基于手機(jī)信令數(shù)據(jù)的山東半島城市群空間聯(lián)系分析

張志敏，季 楠，李傳斌，王 振

(1.青島市交通科學(xué)研究院，青島 266100；2.青島市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，青島 266071)

空間關(guān)系是認(rèn)識(shí)區(qū)域的基本視角，也一直是人文地理學(xué)的研究熱點(diǎn)[1]。在信息技術(shù)的推動(dòng)下，城市間的分工、交流模式發(fā)生了很大的改變，“場(chǎng)所空間”與“流空間”交互作用，使得城市等級(jí)體系和職能分工體等發(fā)生了深刻變革，區(qū)域空間結(jié)構(gòu)也由傳統(tǒng)的基于等級(jí)規(guī)模為核心的中心地模式逐步向開(kāi)放、流動(dòng)、多中心的網(wǎng)絡(luò)化模式轉(zhuǎn)變[2-3]。在合作大于競(jìng)爭(zhēng)的城市區(qū)域關(guān)系中，不同層次的各種“流”成為了城市間相互作用、交流的實(shí)際載體，在城市區(qū)域空間結(jié)構(gòu)及整個(gè)區(qū)域格局的塑造中起到了越來(lái)越大的作用。“城市流”的概念最先在姚士謀等[4]的《中國(guó)城市群》一書(shū)中提及，“城市流是指城市間人流、物流、信息流、資金流、技術(shù)流等空間流在城市群內(nèi)所發(fā)生的頻繁、雙向或多向的流動(dòng)現(xiàn)象，它是城市間相互作用的一種基本形式?！敝煊⒚鞯萚5]最早建立了城市流強(qiáng)度模型，以滬寧杭城市群內(nèi)各城市主要外向服務(wù)部門(mén)從業(yè)人員為指標(biāo)，通過(guò)城市流強(qiáng)度的計(jì)算公式，得出城市群內(nèi)各城市間的相互作用與定量聯(lián)系。有形的要素流動(dòng)如人流、物流通常借助交通運(yùn)輸系統(tǒng)，因此通過(guò)城市之間的交通運(yùn)輸聯(lián)系來(lái)研究城市之間的聯(lián)系特征，也是較為普遍的研究方法之一。苗長(zhǎng)虹等[6]通過(guò)對(duì)公路、鐵路和航空客運(yùn)方面的具體統(tǒng)計(jì)資料，與借助區(qū)域間相互作用的引力模型計(jì)算得出的城市之間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)度進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了城市之間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)度與公路、鐵路客運(yùn)之間確實(shí)有著極強(qiáng)的線(xiàn)性相關(guān)性，由此建立了通過(guò)城市經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)度所占比例的大小來(lái)確定城市經(jīng)濟(jì)聯(lián)系方向的研究方法。近年來(lái)，手機(jī)信令數(shù)據(jù)因其樣本量大、采樣分布均衡、空間精度高而且能夠真實(shí)地反映區(qū)域之間的人流聯(lián)系特征，在區(qū)域空間聯(lián)系分析中越來(lái)越被頻繁使用。因此，本文利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)識(shí)別出區(qū)域的跨城人流聯(lián)系，分析山東半島城市群城市間的空間關(guān)系，總結(jié)山東半島城市群城市空間特征。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

本文將山東省所在的山東半島城市群作為研究對(duì)象，分析山東半島城市群之間的聯(lián)系強(qiáng)度、聯(lián)系特征以及城鎮(zhèn)群的等級(jí)結(jié)構(gòu)特征等。選取山東省全省7 d移動(dòng)手機(jī)信令數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)。每條手機(jī)信令包括脫敏處理后的用戶(hù)ID、信令采集時(shí)間、LAC信息、CELL信息和城市ID。因?yàn)槭謾C(jī)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時(shí)間頻率因人而異，為此以手機(jī)數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)段最多的7:00—22:00作為分析周期，統(tǒng)計(jì)手機(jī)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時(shí)段數(shù)量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省手機(jī)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時(shí)段數(shù)量平均為11個(gè)，平均時(shí)間間隔為55 min。根據(jù)山東省移動(dòng)公司提供的數(shù)據(jù)，全省共有基站21.6萬(wàn)個(gè)，平均近鄰距離(每個(gè)基站與鄰近基站中最近基站之間的距離)為148 m，且84%基站鄰近距離在200 m以下。城市中心城區(qū)基站平均近鄰距離65 m，基站的定位精度可以滿(mǎn)足城市群空間聯(lián)系的分析需求。

