基于POI 數(shù)據(jù)的城市功能區(qū)識(shí)別研究

鄭國(guó)強(qiáng)，喬宇昊，孫思民

（1.山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

傳統(tǒng)的城市功能區(qū)劃分與識(shí)別主要依靠人工判讀和實(shí)地勘查，主觀性強(qiáng)，識(shí)別誤差大且效率低下，無(wú)法滿足相關(guān)技術(shù)精度需求。街區(qū)地塊是開(kāi)展城市空間規(guī)劃編制的基本單元，因此，本文基于POI數(shù)據(jù)，以城市路網(wǎng)劃分研究區(qū)域，利用頻數(shù)密度與類型比例法實(shí)現(xiàn)了濟(jì)南市中心城區(qū)的功能區(qū)定量識(shí)別。通過(guò)POI核密度分析展示了六大類POI 在空間分布上的聚集性。最后將識(shí)別結(jié)果與濟(jì)南市規(guī)劃數(shù)據(jù)對(duì)照，利用混淆矩陣進(jìn)行精度驗(yàn)證，提出功能區(qū)優(yōu)化對(duì)策。研究結(jié)果可以展示城市功能區(qū)分布的空間格局，為濟(jì)南市城市功能區(qū)空間規(guī)劃決策提供新的思路。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市位于山東省中部，地勢(shì)南高北低，以丘陵、平原為主。截至2020 年年底，濟(jì)南市常住人口920.24萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率達(dá)75%。

研究區(qū)域選取濟(jì)南市繞城高速內(nèi)的濟(jì)南市中心城區(qū)，該區(qū)域城鎮(zhèn)化率較高，居住功能集中，道路網(wǎng)絡(luò)完整。在老城商埠區(qū)，路網(wǎng)類型以方格式為主，布局相對(duì)整齊。隨著城市的擴(kuò)張，受地形因素影響，中心城區(qū)路網(wǎng)分布的主要特征為方格-環(huán)形-放射混合式分布。研究區(qū)以繞城高速為界限與周圍街區(qū)形成了明顯的地理阻隔，可減少城市郊區(qū)在功能區(qū)識(shí)別過(guò)程中邊緣效應(yīng)的干擾[1]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

利用Python語(yǔ)言從百度地圖爬取的2021年P(guān)OI數(shù)據(jù)，其中原始的POI數(shù)據(jù)共40萬(wàn)余條，每個(gè)興趣點(diǎn)包含了名稱、地址、電話、坐標(biāo)、郵編、類別等信息，落入研究區(qū)域內(nèi)POI 數(shù)據(jù)共計(jì)7 萬(wàn)余條，約占濟(jì)南市POI總數(shù)的17.5%。

由于獲取的原始POI 數(shù)量眾多，存在分類的重復(fù)或交叉的問(wèn)題，因此需要對(duì)POI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，刪除重復(fù)的點(diǎn)和屬性缺失的點(diǎn)。對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)參照POI 數(shù)據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新分類，選取居住用地、公共用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地、交通設(shè)施用地、綠地與廣場(chǎng)用地[2]6個(gè)大類為主要用地類型，根據(jù)濟(jì)南市的城市特點(diǎn)歸納總結(jié)出中類和小類，進(jìn)行分類研究，如表1所示。

表1 城市用地功能分類體系

濟(jì)南市2021 年道路數(shù)據(jù)源自O(shè)pen Street Map（OSM）開(kāi)放地圖平臺(tái)，數(shù)據(jù)包括鐵路，國(guó)道，縣道，城市快速路，高速公路，市區(qū)一級(jí)道路，行人道路等。刪除鐵路、行人道路等無(wú)法圍成街區(qū)的道路，保留以城市快速路、省道、縣道、市區(qū)一級(jí)道路為主的路網(wǎng)，以此將研究區(qū)域劃分成若干不規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行研究。

2 主要研究方法

2.1 基于城市路網(wǎng)生成不規(guī)則格網(wǎng)

