基于POI的城市功能區(qū)混合度識別研究

趙宏雨，夏佳毅

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

在一個城市不斷發(fā)展的進程中，城市功能分區(qū)及城市空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃變得越來越重要。當前我國正處在城市化快速發(fā)展的進程中，為了實現(xiàn)對城市空間結(jié)構(gòu)和城市功能現(xiàn)狀的精準把握，研究人員需對城市的功能分區(qū)做出有效的科學決策，從而實現(xiàn)城市功能區(qū)混合度的識別與評價。以往的城市功能區(qū)的識別方法主要是遙感影像與外業(yè)實地調(diào)查統(tǒng)計為主，前者存在影像現(xiàn)勢性不強且數(shù)據(jù)研究成本較高的問題，后者則主觀性較大。

近些年，隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，城市功能區(qū)相關(guān)的規(guī)劃研究和應(yīng)用有了新思路，其中POI數(shù)據(jù)作為大數(shù)據(jù)的一份子，有著數(shù)據(jù)量大、獲取方式簡單、覆蓋范圍廣等特點。本文利用POI數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、水系、行政區(qū)劃等多源數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，提出了一種在路網(wǎng)尺度下的POI數(shù)據(jù)的量化方法，來定量計算城市功能分區(qū)，以此來對城市功能混合度進行識別評價，研究結(jié)果將有助于城市規(guī)劃者更好的把握城市空間結(jié)構(gòu)，為城市的規(guī)劃研究工作提供思路和借鑒。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

新沂市位于江蘇省北部，西接邳州市，東連沭陽、東海二縣，南鄰宿遷市區(qū)，北與山東郯城縣接壤。地跨北緯34°06′～34°26′、東經(jīng)117°59′～118°39′。東西最大跨度62.9 km，南北最大距離41.0 km。下轄1個工業(yè)園區(qū)、1個 經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)，面積約1 592 km2。以數(shù)據(jù)獲取原則為出發(fā)點，本文選擇新沂市核心城區(qū)為研究對象，面積約為46 km2，測區(qū)范圍涉及四個街道：新安街道、北溝街道、唐店街道、墨河街道。研究區(qū)域概況如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 POI數(shù)據(jù)

本研究利用2021年新沂市天地圖更新項目中的POI數(shù)據(jù)來獲取核心城區(qū)興趣點數(shù)據(jù)共計14 013條。每條POI數(shù)據(jù)都包含了多個屬性值，以字段名表示，包括序號(int)、緯度(double)、經(jīng)度(double)、代碼(double)、區(qū)域(char)、重要性(char)、名稱(char)、地址(char)、大類(char)、中類(char)、小類(char)等。本文POI數(shù)據(jù)依照線性分類法，按照從屬關(guān)系分為大類、中類、小類3個層次。大類分類包括住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、商服用地、工礦倉儲用地、交通運輸用地、風景名勝用地、綠地廣場等共7種大類；中類分類包括小區(qū)、科教文化、醫(yī)療保健、商務(wù)設(shè)施、工廠、公園等16種中類；小類分類包括幼兒園、小學、中學、醫(yī)院、商場等42種小類[1]。

1.2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本研究利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為2021年新沂市1∶500地形圖項目中的道路網(wǎng)、水系、建筑物和興趣點等數(shù)據(jù)，其中路網(wǎng)數(shù)據(jù)的精度和完整度較高，適合應(yīng)用于此次城市功能用地劃分[2]的研究。對于獲取的路網(wǎng)數(shù)據(jù)，保留主次干路字段的路網(wǎng)數(shù)據(jù)，用合適的容差處理多余雜亂的路網(wǎng)，得到研究所需的路網(wǎng)數(shù)據(jù)，以路網(wǎng)將新沂城區(qū)分割為基本的研究單元。新沂市現(xiàn)有城市用地數(shù)據(jù)主要參考新沂市第三次全國土地調(diào)查項目中的DLTB(地類圖斑)圖層，主要涉及到05類(商服用地)、06類(工礦倉儲用地)、07類(住宅用地)、08類(公共管理與公共服務(wù)用地)、10類(交通運輸用地)等地類圖斑，可作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與本文實驗結(jié)果所得的城市功能區(qū)數(shù)據(jù)對比分析。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先將2021年新沂市天地圖更新項目中的POI數(shù)據(jù)按土地分類進行數(shù)據(jù)清洗，刪除非分類數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)。其次加載行政區(qū)劃、路網(wǎng)數(shù)據(jù)和POI數(shù)據(jù)，以主要道路分割行政區(qū)劃形成分割地塊。然后經(jīng)過POI空間面積權(quán)重和影響力權(quán)重的調(diào)和得到最終的POI權(quán)重表。最后依據(jù)公式計算熵值，即可得到各地塊的混合程度分布[3]。

2.2 POI權(quán)重標準化

由于POI只是點要素，且城市內(nèi)不同的功能區(qū)影響力與相關(guān)度不同，因此要對分類的POI進行分類權(quán)重賦值。本文通過對影響力權(quán)重與空間面積權(quán)重進行調(diào)和的方式得到最終的POI權(quán)重(見表1)。

