基于多源數(shù)據(jù)的邯鄲城市空間結(jié)構(gòu)識(shí)別

張?zhí)K妍，申雙喜，王曉冬

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市內(nèi)部組成要素相互作用變得日益復(fù)雜，城市空間結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)。城市空間結(jié)構(gòu)是城市中物質(zhì)環(huán)境、功能分區(qū)、區(qū)域分布等組成要素的相互作用及表現(xiàn)方式，是自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、功能布局等因素綜合影響下的結(jié)果，空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣影響著城市功能、資源配置等問題。隨著地理信息與數(shù)字化的不斷發(fā)展，多源數(shù)據(jù)與空間分析在城市與建筑研究中得到了廣泛應(yīng)用，也為城市空間結(jié)構(gòu)研究提供了新的思路與方法。通過城市空間結(jié)構(gòu)識(shí)別，探究城市發(fā)展機(jī)制、各要素影響規(guī)律，對(duì)優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)和城市風(fēng)貌起到重要作用。

1 基于多源數(shù)據(jù)的城市空間結(jié)構(gòu)測(cè)度模型

1.1 理論溯源

城市空間結(jié)構(gòu)主要基于空間視角對(duì)城市形態(tài)、物質(zhì)分布和要素相互作用進(jìn)行研究［1］。地理學(xué)提出了空間相關(guān)性、空間異質(zhì)性和地理相似性，認(rèn)為空間距離越相近，地理環(huán)境越相似，相關(guān)性和相似性越高；中心地理論提出城市中心為交通網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵位置、具有較強(qiáng)的商品和服務(wù)供應(yīng)能力的地區(qū)；區(qū)域理論提出城市通過極化效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)發(fā)展，不平衡的發(fā)展會(huì)形成城市核心。各種理論闡述了自然環(huán)境、人、區(qū)位、資源等相互影響關(guān)系，為城市空間結(jié)構(gòu)研究的多元化和完善發(fā)展提供了支持。

城市空間結(jié)構(gòu)研究在早期通過文獻(xiàn)檢索、實(shí)地考察、圖形分析、人口與就業(yè)數(shù)據(jù)等對(duì)形態(tài)演變［2］、人口聚集［3］、就業(yè)中心［4］等進(jìn)行識(shí)別，刻畫城市空間結(jié)構(gòu)，但是存在成本高、時(shí)間周期長、主觀性強(qiáng)、數(shù)據(jù)不易獲取和時(shí)效性差等局限。隨著數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，深刻影響著城市、人、物質(zhì)之間的相互關(guān)系，人與城市聯(lián)系日益緊密，城市空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變［5］。學(xué)者逐漸轉(zhuǎn)向結(jié)合遙感數(shù)據(jù)［6］、手機(jī)信令數(shù)據(jù)［7］、夜間燈光數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)［8］、交通數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，使用空間句法、分形理論［9］、空間分析等方法進(jìn)行特征識(shí)別，探索城市職住平衡、人群分布、功能分區(qū)、城市中心等，且多源數(shù)據(jù)比單一數(shù)據(jù)更加有效。

總的來看，城市空間結(jié)構(gòu)研究逐步從實(shí)地調(diào)研等傳統(tǒng)方法向結(jié)合多源數(shù)據(jù)研究方法轉(zhuǎn)變，研究內(nèi)容與范圍也擴(kuò)大到城市中心體系、多種組合要素相互關(guān)系、理論與實(shí)踐結(jié)合等。但目前研究多針對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)單一維度，對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)識(shí)別體系研究較少；采用定性角度研究演化機(jī)制較多，針對(duì)性優(yōu)化策略較少。因此基于多源數(shù)據(jù)的城市空間結(jié)構(gòu)多維度研究是可行且必要的。