城市路網(wǎng)是城市建設(shè)的骨架，對(duì)城市發(fā)展起到了先導(dǎo)作用。路網(wǎng)的分布能體現(xiàn)城市交通的空間導(dǎo)向特征。以城市路網(wǎng)為基礎(chǔ)劃分的街區(qū)是研究城市功能區(qū)的基本的單元，基于城市路網(wǎng)劃分功能區(qū)，在城市規(guī)劃方面具有合理性。

獲取的路網(wǎng)存在部分懸掛不通的道路和孤立于整個(gè)路網(wǎng)的道路，需進(jìn)行拓?fù)浼m正。糾正后的路網(wǎng)將研究區(qū)域劃分為1 018個(gè)街區(qū)地塊。

2.2 POI數(shù)據(jù)賦權(quán)

POI 數(shù)據(jù)不包含地理實(shí)體的面積，僅表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)，而街區(qū)內(nèi)的建筑物均有一定的占地面積，并且地理實(shí)體的占地面積在該街區(qū)單元的功能區(qū)識(shí)別也承擔(dān)了十分重要的作用。興趣點(diǎn)需要被賦予權(quán)重分值，權(quán)重對(duì)于混合功能區(qū)識(shí)別具有重要性[3]。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)社交工具，利用調(diào)查問(wèn)卷的方式，統(tǒng)計(jì)濟(jì)南市民眾對(duì)本市6 種POI 一級(jí)分類的認(rèn)知度。認(rèn)知情況分為4 種，分別是“高，中，低，非常低”4個(gè)認(rèn)知等級(jí)。此次調(diào)查共收集問(wèn)卷189 份，且大部分的受訪者為本地市民和濟(jì)南市的在讀大學(xué)生。根據(jù)地理實(shí)體的建筑面積與公眾認(rèn)知度排名[4]，結(jié)合濟(jì)南市城市特點(diǎn)，對(duì)POI數(shù)據(jù)賦予相應(yīng)權(quán)重。按照順序量分級(jí)方法，選取100，75，50，25四個(gè)分值等級(jí)。

2.3 POI核密度分析

核密度分析用于計(jì)算要素在其周圍鄰域中的密度，展示點(diǎn)要素在空間上的密集程度。核密度分析法基于地理學(xué)第一定律，利用核函數(shù)計(jì)算一定空間范圍內(nèi)的POI 的密度，地理學(xué)第一定律由Waldo Tobler 提出[5]，即在地理分布上，任何事物之間都會(huì)與其他事物具有相關(guān)性，并且相近的事物關(guān)聯(lián)更緊密。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)帶寬（服務(wù)半徑）確定后，不同的核函數(shù)對(duì)核密度估計(jì)的影響很小[6]，因此在實(shí)際工作中，只需要選擇滿足一定條件的核函數(shù)即可。本文采用的核密度函數(shù)公式如下：

式中，f(x)為核密度函數(shù)；k(x-xi)/h為核函數(shù)；n為已知點(diǎn)數(shù)量；h為服務(wù)半徑；(x-xi)為柵格中心點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離。

服務(wù)半徑的取值為各類POI的可達(dá)性距離，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際特點(diǎn)以及城市規(guī)劃領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，確定出六大類POI對(duì)應(yīng)的不同的服務(wù)半徑，如表2所示。

表2 服務(wù)半徑對(duì)應(yīng)表

2.4 頻數(shù)密度與類型比例計(jì)算

利用ArcGIS10.6 空間連接功能，將分類后的POI數(shù)據(jù)連接到以街區(qū)為基本單元的不規(guī)則網(wǎng)格中，連接后生成的屬性表中的join-count 字段可以統(tǒng)計(jì)出每個(gè)街區(qū)落入POI 點(diǎn)的總量，根據(jù)上文各類POI 賦予相應(yīng)的權(quán)重分值，構(gòu)建頻數(shù)密度和類型比例算法[6]進(jìn)行功能區(qū)的定量識(shí)別。

計(jì)算公式如下：

在式（2）、（3）中，i為類型；ni為第i類POI 的個(gè)數(shù)；ai為POI數(shù)據(jù)中第i類POI的分值；Fi為街區(qū)內(nèi)第i類POI 占該街區(qū)內(nèi)所有POI 的頻數(shù)密度比例；Ci為第i種一級(jí)用地類型的頻數(shù)密度占街區(qū)內(nèi)所有類型的POI頻數(shù)密度比例。

