎn)、城市設(shè)施服務(wù)等研究。核密度估計結(jié)果受核函數(shù)影響較小，受帶寬的影響較大[15]，帶寬越大，平滑程度越好，但熱點(diǎn)區(qū)域會被掩蓋，致使特征不明顯；帶寬越小，平滑程度越差，可以呈現(xiàn)更多細(xì)節(jié)，卻會影響連續(xù)性和關(guān)聯(lián)性。經(jīng)過多次試驗(yàn)，本文最終選擇500m作為核密度估計的帶寬。

2.3 城市功能區(qū)識別

參考池嬌等人的研究[16]，以劃分完成的路網(wǎng)作為基本研究單元，構(gòu)建頻率密度識別指標(biāo)體系來識別功能性質(zhì)，計算公式如下：

其中，i表示POI 數(shù)據(jù)類型，共6 類；di代表各單元中第i類POI 數(shù)據(jù)的核密度值；Wi代表i類POI 數(shù)據(jù)的權(quán)重值；Fi代表每個單元內(nèi)第i類POI 數(shù)據(jù)的頻率密度，其意義是第i類POI數(shù)據(jù)占該研究單元內(nèi)所有POI數(shù)據(jù)的百分比。

通過上述公式，計算可得各研究單元的頻率密度值Fi，作為認(rèn)定各單元功能分區(qū)類型的依據(jù)。若單元內(nèi)某一類POI數(shù)據(jù)的Fi值大于或等于50%時，認(rèn)定該研究單元為單一功能區(qū)，功能分區(qū)用地類型則由POI數(shù)據(jù)類型而定；若研究單元內(nèi)所有類型POI 數(shù)據(jù)的Fi值均小于50%時，初步判定該功能分區(qū)基本單元是混合功能區(qū)，當(dāng)某類型POI比例大于40%且遠(yuǎn)大于其他5種類型比例，仍認(rèn)定為單一功能區(qū)，否則混合類型取決于單元內(nèi)2～4種占比較大的POI數(shù)據(jù)類型；而若基本單元無POI數(shù)據(jù)，即Fi值為0時，記為無數(shù)據(jù)區(qū)。

2.4 混合度計算

在城市建成區(qū)中，城市混合用地及混合功能是十分普遍的現(xiàn)象，適當(dāng)提高土地利用功能混合度，可以提高土地利用效率，有利于可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級[17]。根據(jù)混合度計算模型，對研究區(qū)域的城市用地混合度進(jìn)行計算，其計算公式如下：

式中，M表示混合度計算結(jié)果，n表示研究單元內(nèi)POI 分類數(shù)量，pi表示單元內(nèi)第i類POI數(shù)據(jù)的占比。

3 結(jié)果分析

3.1 分區(qū)結(jié)果精度分析

為檢驗(yàn)分區(qū)結(jié)果的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取各單一功能區(qū)及以此單一功能區(qū)為主的混合功能區(qū)20個，將功能分區(qū)結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)地圖、《濟(jì)南市城市總體規(guī)劃(2011-2020年）》等進(jìn)行對比，驗(yàn)證總體準(zhǔn)確率。結(jié)果完全相符記3分，基本相符記2分，有相同屬性記1分，完全不符記0分。精度計算公式如下：

式中，n為抽樣總數(shù)；Bi為符合度滿分值；bi為符合度實(shí)際得分值。經(jīng)計算，分區(qū)結(jié)果的準(zhǔn)確率為82.6%，文中方法具有較高的精度，可實(shí)現(xiàn)城市功能區(qū)的有效識別。

3.2 城市功能區(qū)分析

利用ArcGIS 對單一功能區(qū)(494 個）、混合功能區(qū)(910個）和無數(shù)據(jù)區(qū)(8個）進(jìn)行了地圖可視化，各功能區(qū)分布如圖2所示。單一功能區(qū)中，商業(yè)服務(wù)業(yè)用地數(shù)量最多，工業(yè)用地次之；混合功能區(qū)中,“公居商”“公商”“工居商”幾種類型的混合功能區(qū)數(shù)量最多；無數(shù)據(jù)區(qū)由于缺少POI數(shù)據(jù)形成，多零散分布于城市邊緣。