表1 POI權(quán)重指標標準化一覽表

1)影響力權(quán)重。

不同類型的POI在城市影響力和大眾認知度等方面的顯著程度差異性較大，本文引入新的影響力權(quán)重評價指標來描述這種顯著性。對于多層級分類的POI數(shù)據(jù)，結(jié)合模糊指標評價和AHP層次分析模型的方法，運用總排序和層次單排序的方式得到歸一化的影響力權(quán)重。

2)空間面積權(quán)重。

每一個POI都代表著一個地理實體的空間信息，通過面積權(quán)重進行實體要素的評價打分，根據(jù)GB/T 18106—2010中國現(xiàn)行的業(yè)態(tài)分類標準，基于分類標準中的POI類別建筑面積，通過類比推算出各類別POI的建筑面積，并通過Z-Score標準化方法實現(xiàn)對42個小類的POI面積權(quán)重賦值。Z-Score標準化是指對基于面積權(quán)重的均值(mean)和標準差(standard deviation)進行數(shù)據(jù)的標準化。

(1)

其中，x1,x2,…，xn為面積權(quán)重序列；y1,y2,…，yn為Z-Score標準化后新序列。

3)調(diào)和權(quán)重。

將前兩項的權(quán)重值以極小值定標的方式進行規(guī)范化處理，得到兩列新的權(quán)重，公式如式(2)所示：

(2)

2.3 熵值計算功能混合度

熵值是指信息論中度量隨機事件在某項實驗中的不確定程度的概念。城市用地功能混合度是城市土地利用和建筑生產(chǎn)的普遍規(guī)律，本文以清洗后的POI為數(shù)據(jù)源，將路網(wǎng)數(shù)據(jù)行政區(qū)劃做精細化分割得到分割地塊，通過計算單一地塊內(nèi)POI種類的多樣性，來測定各類型POI的功能混合度，熵值越大,不肯定性越大，表示該地塊內(nèi)POI功能種類越多；熵值越小,不肯定性越小。計算公式如式(3)所示：

(3)

3 結(jié)果分析

3.1 功能識別

本文按城市分區(qū)空間識別的方法對所研究的區(qū)域進行城市功能區(qū)識別[5]，通過獲得道路分割研究區(qū)域分區(qū)地塊共453個，同時將經(jīng)過預(yù)處理過的地塊面狀屬性數(shù)據(jù)和不同類型的POI數(shù)據(jù)進行空間聯(lián)接，識別并計算各地塊中加權(quán)平均后權(quán)重分數(shù)占比最大的功能為該地塊的主要功能，最終進行圖形的可視化表達[6]。圖2為基于POI權(quán)重分數(shù)模型的新沂市城區(qū)用地功能識別圖，經(jīng)模型識別計算，研究區(qū)域共識別住宅功能區(qū)137個，公服功能區(qū)50個，商服功能區(qū)66個，綠地功能區(qū)62個，交通運輸功能區(qū)10個，工礦倉儲功能區(qū)71個，混合功能區(qū)41個，未開發(fā)功能區(qū)16個。

3.2 混合度識別

在對道路分割地塊識別的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有較多的混合功能區(qū)存在。為了獲得更精準的城市功能區(qū)混合度，需要進一步將研究區(qū)域劃分為100 m×100 m精細化格網(wǎng)，按POI多樣性量化的步驟對新沂市城區(qū)用地功能混合度加以識別計算，得到新沂市城區(qū)功能混合度分布圖(見圖3)。研究區(qū)域共創(chuàng)建格網(wǎng)4 624個，去除空值后有效格網(wǎng)有4 430個，功能混合度數(shù)值越高，說明格網(wǎng)內(nèi)POI種類越多。

還可以進一步進行聚類和異常值分析[7]，通過表面相似性(高值或低值的空間聚類)和表面相異性(空間異常值)得到分析值為Not Significant表示沒有顯著性；High-High Cluster表示高高集聚，即格網(wǎng)內(nèi)POI功能相似性較高，鄰近區(qū)域的POI功能相似性也較高；High-Low Outlier表示高低集聚，即格網(wǎng)內(nèi)POI功能相似性較高，鄰近區(qū)域的POI功能相似性較低；Low-High Outlier表示低高集聚，即格網(wǎng)內(nèi)POI功能相似性較低，鄰近區(qū)域的POI功能相似性較高；Low-Low Cluster表示低低集聚，即格網(wǎng)內(nèi)POI功能相似性較低，鄰近區(qū)域的POI功能相似性較低。首先根據(jù)熵值字段生成莫蘭指數(shù)報表圖(見圖4)，當Z-Score值大于2.58時，則隨機產(chǎn)生此高聚類模式的可能性要小于1%，即功能區(qū)分布具有一定的空間集聚性。最終通過全局莫蘭指數(shù)[8]分析得到新沂市城區(qū)功能聚類和異常值分布圖(見圖5)。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 識別評價

