POI數(shù)據(jù)輔助下的瀘州市城市地塊用地類型現(xiàn)狀快速判斷與驗(yàn)證*

辜寄蓉，吳修月，黃志勤，馮義從，方從剛

(1.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，成都 610101；2.四川省國土資源廳信息中心，成都 610072；3.成都市國土資源信息中心,四川成都 610032)

0 引言

當(dāng)今是一個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，豐富的數(shù)據(jù)獲取渠道和大規(guī)模的數(shù)據(jù)量為城市研究和城市管理帶來了新的機(jī)遇[1]。城市地塊是城市土地功能和人類活動(dòng)的載體。城市地塊用地類型的判別，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)境下主要通過土地供地類型或城市規(guī)劃類型來確定，這兩種方法都是規(guī)劃時(shí)點(diǎn)時(shí)對地塊未來的利用狀況進(jìn)行的設(shè)計(jì)與安排?，F(xiàn)在城市發(fā)展日新月異，城市地塊用地類型的變化也是非常迅速的，如何快速捕捉城市地塊用地類型的變化，只有輔以對變化敏感的網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，通過對大數(shù)據(jù)的挖掘，建立基于大數(shù)據(jù)的用地分類方法，快速精準(zhǔn)地對地類進(jìn)行識別，實(shí)現(xiàn)對城市土地的精細(xì)化管理。

網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)是指“人、機(jī)、物”三元世界在網(wǎng)絡(luò)空間(Cyberspace)中交互、融合所產(chǎn)生并在互聯(lián)網(wǎng)上可獲得的大數(shù)據(jù)[2-4]。目前可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺中的專業(yè)軟件、GPS、網(wǎng)絡(luò)日志等工具來采集諸如興趣點(diǎn)(Point of Interest，POI)數(shù)據(jù)、智能手機(jī)數(shù)據(jù)、公交智能卡數(shù)據(jù)、簽到數(shù)據(jù)、出租車軌跡數(shù)據(jù)等開放式的網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，其豐富的數(shù)據(jù)獲取渠道和大規(guī)模的數(shù)據(jù)量為智慧城市的研究工作提供了保障。

在此背景下，國內(nèi)外一些學(xué)者突破傳統(tǒng)的用地類型識別方法，使用開放路網(wǎng)數(shù)據(jù)、出租車活動(dòng)的GPS數(shù)據(jù)、地理位置標(biāo)簽等居民數(shù)字足跡實(shí)現(xiàn)對土地利用類型的動(dòng)態(tài)感知[5]。Toole等[6](2012)利用波士頓地區(qū)大約60萬匿名用戶的移動(dòng)電話的呼叫詳細(xì)記錄(CDR)數(shù)據(jù)，分析了居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地、公園等其他用的時(shí)空特征，以此來推斷城市用地類型。Hollenstein 等[7](2013)通過獲取800萬個(gè)Flikr網(wǎng)站上公開的有位置、時(shí)間等信息的圖像數(shù)據(jù)來確定倫敦、芝加哥悉等6個(gè)城市的核心區(qū)域。龍瀛等(2014)提出了利用OSM數(shù)據(jù)和POI自動(dòng)識別來描述地塊的方法，其中利用路網(wǎng)數(shù)據(jù)劃定地塊邊界，POI數(shù)據(jù)來識別生成地塊的開發(fā)密度、功能、混合使用程度以及人類活動(dòng)。池嬌等[8](2016)利用POI數(shù)據(jù)的類型劃分出武漢市都市發(fā)展區(qū)的城市功能區(qū)進(jìn)行劃分及可視化。梁軍輝等[5](2016)在分析海量出租車GPS數(shù)據(jù)與城市用地類型之間的相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，對深圳市福田區(qū)城市土地利用類型進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用較好地避免了因?yàn)椤皵?shù)據(jù)孤島”所導(dǎo)致的研究數(shù)據(jù)缺乏的問題，使得研究數(shù)據(jù)不在限于部門或行業(yè)的數(shù)據(jù)；同時(shí)由于大數(shù)據(jù)來源豐富、更新快速的特點(diǎn)，也使得研究的角度更豐富，可以更好地支撐如規(guī)劃實(shí)施驗(yàn)證等問題。當(dāng)前基于大數(shù)據(jù)對城市用地分類的理念和方法進(jìn)行革新，已成為研究的重要方向[2-4]。

