基于POI數(shù)據(jù)的天津市體育設(shè)施空間格局分析

侯英姿， 高一冉， 王方雄， 畢紅星

(1.遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029； 2.遼寧省自然地理與空間信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116029；3.東北財(cái)經(jīng)大學(xué) 體育經(jīng)濟(jì)研究中心，遼寧 大連 116025)

隨著健康中國發(fā)展理念的提出，國家更重視體育事業(yè)的發(fā)展.在落實(shí)規(guī)劃設(shè)定的任務(wù)中，體育設(shè)施布局的合理性顯得尤為重要.然而傳統(tǒng)的調(diào)查手段不具有時(shí)效性，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，城市設(shè)施興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)越來越引起人們的關(guān)注.在當(dāng)前數(shù)字城市規(guī)劃中，體育設(shè)施興趣點(diǎn)在地理空間中與道路，人類活動(dòng)有密切的聯(lián)系.采用合理的方法分析體育設(shè)施的空間分布，對(duì)城市體育設(shè)施的管理，布局，決策有一定的意義.不同POI類別的相關(guān)性和自身影響力不同，池嬌，康雨豪，趙衛(wèi)峰，朱建成等人在利用POI數(shù)據(jù)對(duì)城市進(jìn)行研究時(shí)都提出了對(duì)不同屬性類別的POI數(shù)據(jù)賦予不同權(quán)重值的研究方法[1-4].在點(diǎn)的特征表達(dá)方面，核密度分析方法滿足了地理學(xué)第一定律的要求，即距離衰減效應(yīng)，因此經(jīng)常被許多國內(nèi)的學(xué)者用于點(diǎn)數(shù)據(jù)的空間聚集形態(tài)的研究[5-12].但這種傳統(tǒng)空間點(diǎn)模式分析方法沒有考慮到實(shí)體空間是非均質(zhì)的，各向異性的，Okaba研發(fā)工具(SANET)將平面核密度升級(jí)為基于空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)核密度[13-15]，禹文豪等人基于Okaba的Dijkstra路徑算法提出一種一維形態(tài)算子的算法來優(yōu)化計(jì)算時(shí)間,并在考慮道路網(wǎng)絡(luò)的通達(dá)方向、通行能力、以及發(fā)生元權(quán)重的條件下進(jìn)行擴(kuò)展研究[16-17].楊靜、曾璇、王爽等人在對(duì)POI數(shù)據(jù)進(jìn)行空間熱點(diǎn)的分析中都采用了網(wǎng)絡(luò)核密度分析方法[18-20].網(wǎng)絡(luò)核密度分析通常表現(xiàn)在道路網(wǎng)絡(luò)上，空間區(qū)域不夠直觀，黃怡敏等人采用普通克里金空間插值的方法將結(jié)果與空間范圍進(jìn)行關(guān)聯(lián)來劃分不同的功能區(qū)類別.K函數(shù)方法能在多個(gè)尺度上表現(xiàn)要素的空間相關(guān)性(聚集或離散)，但平面K函數(shù)可能會(huì)高估道路口旁的要素聚集或離散程度，對(duì)此，Okaba等人將平面空間K函數(shù)法升級(jí)為基于空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)K函數(shù)法[21].楊玨婕等人采用網(wǎng)絡(luò)K函數(shù)的分析方法對(duì)西雙版納人工林空間格分布的影響因素進(jìn)行探究[22].鄔倫等人采用單變量和雙變量網(wǎng)絡(luò)K函數(shù)分析方法對(duì)餐飲設(shè)施點(diǎn)的空間分布影響因素進(jìn)行研究[23].

目前采用網(wǎng)絡(luò)核密度的分析方法并沒有考慮到單個(gè)POI設(shè)施點(diǎn)影響力的不同，因此本文以天津市中心城區(qū)為例，對(duì)體育設(shè)施點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)核密度分析.網(wǎng)絡(luò)核密度的結(jié)果只表現(xiàn)在道路，所以對(duì)其進(jìn)行克里格差值，并與帶有權(quán)重的平面核密度柵格圖層疊加，最終分析體育設(shè)施點(diǎn)在權(quán)重和道路網(wǎng)絡(luò)約束下的空間分布聚集特征.并采用雙變量網(wǎng)絡(luò)K函數(shù)方法對(duì)體育設(shè)施熱點(diǎn)區(qū)域的不同影響因素進(jìn)行研究.

