基于POI及核密度分析的咸豐縣城鄉(xiāng)交錯帶分布研究

王雯雯， 谷優(yōu)陽， 張 馳， 康全國， 尹 偉， 辛 杰， 廖曉莉

(1.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430034; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 公共管理學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

科學(xué)劃定城鎮(zhèn)開發(fā)邊界，控制城鎮(zhèn)盲目擴(kuò)張和無序蔓延，推動城市發(fā)展由外延擴(kuò)張式向內(nèi)涵提升式轉(zhuǎn)變，提升城鎮(zhèn)人居環(huán)境品質(zhì)，是當(dāng)前城市化發(fā)展要義，也是國土空間規(guī)劃的重要內(nèi)容之一。目前城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定研究主要通過元胞自動機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及城鄉(xiāng)景觀復(fù)雜度等[1-2]來預(yù)測和劃定城鎮(zhèn)開發(fā)規(guī)模，結(jié)合資源環(huán)境承載能力及國土空間開發(fā)適應(yīng)性評價來約束擴(kuò)張邊界。

城鄉(xiāng)交錯帶，或半城市化地區(qū)，作為一種過渡區(qū)域[3]和特殊形態(tài)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，是城市化的前緣帶、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的先導(dǎo)區(qū)、城鄉(xiāng)關(guān)系的協(xié)調(diào)區(qū)、生態(tài)環(huán)境的巨屏障[4]。因此，城鄉(xiāng)交錯帶的分布研究可作為城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定的基礎(chǔ)性工作，可結(jié)合其他劃定方法，來更合理地約束城鎮(zhèn)擴(kuò)張的范圍。

目前對于城鄉(xiāng)交錯帶的研究主要集中在景觀格局演變、村莊分類研究、土地利用問題與對策、用地演變規(guī)律及生態(tài)風(fēng)險等不同層面[5-8]。城鄉(xiāng)交錯帶范圍的識別是上述諸多相關(guān)問題研究的重要基礎(chǔ)，選取合理的城鄉(xiāng)交錯帶空間邊界界定方法對科學(xué)劃定其范圍有著重大的現(xiàn)實意義。目前，較多學(xué)者利用引力模型[9-11]界定城鄉(xiāng)交錯帶的空間邊界，而引力模型本用于“都市圈”空間范圍的界定，后多用于利用空間實體間相互作用的變化來劃分城鄉(xiāng)交錯的內(nèi)外邊界，其采用的指標(biāo)體系比較側(cè)重于土地利用變化，在城市質(zhì)量層面體現(xiàn)得較為薄弱[12-13]，加之其以行政區(qū)域為研究對象，容易受到行政邊界的束縛，因此該方法不太適用于劃定城鄉(xiāng)交錯帶。

興趣點(diǎn)(point of interest，POI)數(shù)據(jù)是表征城市系統(tǒng)中城市設(shè)施實體的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，包括公司企業(yè)、餐飲、購物、住宿、生活服務(wù)、教育、醫(yī)療、政府機(jī)構(gòu)及交通設(shè)施等21個類型[14]。POI具有實時、動態(tài)和易獲取的特征[15]，相較于大尺度普查數(shù)據(jù)，可以更加精細(xì)化地表征人類復(fù)雜的社會經(jīng)濟(jì)活動趨勢[16]。作為一種新的空間數(shù)據(jù)源，POI常用于城市空間結(jié)構(gòu)分析、居民活動空間研究、旅游商業(yè)熱點(diǎn)判別、居民消費(fèi)行為差異、城市群空間范圍識別等研究[17-19]。密集程度高低決定了POI空間分布的密度差異，從中心城區(qū)到鄉(xiāng)村地區(qū)密集程度逐級遞減，造成了單位土地面積上POI密度不同，這一規(guī)律對于判別城鄉(xiāng)交錯帶的范圍具有重要的參考價值。核密度(Kernel)分析法是通過再現(xiàn)實際概率分布曲線，使用平滑的峰值函數(shù)來擬合已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的非參數(shù)方法，常用于計算點(diǎn)、線要素測量值在指定鄰域范圍內(nèi)的單位密度[20]?？紤]地理學(xué)第一定律的區(qū)位影響，在POI數(shù)據(jù)分析中，核密度分析比樣方密度、Voronoi圖密度等其他密度表達(dá)方法更優(yōu)。