1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)處理

瀘州是地處長江上游的地級市，位于四川省東南部，長江和沱江的交匯處。由于研究區(qū)域最好具有豐富的城市道路網(wǎng)和較完整的城市用地規(guī)劃以及聚集的城市活動(dòng)這樣的特征，我們選取了瀘州市城市規(guī)劃中所定義的中心城區(qū)范圍中的核心區(qū)域作為研究區(qū)。研究區(qū)包括瀘州市的江陽區(qū)和龍馬潭區(qū)的部分區(qū)域。

文章利用開放道路數(shù)據(jù)(OSM)和興趣點(diǎn)(POI)數(shù)據(jù)對瀘州市中心城區(qū)的核心區(qū)域進(jìn)行城市用地地塊類型的識別與分析。該研究中涉及的大數(shù)據(jù)包括ESRI公司的開放路網(wǎng)數(shù)據(jù)Open Street Map(OSM)，騰訊公司的開放興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)Point of Interest(POI)。為判斷POI數(shù)據(jù)對城市地塊用地類型分類結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們利用地籍?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了用地分類的劃分，將兩者的劃分結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1.1 POI數(shù)據(jù)處理

互聯(lián)網(wǎng)地圖的興趣點(diǎn)是面向大眾的。如谷歌、百度等網(wǎng)站允許市民提供他們自己感興趣地點(diǎn)的描述和這些地點(diǎn)的位置信息，其POI信息基本包含人們?nèi)粘Ｐ枰私獾男畔?。由于POI數(shù)據(jù)分類并不支持進(jìn)行城市用地類型的判別，因此，一方面要在對POI數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，形成與城市用地分類(GB50137-2011)的對應(yīng)關(guān)系；另一方面，一個(gè)城市地塊上會有多個(gè)不同類型的POI點(diǎn)，研究建立了一種測算方法，將多類型POI點(diǎn)匯總為一種城市土地利用類型。

該研究中收集的POI來自騰訊地圖(截止2016年6月)，并根據(jù)騰訊地圖的POI分類關(guān)鍵詞進(jìn)行了重新分類(圖1)。共分為15大類，150個(gè)二級類，二級類中可能包含三級類。每條POI記錄中包含經(jīng)度、緯度、名稱、地址、電話、類別6個(gè)屬性。

為進(jìn)行城市用地類型識別，需要將POI分類與城市用地分類標(biāo)準(zhǔn)相匹配，得到POI分類與城市用地分類的映射關(guān)系。同時(shí)對原始POI數(shù)據(jù)中，存在類別誤分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行清理。其中，POI數(shù)據(jù)中與倉儲物流有關(guān)的點(diǎn)大多是一些物流公司、快遞服務(wù)點(diǎn)，屬于“公司企業(yè)”分類，與城市用地分類標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的“倉儲用地”的定義不符。因此，取消此城市用地類型。具體分類映射關(guān)系圖如圖2所示。

1.2 路網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)是構(gòu)建城市地塊的不可缺少的支撐。該研究中，城市現(xiàn)狀路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于ESRI公司的OpenStreetMap(http：//www.openstreetmap.org/獲取時(shí)間2016年2月)，數(shù)據(jù)精度1∶1萬，其提供的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)中包括名稱、類型、長度等屬性。由于瀘州是二級城市，其OSM數(shù)據(jù)只包括了部分主干道、次干道和鐵路等，而城市內(nèi)部街道的路網(wǎng)數(shù)據(jù)不完整。研究中，使用天地圖上下載的高清影像圖(1.194 3m，17級)對研究區(qū)的城市內(nèi)部道路進(jìn)補(bǔ)充和修正，并將OSM數(shù)據(jù)集中的雙線道路處理為單線道路。研究區(qū)道路網(wǎng)成果如圖2所示。

構(gòu)建通暢的信息交流渠道。政府等相關(guān)部門應(yīng)該及時(shí)有效地對食品企業(yè)進(jìn)行安全教育培訓(xùn)及指導(dǎo)，鼓勵(lì)社會力量和企業(yè)積極參與到食品安全建設(shè)的工作中，從而有效構(gòu)建信息披露途徑。同時(shí)，企業(yè)在政府、社會企業(yè)的監(jiān)督和管理之下，需要向社會公眾和監(jiān)督部門及時(shí)披露食品安全信息，一旦發(fā)生安全問題應(yīng)該及時(shí)利用媒介向公眾道歉，做好公關(guān)處理和善后工作。