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

天津是我國的四大直轄市之一，地處于華北平原北部，市區(qū)包括中心城區(qū)，環(huán)城區(qū)，濱海新區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū).其中心城區(qū)是天津的發(fā)祥地，因此本文選取天津市的中心城區(qū)作為研究區(qū)域，包括紅橋區(qū)、河北區(qū)、南開區(qū)、和平區(qū)、河西區(qū)和河?xùn)|區(qū)6個(gè)區(qū)域.根據(jù)數(shù)據(jù)的典型性原則，本文選取了保齡球館，壁球場(chǎng)，高爾夫，戶外健身場(chǎng)所，滑雪場(chǎng)，健身中心，籃球場(chǎng)館，溜冰場(chǎng)，馬術(shù)俱樂部，乒乓球館，賽馬場(chǎng)，水上活動(dòng)中心，臺(tái)球廳，跆拳道場(chǎng)館，網(wǎng)球場(chǎng)，游樂場(chǎng)，游泳館，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所，綜合體育館，足球場(chǎng)等16個(gè)類別的體育設(shè)施點(diǎn)數(shù)據(jù)共1 280個(gè)，還包括居民小區(qū)162個(gè)，公交站點(diǎn)209個(gè)和餐飲設(shè)施517個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，均來自于高德地圖(2018年).POI數(shù)據(jù)包括名稱，地址，經(jīng)緯度，設(shè)施類型等信息.

本文還應(yīng)用了天津市2018年路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)，由于要在精細(xì)尺度下研究城市路網(wǎng)，所以獲取了大部分道路數(shù)據(jù)，包括地鐵，都市高速路，高速公路，國道，省道，九級(jí)路，鐵路，縣道，鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路，人行道路，其他道路 .并利用天津中心區(qū)和街道數(shù)據(jù)識(shí)別研究區(qū)域.

1.2 研究方法

1.2.1 權(quán)重賦分方法

不同類型的POI數(shù)據(jù)對(duì)城市的功能屬性影響不同，同理不同類別的體育設(shè)施點(diǎn)對(duì)城市的影響力不同，因此需要對(duì)體育設(shè)施點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重系數(shù)測(cè)定.本研究通過網(wǎng)上查詢，大致確定各種體育設(shè)施點(diǎn)的平均占地面積.根據(jù)不同屬性的體育設(shè)施點(diǎn)的服務(wù)范圍以及占地面積不同，進(jìn)行綜合賦分評(píng)價(jià)，最終確定權(quán)重分值區(qū)間[1,100].對(duì)于服務(wù)范圍廣，占地面積較大的體育設(shè)施點(diǎn)，賦予較高的權(quán)重值.例如：天津奧體中心，服務(wù)于全市范圍，是綜合性市級(jí)體育中心，占地7.8萬m2，賦值權(quán)重為100.

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)空間核密度分析

通常地理學(xué)中對(duì)于點(diǎn)模式分析的表達(dá)方法都會(huì)應(yīng)用核密度分析，是根據(jù)該點(diǎn)與相鄰點(diǎn)間空間關(guān)系所決定的聚集強(qiáng)度關(guān)于空間密度的一種場(chǎng)表達(dá).它遵循了地理學(xué)第一定律距離衰減效應(yīng)，距離中心點(diǎn)越近的區(qū)域受到的輻射值越大[13].傳統(tǒng)的歐式距離忽略了實(shí)際的空間特性[19].在道路網(wǎng)絡(luò)的約束下，網(wǎng)絡(luò)核密度分析方法能更加準(zhǔn)確的表達(dá)體育設(shè)施的空間分布特征.其計(jì)算公式為

(1)

式中：f(s)是地理空間位置s處的核密度計(jì)算函數(shù)；r是路徑距離衰減閾值，即帶寬；n是與位置s的路徑距離小于或等于r的設(shè)施點(diǎn)的個(gè)數(shù)；dis是i點(diǎn)到設(shè)施s點(diǎn)的最短路徑距離；k是空間權(quán)重函數(shù).式中存在兩個(gè)重要的參數(shù)k和r.其中，k的選擇對(duì)空間點(diǎn)的格局分布沒有太大影響，r的選擇是需要注意的問題.即在網(wǎng)絡(luò)的通行能力的約束條件下，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)核密度.

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)雙變量K函數(shù)法

網(wǎng)絡(luò)K函數(shù)法與平面K函數(shù)法分析思路相似，只是量算距離方式不同，網(wǎng)絡(luò)K函數(shù)法的距離采用的是兩點(diǎn)之間最短路徑距離.雙變量K函數(shù)法主要用來研究在道路網(wǎng)絡(luò)約束下一類點(diǎn)對(duì)象的分布對(duì)另外一類點(diǎn)對(duì)象分布的影響.在網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)中，有A=(a1,a2,…,an)，B=(b1,b2,…,bn)是道路網(wǎng)絡(luò)上的2個(gè)事件集，LT表示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，|LT|為網(wǎng)絡(luò)總長度.理論期望值,其雙變量K函數(shù)K(t)[21]：

(2)

式中：E為對(duì)任意點(diǎn)bi∈B的理論期望值；ρa(bǔ)為A事件集的密度，即ρa(bǔ)=na/|LT|.觀測(cè)值,其雙變量K函數(shù)值Ka(t)為

(3)

如果觀測(cè)值大于理論期望值，則說明事件點(diǎn)呈聚集分布模式；如果觀測(cè)值小于理論期望值，則說明事件點(diǎn)為離散分布模式[19].

