郭 鑫,陳 宏 飛,楊 喜 平
(陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安 710119;陜西省旅游信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710100)
充滿活力的城市空間能吸引更多的人才和資本,增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力,提升應(yīng)對(duì)內(nèi)外部挑戰(zhàn)的韌性[1,2]。1961年Jacobs開(kāi)創(chuàng)性地提出城市活力,認(rèn)為城市活力來(lái)源于人群活動(dòng)與生活場(chǎng)所交互的過(guò)程,并指出從功能用地、小型街區(qū)、建筑物年代、人口密度等方面提升城市活力[3]。城市活力成為衡量城市空間質(zhì)量和規(guī)劃合理性的重要依據(jù),從社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)視角看,城市活力是經(jīng)濟(jì)活力、社會(huì)活力、文化活力和環(huán)境活力的綜合表現(xiàn)[4-6],體現(xiàn)了城市為居民提供生活要素的能力,但該視角忽視了城市居民的能動(dòng)性,無(wú)法深入探析居民的活動(dòng)需求。學(xué)者們遂從人本角度關(guān)注城市人群活動(dòng),認(rèn)為人群活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和活動(dòng)多樣性是城市活力的重要方面[7],而活力的最直接表現(xiàn)是人群活動(dòng)的空間聚集,因此,利用人群活動(dòng)聚集密度描述城市活力成為最直接的活力測(cè)度方法[8,9]。
傳統(tǒng)活力刻畫研究通常利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、攝影等[10,11]獲取人群密度,但其無(wú)法提供大體量、精定位、實(shí)時(shí)、連續(xù)的人群活動(dòng)信息,且耗費(fèi)大量人力物力,限制了以人群活動(dòng)密度表征城市活力的時(shí)空精度。得益于互聯(lián)網(wǎng)生活化和信息通信技術(shù)發(fā)展,活力研究能通過(guò)時(shí)空大數(shù)據(jù)大規(guī)模地觀察和感知城市居民活動(dòng)[12],使人群密度法獲得了有效的數(shù)據(jù)支撐,行為數(shù)據(jù)大樣本、高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)使城市活力評(píng)估更貼近規(guī)劃和人群活動(dòng)現(xiàn)實(shí)[13,14]。其中手機(jī)信令數(shù)據(jù)人口覆蓋面廣、時(shí)間覆蓋連續(xù)、空間覆蓋準(zhǔn)確,能為城市活力研究提供更可靠的人群時(shí)空行為模式信息。城市活力與建成環(huán)境密切相關(guān),眾多學(xué)者通過(guò)定性研究提出城市活力營(yíng)造理論,要求城市具有多樣的功能和建筑、高連通性的道路、開(kāi)放而緊湊的形態(tài)[3,15,16]?;跔I(yíng)造理論,學(xué)者們采用專家打分、語(yǔ)義分析和層次分析等方法開(kāi)展了城市活力與建成環(huán)境關(guān)系的量化研究[17,18],但其結(jié)果易受主觀性影響且難以突破空間規(guī)模局限。