在大數(shù)據(jù)時代，利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析已逐漸成為區(qū)域定量研究的一種新趨勢。依靠準(zhǔn)確率高的數(shù)據(jù)來源，以POI數(shù)據(jù)為依據(jù)，抓取各種服務(wù)設(shè)施的地理坐標(biāo)點(diǎn)，借助核密度分析法分析不同服務(wù)半徑設(shè)施的密度范圍，克服傳統(tǒng)研究方法對行政區(qū)域界限的依賴，使得結(jié)果更符合實際發(fā)展方向，最終界定城鄉(xiāng)交錯帶空間分布范圍。從縣域視角出發(fā)，以咸豐縣為研究對象，分析其城鄉(xiāng)交錯空間分布狀況，對于城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定及國土空間格局優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

咸豐縣地跨東經(jīng)108°37′08″～109°20′08″、北緯29°19′28″～30°02′54″，地處恩施土家族苗族自治州西南部、云貴高原東武陵山余脈與大巴山之間，全境南北長80.38 km，東西寬68.95 km，國土總面積為2 550 km2。該縣下轄7鎮(zhèn)(高樂山鎮(zhèn)、忠堡鎮(zhèn)、坪壩營鎮(zhèn)、曲江鎮(zhèn)、朝陽寺鎮(zhèn)、清坪鎮(zhèn)、唐崖鎮(zhèn))、3鄉(xiāng)(小村鄉(xiāng)、黃金洞鄉(xiāng)、活龍坪鄉(xiāng))、1區(qū)工委(大路壩區(qū)工委)。截至2020年末，全縣戶籍總?cè)丝?8.52萬人，其中鄉(xiāng)村人口21.03萬人、城鎮(zhèn)人口17.49萬人，戶籍人口城鎮(zhèn)化率為45.4%；農(nóng)村常住居民人均可支配收入11 720元，城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入29 162元。

咸豐縣東承長江經(jīng)濟(jì)帶，西接成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈，南連長株潭經(jīng)濟(jì)圈，具有“承東啟西，東進(jìn)西出”的區(qū)位優(yōu)勢，是“宜荊荊恩”城市群和渝東南城市群中的重要城市，是華中、華南連接西部及西部聯(lián)系沿海的便捷交通節(jié)點(diǎn)。咸豐縣位于武陵山區(qū)生物多樣性與水土保持生態(tài)功能區(qū)內(nèi)，屬于國家層面的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，既是中國重要的生態(tài)屏障建設(shè)區(qū)、湖北省重要的生物多樣性維護(hù)區(qū)和森林生態(tài)保護(hù)區(qū)，也是重要的革命老區(qū)和少數(shù)民族聚居區(qū)。2020年4月，該縣實現(xiàn)整縣脫貧摘帽，66個重點(diǎn)貧困村全部出列，14.94萬貧困人口穩(wěn)定脫貧。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用的咸豐縣POI數(shù)據(jù)來源于規(guī)劃云網(wǎng)站(http://guihuayun.com/poi/)，包括教育、體育、文化、餐飲娛樂、生活服務(wù)、公共設(shè)施等各方面的POI數(shù)據(jù)共1 576條，經(jīng)數(shù)據(jù)清洗后得到有效數(shù)據(jù)1 255條。

根據(jù)中國城市規(guī)劃領(lǐng)域的有關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合研究區(qū)實際，將1 255條POI數(shù)據(jù)按照服務(wù)半徑距離分為4大類，如表1所示[21]。此外，本研究涉及的咸豐縣2018年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)由咸豐縣自然資源和規(guī)劃局提供，社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來源于《咸豐縣2020年統(tǒng)計公報》[22]、《咸豐縣人民政府2021年政府工作報告》[23]。

表1 不同服務(wù)半徑的設(shè)施類型表Table 1 Table of facility types in different service radius

本研究僅以咸豐縣7個建制鎮(zhèn)、1個區(qū)工委為研究對象，基于POI數(shù)據(jù)的位置點(diǎn)信息，利用ArcGIS 10.2平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一為國家大地2000坐標(biāo)系，構(gòu)建咸豐縣城鄉(xiāng)交錯帶劃定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，得到原始POI數(shù)據(jù)點(diǎn)在咸豐縣的分布圖(圖1)。