圖2 研究區(qū)道路分布

1.3 地籍?dāng)?shù)據(jù)處理

地籍?dāng)?shù)據(jù)是通過對每一宗地(由界址線包圍的土地)的土地權(quán)屬、位置、界址、數(shù)量、質(zhì)量以及利用狀況進(jìn)行調(diào)查和測量后繪制而成的地圖數(shù)據(jù)[8]。由于城市用地地塊大于城鎮(zhèn)地籍圖斑，研究以城市用地分類標(biāo)準(zhǔn)(GB50137-2011)為準(zhǔn)則，建立土地利用分類與之的映射關(guān)系(圖3)。研究區(qū)內(nèi)，各類用地的面積匯總見表1。

圖3 地籍?dāng)?shù)據(jù)與城市用地分類映射關(guān)系

該文將利用瀘州市第二次土地調(diào)查形成的地籍?dāng)?shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗(yàn)POI數(shù)據(jù)得到的城市用地類型精度。

2 用地類型判定

該文以街區(qū)為研究對象，利用網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)中的POI數(shù)據(jù)和開放路網(wǎng)數(shù)據(jù)，對城市地塊進(jìn)行劃分，判定城市地塊用地類型，并進(jìn)行驗(yàn)證。具體的技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 技術(shù)流程

圖5 城市地塊

2.1 提取城市地塊

地塊是指可辨認(rèn)出同類屬性的最小土地單元，即內(nèi)部特性和區(qū)位條件相對均勻的土地區(qū)域，是評定和劃定土地級別的基本空間單位[9]。在不同的尺度上，地塊表現(xiàn)為不同的形式，其面積可大可小[11]。該文中的地塊是指在街區(qū)尺度上，經(jīng)由城市道路所劃分出來的城市地塊。城市地塊劃分步驟為：①在OSM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上繪制并創(chuàng)建研究區(qū)路網(wǎng)線圖層；②對創(chuàng)建的線圖層進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和道路修剪，去除沒有與其他道路相連接的街道，確保道路數(shù)據(jù)圖層具有完整的拓?fù)溥B接關(guān)系，具體結(jié)果如圖5所示；③根據(jù)城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)定道路緩沖寬度：主干路(35m)、次干路(25m)、支路(15m)，從而形成道路的面圖層；④利用道路的面圖層對研究區(qū)進(jìn)行擦除處理，其形成的剩余空間則為城市地塊，共計(jì)372個(gè)。具體的城市地塊劃分結(jié)果如圖6所示。

2.2 基于POI數(shù)據(jù)的用地類型判別

考慮到某些POI點(diǎn)分散在城市街道上，未處于相鄰的地塊內(nèi)，因此對2.1中獲取的城市地塊，設(shè)立10m的緩沖區(qū)，以便能囊括更多的POI點(diǎn)。

分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)地塊及緩沖范圍內(nèi)，不同類型的POI數(shù)量。對每個(gè)地塊單元，構(gòu)建指標(biāo)頻數(shù)密度(frequency density，F(xiàn)D)和類型比例(category ration，CR)來識別地塊用地類型[12-14]，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

表2 POI數(shù)據(jù)地塊類型

式(1)、(2)中，i表示POI類型；ni表示地塊單元內(nèi)第i種類型POI數(shù)量；Ni表示第i種類型POI總數(shù)；Fi表示第i種類型POI占該類型POI總數(shù)的頻數(shù)密度；Ci表示第i中類型POI的頻數(shù)密度占單元內(nèi)所有類型POI頻數(shù)密度的比例。

研究中將類型比例值是否超過50%作為判斷單元用地類型的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)某一地塊單元中某種類型的POI比例占到50%及以上時(shí)，根據(jù)圖1所確定的POI與城市用地類型的映射關(guān)系，判定該地塊單元的城市用地類型；而當(dāng)單元內(nèi)所有類型的POI比例均沒有到達(dá)50%時(shí)，判定該地塊單元為混合地類；當(dāng)單元內(nèi)不包含POI，即類型比例為空值時(shí)，判定該地塊單元為無數(shù)據(jù)區(qū)。分類結(jié)果如圖6所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖6 POI地塊類型識別圖 圖7 地籍?dāng)?shù)據(jù)地塊類型識別圖