當(dāng)前研究利用城市空間大數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)性分析和回歸分析等方法證實(shí)并延伸了前人活力營(yíng)造理論,探討了城市功能密度及混合度、建筑開(kāi)發(fā)強(qiáng)度、交通條件和綠地景觀對(duì)城市活力的影響[19-24],但忽視了代群差異,難以體現(xiàn)城市不同年齡群體活動(dòng)空間分布的差異性[25-27];同時(shí),現(xiàn)有的建成環(huán)境指標(biāo)體系無(wú)法表達(dá)不同年齡群體活動(dòng)的差異化需求,進(jìn)而難以提出針對(duì)不同群體活力提升的措施。因此,本文深度挖掘手機(jī)信令數(shù)據(jù)以定量刻畫城市不同年齡群體活力,探討其空間分布特征;從區(qū)位條件、交通可達(dá)性、建筑空間、功能空間和綠地景觀空間五方面,結(jié)合不同群體活動(dòng)能力和活動(dòng)類型的差異構(gòu)建建成環(huán)境指標(biāo)體系,探究建成環(huán)境對(duì)不同年齡群體活力的時(shí)空異質(zhì)性影響,以期為建成環(huán)境合理布局提供借鑒。
西寧市作為青海省省會(huì)、青藏高原東部門戶和西北地區(qū)重要交通要道,對(duì)青海省、青藏高原地區(qū)和西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大,是青藏高原地區(qū)唯一一座人口超百萬(wàn)的現(xiàn)代化城市。西寧市主城區(qū)位于湟水流域中游河谷盆地,包括城中區(qū)、城北區(qū)、城東區(qū)和城西區(qū),總面積346 km2,受地形和河流限制,西寧市主城區(qū)東西狹長(zhǎng),湟水河橫貫東西,是典型的條帶狀半開(kāi)放式河谷型城市(圖1)。本文將西寧市主城區(qū)劃分為1 528個(gè)500 m×500 m網(wǎng)格作為研究單元。
圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General situation of the study area
(1)手機(jī)信令數(shù)據(jù)。本研究的手機(jī)信令數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)聯(lián)通通信有限公司,主要覆蓋西寧市主城區(qū),時(shí)間段為2018年8月1-6日,包含每天24小時(shí)的居民通信記錄,其數(shù)據(jù)屬性包括用戶ID(加密)、年齡、活動(dòng)類型、活動(dòng)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間、服務(wù)基站經(jīng)緯度。通過(guò)數(shù)據(jù)清洗處理無(wú)效數(shù)據(jù)后,共識(shí)別出約2 500個(gè)基站和33萬(wàn)位手機(jī)用戶(約占西寧市主城區(qū)25%的人口),并按年齡屬性將手機(jī)用戶分為少年、青年、中年和老年群體(表1)。樣本中人群年齡結(jié)構(gòu)符合正態(tài)分布,滿足研究要求。
表1 不同群體的樣本量Table 1 Sample size of different groups
(2)建成環(huán)境數(shù)據(jù)。本文從Open Street Map(OSM)網(wǎng)站獲取2018年西寧市路網(wǎng)初始數(shù)據(jù),通過(guò)拓?fù)湫薷牡玫轿鲗幨兄鞒菂^(qū)主要道路網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而通過(guò)路網(wǎng)交匯點(diǎn)獲得道路交叉口數(shù)據(jù);從高德開(kāi)放數(shù)據(jù)平臺(tái)收集西寧市2018年57 940條POI數(shù)據(jù),并依據(jù)POI類別對(duì)照表以及城市土地分類和建設(shè)用地規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)(GB50137-2011)將POI類別整合為7類,包括餐飲設(shè)施、購(gòu)物設(shè)施、交通設(shè)施、教育設(shè)施、辦公設(shè)施、休閑娛樂(lè)設(shè)施和醫(yī)療保健設(shè)施;西寧市主城區(qū)建筑矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于百度開(kāi)放數(shù)據(jù)平臺(tái),主要包括建筑占地面積、建筑高度及其空間坐標(biāo);利用Sentinel-2遙感影像提取西寧市主城區(qū)綠地?cái)?shù)據(jù)。
