基于POI數(shù)據(jù)的北京市空間結(jié)構(gòu)分析

王迪，左小清 ，金寶軒

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.云南省自然資源廳國土資源信息中心，云南 昆明 650034)

1 引 言

城市空間結(jié)構(gòu)不斷隨著新政策措施的變化，城市內(nèi)不同類型要素的分布聚集情況隨之產(chǎn)生分異，各類要素地物的變化同時(shí)也反映出城市發(fā)展的階段化進(jìn)程。隨著城市面積擴(kuò)大以及常住人口的增加，社會(huì)保障問題以及城市規(guī)劃不合理等問題使得城市化質(zhì)量問題日益顯著。利用人類出行記錄、城市建筑等的互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，結(jié)合多樣化分析手段使得城市運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)效性、精細(xì)化探索城市問題有所提高。由傳統(tǒng)的基于“空間和場所”的感性分析手段轉(zhuǎn)換為更為理性的基于人類活動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)來探索城市空間布局的合理性[1]。不同類型的要素組合方式都會(huì)對(duì)城市功能建設(shè)及空間結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響，進(jìn)一步對(duì)整個(gè)城市的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生影響[2]。因此，掌握城市各區(qū)化空間的集聚效果，對(duì)科學(xué)實(shí)現(xiàn)城市系統(tǒng)規(guī)劃發(fā)展有重要意義。

目前，許多學(xué)者在基于POI數(shù)據(jù)的研究中多集中于城市多中心識(shí)別研究[3～5]、城市邊界提取[6，7]、城市居民時(shí)空變化[8，9]與城市功能區(qū)識(shí)別[10，11]等方面。陽建強(qiáng)表明城市發(fā)展方式正由一味向外擴(kuò)展轉(zhuǎn)為向內(nèi)調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高城市承載能力，優(yōu)化質(zhì)量與存量[12]；段亞明利用POI數(shù)據(jù)分析重慶市地物空間分布特征與聚集程度，進(jìn)而判斷識(shí)別城市多中心區(qū)域及影響范圍[13]；李衛(wèi)東通過對(duì)南京市POI數(shù)據(jù)分類，提取邊界及分類渲染等，實(shí)現(xiàn)對(duì)南京市商業(yè)中心提取及空間格局及定量研究分析[14]；樊文平利用POI數(shù)據(jù)與百度熱力圖數(shù)據(jù)驗(yàn)證濟(jì)南市各功能用地類型與人口流量分布一致性[15]；賈曉婷以POI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究烏魯木齊市公共休閑設(shè)施空間布局[16]；薛冰利用400多萬條興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)東北三省城市空間結(jié)構(gòu)與行業(yè)形成機(jī)制進(jìn)行分析研究[17]；竇旺盛充分利用POI數(shù)據(jù)對(duì)濟(jì)南市開展城市用地功能識(shí)別[18]；李江蘇采用POI數(shù)據(jù)對(duì)鄭東新區(qū)服務(wù)業(yè)進(jìn)行總體、分行業(yè)的空間布局聚類分析[19]；王奇通過計(jì)算POI在街區(qū)中的分布密度，進(jìn)行主成分分析從而對(duì)相應(yīng)功能區(qū)進(jìn)行可視化表達(dá)[20]?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)與應(yīng)用背景，以北京市POI數(shù)據(jù)為切入點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)行總規(guī)并利用GIS密度及熱點(diǎn)分析等方法研究城市空間要素聚集規(guī)律，探索城市功能空間特征。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)獲取

北京市作為全國政治、文化、國際交往以及科技創(chuàng)新中心，優(yōu)化城市的空間布局及明確各區(qū)功能定位有一定的必要性?！侗本┏鞘锌傮w規(guī)劃(2016年--2035年)》(http：//ghzrzyw.beijing.gov.cn/)中提出在要改變單個(gè)中心集聚發(fā)展的模式，在市域范圍內(nèi)形成“一核一主一副、兩軸多點(diǎn)一區(qū)”的城市空間結(jié)構(gòu)，并提出北京未來新的兩翼將為北京城市副中心與河北雄安新區(qū)，如圖1所示。