2.3 基于地籍?dāng)?shù)據(jù)的用地類型判別

將該區(qū)域的地籍?dāng)?shù)據(jù)與2.1提取的城市地塊進(jìn)行疊加，計(jì)算研究區(qū)不同地塊上不同類型地籍?dāng)?shù)據(jù)的面積占比(A)和類型比例(R)，計(jì)算公式為：

(3)

(4)

表3 地籍?dāng)?shù)據(jù)地塊類型

式(3)、(4)中，i表示地籍?dāng)?shù)據(jù)的類型；si表示某地塊單元內(nèi)地塊中第i種類型地籍?dāng)?shù)據(jù)的面積，Si表示i種類型地籍?dāng)?shù)據(jù)的總面積；Ai表示第i種類型地籍?dāng)?shù)據(jù)占該種類型地籍?dāng)?shù)據(jù)的比例；Ri表示第i中類型地籍?dāng)?shù)據(jù)的頻數(shù)密度占單元內(nèi)所有類型地籍?dāng)?shù)據(jù)頻數(shù)密度的比例。

將研究中類型比例值是否超過50%作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)某一地塊單元中某種類型的地籍?dāng)?shù)據(jù)比例占到50%及以上時(shí)，根據(jù)圖2所確定的土地利用分類與城市用地類型的映射關(guān)系，判定該地塊單元的城市土地用地類型。當(dāng)單元內(nèi)所有類型的地籍?dāng)?shù)據(jù)比例均沒有到達(dá)50%時(shí)，判定該地塊單元為混合地類。當(dāng)單元內(nèi)不包含地籍?dāng)?shù)據(jù)，即類型比例為空值時(shí)，判定該地塊單元為無數(shù)據(jù)區(qū)。分類結(jié)果如圖7所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

3 判定結(jié)果驗(yàn)證

將2.2和2.3中兩類判別結(jié)果進(jìn)行對比，統(tǒng)計(jì)分析其分類結(jié)果的一致性和差異性。

3.1 一致性驗(yàn)證

分類結(jié)果一致性的統(tǒng)計(jì)是以POI分類結(jié)果為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)地籍?dāng)?shù)據(jù)分類結(jié)果中與POI分類結(jié)果相一致和不一致的地塊個(gè)數(shù)和類型，建立地塊用地類型一致性判斷矩陣統(tǒng)計(jì)，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 地塊用地類型一致性判斷矩陣

圖8 空間分布差異圖

3.2 典型區(qū)域驗(yàn)證

由表4可以看出：①POI識別的無數(shù)據(jù)區(qū)地塊中有67%的地塊被地籍?dāng)?shù)據(jù)識別為居住用地的地塊；②POI識別的居住用地共有69個(gè)，而地籍?dāng)?shù)據(jù)識別的居住用地地塊共有175個(gè)；③POI識別的公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地與地籍?dāng)?shù)據(jù)識別的同類地塊有一定的差距。POI將一部分地籍?dāng)?shù)據(jù)判定的公共管理用地識別為混合用地，而POI判定的公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地被地籍?dāng)?shù)據(jù)多數(shù)判定為居住用地和商業(yè)用地等；④POI識別的商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地地塊中，絕大多被地籍?dāng)?shù)據(jù)識別的為居住用地地塊；⑤POI識別的類型為綠地的地塊比地籍?dāng)?shù)據(jù)識別的地塊多出接近一半，且相同的地塊也較少，不一致的地塊主要表現(xiàn)在地籍?dāng)?shù)據(jù)判定為居住用地和商業(yè)用地的地塊中；⑥POI識別的交通設(shè)施用地地塊與地籍?dāng)?shù)據(jù)識別的交通設(shè)施用地地塊完全不重合；⑦POI識別的混合用地地塊有74個(gè)，而地籍?dāng)?shù)據(jù)識別的混合用地地塊只有9個(gè)；⑧POI數(shù)據(jù)中關(guān)于物流倉儲的數(shù)據(jù)多為快遞公司或物流公司等點(diǎn)位信息，且網(wǎng)絡(luò)中POI的分類體系中沒有明確的物流倉儲這一分類，因此城市用地類型中物流倉儲用地缺失。通過地籍?dāng)?shù)據(jù)可識別出該類用地的地塊。一致性對比統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，地塊類型一致的地塊僅有72處。將這72處用地進(jìn)行空間對比，可以發(fā)現(xiàn)，分類結(jié)果一致的地塊在研究區(qū)中分布的比較零散，研究區(qū)中的絕大部分地塊的分類結(jié)果都不一致，分布對比結(jié)果如圖8。對研究區(qū)中的以下兩個(gè)區(qū)域(紅色區(qū)域和黃色區(qū)域)進(jìn)行對比分析。