1.2 研究方法

分析城市群之間的聯(lián)系強(qiáng)度，包括兩個(gè)方面，一個(gè)是城市群之間的聯(lián)系量，另一個(gè)是聯(lián)系方向。聯(lián)系量是兩個(gè)城市之間的人流交換量，需要通過(guò)手機(jī)信令數(shù)據(jù)按照一定的算法規(guī)則判斷用戶(hù)的常住地和目的地，以此作為聯(lián)系量的計(jì)算基礎(chǔ)。聯(lián)系方向通常采用優(yōu)勢(shì)流分析法分析城市群之間的優(yōu)勢(shì)流去向，判斷城市群之間的層級(jí)結(jié)構(gòu)。具體的分析框架如圖1所示。

2 城市群空間聯(lián)系分析

2.1 聯(lián)系量測(cè)算

手機(jī)信令數(shù)據(jù)中包含用戶(hù)活動(dòng)的痕跡信息，在手機(jī)用戶(hù)進(jìn)行通信活動(dòng)或者服務(wù)區(qū)切換時(shí)均會(huì)留下痕跡信息，信息中包含用戶(hù)活動(dòng)的位置和時(shí)間，通過(guò)連續(xù)一段時(shí)間(通常是24 h或者更長(zhǎng))手機(jī)用戶(hù)的活動(dòng)信息可以模擬出其活動(dòng)軌跡，根據(jù)活動(dòng)軌跡按照一次出行的定義計(jì)算用戶(hù)的出行OD，兩個(gè)城市之間的出行OD量即可認(rèn)為是城市間的聯(lián)系量。對(duì)于手機(jī)用戶(hù)而言，出行的起訖點(diǎn)需要通過(guò)其駐留點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。一般認(rèn)為，當(dāng)手機(jī)用戶(hù)在某一位置A駐留時(shí)間Δ2-1超過(guò)閾值(取10 min)，則認(rèn)為該位置A為出行駐留點(diǎn)。

Δ2-1=T2-T1

當(dāng)兩個(gè)出行駐留點(diǎn)A,B的間隔時(shí)間Δ3-2超過(guò)閾值(取10 min)且兩個(gè)駐留點(diǎn)間的直線(xiàn)距離超過(guò)閾值(取500 m)，則認(rèn)為相鄰兩個(gè)駐留點(diǎn)之間為一次出行，如圖2所示。對(duì)于城市群城市間的出行而言，選擇距離最遠(yuǎn)的城市作為當(dāng)日出行的目的地，出發(fā)城市與目的地城市間的出行記錄為一次城市群間的聯(lián)系，對(duì)每個(gè)跨城用戶(hù)進(jìn)行聚合就得到了城市群間的聯(lián)系量。

Δ3-2=T3-T2

2.2 聯(lián)系特征分析

2.2.1 城市間聯(lián)系特征分析

以山東省16個(gè)地市為分析單元，統(tǒng)計(jì)分析地市之間的人流聯(lián)系，如圖3所示。通過(guò)16個(gè)地市之間的人流聯(lián)系分析山東省內(nèi)主要城市之間聯(lián)系的緊密程度。