圖1 北京市城市規(guī)劃結(jié)構(gòu)示意圖

其中，“一核”為首都功能核心區(qū)，作為展示國家首都形象的重要窗口，要維護(hù)好其安全與穩(wěn)定，優(yōu)化提升城市基本服務(wù)功能；“一主”為中心城區(qū)即城六區(qū)，包括朝陽區(qū)、東城區(qū)、西城區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)、豐臺(tái)區(qū)，降低中心城區(qū)人口密度，擴(kuò)增用于保障中央政治服務(wù)空間，是疏散非首都功能的重要地區(qū)；“一副”為北京城市副中心，作為背景未來新兩翼中的一翼，將行政功能與城市各功能相互結(jié)合，打造完善的綜合城市配套功能；“兩軸”分別為中軸線及其延長線、長安街及其延長線，兩條線路分別以文化功能和行政功能為主，體現(xiàn)出國家豐厚的文化底蘊(yùn)的同時(shí)也能展示出莊嚴(yán)、穩(wěn)重的形象氣質(zhì)；“多點(diǎn)”分別為位于平原地區(qū)的順義、大興、亦莊、昌平、房山5個(gè)新城，既可以有連接中心城區(qū)服務(wù)功能，又可以有服務(wù)首都功能，是協(xié)調(diào)京津冀發(fā)展的重要區(qū)域；“一區(qū)”為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，包括門頭溝區(qū)、平谷區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)、延慶區(qū)、昌平區(qū)以及房山區(qū)的山區(qū)，秉承“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念，構(gòu)造和諧生態(tài)家園，維護(hù)生態(tài)平衡同樣也是城市發(fā)展中的主要任務(wù)。

本文研究的POI數(shù)據(jù)來源于高德地圖，獲取時(shí)間為2019年7月。經(jīng)過數(shù)據(jù)糾偏并去除研究范圍以外的數(shù)據(jù)后，共保留有效數(shù)據(jù) 1 323 597條，POI數(shù)據(jù)分布如圖2所示。依據(jù)高德POI數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)，將其分為生活服務(wù)、生活居住、公共服務(wù)、休閑娛樂與金融商務(wù)五大類，如表1所示。

圖2 北京市POI分布圖

北京市POI數(shù)據(jù)分類 表1

3 研究方法

3.1 核密度估計(jì)

核密度分析法是通過對(duì)空間點(diǎn)、線要素分布密度進(jìn)行連續(xù)模擬，有效計(jì)算挖掘每個(gè)輸出像元在其周圍鄰近要素中的密度并反映出要素的空間分布特征。本文利用核密度分析法探索北京市整體和各個(gè)類型POI數(shù)據(jù)集聚特征，為使得各等級(jí)差異化顯著，根據(jù)自然間斷法則提取分析等值線，分析不同類型數(shù)據(jù)的分布區(qū)域及形態(tài)。計(jì)算公式如下：

(1)

其中，f(x)為概率密度函數(shù)；x1，x2……xn為獨(dú)立同分布的n個(gè)樣本點(diǎn)；k為空間權(quán)重函數(shù)；h為帶寬，即距離衰減閾值。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法是根據(jù)點(diǎn)的疏密度、方位以及數(shù)量多少判斷其分布的一致性以及是否均勻?；竟ぷ髟頌橐砸仄骄行臑槠瘘c(diǎn)計(jì)算x坐標(biāo)以及y坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，以此確定橢圓的軸，通過此方法可以更為明確地感受到要素的方向性。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓形式如下：

(2)

(3)

3.3 熱點(diǎn)分析

熱點(diǎn)分析即對(duì)數(shù)據(jù)集中的每個(gè)要素進(jìn)行Getis-OrdGi*計(jì)算統(tǒng)計(jì)，是一種利用要素空間自相關(guān)性展現(xiàn)某要素的地理屬性與其鄰近具有同一地理屬性要素間的關(guān)系的分析法，通過分析統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)具有統(tǒng)計(jì)顯著性的冷熱點(diǎn)區(qū)域，進(jìn)而對(duì)地理現(xiàn)象的聚類特征進(jìn)行挖掘。其基本工作方式為：在指定范圍內(nèi)，通過比較某要素的相鄰要素總和與所有要素的總和，分析該要素在此范圍內(nèi)的集聚特征。當(dāng)?shù)贸龅木植靠偤团c預(yù)期局部總和有很大差異時(shí)，則無法產(chǎn)生隨機(jī)結(jié)果。若要素具有高值，且被其他同樣高值的要素所包圍，則表示其具顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的Z得分。計(jì)算公式如下：

(4)