本文利用泰森多邊形近似表示手機(jī)基站服務(wù)范圍[28],通過(guò)研究單元空間面積與所在泰森多邊形空間面積的比值分配基站人數(shù),從而計(jì)算群體活力值(式(1)-式(3)),并按不同人群屬性探討活力的空間分布模式;然后從區(qū)位條件、交通可達(dá)性、建筑空間、功能空間、綠地景觀空間五方面選取建成環(huán)境指標(biāo),將多重共線性檢驗(yàn)后的變量納入逐步線性回歸模型篩選出顯著因子;最后引入多尺度地理加權(quán)回歸(MGWR)模型,揭示建成環(huán)境對(duì)城市群體活力的時(shí)空異質(zhì)性影響機(jī)制(圖2)。
圖2 研究框架Fig.2 Study framework
V=X/SA
(1)
SAi=Si+Sj(f-1)
(2)
Xi=P×(SAi/SAb)
(3)
式中:V、X分別為網(wǎng)格的活力值和活動(dòng)人數(shù);SA為網(wǎng)格的空間面積;SAi為網(wǎng)格與泰森多邊形相交的不規(guī)則最小單元的空間面積;Si為最小單元的底面積;Sj為建筑底面積;f為建筑的樓層數(shù);Xi為最小單元的人數(shù);P為泰森多邊形內(nèi)的用戶數(shù);SAb為泰森多邊形的空間面積。
本文建成環(huán)境指標(biāo)包括:1)區(qū)位條件,它是影響人群活動(dòng)的重要因素,本文采用近鄰分析法得到網(wǎng)格到最近大型商圈的距離,以此衡量網(wǎng)格的區(qū)位條件。2)交通可達(dá)性,良好的可達(dá)性能夠縮短通勤時(shí)間,從而增加人類活動(dòng)[29],考慮到公共交通在居民日常生活中扮演重要角色,本文選取公交線路數(shù)量作為衡量交通可達(dá)性的指標(biāo),同時(shí)采用道路交叉口密度表示步行和駕車可達(dá)性[30,31]。3)建筑空間,本文采用容積率和建筑密度衡量建筑空間開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。4) 功能空間,功能混合度與城市活力關(guān)系密切[6,9,32],本文將其作為功能空間指標(biāo)之一,同時(shí)采用各類配套設(shè)施密度共同構(gòu)建功能空間指標(biāo),包括功能混合度、餐飲設(shè)施密度、購(gòu)物設(shè)施密度、教育設(shè)施密度、辦公設(shè)施密度、休閑娛樂(lè)設(shè)施密度、醫(yī)療保健設(shè)施密度,計(jì)算公式見(jiàn)式(4)、式(5)。5)綠地景觀空間,完善的城市綠地景觀可保障居民身心健康[33-35],并通過(guò)影響居民的主觀感受影響行為活動(dòng),本文用城市綠地面積衡量城市綠地景觀質(zhì)量。
(4)
Denj=Numj/SA
(5)
式中:Mix為功能混合度;m為網(wǎng)格中POI類型的數(shù)量;Pj為第j類POI數(shù)量占比;Denj為相應(yīng)的配套設(shè)施密度;Numj為第j類POI數(shù)量。
建成環(huán)境對(duì)城市群體活力的影響具有空間非平穩(wěn)性,MGWR模型考慮了不同解釋變量和預(yù)測(cè)變量之間空間關(guān)系的異質(zhì)性尺度,更接近真實(shí)的空間作用過(guò)程,可降低估計(jì)偏誤。
本文將白天(06:00-18:00)、夜晚(18:00-24:00)時(shí)段的不同群體活力作為因變量,將通過(guò)共線性和顯著性檢驗(yàn)的建成環(huán)境指標(biāo)作為解釋變量,Bi-square函數(shù)作為空間權(quán)函數(shù),再根據(jù)Akaike信息準(zhǔn)則(AICc)確定最佳自適應(yīng)帶寬,共構(gòu)建8組MGWR模型,模型一至模型八的因變量依次為少年群體白天活力、少年群體夜晚活力、青年群體白天活力、青年群體夜晚活力、中年群體白天活力、中年群體夜晚活力、老年群體白天活力和老年群體夜晚活力。計(jì)算公式為[36,37]:
(6)