2 研究方法

核密度分析法將每個已知數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)定為中心，用核密度函數(shù)計算各個已知點(diǎn)在指定范圍內(nèi)(半徑為某值的圓)各個網(wǎng)格單元的密度貢獻(xiàn)值，與中心點(diǎn)間距越小密度越大，密度與間距成反比，邊際點(diǎn)處默認(rèn)密度為0，若相同位置存在密度重合，則將其貢獻(xiàn)密度累計疊加。簡單來說，它能直觀地反映出離散測量值在連續(xù)區(qū)域內(nèi)的分布情況，其結(jié)果是中間值大、周邊值小的光滑曲面，柵格值即為單位密度，在鄰域邊界處降為0。計算區(qū)域內(nèi)每個要素點(diǎn)，并對相同位置處的貢獻(xiàn)密度進(jìn)行疊加，得到要素在整個區(qū)域的分布密度。核密度計算公式[24]為：

(1)

圖1 咸豐縣城市經(jīng)濟(jì)社會活動POI點(diǎn)空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of POI points of urban economic andsocial activities in Xianfeng County

具體而言，核密度分析使用的核函數(shù)為：

(2)

式中：P為柵格中心點(diǎn)到已知點(diǎn)距離與查找半徑的比值。

想要計算POI的核密度，需要選擇合適的查找半徑。查找半徑的設(shè)置需結(jié)合分析尺度的特點(diǎn),較小的查找半徑適于對局部范圍進(jìn)行密度分布特征分析,較大的查找半徑適于對全域范圍進(jìn)行密度分布特征分析。此外，查找半徑的選擇應(yīng)與POI的離散程度呈正相關(guān)：較為離散分布的POI數(shù)據(jù)采用較大的查找半徑，集中分布的興趣點(diǎn)適用較小的查找半徑。本研究提取的POI類型主要為公共服務(wù)設(shè)施，故查找半徑的取值可以理解為各類公共服務(wù)設(shè)施對社區(qū)服務(wù)的可達(dá)性距離，即服務(wù)半徑。

如表1所示，基于中國城市規(guī)劃領(lǐng)域的有關(guān)規(guī)范要求及以往學(xué)者的研究，300～500 m距離是城市建成區(qū)范圍內(nèi)幼兒園、小學(xué)、公共廁所、停車場、小賣部等基層公共服務(wù)設(shè)施的常規(guī)服務(wù)半徑，據(jù)此確定第一類查找半徑取值為400 m。以此類推，500～1 000 m距離是中學(xué)、公交站點(diǎn)、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)站、休閑娛樂場所、小公園等基層公共服務(wù)設(shè)施的常規(guī)服務(wù)半徑,則第二類查找半徑取值為750 m；1 000～1 500 m距離是加油站、農(nóng)貿(mào)市場、文化活動中心、營業(yè)廳等基層公共服務(wù)設(shè)施的常規(guī)服務(wù)半徑，故第三類查找半徑取值為1 250 m；1 500～2 000 m距離是垃圾中轉(zhuǎn)站、消防站、景點(diǎn)、郵政網(wǎng)點(diǎn)等基層公共服務(wù)設(shè)施的常規(guī)服務(wù)半徑，故第四類查找半徑取值為1 750 m。

3 劃定結(jié)果與分析

四類公共服務(wù)設(shè)施的核密度分析結(jié)果如圖2所示。將POI核密度分析結(jié)果與Google Earth影像地圖進(jìn)行目視校驗，并將POI核密度分析結(jié)果疊加形成各種公共服務(wù)設(shè)施核密度分析匯總圖(圖3)，提取核密度值強(qiáng)度隨距離顯著衰減的閉合區(qū)域，去除在閉合區(qū)域外的獨(dú)立小區(qū)域(它們可能是因為布局的公共設(shè)施比較單薄，缺乏完備的公共設(shè)施系統(tǒng)，無法支撐該區(qū)域的城鎮(zhèn)化發(fā)展)，得到城鄉(xiāng)交錯帶的外邊界。再根據(jù)咸豐縣2018年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，并進(jìn)行微調(diào)得出城市化城區(qū)區(qū)域范圍，即城鄉(xiāng)交錯帶的內(nèi)邊界。用提取的城鄉(xiāng)交錯帶外邊界閉合區(qū)域扣除城市化城區(qū)部分，得出咸豐縣城鄉(xiāng)交錯帶分布類型圖(圖4)。

根據(jù)咸豐縣城鄉(xiāng)交錯帶分布類型圖(圖4)，可將研究區(qū)域劃分為三種類型：城市化城區(qū)、城鄉(xiāng)交錯帶和鄉(xiāng)村地區(qū)，它們的分布具有空間非連續(xù)性特征，城市化城區(qū)有很多地塊嵌于城鄉(xiāng)交錯帶中，該情況與咸豐縣實際城市化程度相符合。