1.2 模型構(gòu)建

（1）測(cè)度模型

多學(xué)科領(lǐng)域?qū)Τ鞘锌臻g結(jié)構(gòu)研究側(cè)重點(diǎn)不同。如城市研究領(lǐng)域側(cè)重于土地利用、城市空間表征，人文地理領(lǐng)域側(cè)重于人地關(guān)系，經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域側(cè)重于產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)形態(tài)。綜合來看，城市空間結(jié)構(gòu)就是研究人群活動(dòng)、地塊開發(fā)、業(yè)態(tài)功能的綜合關(guān)系［10］。城市空間結(jié)構(gòu)識(shí)別就是建立人、地、業(yè)測(cè)度模型，探索要素與多源數(shù)據(jù)之間耦合關(guān)系。

人是城市活動(dòng)的主體，城市為人活動(dòng)提供空間與物質(zhì)載體，人群活動(dòng)與聚集在一定程度上可以反映城市空間結(jié)構(gòu)。百度人口熱力圖是以顏色劃分人群聚集程度等級(jí)的圖像，通過特殊的高亮顏色顯示某一空間地理被訪問量占劃定區(qū)域的比例。百度地圖通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行反饋，用以體現(xiàn)人群活動(dòng)情況［11］。

地是城市中物質(zhì)空間載體，包括地塊和建筑。一般來說，由于城市空間的極化與擴(kuò)散作用，城市核心開發(fā)強(qiáng)度較大，建筑呈現(xiàn)高聳密集的特征。城市建筑數(shù)據(jù)和地塊數(shù)據(jù)可以反映城市用地情況，得到城市地塊開發(fā)特征。數(shù)據(jù)可以通過地圖平臺(tái)進(jìn)行獲取［12］。

業(yè)是城市中政治、文化、商業(yè)等活動(dòng)產(chǎn)生物質(zhì)流與信息流的場所，業(yè)態(tài)聚集程度反映了城市空間的利用情況，不同的業(yè)態(tài)集合反映了城市空間結(jié)構(gòu)的特征。興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)（POI）是城市中地理實(shí)體位置的抽象點(diǎn)數(shù)據(jù)，通常包含了名稱、地址、類別和地理空間坐標(biāo)，可以反映城市業(yè)態(tài)功能［13］。

（2）技術(shù)線路

首先運(yùn)用Python語言獲取人口熱力數(shù)據(jù)、建筑矢量數(shù)據(jù)和POI數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理工作，去除數(shù)據(jù)噪聲，進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)范化，最后導(dǎo)入ArcGIS軟件進(jìn)行量化分析和可視化。采用城市研究常用尺度和空間分辨率，將城市劃分為500m×500m的格柵，選取500m作為分辨率，運(yùn)用密度分析、空間分析等方法識(shí)別劃分城市高聚類集聚區(qū)域，進(jìn)行城市評(píng)估，判斷城市中心、設(shè)施分布公平性和城市地塊開發(fā)情況。通過多源數(shù)據(jù)進(jìn)行城市研究，可以反映經(jīng)濟(jì)、建設(shè)和人口聚合關(guān)系，對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別。

2 基于多源數(shù)據(jù)的城市空間結(jié)構(gòu)識(shí)別

2.1 研究對(duì)象

邯鄲為千年古都，國家歷史文化名城，城市實(shí)體地域具有傳統(tǒng)格局與現(xiàn)代發(fā)展相結(jié)合的特點(diǎn)。本文以多源數(shù)據(jù)為支持，研究對(duì)象為邯鄲城市空間結(jié)構(gòu)，研究范圍為邯鄲市實(shí)體地域，大致為邯鄲主城區(qū)范圍。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）人口熱力數(shù)據(jù)