從各個(gè)城市之間的聯(lián)系上看，山東省內(nèi)城市間的聯(lián)系基本上以鄰近聯(lián)系為主，表現(xiàn)出了臨近城市間聯(lián)系強(qiáng)度相對(duì)較大的特點(diǎn)。但濟(jì)南、青島兩大城市在山東省內(nèi)城市聯(lián)系中處于主導(dǎo)地位，與省內(nèi)主要城市間均建立了較強(qiáng)的人流聯(lián)系。同時(shí)可以看到，與濟(jì)南聯(lián)系緊密的城市主要為濟(jì)南周邊的德州、淄博、泰安等與濟(jì)南緊鄰的地區(qū)，而青島主要偏向于半島區(qū)域，特別是與濰坊、煙臺(tái)的聯(lián)系強(qiáng)度最高。此外，濰坊、臨沂、濟(jì)寧等城市表現(xiàn)出了人流聯(lián)系次節(jié)點(diǎn)的特征，在各個(gè)片區(qū)中承擔(dān)著人流聯(lián)系樞紐的地位。如濰坊與臨沂、煙臺(tái)、東營(yíng)等城市建立了較強(qiáng)的聯(lián)系。由此也可以看出，山東省城市間已經(jīng)形成具有等級(jí)化的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系格局。但聊城、菏澤兩市除了與濟(jì)南聯(lián)系較強(qiáng)外，與其他城市的聯(lián)系相對(duì)較弱，說(shuō)明兩城市在省內(nèi)城市空間聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)中處于邊緣地位，需要改變對(duì)于省域經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)分工整體參與度較低的現(xiàn)狀，進(jìn)一步提升城市能級(jí)強(qiáng)化與外部城市的聯(lián)系。

2.2.2 區(qū)縣間聯(lián)系分析

為了進(jìn)一步分析山東省內(nèi)城市間的聯(lián)系，以區(qū)縣為基本單元，統(tǒng)計(jì)區(qū)縣之間的人流聯(lián)系并進(jìn)行聚合，分析以區(qū)縣為單元的人流聯(lián)系強(qiáng)度。通過(guò)區(qū)縣之間的人流聯(lián)系強(qiáng)度可以進(jìn)一步分析山東半島城鎮(zhèn)群之間的緊密程度。

從山東省157個(gè)區(qū)縣人流聯(lián)系期望線(xiàn)圖(圖4)中可以看出，山東省城鎮(zhèn)群之間相互聯(lián)系強(qiáng)度相對(duì)不高，主要表現(xiàn)為各個(gè)行政轄區(qū)內(nèi)的區(qū)縣之間聯(lián)系相對(duì)緊密，但跨越行政轄區(qū)之間的聯(lián)系略顯不夠，這與山東省城市間相對(duì)均質(zhì)化發(fā)展有很大的關(guān)系。另外，城市空間結(jié)構(gòu)的演化隨著交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的演化不斷發(fā)展變化，早期的城市空間往往是點(diǎn)狀獨(dú)立的，區(qū)域空間之間也是組群獨(dú)立，而隨著高速公路的興起和等級(jí)公路體系的完善，區(qū)域之間組群獨(dú)立的發(fā)展格局逐漸被打破，依托高速公路通道的點(diǎn)軸城鎮(zhèn)群悄然崛起。山東半島城市群隨著鐵路系統(tǒng)的不斷完善，特別是高速鐵路的興起，區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入新一輪升級(jí)重塑期，帶動(dòng)了膠濟(jì)客運(yùn)通道區(qū)域空間的劇烈重組，區(qū)域空間發(fā)展格局轉(zhuǎn)向更高程度的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)體系，點(diǎn)軸城鎮(zhèn)發(fā)展模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀行木W(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。

將濟(jì)南、青島區(qū)縣間的聯(lián)系從山東省區(qū)縣聯(lián)系中抽離出來(lái)，如圖5所示。由圖5可以看出，濟(jì)南作為山東省的省會(huì)，與山東省各個(gè)區(qū)縣間基本均有聯(lián)系，但聯(lián)系強(qiáng)度高的區(qū)域仍然集中于濟(jì)南市轄區(qū)范圍，從一個(gè)方面說(shuō)明了濟(jì)南作為省會(huì)的輻射力和影響力與省會(huì)的地位和作用還沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。反觀青島，作為膠東半島城市群的中心，聯(lián)系更多集中于濱海一線(xiàn)及濰坊，今后應(yīng)更好地發(fā)揮向海優(yōu)勢(shì)，同時(shí)加強(qiáng)自身的輻射力和影響力。

