基于大數(shù)據(jù)的城市功能區(qū)人口時空聚散模式研究

王 潤 澤，周 鵬，潘 悅，林 奕 晨，項(xiàng) 曉

(武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著城市建設(shè)進(jìn)入存量挖潛階段，識別城市功能區(qū)并探究人類活動規(guī)律已成為城市研究中的重要課題。傳統(tǒng)城市功能區(qū)的劃分與識別主要依據(jù)土地利用類型，基于土地規(guī)模、用途、空間分布等特征的集聚效應(yīng)，將城市土地功能劃分為單一用途分區(qū)，具有一定局限性和主觀性，且數(shù)據(jù)獲取困難[1-3]。大數(shù)據(jù)時代背景下，多元數(shù)據(jù)及其挖掘技術(shù)的不斷進(jìn)步，革新了城市功能區(qū)識別和人口活動時空規(guī)律挖掘的數(shù)據(jù)框架和技術(shù)體系，為城市功能區(qū)人口時空聚散模式研究提供了新的參考方向。

目前，面向人口活動的時空聚散規(guī)律研究成果較為豐富[4]。例如：劉彤等基于POI和多時相百度熱力數(shù)據(jù)，挖掘沈陽市中心城區(qū)的人口時空分布規(guī)律，探析工作日和周末的城市人口活動差異[5]；曹勁舟等利用微博簽到數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建人口移動出行活動鏈，研究城市人口活動的時空動態(tài)性[6]；楊喜平等在分析人口時空聚散模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合土地規(guī)劃數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人口聚散與土地利用之間的內(nèi)在聯(lián)系[7]。隨著土地集約節(jié)約利用成為城市發(fā)展的必然選擇，城市用地混合利用越來越受到重視。然而，已有研究主要根據(jù)土地利用類型探究人口時空聚散模式[8]，對城市空間功能的復(fù)雜性和多樣性缺乏考慮，難以探究不同城市功能區(qū)的人口時空聚散模式。鑒于此，本文基于POI數(shù)據(jù)識別城市功能區(qū)類型，利用位置服務(wù)(LBS)數(shù)據(jù)測度人口凈流量時空變化，并定量探究不同城市功能區(qū)人口流動差異性和時空聚散模式，以期為科學(xué)合理地制定國土空間規(guī)劃、完善配套設(shè)施建設(shè)等提供理論與實(shí)踐支撐。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)包括：1)武漢市主城區(qū)POI數(shù)據(jù)，源于泛在網(wǎng)絡(luò)信息抓取，共290 468條，包括數(shù)據(jù)類型(住宅、教育、生活、醫(yī)療、政府、公共設(shè)施等14種[9])、數(shù)量、坐標(biāo)、地址和所屬行政區(qū)類型(表1)；2)騰訊位置服務(wù)(LBS)數(shù)據(jù)，通過Python爬蟲技術(shù)獲取武漢市主城區(qū)2019年4月28日1：00-24：00時段的人口流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)粒度為公里網(wǎng)格，抓取時間間隔為30 min，主要包含時間、經(jīng)度、緯度及點(diǎn)位熱度4個字段[10]。

表1 POI數(shù)據(jù)功能分類Table 1 Classification of POI data functions

1.2 研究方法

本文研究技術(shù)路線見圖1，包括城市功能區(qū)識別、不同城市功能區(qū)的人口流動差異和時空聚散模式三方面，采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、空間關(guān)聯(lián)和聚類分析等方法對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可視化。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

