基于眾源地理數(shù)據(jù)的佛山市城市功能區(qū)時(shí)空演變及驅(qū)動力分析

陳嘉浩

廣東晟騰地信科技有限公司，廣東 佛山 528200

0 引 言

隨著中國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和深入，城市功能正不斷發(fā)生變化。探究城市功能區(qū)的時(shí)空演變規(guī)律和驅(qū)動力因子，對城市結(jié)構(gòu)理論以及政策制定、資源配置等方面具有重要的意義[1]。

近年來，隨著遙感與大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有眾多學(xué)者利用POI、遙感影像等眾源數(shù)據(jù)來識別城市功能區(qū)，分析功能區(qū)的時(shí)空變化規(guī)律和驅(qū)動力因子[2-4]。眾源數(shù)據(jù)指是由大量非專業(yè)志愿者以互聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)平臺，向大眾提供的一種免費(fèi)、開放的地理數(shù)據(jù)[5]，主要包括開放的志愿地理信息項(xiàng)目產(chǎn)生的POI數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)。遙感影像可獲取斑塊內(nèi)的自然屬性信息，可用于城市建設(shè)用地提取。POI數(shù)據(jù)可獲取斑塊內(nèi)的社會經(jīng)濟(jì)屬性，進(jìn)行城市功能分區(qū)。在城市功能區(qū)識別的研究中，已經(jīng)有不少學(xué)者成功利用POI完成城市功能區(qū)的識別，如XING等基于對不同城市景觀的洞察力來分解商業(yè)模式[2]。此類研究主要集中于單一城市功能區(qū)的識別，缺少對混合研究區(qū)的研究。在分析功能區(qū)時(shí)空變化過程的研究中，目前學(xué)者主要是針對功能區(qū)時(shí)間和空間維度上的擴(kuò)展形式進(jìn)行分析，如吳啟倩等使用新城數(shù)量、新城均衡度、延伸度、延伸方向等城市形態(tài)指標(biāo)衡量北上廣深的新城發(fā)展情況[3]。但此類研究大多針對單一功能區(qū)的變化進(jìn)行分析，缺少各類功能區(qū)之間的對比分析。城市變化的驅(qū)動力因子分析一直是各國學(xué)者研究的重點(diǎn)之一，如Meng等使用回歸分析來評估景觀特征與城市活力之間的關(guān)系[4]。

綜上所述，目前針對城市變化的驅(qū)動力研究較多，但對于城市功能區(qū)的變化驅(qū)動力分析較少，需要進(jìn)一步加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究。因此，本文充分利用眾源地理數(shù)據(jù)來識別城市功能區(qū)，并分析功能區(qū)的時(shí)空變化規(guī)律和驅(qū)動力，對理解城市功能形態(tài)及其變化具有重要意義。

1 總體思路和研究方法

1.1 總體思路

本文以佛山市為例，通過計(jì)算POI的頻數(shù)密度和類型比例，定量識別2014、2017、2019年的城市功能區(qū)形態(tài)特征，通過比較各功能區(qū)的擴(kuò)展指數(shù)和類型轉(zhuǎn)化來分析其時(shí)空變化特征，并結(jié)合遙感影像以及社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)信息，探究驅(qū)動力因子對城市功能區(qū)變化的影響情況（圖1）。

圖1 城市功能區(qū)時(shí)空演變和驅(qū)動力分析總體思路圖Fig.1 The framework of the time-space evolution and driving force analysis of urban functional areas

1.2 研究方法

1）城市功能區(qū)識別。為了探究城市功能區(qū)的時(shí)空演變規(guī)律，首先需要對城市功能區(qū)進(jìn)行識別。本文通過建立漁網(wǎng)的方式將研究區(qū)劃分為多個(gè)用地單元，隨后通過計(jì)算用地單元內(nèi)POI的頻數(shù)密度和類型占比來識別城市功能區(qū)。當(dāng)斑塊內(nèi)區(qū)域占比超過50%，則判定該區(qū)域?yàn)閱我还δ軈^(qū)；若區(qū)域占比超過40%，則判定該區(qū)域?yàn)橐灶l數(shù)密度最大功能為主的混合功能區(qū)；如果區(qū)域占比最大的兩類功能區(qū)都介于25%～40%之間，則判定該區(qū)域以這兩類功能為主的混合功能區(qū)；若此地塊區(qū)域占比沒有超過25%的，則判定為3類混合區(qū)，簡稱混合區(qū)域[6]。用地單元內(nèi)POI的頻數(shù)密度計(jì)算公式為：