式中:yi為第i個(gè)網(wǎng)格的活力值;βbw0(ui,vi)為常數(shù)項(xiàng);(ui,vi)為第i個(gè)網(wǎng)格質(zhì)心的空間坐標(biāo);xij、βbwj(ui,vi)分別為第i個(gè)網(wǎng)格的第j個(gè)解釋變量及其使用相應(yīng)帶寬擬合的回歸系數(shù);εi為隨機(jī)誤差項(xiàng)。
由不同群體活力空間分布(圖3)可知:少年群體活力高值核心離散分布于海湖新區(qū)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)、力盟商業(yè)街、西門和大眾街商圈,且活動(dòng)范圍較小,形成“離核緊湊型”活力分布模式;青年群體活力核心分布與少年群體一致,但活動(dòng)流動(dòng)性較強(qiáng),在商圈、火車站附近、院校聚集區(qū)等延伸出多個(gè)活力中高值區(qū),形成“離核延伸型”活力模式;中、老年群體對(duì)市中心完善的基礎(chǔ)設(shè)施依賴較強(qiáng),其中,中年群體活力在西門、南小街、大眾街和火車站附近形成連片高值核心區(qū),老年群體活力高值核心在西門、南小街和大眾街附近連片分布,而且中年群體活動(dòng)范圍較廣,活力中值向南北和西北—東南方向延伸,形成 “聚核延伸型”活力模式,老年群體由于活力能力有限,活力中高值分布集中,形成“聚核緊湊型”活力模式。
圖3 不同群體活力空間分布Fig.3 Spatial distribution of vitality of different groups
3.2.1 變量篩選及時(shí)間異質(zhì)性影響分析 本文保留了VIF值小于10的變量,并基于405個(gè)網(wǎng)格(建成環(huán)境數(shù)據(jù)完整)進(jìn)行多元線性逐步回歸,篩選顯著的解釋變量(表2)。到最近大型商圈的距離顯著影響各時(shí)段各群體活力,且影響程度具有較強(qiáng)的時(shí)間穩(wěn)健性;道路交叉口密度正向影響青年和老年群體活力,但夜晚其影響減弱;公交線路數(shù)量?jī)H與老年群體白天活力呈顯著正相關(guān)關(guān)系;建筑密度對(duì)少年和老年群體活力有顯著的積極影響,夜晚其影響減弱;容積率對(duì)青年群體夜晚活力和老年群體白天活力影響作用相反;功能混合度僅對(duì)青年群體白天活力有顯著的積極影響;教育設(shè)施、休閑娛樂(lè)設(shè)施和餐飲設(shè)施對(duì)少年群體吸引力較大;綠地景觀對(duì)西寧市主城區(qū)各群體活力影響均不顯著。白天青年群體活力與教育設(shè)施、辦公設(shè)施、購(gòu)物設(shè)施、休閑娛樂(lè)設(shè)施和餐飲設(shè)施的分布密切相關(guān),夜晚教育設(shè)施、辦公設(shè)施、購(gòu)物設(shè)施對(duì)其影響不顯著;青少年群體活力在白天受休閑娛樂(lè)設(shè)施影響最大,夜晚受餐飲設(shè)施影響最大;中老年群體全天受醫(yī)療保健設(shè)施的影響較大。
表2 多元線性逐步回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Table 2 Standardized coefficients of multiple linear stepwise regression
3.2.2 建成環(huán)境的空間異質(zhì)性影響分析 結(jié)合表2和表3可知,相較于多元線性回歸,MGWR模型的AICc值降低,調(diào)整后的R2提高,模型擬合度和解釋力顯著提升。模型二回歸效果最佳,表明建成環(huán)境指標(biāo)能夠解釋夜晚少年群體64.9%的活力變化,其他模型的解釋力度也都在51.1%以上。
表3 MGWR模型性能評(píng)價(jià)Table 3 Performance evaluation of MGWR model