1.2.1 城市功能區(qū)識別 城市功能區(qū)識別的基本單元分為宗地單元、均勻網(wǎng)格和道路網(wǎng)格單元。宗地單元間的面積差異較大，均勻網(wǎng)格無法準(zhǔn)確捕捉城市街區(qū)不規(guī)則的復(fù)雜形態(tài)，而道路網(wǎng)格單元能更好地兼顧城市道路實(shí)際形態(tài)和地塊規(guī)模均衡性[11]。因此，本研究以道路網(wǎng)格單元為基本單元，以POI數(shù)量、密度和優(yōu)勢功能識別為重點(diǎn)，將城市功能區(qū)劃分為單一功能區(qū)和混合功能區(qū)[12]。首先利用功能密度指數(shù)(式(1))和功能優(yōu)勢指數(shù)(式(2))評估城市功能區(qū)的第一、第二優(yōu)勢功能，當(dāng)?shù)谝粌?yōu)勢功能的功能優(yōu)勢指數(shù)大于50%時，將評估單元劃分為單一功能區(qū)，否則劃分為混合功能區(qū)[13]；然后基于網(wǎng)絡(luò)分析方法，識別第一、第二優(yōu)勢功能的組織模式與組合特征[14-16]。由于不同類型的POI數(shù)量差異明顯，計算評估單元內(nèi)的功能密度指數(shù)時，需同時考慮POI數(shù)量、單元面積和不同類型POI的總量差異。

PDij=Nij/(SjMi)

(1)

(2)

式中：PDij、Nij、FPij分別為第i(i=1,2,3,4,5,6)種功能在第j(j=1,2,3,…,n)個評估單元內(nèi)的功能密度指數(shù)、POI數(shù)量和功能優(yōu)勢指數(shù)；Sj為第j個評估單元的面積；Mi為第i種功能的POI總數(shù)量。

1.2.2 不同城市功能區(qū)的人口流動差異 城市功能區(qū)的分布可直接影響城市人口出行分布特征，不同城市功能區(qū)的人口活動規(guī)律存在一定差異。為得到各類城市功能區(qū)人口流動規(guī)律，基于LBS數(shù)據(jù)識別出各評價單元每小時人口流入和流出的差值，并將其標(biāo)注為凈流量，將識別出的各類城市功能區(qū)與人口凈流量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，計算出單位時間內(nèi)各類城市功能區(qū)所在道路網(wǎng)格單元的人口凈流量之和，據(jù)此分析不同城市功能區(qū)一天內(nèi)各時段人口凈流量總和變化趨勢[17-20]。

1.2.3 不同城市功能區(qū)的人口時空聚散模式 將單位時間內(nèi)不同城市功能區(qū)的人口凈流量數(shù)據(jù)組成集合N，其包含34×23個數(shù)據(jù)(單一、混合功能區(qū)共36種，剔除了2種樣本極少且面積極小的功能)；將集合中各元素按從小到大順序排列，然后基于十分位數(shù)法對其進(jìn)行分割，分割斷點(diǎn)處的凈流量值為M=[-231,-120,-55,-19,0,25,72,130,255],據(jù)此對每個功能區(qū)人口凈流量聚散程度進(jìn)行等級劃分(表2)；最后利用WEKA數(shù)據(jù)挖掘工具中的K-means算法對不同城市功能區(qū)人口聚散等級矩陣進(jìn)行聚類分析，得到6種模式，綜合其構(gòu)成特征，分析每種模式的主導(dǎo)城市功能和人口聚散變化規(guī)律。

表2 不同功能區(qū)人口凈流量聚散等級劃分Table 2 Grade division of aggregation and dispersion of net population flow in different functional areas

2 結(jié)果與分析

2.1 城市功能區(qū)識別

利用式(1)和式(2)計算研究區(qū)各道路網(wǎng)格單元的第一、第二優(yōu)勢功能(圖2)。從空間分布格局看，第一優(yōu)勢功能(圖2a)中，武漢市主城區(qū)各類功能的數(shù)量較為均衡，且具有明顯的集聚效應(yīng)，但每類功能的空間形態(tài)差異顯著：綠地功能呈明顯的“帶狀+塊狀”集聚形態(tài)，商業(yè)功能呈“點(diǎn)狀+帶狀”集聚分布，工業(yè)功能主要集聚分布在城市三環(huán)線以外，形成“兩舊一新”的工業(yè)中心格局，居住功能主要緊密環(huán)繞在城市生態(tài)資源外圍。第二優(yōu)勢功能分布格局(圖2b)顯示，交通和居住功能的規(guī)模顯著提升，而商業(yè)功能明顯下降，主要呈居住、交通和商業(yè)功能相鄰分布。

圖2 第一、第二優(yōu)勢功能分布Fig.2 Distribution of the first and the second dominance function