人口熱力數(shù)據(jù)可以反映城市中人口聚集分布與狀態(tài)變化。研究以2020年連續(xù)一周時(shí)間（11月30日周一至12月6日周日）的邯鄲主城區(qū)人口熱力數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以1小時(shí)為時(shí)間間隔，從早上7時(shí)至晚上24時(shí)的人口熱力圖切片。數(shù)據(jù)來源為百度地圖平臺(tái)。將數(shù)據(jù)聚集以自然間斷法劃分為8個(gè)等級(jí)，熱力值賦值為0至7，圖像顏色為藍(lán)色至紅色代表人群聚集由低到高，其中0值熱力數(shù)據(jù)較少，賦予為無顏色值0。

（2）地塊建筑數(shù)據(jù)

運(yùn)用Python語言獲取2021年邯鄲主城區(qū)建筑矢量數(shù)據(jù)，共1.43萬棟城市建筑物矢量數(shù)據(jù)。城市建筑數(shù)據(jù)為面數(shù)據(jù)，包括建筑輪廓形狀信息、經(jīng)緯度空間信息、建筑層數(shù)、建筑高度和面積等屬性信息。輔助數(shù)據(jù)有邯鄲市城市總體規(guī)劃、市轄區(qū)面積等公開數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于國家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)、政府公開數(shù)據(jù)和百度地圖平臺(tái)。

（3）POI數(shù)據(jù)

本研究采集獲取邯鄲市主城區(qū)范圍內(nèi)2021年P(guān)OI（興趣點(diǎn)）數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含了行業(yè)分類、名稱、地址、標(biāo)簽、區(qū)域和坐標(biāo)字段等信息，共計(jì)21種分類，1.48萬個(gè)POI信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于百度地圖平臺(tái)。根據(jù)業(yè)態(tài)特征和國家行業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn)，將POI數(shù)據(jù)清洗篩選并劃分為政府服務(wù)、生活服務(wù)、社會(huì)服務(wù)、生產(chǎn)服務(wù)四類。

2.3 特征識(shí)別

（1）人群活動(dòng)

通過對(duì)人口熱力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，邯鄲主城區(qū)人群活動(dòng)呈現(xiàn)工作日和休息日兩種特征，并且以7時(shí)、9時(shí)、19時(shí)、22時(shí)為一天內(nèi)典型代表（如圖1）。在工作日，7時(shí)城市活動(dòng)開始逐漸增強(qiáng)，人口熱力聚集呈散點(diǎn)分布，主要區(qū)域?yàn)榫幼∩鐓^(qū)、中小學(xué)和高校。9時(shí)城市人群活動(dòng)快速聚集，商業(yè)區(qū)域、辦公區(qū)域、工廠區(qū)域熱力聚集特征有了明顯提升，熱力高峰集中于人民路的城內(nèi)中街至東柳大街段、和平路的浴新大街至滏河北大街段、中華大街的聯(lián)防路至學(xué)院北路段等。19時(shí)為晚高峰，主城區(qū)各大商業(yè)圈與居住社區(qū)熱力連接成片，城市主干道中心區(qū)域具有較強(qiáng)熱力聚集特征。22時(shí)人群返回居住區(qū)域進(jìn)入休息階段，熱力值全面降低。全天熱力低谷出現(xiàn)在城市公園和邯鋼工業(yè)園區(qū)。

圖1 邯鄲主城區(qū)人口熱力

在休息日，7時(shí)城市熱力值較低，且呈散點(diǎn)分布，主要位于居住社區(qū)。9時(shí)熱力高峰主要集中于居住社區(qū)和新世紀(jì)、美樂城、天鴻、康德幾大商圈，形成斑塊狀，隨后逐漸蔓延，連接成片，形成面狀熱力高峰。19時(shí)城市熱力聚集為面狀特征，集中于居住社區(qū)、主城區(qū)商圈和高校區(qū)域，隨后逐漸降低。22時(shí)，主城區(qū)熱力大幅度下降。