3 城鎮(zhèn)等級(jí)結(jié)構(gòu)分析

3.1 對(duì)外聯(lián)系量表征的等級(jí)結(jié)構(gòu)

在對(duì)城鎮(zhèn)等級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，一般采用“位序-規(guī)?！狈ǖ贸龀擎?zhèn)的規(guī)模分布，認(rèn)為規(guī)模分布與等級(jí)模式基本一致，以此確定城鎮(zhèn)體系的等級(jí)結(jié)構(gòu)[3，7]。該方法得出的城鎮(zhèn)等級(jí)結(jié)構(gòu)為規(guī)模等級(jí)結(jié)構(gòu)，但城市中心性也是衡量中心等級(jí)高低的指標(biāo)，也應(yīng)該是城鎮(zhèn)等級(jí)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[8]。通過(guò)手機(jī)數(shù)據(jù)識(shí)別出的跨城OD中的吸引量反映了城市的吸引力和向心性，也反映了該城市在城鎮(zhèn)中的等級(jí)地位，因此，可以選擇跨城OD中的吸引量(以某城市為目的地的人流總量)作為城市中心性的衡量指標(biāo)。本文以山東省7 d手機(jī)信令數(shù)據(jù)識(shí)別的連續(xù)多日目的地為某城市的出行總量作為衡量該城市在區(qū)域城鎮(zhèn)中的等級(jí)地位的指標(biāo)。

式中：Nj為城市j連續(xù)多日的總?cè)肆魑?；Vij為以城市i為出發(fā)地，以城市j為目的地的跨城出行的人次總數(shù)；n為區(qū)域內(nèi)城市總數(shù)。

通過(guò)計(jì)算得到山東省內(nèi)主要區(qū)縣的對(duì)外聯(lián)系量，采用自然斷裂法將這些區(qū)縣劃分為5個(gè)等級(jí)。將吸引量前30名、等級(jí)較高的區(qū)縣進(jìn)行匯總，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 山東省內(nèi)區(qū)縣吸引量前30名

從圖6和表1中可以看出，山東省吸引力強(qiáng)、等級(jí)結(jié)構(gòu)高的區(qū)縣多為16個(gè)地市的市轄區(qū)，相對(duì)而言，市轄區(qū)人流往來(lái)活動(dòng)頻繁，更有發(fā)展活力。而從排名前30名的區(qū)縣在各個(gè)地市的分布看，多集中于濟(jì)南市、青島市和濰坊市，特別是青島市，市轄7區(qū)均榜上有名。這從一個(gè)方面說(shuō)明了城市發(fā)展的吸引力與城市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平息息相關(guān)。另外，從表1中也可以看出，作為全國(guó)最大的蔬菜集散中心的壽光市排名也比較靠前，說(shuō)明區(qū)縣如果發(fā)展成為全國(guó)或者地區(qū)的特色區(qū)域，其吸引力也會(huì)增強(qiáng)。因此，山東省各地市在目前發(fā)展的基礎(chǔ)上，應(yīng)該尋找各自的特色并將其發(fā)展為優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。

3.2 對(duì)外聯(lián)系流向表征的等級(jí)結(jié)構(gòu)

優(yōu)勢(shì)流(Dominant Flow)分析法由Nystuen和Dacey于1961年提出，是國(guó)際上比較常用的分析城市層級(jí)結(jié)構(gòu)的方法。這一方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)每個(gè)城市的最大優(yōu)勢(shì)流去向判別該城市在城鎮(zhèn)等級(jí)體系中的地位，并結(jié)合城市規(guī)模的比較，確定該城市在層級(jí)結(jié)構(gòu)中所處的位置，并通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)圖示來(lái)劃分城市的歸屬層級(jí)。