城鄉(xiāng)交錯帶主要分布于唐崖鎮(zhèn)、曲江鎮(zhèn)、坪壩營鎮(zhèn)集鎮(zhèn)東部和南部，忠堡鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)東部和北部，高樂山鎮(zhèn)東部，清坪鎮(zhèn)周圍區(qū)域，大路壩區(qū)工委鎮(zhèn)區(qū)和朝陽寺鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)靠近重慶市部分，面積達(dá)到99.99 km2，占縣域總面積的3.96%。

城市化城區(qū)包含7個鎮(zhèn)和一個區(qū)工委現(xiàn)狀建成區(qū)范圍，共計6.86 km2，主要圍繞232省道和恩黔高速分布。其中高樂山鎮(zhèn)現(xiàn)狀建成區(qū)面積最大，達(dá)5.41 km2，占城市化城區(qū)的78.86%。

鄉(xiāng)村地區(qū)主要分布于縣城北部鄉(xiāng)、林區(qū)以及坡度>25°區(qū)域，縣政府所在地高樂山鎮(zhèn)的鄉(xiāng)村地區(qū)面積較小。鄉(xiāng)村地區(qū)總面積達(dá)2 417.27 km2，占縣域總面積的比例高達(dá)95.77%。由于咸豐縣地勢山巒起伏，溝壑縱橫，不適宜大面積城鎮(zhèn)擴(kuò)張，鄉(xiāng)村地區(qū)占比較大是符合實際情況的。

4 城市化發(fā)展模式總結(jié)

根據(jù)劃定得到的咸豐縣城鄉(xiāng)交錯帶分布類型，可以總結(jié)出3種較為典型的山區(qū)城市化發(fā)展模式，即帶狀延伸模式、獨(dú)立擴(kuò)展模式和孤立發(fā)展模式。

圖2 不同服務(wù)半徑POI核密度分析圖Fig.2 Kernel density analysis chart of POI with different service radius

圖3 各類POI數(shù)據(jù)核密度分析匯總圖Fig.3 Summary diagram of kernel density analysis of various POI data

圖4 咸豐縣城鄉(xiāng)交錯帶分布類型圖Fig.4 Distribution map of urban-rural ecotone in Xianfeng County

(1) 帶狀延伸模式。主要以交通走廊、河岸走廊為軸線，吸引人口和產(chǎn)業(yè)聚集，使該區(qū)域的城鄉(xiāng)交錯帶分布呈現(xiàn)放射型、網(wǎng)絡(luò)型發(fā)展框架。高樂山鎮(zhèn)、曲江鎮(zhèn)、忠堡鎮(zhèn)、唐崖鎮(zhèn)是這一城市化發(fā)展模式的典型代表。一方面，恩黔高速、利咸高速、咸來高速等交通干線軸帶加速了資源向沿線的高樂山鎮(zhèn)、曲江鎮(zhèn)、忠堡鎮(zhèn)、唐崖鎮(zhèn)集聚，形成了三條主縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶。另一方面，高樂山鎮(zhèn)、曲江鎮(zhèn)、忠堡鎮(zhèn)分別以忠建河、曲江、龍洞河為軸線呈帶狀延伸，成為縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心和綠色工業(yè)與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)融合發(fā)展南部產(chǎn)業(yè)帶的重要環(huán)節(jié)。唐崖鎮(zhèn)以唐崖河為軸線，正著力構(gòu)建合理、高效、先進(jìn)的旅游產(chǎn)業(yè)要素體系，形成了比較完備的“食、住、行、游、購、娛”旅游產(chǎn)業(yè)鏈，建立了以風(fēng)景游賞和綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的高效區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，在咸豐縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與旅游業(yè)融合發(fā)展北部產(chǎn)業(yè)帶中發(fā)揮著重要作用。

(2) 獨(dú)立擴(kuò)展模式。以鎮(zhèn)區(qū)為中心，依靠產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局和基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)動，全方位向外呈圈層式擴(kuò)張。坪壩營鎮(zhèn)、清坪鎮(zhèn)是這一城市化發(fā)展模式的典型代表。以坪壩營原生態(tài)休閑旅游區(qū)為核心的特色生態(tài)旅游圈，立體化的交通網(wǎng)絡(luò)、完善的旅游集散體系及便民惠民的基礎(chǔ)設(shè)施帶動了景區(qū)周邊地區(qū)發(fā)展，包括大溪、鑼鼓坪、老巖孔、旋坨、王母洞、水車坪、新場等村。清坪鎮(zhèn)則聚集農(nóng)旅融合發(fā)展，大力發(fā)展休閑觀光農(nóng)業(yè)和生態(tài)旅游，加速發(fā)展食品加工產(chǎn)業(yè)，呈圈層式擴(kuò)展。