將各道路網(wǎng)格單元劃分為單一功能區(qū)和混合功能區(qū)，其分布特征為：1)不同單一功能區(qū)的空間分布格局呈明顯差異性(圖3a)。綠地功能區(qū)集聚效應(yīng)明顯，主要集聚在長江、東湖、自然山體等大型自然生態(tài)資源附近；公共功能區(qū)呈局部集聚而整體分散的“簇—網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，主要分布于綠地功能區(qū)附近；商業(yè)功能區(qū)主要集聚在商圈和城市中心區(qū)附近，而居住功能區(qū)則環(huán)繞在商圈和大型生態(tài)資源外圍，且商業(yè)和居住功能區(qū)“空間相鄰”分布顯著，呈局部集聚。2)混合功能區(qū)主要集聚在三環(huán)線以內(nèi)，且在主城區(qū)一環(huán)線內(nèi)斑塊破碎度較大，而在三環(huán)線附近斑塊連片度較大(圖3b)。以商業(yè)功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)主要分布于城市主中心和副中心，包括王家墩中央商務(wù)區(qū)與光谷、王家灣、洪山廣場、楊春湖和其他城市副中心；以工業(yè)功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)主要呈環(huán)狀分布于城市外圍；以公共功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)主要以少數(shù)斑塊零散分布在主城區(qū)；以綠地功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)主要分布在東湖和墨水湖周圍；以居住功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)主要分布在大型自然開敞空間周圍，遍布于武漢市主城區(qū)。

圖3 單一、混合功能區(qū)Fig.3 Single and mixed function zoning

通過對不同城市功能區(qū)的功能混合類型進(jìn)行分析(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)：在以商業(yè)功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)內(nèi)，商業(yè)功能與公共、交通功能混合較多，呈現(xiàn)出“商公”“商交”類型；在以居住功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)內(nèi)，居住功能與公共、交通和商業(yè)功能混合較多，形成“居商”“居公”“居交”類型；在以交通功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)內(nèi)，交通功能與公共、居住功能混合較普遍，即“交公”“交居”類型；在以公共功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)內(nèi)，商業(yè)、交通功能的POI出現(xiàn)頻率較高，形成大量的“公交”“公商”類型；以工業(yè)功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)與其他功能混合較均衡。

注：數(shù)值表示相應(yīng)功能區(qū)的數(shù)量。

2.2 不同城市功能區(qū)的人口流動差異

將研究區(qū)各道路網(wǎng)格單元的每小時人口凈流量與城市功能區(qū)進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，可得到每個功能區(qū)的總?cè)丝诹鲃幼兓厔輀21-23](圖5)。以工業(yè)功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)一天內(nèi)人口活動變化呈明顯的“波動增減”現(xiàn)象。7：00后“上班族”涌入，人口呈集聚現(xiàn)象，下班后(18：00-20：00時段)，大部分人會進(jìn)行其他社會性活動，“工交”“工商”及“工居”功能承接工作人口的涌入；以公共功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)由于與商業(yè)功能聯(lián)動較多，且商業(yè)功能包含大量娛樂場所，所以在21：00后“公商”功能與其他功能的人口變化存在一定差異性，呈現(xiàn)涌入現(xiàn)象；以交通功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)在7：00-8：00會有大量人口涌入，通行需求明顯；以居住功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)人口活動變化呈現(xiàn)“波動強(qiáng)度遞減”現(xiàn)象，在7：00-8：00時段出于工作和交通需求促使“居交”“居商”功能人口流入；綠地單一與混合功能分區(qū)的人口凈流量變化曲線差異顯著，以綠地功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)人口在一天內(nèi)無明顯動態(tài)變化，而單一綠地功能區(qū)在6：00-9：00以及18：00-20：00時段有明顯人口集聚現(xiàn)象；以商業(yè)功能為第一優(yōu)勢的混合功能區(qū)包含商業(yè)購物中心和娛樂場所，在5：00-11：00時段會吸引人口涌入。

圖5 不同城市功能區(qū)人口凈流量趨勢Fig.5 Trend of net population flow in different urban functional areas