將山東省157個(gè)區(qū)縣的人流活動(dòng)量以及人流活動(dòng)去向進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上按照人流量進(jìn)行排序，選取排名最高和次高的活動(dòng)量以及對(duì)應(yīng)的去向作為每個(gè)區(qū)縣的第一優(yōu)勢(shì)流和第二優(yōu)勢(shì)流的流向(圖7、圖8)，并按照16個(gè)地市進(jìn)行匯總(表2)。

從圖7、圖8和表2中可以看出，濟(jì)南市、青島市、濰坊市和臨沂市在優(yōu)勢(shì)流數(shù)量上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，處于城市群等級(jí)結(jié)構(gòu)中的第一級(jí)城市；泰安、煙臺(tái)、菏澤和聊城處于城市群等級(jí)結(jié)構(gòu)中的第二級(jí)城市。

表2 山東省各地市優(yōu)勢(shì)流數(shù)量(匯集優(yōu)勢(shì)流數(shù)量在3個(gè)以上) 個(gè)

從圖7、圖8和表2中還可以看出，優(yōu)勢(shì)流流向存在明顯的地域特征且存在于地域臨近的區(qū)縣之間，這在一定程度上說(shuō)明基于人流流動(dòng)的區(qū)域聯(lián)系的行政化區(qū)域性明顯，行政力量和區(qū)劃因素對(duì)人流空間結(jié)構(gòu)具有很大的影響[9]。從各地市優(yōu)勢(shì)流數(shù)量上看，濟(jì)南、青島和濰坊3個(gè)市優(yōu)勢(shì)流流向相對(duì)分散，而且流向的區(qū)市優(yōu)勢(shì)流數(shù)量相對(duì)均衡，這在一定意義上說(shuō)明3個(gè)市不是嚴(yán)格意義上的單中心城市，市轄區(qū)縣發(fā)展相對(duì)均衡。反觀淄博、臨沂、濟(jì)寧、濱州、東營(yíng)和棗莊這些地市，單中心發(fā)展的趨勢(shì)非常明顯，優(yōu)勢(shì)流流向基本都集中在這些地市發(fā)展的核心區(qū)。

4 結(jié)論

1) 手機(jī)數(shù)據(jù)因其覆蓋面廣、基站近鄰距離小可以作為城市群空間聯(lián)系分析的一種重要數(shù)據(jù)源。根據(jù)手機(jī)信令數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選取跨城(區(qū)縣)的出行OD作為分析城市群空間聯(lián)系量的基礎(chǔ)。分析發(fā)現(xiàn)，山東半島城市群之間聯(lián)系強(qiáng)度普遍不高，以鄰近聯(lián)系為主，濟(jì)南、青島作為山東半島城市群的龍頭城市，引領(lǐng)作用還需進(jìn)一步增強(qiáng)。

2) 用吸引量法分析發(fā)現(xiàn)，山東省吸引力強(qiáng)、等級(jí)結(jié)構(gòu)高的區(qū)縣多為16個(gè)地市的市轄區(qū)，而且多集中于濟(jì)南市、青島市和濰坊市。

3) 采用優(yōu)勢(shì)流算法判別城市在城鎮(zhèn)等級(jí)體系中的地位，發(fā)現(xiàn)濟(jì)南市、青島市、濰坊市和臨沂市在優(yōu)勢(shì)流數(shù)量上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，處于城市群等級(jí)結(jié)構(gòu)中的第一級(jí)城市；泰安、煙臺(tái)、菏澤和聊城處于城市群等級(jí)結(jié)構(gòu)中的第二級(jí)城市。

4) 優(yōu)勢(shì)流流向存在明顯的地域特征且存在于地域臨近的區(qū)縣之間，與跨城OD分析的結(jié)果基本一致，表明行政力量和區(qū)劃因素對(duì)人流空間結(jié)構(gòu)具有很大的影響。