4 城市基本空間結(jié)構(gòu)分布

4.1 城市要素形態(tài)分布特征

不同政策因素、規(guī)劃方案、產(chǎn)業(yè)聚集對(duì)城市發(fā)展有著重要影響，因此不同功能區(qū)的要素聚集特征也存在差異。通過表1發(fā)現(xiàn)，不同類型POI數(shù)據(jù)所占比例具有較大差異，其中，所占比例最高的功能類型為生活服務(wù)類，占比為51.93%，超過總數(shù)的一半以上；其次為公共服務(wù)類，占比為21.81%；而其他三類占比均不到20%，其中休閑娛樂類最少，占比不足5%。從不同POI類型分布的空間形態(tài)及所占比例可以反映出各類要素在城市的重要性。

通過對(duì)北京市POI數(shù)據(jù)進(jìn)行最近鄰分析得出其鄰近比率為 0.919 83，在1%的顯著性水平檢驗(yàn)下呈顯著的聚類模式。由于核心城區(qū)在城市發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位，其POI數(shù)量及分布密度在此區(qū)域內(nèi)也是最多，因此在選擇帶寬時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，無論帶寬大小為多少其密度分布最高點(diǎn)都在核心城區(qū)，通過調(diào)整與探索，發(fā)現(xiàn)以 2 km為帶寬時(shí)集聚效應(yīng)較明顯直觀，因此在此基礎(chǔ)上觀測整體和不同類型數(shù)據(jù)的密度分布特征。

將北京市整體POI核密度分布與城區(qū)分類進(jìn)行疊加，與北京市副中心位置與區(qū)位分析圖(來源于北京城市副中心控制性詳細(xì)規(guī)劃(街區(qū)層面)圖2)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)：①核密度值由核心區(qū)至中心城區(qū)依次向外圍遞減，密度最高點(diǎn)位于東城區(qū)東部與朝陽區(qū)西部連接處，次高密度點(diǎn)位于海淀區(qū)西南部，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)則分布密度最低，較散碎零星；②由長安街及其延長線的軸線上POI分布形態(tài)明顯，順義、大興、亦莊、昌平、房山5個(gè)新城區(qū)域密度分布適中；③經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，以東西主軸線交點(diǎn)為圓心分別以 10 km為間距向外圍擴(kuò)展，核密度分布最為密集的區(qū)域均處于中心城區(qū)內(nèi)；10 km～20 km以內(nèi)區(qū)域核密度分布基本適中；20 km～50 km以內(nèi)除了五大新城及 50 km外的懷柔、密云新城等，分布密度均很低。

圖3 POI核密度分布與北京市副中心區(qū)位對(duì)比分析圖

4.2 城市各類要素形態(tài)分布結(jié)構(gòu)

基于自然間斷法將各類要素核密度值分成9個(gè)級(jí)別，對(duì)五類要素進(jìn)行最近鄰指數(shù)分析(表2)，發(fā)現(xiàn)五類要素分布均呈集中團(tuán)塊型聚集模式。此分布模式的城市通常具有方格網(wǎng)狀或環(huán)形放射狀的道路體系，北京市恰好滿足這一特征，且在城市規(guī)模上沿多個(gè)方向向外擴(kuò)張，形成緊湊發(fā)展成團(tuán)塊狀的分布格局。

北京市各類型要素最近鄰指數(shù)分析 表2

(1)金融商務(wù)類空間分布

由圖4(a)可以看出，金融商務(wù)類要素聚集度最高的區(qū)域主要集中在海淀區(qū)東南部與朝陽區(qū)西部，依次擴(kuò)展至西城區(qū)西北部及東城區(qū)東部。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積最小，分布最為聚集緊湊。包括大量IT互聯(lián)網(wǎng)公司、創(chuàng)業(yè)公司及多所科研院所；朝陽區(qū)擁有絕大多數(shù)駐華領(lǐng)事館，海淀區(qū)擁有中關(guān)村、上地等傳媒機(jī)構(gòu)以及各類國際組織、商會(huì)、跨國公司總部等，其中各類證券、投行等金融公司、文化傳媒產(chǎn)業(yè)等也聚集在國貿(mào)、望京、酒仙橋等地；西城區(qū)、東城區(qū)則匯聚了銀行、商圈、保險(xiǎn)公司等多家企業(yè)。