2.3 不同城市功能區(qū)的人口時空聚散模式

基于聚類分析得到的人口時空聚散模式如圖6所示。整體上看，模式1和模式4在特定的時間點(diǎn)呈現(xiàn)出人口集聚現(xiàn)象，聚散變化規(guī)律性較強(qiáng)；模式2和模式3在一天內(nèi)人口集聚時間較長，其中模式3在所有模式中集聚時間最長，而模式5、模式6相較于其他模式表現(xiàn)出完全不同的人口聚散變化。為更加清晰地識別出6種模式之間的人口聚散起止時間、強(qiáng)度變化的相似性和區(qū)別點(diǎn)，對比分析具有相似或相反特征的人口聚散模式。

圖6 基于聚類分析的城市功能區(qū)人口時空聚散模式Fig.6 Spatiotemporal aggregation and dispersion patterns of population in urban functional areas based on cluster analysis

模式1主要分布于交通樞紐站(武漢站、中南路等)和醫(yī)療教育(華中師范大學(xué)、同濟(jì)醫(yī)院等)等公共服務(wù)中心處，呈現(xiàn)“圈層+軸向延伸”式空間布局，模 式4主要分布于大型生態(tài)資源(東湖、漢口江灘、沙湖公園等)及其周邊配套建設(shè)的商業(yè)設(shè)施和交通場站，呈現(xiàn)“圈層+帶狀”式空間布局，兩種模式包含的城市功能不同，故在人口聚集強(qiáng)度和起止時間方面存在一定差異。在17：00和19：00時，由于學(xué)生放學(xué)、工作群體下班，模式1會出現(xiàn)短暫人口集聚，為避免與學(xué)生、工作群體在晚高峰時段發(fā)生出行沖突，模式4的人口集聚起止時間比模式1提前1 h。

模式3主要為高密度老城區(qū)(常青花園、武昌首義區(qū)等)，呈“散塊”式空間布局，多位于武漢市各區(qū)級中心，能提供工作崗位并滿足市民的居住、購物等其他社會性需求，因此在5：00-22：00時段內(nèi)，模式3與其他模式的人口聚散變化有明顯差異，呈現(xiàn)出高強(qiáng)度、長時間的人口聚集狀態(tài)。模式2與模式3在空間分布上鄰近，但兩種模式的功能定位不同，導(dǎo)致人口活動空間和人口密度差異巨大。模式2主要分布于交通便利的中心城區(qū)商務(wù)區(qū)(王家墩、洪山廣場)和郊區(qū)的產(chǎn)業(yè)園生活區(qū)，呈現(xiàn)出“圈層+軸向延伸”式空間布局，區(qū)域人口為節(jié)約時間會在周邊選擇居住場所，縮短通勤距離，導(dǎo)致活動空間有限，人口聚集強(qiáng)度明顯低于模式3，且由于居住地距工作地較近，在午餐時間模式2會出現(xiàn)短暫的消散現(xiàn)象。

模式5主要分布于城市郊區(qū)功能配套完善的小型商住混合區(qū)，呈疏點(diǎn)式分布，區(qū)域城市用地功能混合度較高，會在不同時段吸引不同需求的人，導(dǎo)致在一天內(nèi)該區(qū)域沒有很強(qiáng)的人口聚散現(xiàn)象，整體上呈動態(tài)平衡狀態(tài)。模式6主要分布于城市郊區(qū)的工業(yè)園(青山區(qū)武鋼工業(yè)園區(qū)、漢陽黃金口工業(yè)園區(qū)和白沙洲南部的新興汽車工業(yè)園區(qū))，呈現(xiàn)“圈層”式空間布局，區(qū)域擁有大量工作崗位，導(dǎo)致在5：00-11：00時段出現(xiàn)高強(qiáng)度的人口聚集狀態(tài)。