主城區(qū)人口熱力特征在工作日和休息日呈現(xiàn)一定聚集區(qū)域差異性和發(fā)展趨勢(shì)相似性。工作日人群聚集區(qū)域集中在主城區(qū)中心區(qū)域，在休息日分布則更加廣泛與均衡。邯鄲主城區(qū)人口熱力總體特征為高集中、小分散、不均衡，多集中于主城區(qū)中部和南部，在其他區(qū)域分散有一些高聚集區(qū)域。人口熱力高值點(diǎn)有醫(yī)院、學(xué)校、政府、辦公樓等，高值區(qū)域有新世紀(jì)商圈、天鴻商圈、美樂城商圈、大型居住社區(qū)以及相應(yīng)周圍區(qū)域聯(lián)結(jié)形成大片區(qū)域，人口熱力低值有公園、工廠、城中村等，主城區(qū)北部有較多工業(yè)廠區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合處，以及西南部邯鋼工業(yè)園區(qū)和趙王城遺址，形成了邯鄲多核心的布局。

（2）地塊開發(fā)

邯鄲市主城區(qū)總面積約為150平方千米，為邯鄲市集中建設(shè)區(qū)域。經(jīng)過對(duì)邯鄲建筑矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，低層建筑占比為35.47%，多層建筑占比為50.78%，高層建筑占比為13.74%，超高層建筑占比為0.01%，建筑以多層為主。主城區(qū)中建成區(qū)域比較集中，中心區(qū)域較為飽和，城市建設(shè)發(fā)展不均衡，周邊區(qū)域有待開發(fā)。邯鄲市道路系統(tǒng)以兩環(huán)兩軸為骨架，縱橫交錯(cuò)、四通八達(dá)。2021年，邯鄲市城市道路網(wǎng)密度為8.43千米/平方公里，達(dá)到了國家提出的城市建成區(qū)道路網(wǎng)密度應(yīng)大于8千米/平方公里的標(biāo)準(zhǔn)要求，屬于較好水準(zhǔn)。

邯鄲主城區(qū)為網(wǎng)格式布局，以中華大街為對(duì)稱軸，城市地塊開發(fā)呈多心高聚集狀態(tài)。高層在中心區(qū)域以散點(diǎn)分布，主要為辦公樓、綜合體、商場等，部分為居住社區(qū)；在主城區(qū)周圍多集中式分布，多為居住社區(qū)，少數(shù)商業(yè)辦公。主城區(qū)地塊開發(fā)核心為城市中心區(qū)，開發(fā)強(qiáng)度大，但部分區(qū)域缺乏活力，空間閑置化，沒有足夠的人群與業(yè)態(tài)支撐。城市中心區(qū)周邊地塊開發(fā)強(qiáng)度相對(duì)較低，仍需進(jìn)一步優(yōu)化與提升，如圖2所示。

圖2 邯鄲主城區(qū)地塊

（3）業(yè)態(tài)功能

根據(jù)核密度和熱點(diǎn)分析，邯鄲主城區(qū)業(yè)態(tài)聚集度和熱點(diǎn)區(qū)域以主城區(qū)中心為核心，為康德和新世紀(jì)商圈，人民路與中華大街交叉中心，向四周輻射擴(kuò)散，周圍多處次核心，城市北部和西南部業(yè)態(tài)功能較為單一、活力欠缺。城市顯著性熱點(diǎn)區(qū)域有康德-新世紀(jì)商圈、王郎東社區(qū)、學(xué)步橋區(qū)域、天鴻商圈、邯山區(qū)政府區(qū)域，顯著性冷點(diǎn)主要分布于主城區(qū)外圍環(huán)路附近，有北部與南部的學(xué)校區(qū)域、東北部的工廠區(qū)域、西北部的前進(jìn)大街區(qū)域。