(2)生活服務(wù)類空間分布

由圖4(b)中可以看出，生活服務(wù)類要素集聚最高點(diǎn)在朝陽區(qū)西部與東城區(qū)東部，其次延伸至西城區(qū)，周邊懷柔、密云、平谷等地也具有中等集聚核心，呈現(xiàn)出中心聚集，四周離散的分布模式。朝陽區(qū)在餐飲、購物方面占據(jù)主導(dǎo)地位，其中，位于朝陽區(qū)的三里屯太古里、國貿(mào)、潘家園舊貨市場、朝陽大悅城、以及位于東城區(qū)的王府井商圈、崇文新世界等著名商圈均聚集于此，形成極高聚集度，繼而向外延伸至擁有西單大悅城、金融街以及大柵欄等商圈的西城區(qū)。同時(shí)通州區(qū)由于發(fā)展萬達(dá)廣場、京通羅斯福廣場、東朗產(chǎn)業(yè)園等產(chǎn)業(yè)，聚集程度也適中，與北京市副中心發(fā)展戰(zhàn)略相呼應(yīng)。

(3)生活居住類空間分布

由圖4(c)發(fā)現(xiàn)，生活居住類要素密度最高點(diǎn)位于朝陽區(qū)與東城區(qū)相鄰處，由金融商務(wù)類與生活服務(wù)類要素分布可知，朝陽區(qū)與海淀區(qū)圍繞各類商圈及產(chǎn)業(yè)具備大量商務(wù)住宅。依次向外圍遞減，處于中等聚集度的昌平區(qū)、豐臺(tái)區(qū)擁有天通苑、回龍觀、方莊等大面積住宅社區(qū)以及處于五環(huán)以外的西山、燕西、城南、亦莊、中央別墅區(qū)等。

(4)公共服務(wù)類空間分布

由圖4(d)可以看出，公共服務(wù)類要素最高聚集點(diǎn)分別位于海淀區(qū)西部以及東城區(qū)和朝陽區(qū)相鄰交匯處，次高密度點(diǎn)則位于二者之間。其中醫(yī)療保健類中，三甲醫(yī)院及優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源在五環(huán)內(nèi)較為集中，海淀區(qū)、西城區(qū)以及東城區(qū)占比最大；政府機(jī)構(gòu)及社會(huì)團(tuán)體等主要集中在東城西城區(qū)以及長安街沿線；科研院校主要聚集于海淀區(qū)的學(xué)院路、成府路以及中關(guān)村南大街等；公共交通設(shè)施的熱點(diǎn)區(qū)域則主要聚集在城市近郊的大型居住社區(qū)附近[21]，以保障居民基本日常出行與生活。

(5)休閑娛樂類空間分布

由圖4(e)可以看出，休閑娛樂類要素分布最密集區(qū)位于東城區(qū)與朝陽區(qū)西部，處于中等聚集度分布等級(jí)較多且分散，呈現(xiàn)出一聚集核心，多中心離散的放射型分布模式。相比其他四類要素，其標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長軸與短軸最長，面積最大，分布最為分散。其中主城區(qū)內(nèi)故宮博物院、天安門廣場、人民英雄紀(jì)念碑等著名景點(diǎn)均分布在東城區(qū)，北京奧林匹克公園、歡樂谷、水立方等聚集于朝陽區(qū)，圓明園遺址公園、奧林匹克森林公園等位于海淀區(qū)。周邊城區(qū)同時(shí)具有各類不同風(fēng)格風(fēng)景區(qū)，包括位于延慶區(qū)的八達(dá)嶺長城、昌平區(qū)的明十三陵、豐臺(tái)區(qū)的盧溝橋、房山區(qū)的十渡風(fēng)景名勝區(qū)、石花洞、周口店坡峰嶺等風(fēng)景區(qū)，平谷區(qū)的京東石林峽、金海湖等景點(diǎn)，位于懷柔區(qū)的圣泉山、青龍峽、石門山的風(fēng)景區(qū)、密云區(qū)的古北水鎮(zhèn)、黑龍?zhí)?、密云水庫等自然風(fēng)景區(qū)。

圖4 北京市五大類POI核密度分布圖

4.3 城市要素集聚特征分析

通過采用Getis-OrdGi*統(tǒng)計(jì)計(jì)算，進(jìn)一步對(duì)五類要素在城市空間中的聚集情況進(jìn)行熱點(diǎn)分析。為避免因街區(qū)面積過大而影響大量POI密度反而小的情況，采用構(gòu)建規(guī)則格網(wǎng)的形式并以每個(gè)柵格單元為單位進(jìn)行熱點(diǎn)分析。根據(jù)不同單元連接點(diǎn)的個(gè)數(shù)，將每一類要素分為9個(gè)密度等級(jí)，如圖5所示。