在以路網(wǎng)分割形成的基本單元中，當(dāng)街區(qū)內(nèi)某一種類Ci值占總POI密度分值的50%以上時(shí)，該街區(qū)以此功能為主導(dǎo)功能，街區(qū)被識(shí)別為單一功能區(qū)[7]；如果該區(qū)域內(nèi)的各類POI 沒(méi)有一種能夠占到50%以上，則表明該街區(qū)有多個(gè)功能，選取占比前兩名的為主要兩種功能，則該區(qū)域識(shí)別為混合功能區(qū)。當(dāng)該研究單元內(nèi)沒(méi)有落入POI時(shí)，該街區(qū)識(shí)別為無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 POI空間密度特征

各類POI在研究區(qū)中心位置分布密集，南部區(qū)域分布稀疏。濟(jì)南中心城區(qū)東西走向狹長(zhǎng)，是典型的條帶狀城市，因此各類POI的空間分布呈現(xiàn)多個(gè)高密度區(qū)域，具有多中心特征。政府機(jī)關(guān)和科研教育的分布在空間上東西走向明顯，整體上呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀。居住區(qū)主要分布在研究區(qū)的東南部，濟(jì)南的南部主要為山區(qū)，環(huán)境優(yōu)美，而濟(jì)南的東部地勢(shì)平坦廣闊，與章丘形成的一體化發(fā)展趨勢(shì)較為明顯。高新區(qū)附近工業(yè)類POI密度較高，高新技術(shù)企業(yè)呈現(xiàn)聚集分布，形成一定的規(guī)模。

商業(yè)用地與居住用地在空間分布密度特征上呈現(xiàn)一定的吻合性，表明商業(yè)設(shè)施的分布對(duì)居住小區(qū)具有較強(qiáng)的空間依賴性。在空間分布特征上，商業(yè)設(shè)施集中在濟(jì)南老商埠區(qū)，與政策因素和歷史因素有一定關(guān)聯(lián)。濟(jì)南是內(nèi)陸城市，對(duì)外經(jīng)濟(jì)活動(dòng)主要依靠鐵路運(yùn)輸與高速運(yùn)輸，因此工業(yè)用地呈現(xiàn)沿鐵路、沿高速路的分布特征。

3.2 城市功能區(qū)識(shí)別結(jié)果

功能區(qū)類型數(shù)量與占地面積的匯總?cè)绫?所示。

表3 用地功能分類統(tǒng)計(jì)表

將識(shí)別結(jié)果可視化表達(dá)，如圖1、2所示。濟(jì)南市中心城區(qū)總面積約523.51 km2。其中，城市單一功能區(qū)共728個(gè)，面積約為334.59 km2；混合功能區(qū)280個(gè)，面積約為183.22 km2；無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)10個(gè)。

圖1 單一用地與混合用地分布圖

圖2 功能用地分布圖

單一功能區(qū)以居住用地、公共用地和綠地廣場(chǎng)居多，分布上存在著一定的空間差異性。其中大面積的居住用地主要分布在中心城區(qū)東部，地塊數(shù)量較多且占地總面積大。為了減少污染，且發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益，工業(yè)區(qū)分布在靠近高速公路和鐵路的城區(qū)邊緣地帶。城市的綠地與廣場(chǎng)主要分布在老城區(qū)與南部山區(qū)?？蒲袉挝?、政府機(jī)構(gòu)等公共用地在老城區(qū)大明湖附近與高新區(qū)龍奧大廈附近呈現(xiàn)聚集分布特征，這與濟(jì)南市的“東拓”政策導(dǎo)向有一定聯(lián)系。為了方便城市邊緣的功能區(qū)與中心城區(qū)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)發(fā)展，單一的功能區(qū)大都分布在城市快速路附近，便于與中心城區(qū)的交通連接。