政府服務(wù)類集中于主城區(qū)東南部興華路與匯通巷、陵園路與陵西大街、展覽路與光明大街、聯(lián)防路與世紀(jì)大街，分布較為均衡。生活服務(wù)類主要包含餐飲商場、休閑娛樂等，分布較為廣泛，數(shù)量眾多，聚集特征比較明顯，主要集中于各大商圈、城市公園、沿街等區(qū)域，具有多核心特征，北部和西部較為欠缺。社會(huì)服務(wù)類主要包括醫(yī)療教育、文化旅游等業(yè)態(tài)功能，分布較為均衡。生產(chǎn)服務(wù)類主要包括企業(yè)工廠等，多集中于主城區(qū)西部，以中心鐵路界限劃分，其他區(qū)域較少，如圖3所示。

圖3 邯鄲主城區(qū)POI數(shù)據(jù)分析

3 城市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邯鄲主城區(qū)城市空間結(jié)構(gòu)總體特征為網(wǎng)格布局，中軸對(duì)稱，一心多核，環(huán)狀輻射。邯鄲主城區(qū)空間體系呈現(xiàn)中心區(qū)域強(qiáng)四周弱，主城區(qū)中部被京廣線鐵路貫穿，將城市劃分為東西兩部分，為城市發(fā)展帶來一定限制。西南部的邯鋼工業(yè)園區(qū)和趙王城遺址由于功能原因，導(dǎo)致城市空間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的區(qū)塊劃分。

均衡城市發(fā)展。邯鄲主城區(qū)中心區(qū)域開發(fā)強(qiáng)度較高，老城區(qū)、城中村和中心區(qū)域周邊開發(fā)強(qiáng)度較低、活力不足，應(yīng)均衡城市發(fā)展。對(duì)老城區(qū)進(jìn)行獨(dú)立規(guī)劃，塑造串城街歷史文化街區(qū)和武靈叢臺(tái)特色歷史城區(qū)，修繕與打造趙王城遺址特色公園、趙苑歷史文化公園。邯鄲應(yīng)啟動(dòng)工業(yè)企業(yè)退城搬遷改造工程，遺存工業(yè)園區(qū)具有重要?dú)v史意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值，主城區(qū)西部打造邯鋼工業(yè)文化特色園區(qū)，北部打造邯鄲熱電廠工業(yè)文化特色片區(qū)，保留城市記憶，增強(qiáng)文化氛圍，塑造優(yōu)質(zhì)城市風(fēng)貌［14］。

構(gòu)建生態(tài)綠都構(gòu)架。邯鄲擁有豐富的自然、歷史、人文資源，依托資源打造歷史文化名城、旅游發(fā)展帶、城市濱水與公園綠地景觀，突出地域文化與特色。構(gòu)建“水-綠-路-城”為一體的空間構(gòu)架，營造自然人文城市。主城區(qū)有沁滏兩河、叢臺(tái)公園、龍湖公園、滏陽公園、趙苑等多處城市公共綠地，構(gòu)筑高低視角良好環(huán)境。加強(qiáng)對(duì)主城區(qū)水文水系等自然環(huán)境的利用，提升濱水空間區(qū)域特色，形成線狀特色空間。

提升城市整體活力，注重主城區(qū)各區(qū)域均衡發(fā)展，中心帶動(dòng)周邊，提升城市競爭力，優(yōu)化城市風(fēng)貌，形成生態(tài)化、集約化、系統(tǒng)化的城市空間結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

城市空間是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，綜合全面考慮影響要素進(jìn)行城市空間結(jié)構(gòu)識(shí)別更加客觀與準(zhǔn)確。本研究通過人口熱力數(shù)據(jù)、地塊建筑數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)綜合識(shí)別城市空間結(jié)構(gòu)，與實(shí)際相符且簡明可行，對(duì)相似研究具有一定參考意義。在后續(xù)研究中要考慮各數(shù)據(jù)之間的誤差疊加，提高數(shù)據(jù)精度，還可與遙感數(shù)據(jù)、手機(jī)信令數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)等結(jié)合識(shí)別城市空間結(jié)構(gòu)，定量分析各要素聯(lián)系，逐步建立標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化城市信息分析模型。