由圖9和圖10對比可以看出，分類不一致的地塊主要集中在研究區(qū)的中部、東部以及河道以南區(qū)域。中部區(qū)域(紅色圈)是瀘州市主城區(qū)的核心區(qū)域，這里人口分布密度高，經(jīng)濟(jì)活躍，經(jīng)歷史的積累聚集了大量的商業(yè)服務(wù)設(shè)施，這一區(qū)域的商業(yè)繁華，是大型購物中心、商業(yè)街區(qū)的聚集地。從POI的分類結(jié)果中可以看出，該地區(qū)主要是由商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地和工業(yè)用地組成，但是地籍?dāng)?shù)據(jù)的分類結(jié)果中該地區(qū)的絕大部分地塊均為居住用地。

從圖11和圖12對比可以看出，黃色區(qū)域在POI識別結(jié)果中顯示多為混合用地類型的地塊以及少量的居住用地地塊；而在地籍?dāng)?shù)據(jù)的識別中，這一區(qū)域的地塊類型多為單一類型的地塊，主要以工業(yè)用地、居住用地和公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地為主。

圖9 紅色區(qū)域POI 分類結(jié)果 圖10 紅色區(qū)域地籍?dāng)?shù)據(jù)分類結(jié)果

圖11 黃色區(qū)域POI數(shù)據(jù)分類結(jié)果 圖12 黃色區(qū)域地籍?dāng)?shù)據(jù)分類結(jié)果

4 總論與建議

土地利用規(guī)劃和城市規(guī)劃的用地地塊，在實(shí)際使用過程中，都會不同程度與規(guī)劃用途產(chǎn)生差異。因此分析結(jié)果中，基于POI數(shù)據(jù)的城市地塊識別結(jié)果與基于地籍?dāng)?shù)據(jù)的城市地塊識別結(jié)果存在很大的差別，這個(gè)結(jié)果是正確的，正說明了實(shí)際用地過程中形成的土地利用類型與規(guī)劃時(shí)的預(yù)判出現(xiàn)了較大的差異。一方面說明了規(guī)劃的剛性有余，而彈性不足；另一方面也說明在城市用地監(jiān)督執(zhí)法中的執(zhí)法力度不夠，監(jiān)控方法落后，無法快速捕捉到用地類型超越規(guī)劃的變化。

POI點(diǎn)有準(zhǔn)確的空間位置信息和豐富的屬性信息，主要是表征城市地塊中不同實(shí)體的真實(shí)使用狀況，可以較準(zhǔn)確地判定快速發(fā)展的城市進(jìn)程中的城市用地類型，能較為真實(shí)反映城市地塊的現(xiàn)實(shí)使用狀況，可為規(guī)劃實(shí)施的效果、效益評價(jià)提供決策依據(jù)。

通過該次研究，發(fā)現(xiàn)POI數(shù)據(jù)在實(shí)際的應(yīng)用中存在的缺陷和不足，主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1)POI數(shù)據(jù)作為點(diǎn)狀數(shù)據(jù)源，不同的POI點(diǎn)表征的實(shí)體對象面積不同，而實(shí)體對象的占地面積對該地塊的用地類型有著重要的影響。在該次研究中，僅使用POI的數(shù)量來判定地塊的用地類型，未能考慮到POI點(diǎn)所代表的占地面積的多少對用地類型識別結(jié)果的影響。(2)POI數(shù)據(jù)分布不均，且存在無POI的地區(qū)。在該次研究中，研究區(qū)中的某些邊緣區(qū)域中，由于公眾興趣度低，沒有采集相關(guān)的興趣點(diǎn)，導(dǎo)致分類結(jié)果中存在較多的空值區(qū)。另外，城市中心區(qū)、商業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域的POI點(diǎn)數(shù)據(jù)多，且分布密，又造成判定的混合用地類型比較多的問題。(3)研究區(qū)域本身的社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r也對數(shù)據(jù)收集產(chǎn)生了比較大的影響。瀘州是四川省的二級城市，其數(shù)據(jù)的豐富度、準(zhǔn)確度，都趕不上成都市，甚至綿陽市、德陽市，因此前期數(shù)據(jù)收集工作是非常重要的。