2 天津市體育設(shè)施區(qū)位布局研究

2.1 體育設(shè)施的集聚中心分析

本研究選取2018年天津市中心區(qū)體育設(shè)施點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)核密度分析.一般網(wǎng)絡(luò)核密度衰減閾值選取為較大值如1 000、2 000 m，研究趨勢(shì)較為宏觀，本文想從精細(xì)尺度下進(jìn)行研究，因此本文選擇的帶寬為200 m，衰減閾值小，聚集的信息較為豐富.利用SANET中“kernel density estimation”工具實(shí)現(xiàn).傳統(tǒng)核密度法會(huì)使各位置獲得較高的密度值，這會(huì)高估空間設(shè)施點(diǎn)的聚集程度，與之相比，網(wǎng)絡(luò)核密度法引入路徑距離計(jì)算方法，使得核密度被約束到道路網(wǎng)絡(luò)附近，空間各位置密度值顯著降低，能夠客觀反映實(shí)際的空間分布特征.

由于對(duì)擬合的精度要求較高，本文采用克里格空間差值方法.其中普通克里格方法應(yīng)用比較廣泛，該方法的變異函數(shù)中球面模型應(yīng)用于地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，因此空間差值的方法選用普通克里格球形模型.空間插值的搜索半徑與網(wǎng)絡(luò)核密度衰減距離閾值相同，并與帶有權(quán)重的平面核密度柵格圖層疊加.為了直觀表達(dá)信息，對(duì)疊加?xùn)鸥窈嗣芏戎颠M(jìn)行200 m格網(wǎng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)，列出密度值最高的前20個(gè)街道如(表1)

表1 天津市賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)核密度值前20名街道匯總

結(jié)果表明，天津市中心區(qū)體育設(shè)施的空間分布從整體上看具有“西南密東北疏”的分布特征，并且呈現(xiàn)多中心點(diǎn)聚集.其中網(wǎng)絡(luò)核密度聚集較高的密度區(qū)有體育中心街道、柳林街道、學(xué)府街道、天塔街道.體育設(shè)施分布密度次之的包括桃園街道與大營門街道交界、小白樓街道、邵公莊街道與西沽街道交界處、向陽樓街道、南市街道等.體育中心街道位于南開區(qū)，是2008年奧林匹克舉辦地，有許多運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館，例如：天津體育館、天津奧林匹克中心、奧體中心體育場(chǎng)、奧林匹克訓(xùn)練場(chǎng)、籃球場(chǎng)、羽毛球館等多種類別.柳林街道位于河西區(qū)，天津科技大學(xué)所在地，有天津科技大學(xué)體育館，體育中心，足球場(chǎng)，網(wǎng)球場(chǎng)等，天津市河西體育場(chǎng)，另外體育設(shè)施圍繞的商業(yè)中心就是泉匯購物廣場(chǎng)，包括許多健身運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館俱樂部.學(xué)府街道位于南開區(qū)，是南開大學(xué)、天津大學(xué)、四十三中學(xué)所在地.天塔街道位于河西區(qū)，是天津體育學(xué)院的所在地，有許多體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館.桃園街道與大營門街道交界位于河西區(qū)，是天津外國語大學(xué)所在地，包括許多體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館.小白樓街道位于和平區(qū)，有新華路體育場(chǎng)和和平體育館兩個(gè)綜合體育館，還有網(wǎng)球場(chǎng)、游泳館、羽毛球館.邵公莊街道與西沽街道交界處位于紅橋區(qū)，是歐亞達(dá)商業(yè)廣場(chǎng)的所在地，有許多游樂場(chǎng)、跆拳道場(chǎng).向陽樓街道位于河?xùn)|區(qū)，有許多籃球訓(xùn)練場(chǎng)館.其中，體育中心街道、柳林街道、學(xué)府街道呈現(xiàn)多中心點(diǎn)核密度分布.由此可見，體育設(shè)施核密度較高的地區(qū)一般分布于學(xué)校和商業(yè)中心地區(qū).大學(xué)對(duì)于體育設(shè)施分布的影響較大，商業(yè)中心分布各種健身瑜伽館、臺(tái)球、網(wǎng)球、游泳館等體育休閑娛樂項(xiàng)目.