式中，Nij為第j類POI在功能區(qū)i中的數(shù)量；Ni為功能區(qū)i的POI總數(shù)量；i為功能區(qū)類別。

用地單元內(nèi)POI的類型占比計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)Dij為第j類POI在用地單元中的頻數(shù)密度；CRij為第j類POI在用地單元中的類型占比；j為POI種類；i為功能區(qū)數(shù)量。

2）基于擴(kuò)展指數(shù)的城市功能區(qū)時(shí)空變化分析。城鎮(zhèn)空間格局變化的最直觀反映是城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展[7]，城市空間的增長不僅僅表現(xiàn)在城市用地的擴(kuò)張，還表現(xiàn)在城市功能用地的演替[8]。擴(kuò)展速度和擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)可以反映用地面積擴(kuò)展的快慢和強(qiáng)弱，動態(tài)度可以反映用地類型的變化程度。因此本文選用擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、擴(kuò)展彈性系數(shù)等擴(kuò)展指數(shù)來描述城市功能區(qū)的時(shí)間變化，探究城市功能區(qū)類型和混合程度的變化來描述城市功能區(qū)空間的增長。擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、擴(kuò)展彈性系數(shù)公式分別如下：

式中，ULAΔn為t～t+n時(shí)刻的擴(kuò)展速度；UIIΔn為t～t+n時(shí)刻的擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；K為t～t+n時(shí)刻的擴(kuò)展彈性系數(shù)；ULAt、ULAt+n分別為研究期始末城市用地面積；n為時(shí)間間隔。

2 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1）研究區(qū)概況。佛山市地處北緯22°38′～22°34′，東經(jīng)112°22′～113°23′之間，位于廣東省中南部，珠江三角洲腹地，地理位置優(yōu)越（圖2）。佛山市總面積為3797.72 km2，截至2018年年底，全市常住人口790.57萬，全市地區(qū)生產(chǎn)總值9935.88億元。該區(qū)域處在珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)中部，承擔(dān)著金融貿(mào)易、科教文化、醫(yī)療保健等眾多功能，城市功能區(qū)復(fù)雜。因此，本文選擇該佛山市作為研究對象。在確定研究尺度時(shí)，柵格區(qū)域過大難以識別城市局部功能的混合特征，過小則沒有足夠樣本量的數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足指標(biāo)的計(jì)算[9]，綜合考慮數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)及精細(xì)化研究目標(biāo)后，將尺度確定為100 m×100 m的網(wǎng)格，研究區(qū)共計(jì)3906個(gè)格網(wǎng)。

圖2 佛山市空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of Foshan city

2）數(shù)據(jù)處理。本文使用2014、2017、2019年的4類眾源數(shù)據(jù)，主要包括高德地圖POI興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)、谷歌影像數(shù)據(jù)、Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)、《佛山統(tǒng)計(jì)年鑒》人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。其中，POI數(shù)據(jù)用于城市功能區(qū)識別（表1），谷歌影像數(shù)據(jù)用于精度驗(yàn)證，Landsat8影像數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)用于城市功能區(qū)變化的驅(qū)動因子分析。

表1 城市功能區(qū)分類體系Tab.1 Classification system of urban functional areas

2.2 城市功能區(qū)識別結(jié)果

通過計(jì)算頻數(shù)密度和區(qū)域占比，得到2014、2017、2019年佛山市城市功能區(qū)分布情況（圖3）。單一功能區(qū)主要分布于研究區(qū)西部及南北邊界附近，混合用地以多核心的方式分布于研究區(qū)東部。抽取用地斑塊總數(shù)的30%，結(jié)合16級谷歌瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，得到平均分類精度為87.26%，分類結(jié)果能滿足功能區(qū)識別的精度要求。如圖3所示，居住用地較分散地分布于研究區(qū)中東部。商業(yè)用地分布于全市，且呈現(xiàn)東多西少、南多北少的空間分布特征。公服用地平均分布于全部研究區(qū)，沒有明顯的南北差異分布特征。交通用地多分布在西部邊界附近，呈現(xiàn)西部多于東北部的空間分布特征，且佛山市水系附近均有交通用地建設(shè)，說明佛山市水運(yùn)發(fā)達(dá)，同時(shí)臨近肇慶，交通設(shè)施完備。

圖3 佛山市城市功能區(qū)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the distribution of urban functional areas in Foshan