圖5 北京市五大類POI熱點(diǎn)分布圖

從五類要素整體熱點(diǎn)分布來看，均以核心區(qū)為中心向四周發(fā)展，并逐漸形成北京市副城區(qū)發(fā)展規(guī)模，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)中由于以山區(qū)為主，設(shè)施服務(wù)分布數(shù)量少且分散。對(duì)五類要素單元柵格內(nèi)要素?cái)?shù)量及占地面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3)，發(fā)現(xiàn)：

(1)僅生活服務(wù)類要素單元內(nèi)個(gè)數(shù)存在 3 000以上，且100以上的不同等級(jí)中數(shù)量均是最多，主要集中在東、西城區(qū)的東長安街與崇文門內(nèi)大街和西長安街與北華新街交匯處周邊，以及中心城區(qū)的朝陽路、農(nóng)展館南路、建國路、大紅門路、藍(lán)靛廠路、西三環(huán)中路，以及大興區(qū)的市場路與京開高速周邊與順義區(qū)的府前東街附近。

(2)金融商務(wù)類要素單元內(nèi)個(gè)數(shù)在2 000以上的主要集中在東三環(huán)線與國貿(mào)橋交匯處、北清路、沙陽路以及中關(guān)村大街北二環(huán)與西直門交匯處周邊；數(shù)量在 1 000以上的主要分布在朝陽北路，東三環(huán)北路，光華路，東大橋路，東升南路，外交部街，秀水街等，均集中在朝陽區(qū)與海淀區(qū)。

(3)公共服務(wù)類要素單元內(nèi)個(gè)數(shù)在1 000以上的地區(qū)主要集中在順義區(qū)京密街與天緯三、四街交匯附近，海淀區(qū)中關(guān)村大街、科學(xué)院南路以及朝陽區(qū)光華路、東三環(huán)中路等。

(4)生活居住類要素單元內(nèi)個(gè)數(shù)沒有超過500，熱點(diǎn)區(qū)域主要集中在東城區(qū)崇文門外大街、北京站西街、朝陽門內(nèi)大街及朝陽區(qū)百子灣路、九龍山路等。

(5)由于休閑娛樂設(shè)施呈較分散的分布形式，其要素單元內(nèi)個(gè)數(shù)最高不超過500，超過200僅有3個(gè)單元。主要集中在東城區(qū)故宮東西門外、景山前街、東直門內(nèi)大街等，朝陽區(qū)東三環(huán)北路、朝陽北路、工人體育場北路、農(nóng)展館南路、呼家樓北街等。

將每一類要素占地面積與北京市面積相比，生活服務(wù)類占比最高，為19.51%，其次為公共服務(wù)類與金融商務(wù)類，分別為18.65%和17.38%，生活居住類與休閑娛樂類最少，均不超過10%，分別為6.12%和8.27%，但各類型要素?zé)狳c(diǎn)區(qū)域包含POI數(shù)量占總量比均在75以上，聚類效果明顯。

北京市柵格單元內(nèi)POI數(shù)量及占地面積圖 表3

5 結(jié) 語

本文利用北京市POI數(shù)據(jù)，通過核密度估計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓及熱點(diǎn)分析等方法對(duì)北京市POI空間集聚分布情況進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：研究區(qū)整體呈現(xiàn)出團(tuán)塊型集聚發(fā)展模式，POI分布密度由核心城區(qū)依次向外遞減，向北京市副中心發(fā)展的趨勢(shì)已逐漸成形。五大不同要素類型中，休閑娛樂類要素發(fā)展最快，處于中等聚集分布，呈現(xiàn)出一聚集核心，多中心離散的放射型分布模式，已向主城區(qū)外不斷擴(kuò)展發(fā)展。生活居住、生活服務(wù)與公共服務(wù)三者發(fā)展與城市居民生活聯(lián)系緊密，互相牽制影響力較大，逐漸形成一核心、多中心的發(fā)展機(jī)制。金融商務(wù)類要素分布最為聚集緊湊，發(fā)展相對(duì)滯后，主要集中在核心城區(qū)。為減輕城市中心城區(qū)的壓力，北京市不僅通過發(fā)展副城區(qū)來緩解中心緊張狀態(tài)，整體上的城市發(fā)展有著多核心、少聚集且覆蓋廣的發(fā)展趨勢(shì)。