3 體育設(shè)施熱點(diǎn)空間格局影響因素分析

如圖1所示，在0～1 800 m范圍內(nèi)，體育中心街道體育設(shè)施和居民小區(qū)的雙變量K函數(shù)觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之下，說明在此尺度范圍內(nèi)，二者之間存在相互排斥的離散分布關(guān)系.在1 800～4 000 m范圍內(nèi)，觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之上，位于蒙特卡羅模擬置信區(qū)間之內(nèi)，說明兩者之間存在一定聚集關(guān)系.在0～800 m范圍內(nèi)，柳林街道體育設(shè)施和居民小區(qū)的雙變量K函數(shù)觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之上，說明在此尺度范圍內(nèi)，二者之間存在相互聚集分布關(guān)系.在800～2 100 m范圍內(nèi)，觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之下，位于蒙特卡羅模擬置信區(qū)間之內(nèi)，說明兩者之間存在離散關(guān)系.在2 100～3 500 m范圍內(nèi)，二者之間存在相互聚集分布關(guān)系.在0～750 m范圍內(nèi)，體育中心街道體育設(shè)施和公交站點(diǎn)的雙變量K函數(shù)觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之下，說明二者之間存在排斥的離散分布關(guān)系.在750～4 000 m范圍內(nèi)，觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之上，位于蒙特卡羅模擬置信區(qū)間上限之外，說明兩者之間存在顯著性的空間聚集關(guān)系.在0～350 m范圍內(nèi)，柳林街道體育設(shè)施點(diǎn)和公交站點(diǎn)的雙變量K函數(shù)觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之上，位于蒙特卡羅模擬置信區(qū)間之內(nèi)，說明兩者之間存在一定聚集關(guān)系.在350～420 m范圍內(nèi)，觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之下，兩者之間存在相互離散關(guān)系，在420～500 m范圍內(nèi)，觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之上，位于蒙特卡羅模擬置信區(qū)間之內(nèi).在500～3 500 m范圍內(nèi)，觀測(cè)值曲線位于蒙特卡羅模擬置信區(qū)間上限之外，說明兩者之間存在顯著性的空間聚集關(guān)系.在0～4 000 m范圍內(nèi)，體育中心街道體育設(shè)施和餐飲設(shè)施觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之上，位于蒙特卡羅模擬置信區(qū)間上限之外，說明體育設(shè)施和餐飲店之間存在顯著性的空間聚集關(guān)系.在0～3 500 m范圍內(nèi)，柳林街道體育設(shè)施和餐飲設(shè)施觀測(cè)值曲線在理論期望值曲線之上，位于蒙特卡羅模擬置信區(qū)間上限之外，說明體育設(shè)施和餐飲店之間存在顯著性的空間聚集關(guān)系.由上述分析可知，體育設(shè)施熱點(diǎn)區(qū)域的分布和居民小區(qū)不具有顯著性聚集的空間關(guān)系.體育設(shè)施熱點(diǎn)區(qū)域的分布與公交站點(diǎn)在較大尺度下有聚集性，空間分布相似，受其影響較大.體育設(shè)施熱點(diǎn)區(qū)域的分布與餐飲設(shè)施具有顯著的空間聚集性，相互之間影響較大.體育設(shè)施熱點(diǎn)分布區(qū)對(duì)交通和餐飲具有空間依附性.

圖1 天津市體育中心街道與柳林街道設(shè)施點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)雙變量K函數(shù)分析

4 結(jié) 論

本研究對(duì)天津市中心城區(qū)體育設(shè)施POI數(shù)據(jù)，采用網(wǎng)絡(luò)核密度和帶有權(quán)重的平面核密度相結(jié)合的分析方法，分析體育設(shè)施點(diǎn)在權(quán)重和道路網(wǎng)絡(luò)約束下空間分布的聚集區(qū)域.采用雙變量網(wǎng)絡(luò)K函數(shù)方法研究影響體育設(shè)施熱點(diǎn)區(qū)域分布的主要因素.分析表明，天津市中心區(qū)體育設(shè)施的空間分布具有“西南密東北疏”的分布特征，并且熱點(diǎn)區(qū)域呈現(xiàn)多中心點(diǎn)聚集.其中網(wǎng)絡(luò)核密度聚集較高的密度區(qū)有體育中心街道，柳林街道，學(xué)府街道，天塔街道.網(wǎng)絡(luò)核密度和帶有權(quán)重的平面核密度相結(jié)合的方法，能夠準(zhǔn)確的表達(dá)設(shè)施點(diǎn)的自身影響力在道路網(wǎng)下的空間分布，這是傳統(tǒng)核密度方法所不能達(dá)到的.通過對(duì)體育中心街道和柳林街道熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)K函數(shù)分析方法探知，體育設(shè)施對(duì)交通和餐飲具有空間依附性.本研究對(duì)體育設(shè)施的空間分布的合理性，協(xié)調(diào)性具有一定的參考.在道路網(wǎng)絡(luò)的參考中，并沒有考慮道路的方向性，通行力等因素，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的約束能力的表達(dá)還不完整，將在今后的研究中進(jìn)行更加深入的探討.