2.3 城市功能區(qū)時(shí)空變化特征分析

計(jì)算各類功能區(qū)用地面積和擴(kuò)展指數(shù)（表2）可以發(fā)現(xiàn)，2014—2019年城市功能區(qū)面積變化較為顯著，單一功能區(qū)中居住用地和交通用地面積增加，商業(yè)用地和公服用地面積減少；從變化程度來看，2019年交通用地面積變化最大，為1374.86 km2。所有城市功能區(qū)只有商業(yè)用地和公服用地的擴(kuò)展速度、強(qiáng)度指數(shù)、動態(tài)度小于0。變化較為顯著的是交通用地和公服用地，6年內(nèi)交通用地?cái)U(kuò)張平均速度為144.91 km2/a，公服用地面積縮小速度為82.12 km2/a。居住-公服混合用地的擴(kuò)展面積占城市總面積的百分比最高，擴(kuò)展程度最強(qiáng)，動態(tài)度也最高，說明其土地利用面積變化的程度最為明顯。

表2 城市功能區(qū)用地面積和擴(kuò)展指數(shù)變化情況Tab.2 Changes in land area and expansion index of urban functional areas

統(tǒng)計(jì)2014—2019年佛山市的城市功能區(qū)變化情況表明（圖4），佛山市2014—2017年城市功能區(qū)類型變化顯著，研究區(qū)西部受肇慶市交通區(qū)位優(yōu)勢影響，西部土地多開發(fā)為交通用地，東部地帶由單一功能區(qū)向混合功能區(qū)的方向轉(zhuǎn)變。2017—2019年城市功能區(qū)總體變化不大，此時(shí)佛山市發(fā)展已接近成熟，但仍有少部分未利用土地逐步開采為城市功能區(qū)。總體來看，2014—2019年佛山市城市功能區(qū)變化幾乎涉及整個(gè)研究區(qū)，城市功能逐漸齊全，城市功能區(qū)向混合模式發(fā)展。

圖4 佛山市城市功能區(qū)變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of changes in the functional areas of Foshan

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)2014—2019年佛山市居住、商業(yè)、公服和交通4類用地混合模式的變化情況可知，4類功能區(qū)中都有未利用土地轉(zhuǎn)變?yōu)槟愁惞δ軈^(qū)和單一功能區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌瞎δ軈^(qū)的變化，而混合功能區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閱我还δ軈^(qū)卻很少。居住、商業(yè)、公服用地中，向混合模式發(fā)展的用地零零散散地集中于研究區(qū)東部。而交通用地中，西部邊界開發(fā)了大片緊湊的交通用地，變化明顯。這些變化特征說明佛山市西部地區(qū)交通設(shè)施逐步完善，城市交通運(yùn)輸效率提高。

2.4 城市功能區(qū)時(shí)空變化驅(qū)動力分析

研究選用2014、2017、2019年佛山市Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)，利用SVM監(jiān)督分類將研究區(qū)分為水系、建設(shè)用地、其他用地，平均分類精度達(dá)到92.22%，滿足遙感信息提取的精度要求。將佛山市的用地按禪城區(qū)、順德區(qū)、南城區(qū)、高明區(qū)、三水區(qū)進(jìn)行重分類，結(jié)合SVM遙感圖像分類結(jié)果，通過計(jì)算格網(wǎng)內(nèi)建設(shè)用地面積與POI區(qū)域占比的乘積，得到各類功能區(qū)面積。查閱《佛山統(tǒng)計(jì)年鑒》獲取到5個(gè)區(qū)縣2014、2017、2019年常住人口、人口密度數(shù)據(jù)、GDP以及三大產(chǎn)業(yè)總值的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算此數(shù)據(jù)與建設(shè)用地所占該區(qū)面積比例的乘積，得到網(wǎng)格內(nèi)的人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2014—2019年人口經(jīng)濟(jì)的變化情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 2014—2019年佛山市人口、經(jīng)濟(jì)變化情況Fig.5 Population and economic changes in Foshan from 2014 to 2019

結(jié)果表明，2014—2019年佛山市人口與經(jīng)濟(jì)變化的高值主要集中于禪城區(qū)，其次是順德區(qū)、三水區(qū)和高明區(qū)，相比之下南海區(qū)變化不大。2014—2019年高明區(qū)和三水區(qū)人口起初聚集于固定小區(qū)域，之后隨著建設(shè)用地的擴(kuò)散逐步分散到區(qū)內(nèi)各個(gè)區(qū)域，因此人口密度顯著增加。同樣地，隨著高明區(qū)和三水區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)用地面積不斷擴(kuò)大，因此第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)總值顯著增加。由于禪城區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)好，6年內(nèi)第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，順德區(qū)與南城區(qū)又與禪城區(qū)相鄰，產(chǎn)業(yè)鏈得到升級，因此第三產(chǎn)業(yè)總值與GDP呈現(xiàn)禪城區(qū)＞順德區(qū)＞南城區(qū)＞三水區(qū)＞高明區(qū)的空間分布模式。