圖2 濟(jì)南市中心城區(qū)功能區(qū)分區(qū)圖

整體來看，居住用地作為單一功能區(qū)的基本單元較少且相對分散，大多分布在商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、工業(yè)用地附近，遠(yuǎn)離重工業(yè)區(qū)。居民區(qū)周圍因各類配套生活設(shè)施的存在，居住用地多以混合功能區(qū)形式存在，且大多表現(xiàn)為與公共管理服務(wù)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、交通設(shè)施用地、工業(yè)用地幾種類型相互混合，其中，“公居商”類型混合功能區(qū)最多，為319個；綠地和廣場用地數(shù)量最少，面積大且相互獨(dú)立，千佛山風(fēng)景名勝區(qū)、華山湖公園、大千佛山風(fēng)景區(qū)、臘山均能正確識別，與現(xiàn)實(shí)相符。在混合功能區(qū)中，包含綠地和廣場用地的混合功能區(qū)數(shù)量較少，且主要是與商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、公共管理服務(wù)用地相混合；工業(yè)用地面積大、多集聚，集中分布于歷城區(qū)東部、天橋區(qū)、長清區(qū)，相較于其他單一功能區(qū)，工業(yè)用地更靠近研究區(qū)域外圍。高新技術(shù)類公司企業(yè)一般與商業(yè)金融區(qū)或科教文衛(wèi)區(qū)相伴相生，故工業(yè)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、公共管理服務(wù)用地相混合的混合功能區(qū)比例較高；商業(yè)服務(wù)業(yè)用地多分布在研究區(qū)域的中心位置，多集聚。越接近研究區(qū)域邊緣，商業(yè)服務(wù)業(yè)用地單一功能區(qū)數(shù)量越少；交通設(shè)施用地數(shù)量少分散分布，主要為濟(jì)南站、濟(jì)南東站、濟(jì)南西站、濟(jì)南長途汽車西站等重要交通樞紐所在研究單元；公共管理服務(wù)用地的單一功能區(qū)數(shù)量較少，主要表現(xiàn)為山東省政府、濟(jì)南奧林匹克體育中心、濟(jì)南市政府、齊魯工業(yè)大學(xué)等所在研究單元。混合類型的公共管理服務(wù)用地數(shù)量多，因其包含的科教文化、體育休閑、政府機(jī)構(gòu)、醫(yī)療保健幾類用地大多與其他用地相結(jié)合為城市居民提供服務(wù)。

3.3 混合度識別分析

為了獲取精準(zhǔn)的城市功能區(qū)混合度，將研究區(qū)域進(jìn)一步劃分為200m×200m的精細(xì)化格網(wǎng)，得到25 953個研究單元。根據(jù)混合度計算模型，得到濟(jì)南市城市功能區(qū)混合度分布圖，如下：

圖3 濟(jì)南市中心城區(qū)功能用地混合度

分析圖3 可得，濟(jì)南市中心城區(qū)功能用地的總體混合度較高，可反映城市功能發(fā)展較為完善；混合程度“中心高、四周低”且分布具有一定的空間集聚性，與混合功能區(qū)分布一致；長清區(qū)高校較多，帶動了各類產(chǎn)業(yè)發(fā)展，相較于鄰近區(qū)域混合度較高；中心城區(qū)的外沿區(qū)域混合度較低，可結(jié)合實(shí)際情況，在確保環(huán)境承載能力的基礎(chǔ)上，適當(dāng)開發(fā)發(fā)展。

4 結(jié)束語

基于核密度估計算法，以POI 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，識別出了濟(jì)南市中心城區(qū)功能區(qū)，對識別結(jié)果進(jìn)行精度評價，驗(yàn)證了定量識別城市功能區(qū)方法的可行性，并在此基礎(chǔ)上計算了城市功能用地混合度，可為城市未來規(guī)劃布局提供參考。由于POI數(shù)據(jù)是點(diǎn)狀要素類型，識別精度仍稍顯不足，今后將引入其他大數(shù)據(jù)輔助，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)等方法開展研究，以期提高識別精度，更科學(xué)地為城市發(fā)展規(guī)劃提供借鑒。