分析6種不同城市功能人口的時空聚散模式可以發(fā)現(xiàn)，一方面，城市用地功能的混合改善了城市建成區(qū)環(huán)境，提升了空間可達(dá)性并完善了配套服務(wù)設(shè)施，從而影響城市居民的日常出行需求；另一方面，城市人口聚散過程發(fā)生在不同的時空層次，受不同行為主體的居住、工作、娛樂、生態(tài)及交通等需求的驅(qū)動，會推動城市用地功能和空間結(jié)構(gòu)改善。綜合城市功能區(qū)人口流動的變化趨勢、時空需求差異和構(gòu)成特征，可將研究區(qū)域劃分為6種人口聚散模式(圖7)，分別為公共主導(dǎo)-聚散波動型、商務(wù)主導(dǎo)-持續(xù)集聚型、居住主導(dǎo)-持續(xù)集聚型、綠地主導(dǎo)-聚散交替型、商業(yè)主導(dǎo)-動態(tài)平衡型和工業(yè)主導(dǎo)-先聚后散型。

圖7 人口聚散模式分布Fig.7 Distribution of population aggregation and dispersion patterns

3 結(jié)論與討論

本研究融合POI數(shù)據(jù)和騰訊位置服務(wù)大數(shù)據(jù)，識別研究區(qū)內(nèi)城市混合用地功能，并對不同功能區(qū)的人口凈流量變化趨勢進(jìn)行定量分析，探究不同城市功能區(qū)的人口時空聚散模式。結(jié)果表明：1)武漢市三環(huán)線以內(nèi)用地功能混合度較高，且不同功能組合差異明顯。主要以“商公”“居商”“交公”“公商”等類型出現(xiàn)；2)不同城市功能區(qū)對居民的吸引力和吸引時間不同，促使各城市功能區(qū)呈現(xiàn)差異性顯著的人口時空變化規(guī)律。其中，工業(yè)混合功能分區(qū)和居住混合功能分區(qū)人口變化規(guī)律較為明顯，分別呈現(xiàn)出“波動增減”和“波動強(qiáng)度遞減”現(xiàn)象；3)武漢市中心城區(qū)劃分為6種人口聚散模式，且各模式間的人口聚散起止時間、聚散強(qiáng)度、用地功能和空間分布存在差異。

通過對城市功能區(qū)人口時空聚散模式的研究能優(yōu)化城市空間布局、增強(qiáng)城市活力、改善城市交通管理、提升城市效率。例如，在存量規(guī)劃階段，根據(jù)人口時空聚散模式，發(fā)現(xiàn)城市用地功能、空間與居民時空需求之間的聯(lián)系，改善既往“終極藍(lán)圖”式用地布局和開發(fā)方式，結(jié)合大數(shù)據(jù)科學(xué)控制土地開發(fā)強(qiáng)度、功能選擇，形成城市功能和人口需求之間良好的互動。在改善城市交通管理方面，研究城市功能區(qū)的人口時空聚散模式，能更詳細(xì)地展現(xiàn)城市的局部人口活動時空動態(tài)變化，有助于城市管理者了解城市各功能區(qū)人口聚散的時間特點(diǎn)，從而科學(xué)規(guī)劃公交、地鐵等交通線路和運(yùn)營時間。相比已有的人口時空聚散模式研究，本文方法的貢獻(xiàn)在于：1)突破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)研究的局限性，改善了土地利用數(shù)據(jù)無法表征用地上的設(shè)施分布、功能狀況和統(tǒng)計人口數(shù)據(jù)尺度宏觀且時點(diǎn)單一的問題，從多功能混合、多時點(diǎn)序列視角挖掘不同城市功能區(qū)的人口時空聚散模式，提升了研究結(jié)果的多尺度性與科學(xué)性；2)已有人口聚散格局的研究多停留在利用密度分析或熱點(diǎn)分析探索單一時點(diǎn)的空間集聚形態(tài)，本研究探究連續(xù)時間序列的人口時空聚散規(guī)律，實(shí)證了此領(lǐng)域“時空序列研究”的可行性與優(yōu)勢；3)突破了傳統(tǒng)城市形態(tài)與人口移動的研究范式，利用POI大數(shù)據(jù)清晰劃分了不同的城市功能混合結(jié)構(gòu)，基于LBS數(shù)據(jù)及時空聚類方法挖掘人口聚散模式及其與城市功能的交互關(guān)系，從城市多功能混合、人口時空遷徙與變化角度豐富了人地關(guān)系研究的切入點(diǎn)。然而本文也存在不足，如缺乏城市具體地塊和其他城市的時空聚散規(guī)律的探究。