由圖2可知，經(jīng)過識別并計算各地塊中加權(quán)平均后功能區(qū)分析可以發(fā)現(xiàn)以下特征：

1)住宅功能分區(qū)在研究區(qū)域占比較高，主要以沭河和新戴運河相交的為中心集聚分布。從地塊的角度來看，POI調(diào)和權(quán)重占比高的居住功能區(qū)，其面域較廣，充分說明新沂的城市功能分區(qū)以住宅用地為主。

2)公服功能分區(qū)在研究區(qū)域呈現(xiàn)多點片狀分布，公服用地以政府、學校、醫(yī)院、公共場所等為主要的地理空間實體，數(shù)據(jù)結(jié)果較為明顯的識別了市政府、人民醫(yī)院、奧體中心、新沂一中、新沂圖書館等主要公共服務(wù)設(shè)施，從側(cè)面反映了新沂市在公共服務(wù)用地的規(guī)劃建設(shè)方面的均衡性、普惠性。

3)商服功能分區(qū)主要集中在新沂火車站南側(cè)和新沂高鐵南站北側(cè)，呈現(xiàn)雙核心片狀分布的格局。數(shù)據(jù)成功識別出新沂火車站與新沂市政府之間的集聚型商業(yè)服務(wù)用地，以及對新沂高鐵南站周邊形成的新的商圈進行了有效識別，充分說明新沂的商業(yè)集聚是交通可達性和公服職能綜合作用的結(jié)果。

4)工業(yè)倉儲功能分區(qū)則呈現(xiàn)明顯的邊緣化形態(tài)，研究數(shù)據(jù)成功的識別了分布在城區(qū)西南側(cè)的工業(yè)園區(qū)和東南側(cè)的物流集散地。邊緣集聚式的功能分布有助于工業(yè)產(chǎn)出比最大化，提高工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

由圖3，圖5可知，新沂市中心城區(qū)的功能區(qū)混合度整體較高，分布具有一定的空間集聚性。同時與POI數(shù)據(jù)在新沂城區(qū)的分布形態(tài)基本保持一致，也和新沂城區(qū)空間結(jié)構(gòu)相契合，證明混合度高值區(qū)域的分布與城市功能區(qū)識別計算的結(jié)果存在相關(guān)性。主要表現(xiàn)在：

1)公服功能區(qū)和商服功能區(qū)混合度較高，且空間相似性表現(xiàn)為高值聚類，而其他單一功能區(qū)混合度較低。這與公服和商服類POI占比較高有密切關(guān)系，商服類POI空間點密度呈現(xiàn)體量小、規(guī)模大的特征，圍繞著新沂市政府北側(cè)的商業(yè)地帶混合度明顯高出，反映出區(qū)域內(nèi)商業(yè)氣息濃厚，公服用地和商服用地的土地利用率較高[9]。

2)與之相比，工礦倉儲和交通運輸功能區(qū)的混合度較低，且空間相似性表現(xiàn)為低值聚類，反映出土地利用集約性的問題，以及土地效能較低的問題。新沂城區(qū)西南側(cè)的工業(yè)園區(qū)混合度計算值偏低，周圍商業(yè)服務(wù)和公共服務(wù)有待提升，城市擴展的整體性不足。

3.3.2 結(jié)果檢驗

通過分割地塊劃分的功能區(qū)與三調(diào)土地用地情況進行對比，檢驗識別總體準確率。將地塊真實屬性和實驗獲得的分區(qū)屬性進行符合性評判，屬性完全一致的符合度打3分，屬性有相同項的根據(jù)符合情況，打1分或2分，屬性完全不符的打0分。功能分區(qū)識別算法準確度計算公式如式(4)所示：

(4)

其中，n為抽樣地塊數(shù);xi為分割地塊的實際符合度分值;Xi為分割地塊的符合度滿分值。

經(jīng)過地塊符合度的評價與計算，得到新沂市城區(qū)功能分區(qū)識別的準確率為89.6%，經(jīng)驗證本研究對基于POI的城市功能分區(qū)能進行有效識別和評價，且具有較高的準確度。

4 結(jié)語

本文從新沂市POI大數(shù)據(jù)的研究視角出發(fā)，以路網(wǎng)和水系分割地塊為尺度，識別了住宅功能、公服功能、商服功能、工業(yè)倉儲功能、交通運輸功能、綠地功能在內(nèi)的六大類城市功能區(qū)，通過計算各地塊或格網(wǎng)中混合度值，探索了以POI數(shù)據(jù)為主的多源數(shù)據(jù)在現(xiàn)代城市功能分區(qū)中的應(yīng)用，創(chuàng)新性的通過POI多影響因素權(quán)重賦值的方法進行熵值計算，并進一步采用聚類和異常值分析進行評價分析，最終將分割地塊劃分的功能區(qū)與三調(diào)土地用地情況做符合性打分進行結(jié)果驗證。本研究可以為城市規(guī)劃者們提供一個具有指導性意義的功能分區(qū)流程，也可以為城市優(yōu)化地理空間結(jié)構(gòu)、集約節(jié)約土地資源、提高用地效益提供決策支持，對城市發(fā)展有十分重要的現(xiàn)實意義。