MGWR模型是局部回歸模型,每個(gè)網(wǎng)格都會(huì)產(chǎn)生1個(gè)回歸系數(shù),總計(jì)405個(gè)網(wǎng)格,即對(duì)于模型中每個(gè)解釋變量都會(huì)生成405個(gè)回歸系數(shù),將8組MGWR模型中回歸系數(shù)空間異質(zhì)性較大的結(jié)果進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)和可視化,結(jié)合表4和圖4可知建成環(huán)境對(duì)不同年齡群體活力空間異質(zhì)性的影響。
表4 MGWR模型變量回歸系數(shù)匯總統(tǒng)計(jì)(部分)Table 4 Summary of regression coefficients of variables in some MGWR models
(1)交通可達(dá)性。1)在多數(shù)網(wǎng)格中道路交叉口密度與青年、中年群體活力呈正相關(guān)關(guān)系,尤其在南部地區(qū)對(duì)青年和中年群體活力具有強(qiáng)烈的積極作用,如圖4a、圖4b所示,道路交叉口密度對(duì)青年群體活力的消極影響主要集中在毛勝寺街以北及唐道附近,對(duì)中年群體的消極影響主要集中在海湖路以西和毛勝寺街以北地區(qū)。2)老年群體在白天對(duì)公交線路數(shù)量的依賴較強(qiáng)(圖4c),西寧市北部和西部邊緣地區(qū)公交線路較少,對(duì)老年群體活力影響較弱,導(dǎo)致公交線路數(shù)量對(duì)老年群體活力的積極影響程度從西北向東南遞增。
(2)建筑空間。1)建筑密度對(duì)群體活力影響的回歸系數(shù)均為正值,夜晚建筑密度對(duì)少年群體活力的正向影響由北向西及向南遞增(圖4d),對(duì)老年群體活力的影響由東南向西遞增(圖4e)。2)容積率對(duì)青年群體活力的正向作用從西向東南方向逐級(jí)遞減(圖4f),西寧市西部地區(qū)的土地開(kāi)發(fā)正朝著有利于青年群體夜晚活力增長(zhǎng)的方向發(fā)展,與之相反,容積率對(duì)老年群體活力的消極影響從西向東南方向遞增(圖4g),城東區(qū)建成區(qū)的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度嚴(yán)重削弱了老年群體白天的活動(dòng)意愿。
(3)功能空間。1)餐飲設(shè)施在多數(shù)網(wǎng)格表現(xiàn)出吸引青年和老年群體聚集的能力,在海湖商圈附近對(duì)吸引青年群體活動(dòng)有強(qiáng)烈的積極作用(圖4h),對(duì)中年群體活力的正向影響由東南向西北逐級(jí)遞減(圖4i);2)建成區(qū)大部分區(qū)域的購(gòu)物設(shè)施越密集,越有利于青年和中年群體空間聚集,白天購(gòu)物設(shè)施密度對(duì)青年和中年群體活力的積極影響主要集中在城西區(qū)北部和西部、城中區(qū)北部及火車站商圈,而對(duì)青年群體的消極影響范圍大于中年群體,集中在門源路以北、湟中路以東地區(qū)(圖4j、圖4k);3)醫(yī)療保健設(shè)施密度對(duì)大部分區(qū)域中年群體白天活力的正向影響較弱,但在主城區(qū)西部和東南區(qū)域二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖4l)。
圖4 影響因素回歸系數(shù)的空間異質(zhì)性Fig.4 Spatial heterogeneity of regression coefficients of influencing factors
本文以西寧市主城區(qū)為例,利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)考察城市不同年齡群體活力空間分布模式,結(jié)合城市空間數(shù)據(jù)選取建成環(huán)境指標(biāo),采用多元線性逐步回歸模型和MGWR模型探討城市建成環(huán)境對(duì)不同群體活力時(shí)空異質(zhì)性影響。研究表明:1)青少年群體對(duì)城市擴(kuò)張較為敏感,如新商業(yè)區(qū)的開(kāi)發(fā)可能吸引青少年群體聚集,使得活力高值核心分布較為離散;中老年群體對(duì)傳統(tǒng)市中心完善的基礎(chǔ)設(shè)施依賴較強(qiáng),其活力高值核心分布緊湊,中心化明顯。