(3) 孤立發(fā)展模式。由于山區(qū)地形等條件限制，一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)遠(yuǎn)離中心城區(qū)與發(fā)展軸線，人口增長緩慢甚至外流，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相對滯后，對周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)輻射帶動能力相對較弱，也不能被周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)帶動發(fā)展，故該區(qū)域的城鄉(xiāng)交錯帶呈面狀孤立式發(fā)展模式。朝陽寺鎮(zhèn)、大路壩區(qū)工委是這一城市化發(fā)展模式的典型代表。朝陽寺鎮(zhèn)、大路壩區(qū)工委是鄂渝省際邊貿(mào)鎮(zhèn)，其鎮(zhèn)區(qū)遠(yuǎn)離咸豐縣中心城區(qū)或三條以高速交通干線(恩黔高速、利咸高速、咸來高速)為主的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶，因此，其受到的輻射帶動作用微弱。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

(1) 咸豐縣主要包括三大區(qū)域，即城市化城區(qū)、城鄉(xiāng)交錯帶和鄉(xiāng)村地區(qū)，它們的分布具有空間非連續(xù)性特征，城市化城區(qū)有很多地塊嵌于城鄉(xiāng)交錯帶中，該情況與咸豐縣實際城市化程度相符合。

(2) 從高樂山鎮(zhèn)向兩側(cè)延伸，各類POI數(shù)據(jù)核密度呈階梯狀下降。根據(jù)劃定得到的咸豐縣城鄉(xiāng)交錯帶分布類型圖，可以總結(jié)出三種城市化發(fā)展模式，即帶狀延伸模式(高樂山鎮(zhèn)、曲江鎮(zhèn)、忠堡鎮(zhèn)、唐崖鎮(zhèn))、獨(dú)立擴(kuò)展模式(坪壩營鎮(zhèn)、清坪鎮(zhèn))和孤立發(fā)展模式(朝陽寺鎮(zhèn)、大路壩區(qū)工委)。

5.2 建議

本研究采用POI數(shù)據(jù)和核密度分析方法研究咸豐縣的城鄉(xiāng)交錯帶分布狀況，避免了行政區(qū)劃邊界統(tǒng)計的各種問題，加之POI數(shù)據(jù)資料更新速度快、精確度高，核密度分析簡單易操作，可以更加契合實際城市化發(fā)展范圍，跟蹤城鎮(zhèn)化發(fā)展方向和規(guī)模。采用POI數(shù)據(jù)研究城鄉(xiāng)交錯帶的分布特征也是一種基于大數(shù)據(jù)分析的新思路，之前雖有學(xué)者對其研究，但是僅限于發(fā)達(dá)城市群城鄉(xiāng)交錯帶的確定，對于微觀縣域范圍沒有涉及。將城鄉(xiāng)交錯帶研究與國土空間規(guī)劃中城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定相聯(lián)系，對于咸豐縣城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定及國土空間格局優(yōu)化也具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

由于小城市POI數(shù)據(jù)更新相對緩慢，而經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展讓很多小型商鋪迅速發(fā)展又極速衰落，尤其是新冠疫情過后，很多POI點(diǎn)消失，但是在電子地圖中可能未及時更新，一定程度上導(dǎo)致城鄉(xiāng)交錯帶邊界判讀出現(xiàn)差異；另外，POI數(shù)據(jù)抓取過程中可能會受各種主客觀因素影響，存在重復(fù)、遺漏甚至移位的情況，故為確保研究結(jié)果較為真實，本研究通過“數(shù)據(jù)清洗”進(jìn)行了調(diào)整與修正，以提高其有效性和準(zhǔn)確性。

在未來的研究中，還可采用POI數(shù)據(jù)和核密度分析方法對區(qū)域性城市化質(zhì)量進(jìn)行評議，或完善引力模型的指標(biāo)體系，綜合考慮“十四五”規(guī)劃重大項目、人口密度、建設(shè)用地指標(biāo)、永久基本農(nóng)田和生態(tài)紅線邊界的控制等經(jīng)濟(jì)社會因素的影響，以此劃定咸豐縣城鄉(xiāng)交錯帶邊界；或者將兩種方式結(jié)合，更全面、系統(tǒng)地獲取較為精確的城鄉(xiāng)交錯帶分布范圍，為咸豐縣城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定奠定堅實的基礎(chǔ)。