選取功能區(qū)面積中所有不為空值的數(shù)據(jù)，將居住、商業(yè)、公共、交通4類功能區(qū)用地面積與人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，分別計(jì)算各功能區(qū)面積與人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，得到用地面積和人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)性系數(shù)（表3）。結(jié)果表明，居住、商業(yè)、公共、交通用地面積都與常住人口和第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值相關(guān)性最強(qiáng)，平均相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.517和0.522，呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性。

表3 功能區(qū)用地面積與人口、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)相關(guān)性Tab.3 Correlation between land area of functional zone and population and economic data

將相關(guān)性最強(qiáng)的常住人口和GDP作為佛山市的人口、經(jīng)濟(jì)代表數(shù)據(jù)，計(jì)算2014、2017、2019年佛山市的人口、經(jīng)濟(jì)以及城市功能區(qū)的平均重心（圖6）。可以發(fā)現(xiàn)，功能中心、經(jīng)濟(jì)中心、人口中心都位于佛山市禪城區(qū)內(nèi)。從移動方向上來看，2014—2017年三大中心都向西移動，其中功能中心移動幅度最大；2017—2019年人口中心和經(jīng)濟(jì)中心都向東移動，功能中心繼續(xù)向西移動，速度緩慢。功能中心的偏移，說明佛山市東西部城市功能差異持續(xù)擴(kuò)大，呈現(xiàn)快速擴(kuò)大到慢速擴(kuò)大的變化趨勢，南北差異上呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)大的變化趨勢。

圖6 2014—2019年佛山市功能、經(jīng)濟(jì)、人口中心變化情況Fig.6 Changes in the function，economy and population center of Foshan from 2014 to 2019

3 結(jié) 論

本文首先通過計(jì)算頻數(shù)密度和類型占比對2014、2017、2019年城市功能區(qū)進(jìn)行識別；然后通過比較功能區(qū)面積的擴(kuò)展指數(shù)以及功能區(qū)類型的轉(zhuǎn)變來分析其時(shí)空變化特征，并進(jìn)一步提取建設(shè)用地信息，用以表征佛山市人口與經(jīng)濟(jì)要素的空間分布特征，以此來探究人口經(jīng)濟(jì)要素對佛山市功能區(qū)變化的影響；最后對佛山市功能中心、經(jīng)濟(jì)中心、人口中心的遷移方向進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：2014—2017年佛山市城市功能區(qū)快速建設(shè)，2017—2019年佛山市城市功能區(qū)緩慢建設(shè)，主要增加了西部地區(qū)的交通用地以及東部地區(qū)的混合用地；2014—2019年，佛山市城市功能區(qū)一直向混合模式發(fā)展；常住人口和第二產(chǎn)業(yè)總值是佛山市城市功能區(qū)面積變化的主要驅(qū)動力；2014—2019年佛山市功能中心持續(xù)向西移動，人口中心和經(jīng)濟(jì)中心向北移動。總結(jié)如下：

1）2014—2017年佛山市城市功能區(qū)面積顯著增加，城市擴(kuò)張速度過快。雖然2017—2019年建設(shè)用地面積擴(kuò)張速度有所減緩，但新增功能區(qū)用地面積仍在增加。為保證土地資源的合理利用，應(yīng)在開發(fā)的同時(shí)注重森林的生態(tài)效益，以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。

2）2014—2019年佛山市混合功能區(qū)主要集中于禪城區(qū)、南城區(qū)和順德區(qū)，高明區(qū)和三水區(qū)城市功能單一，主要以交通和公服用地為主，人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍停留在較低水平。建議在未來的規(guī)劃中充分利用其獨(dú)特的地理位置，利用便捷的交通條件發(fā)展旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)，一定程度上既保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，又促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3）佛山市處在珠江三角洲腹地，河流眾多。由于工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的污水排入汾江河，造成河水嚴(yán)重污染[10]。因此，建議在主要江河流域設(shè)置保護(hù)區(qū)，嚴(yán)格防控污染物入河，同時(shí)政府應(yīng)當(dāng)制定有效措施積極整治，為廣大市民帶來健康、舒適的生活環(huán)境。