而少年群體可能受自身經(jīng)濟(jì)條件和監(jiān)護(hù)人的約束,以及老年群體受限于身體條件,兩者的活動(dòng)能力不足,活動(dòng)范圍較??;青年和中年群體的物質(zhì)和身體條件支持其強(qiáng)流動(dòng)性的活動(dòng)特點(diǎn),活動(dòng)范圍較廣。因此,形成“離核緊湊型” 少年群體、“離核延伸型” 青年群體、“聚核延伸型” 中年群體和“聚核緊湊型” 老年群體活力分布模式。2)建成環(huán)境對(duì)群體活力影響具有顯著的群體差異和時(shí)空異質(zhì)性。區(qū)位條件方面,商圈服務(wù)設(shè)施豐富多樣,能夠滿足各時(shí)段各群體的活動(dòng)需求,因而群體活力與到最近大型商圈的距離呈穩(wěn)健的負(fù)相關(guān)關(guān)系。交通可達(dá)性方面,道路交叉口密度被認(rèn)為是提升活力的重要因素[38],但本研究發(fā)現(xiàn)少年群體主要為短距離出行活動(dòng),道路交叉口密度對(duì)其影響不顯著,夜晚居民對(duì)交通的依賴較弱使得道路交叉口密度在夜晚影響減弱;公共交通作為老年群體重要的出行方式[39],公交線路數(shù)量對(duì)老年群體白天活力有顯著的積極作用。建筑空間方面,建筑密度對(duì)群體活力具有積極影響;既有研究認(rèn)為容積率有利于城市活力的提升[31,40],但本研究發(fā)現(xiàn)老年群體傾向于寬敞開(kāi)放的活動(dòng)空間,高容積率不利于老年群體白天活力的提升。城市功能空間方面,不同于已有研究對(duì)功能混合度的強(qiáng)調(diào)[6,9,32],本研究認(rèn)為具體配套設(shè)施與人群活動(dòng)的具體需求直接對(duì)應(yīng),其密度與各群體活力相關(guān)性更顯著,表明增加具體配套設(shè)施密度指標(biāo)有利于不同群體活力的影響因素分析。
本研究有助于推動(dòng)城市活力在人群類別層面的精細(xì)化研究,選取的建成環(huán)境影響指標(biāo)在交通可達(dá)性方面增加了公交線路數(shù)量(描述公交可達(dá)性),功能空間方面根據(jù)不同年齡群體活動(dòng)差異化需求提出6類具體配套設(shè)施密度,延伸和豐富了既有的城市活力營(yíng)造理論。此外,從時(shí)空異質(zhì)性角度揭示建成環(huán)境對(duì)城市不同年齡群體活力的影響機(jī)制,為城市規(guī)劃提供了區(qū)域性、精細(xì)化、針對(duì)性的參考,促使城市決策惠及全群體,發(fā)展覆蓋全區(qū)域。具體建議:西寧市南部地區(qū)應(yīng)著力發(fā)展交通線,提升區(qū)域步行和駕車可達(dá)性,激發(fā)青年和中年群體活力;在北部和西部地區(qū)增設(shè)公交線路,提升老年群體的公交可達(dá)性;城東區(qū)可適當(dāng)增加開(kāi)放空間供老年群體活動(dòng);在活力低值區(qū)打造美食街、小吃夜市等夜間餐飲服務(wù),帶動(dòng)青年和中年群體活力提升;適當(dāng)減少毛勝寺街以北、民和路以東地區(qū)的購(gòu)物設(shè)施密度,增加優(yōu)勢(shì)設(shè)施布局,從而提高青年和中年群體的訪問(wèn)率;合理布局藥店、診所等醫(yī)療保健設(shè)施以提升中老年群體的活力。
本文在以下方面仍需進(jìn)一步完善:1)手機(jī)信令數(shù)據(jù)樣本偏年輕化,老年群體樣本量偏小,可能會(huì)影響城市綠地景觀對(duì)老年群體活力顯著影響以及模型精度,未來(lái)可考慮通過(guò)其他數(shù)據(jù)形式補(bǔ)充老年群體樣本,驗(yàn)證老年群體對(duì)綠地系統(tǒng)需求[41,42],以提高模型解釋力度;2)在模型中加入自回歸算子以準(zhǔn)確模擬群體活力空間變化,解決群體活力空間自相關(guān)問(wèn)題;3)研究結(jié)果中綠地景觀質(zhì)量對(duì)不同年齡群體活力的影響不顯著,未來(lái)考慮結(jié)合不同類型的城市案例進(jìn)一步研究城市綠地對(duì)不同年齡群體活力的影響。