混合功能區(qū)主要以居住用地和其他功能區(qū)的混合的形式呈現(xiàn)，公共-居住混合和商業(yè)-居住混合占比最大。在某個(gè)以居民區(qū)為中心的街區(qū)內(nèi)與周圍各種類型服務(wù)設(shè)施聚集的混合功能分區(qū)較多，這是由于居民區(qū)附近一般會(huì)有各種配套的生活服務(wù)設(shè)施，比如小學(xué)，幼兒園，超市存在。受地形因素影響，城區(qū)南部以山地、丘陵為主，可供大面積建設(shè)的土地資源儲(chǔ)備不足，導(dǎo)致單一用地?cái)?shù)量較少，多以“綠地-居住”混合形式呈現(xiàn)。

3.3 識(shí)別精度分析

利用混淆矩陣評(píng)價(jià)識(shí)別精度，真實(shí)屬性參照濟(jì)南市高分辨率衛(wèi)星影像目視結(jié)果解譯和查詢電子地圖信息獲得，識(shí)別屬性為利用POI 進(jìn)行功能區(qū)識(shí)別的結(jié)果。受功能區(qū)數(shù)量的限制，在單一功能區(qū)各類地塊中隨機(jī)選取30個(gè)樣本，混合功能區(qū)隨機(jī)選取20個(gè)樣本，分別建立混淆矩陣計(jì)算總體精度以及Kappa 系數(shù)，如表4、5所示。Kappa系數(shù)的數(shù)值反映了分類精度的高低。通常，Kappa系數(shù)的取值范圍為[0,1]。

表4 單一功能區(qū)混淆矩陣表

表5 混合功能區(qū)混淆矩陣表

通過(guò)計(jì)算，單一功能區(qū)識(shí)別的總體精度為86.67%，Kappa系數(shù)為0.84；混合功能區(qū)識(shí)別的總體精度為80%，Kappa系數(shù)為0.73。功能區(qū)識(shí)別的平均精度為83.34%，平均Kappa系數(shù)為0.78。參照一般性Kappa系數(shù)分級(jí)表，取值為0.61～0.80之間分類精度較高[14]。

4 功能區(qū)空間優(yōu)化對(duì)策

濟(jì)南市在最新一輪城市總體規(guī)劃中提出了“東拓、西進(jìn)、南控、北跨、中優(yōu)”的城市空間發(fā)展戰(zhàn)略。規(guī)劃中提出，實(shí)施嚴(yán)格控制城市建設(shè)用地侵占南部綠地，改善老城區(qū)生態(tài)環(huán)境，構(gòu)建立體交通網(wǎng)絡(luò)等措施。在此基礎(chǔ)上，中心城區(qū)的用地類型結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步的調(diào)整與優(yōu)化。將識(shí)別結(jié)果與《濟(jì)南市城市總體規(guī)劃（2011-2020 年）》進(jìn)行對(duì)比，為濟(jì)南市中心城區(qū)的功能區(qū)優(yōu)化提出三點(diǎn)建議與對(duì)策：①促進(jìn)中心城區(qū)各功能區(qū)的均衡發(fā)展；②貫徹現(xiàn)代樓宇與古建筑群融合發(fā)展，生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)相互協(xié)調(diào)的方針；③完善交通設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建立體交通運(yùn)輸體系。

5 結(jié)論

文章基于POI 數(shù)據(jù)與路網(wǎng)數(shù)據(jù)，以路網(wǎng)劃分研究區(qū)域，在街區(qū)尺度上進(jìn)行定量識(shí)別，通過(guò)對(duì)POI數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和賦予權(quán)重分值，運(yùn)用核密度分析法，頻數(shù)密度與類型比例法對(duì)濟(jì)南市中心城區(qū)功能分區(qū)進(jìn)行計(jì)算，得到濟(jì)南市中心城區(qū)單一功能用地與混合功能用地分布圖。與《濟(jì)南市城市總體規(guī)劃2011-2020》進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：①宏觀上看，以商業(yè)中心為依托，城市功能區(qū)多中心格局初步形成。自西向東以西客站商圈、大明湖商圈和高新萬(wàn)達(dá)商圈為中心形成3個(gè)商業(yè)-居住類型組團(tuán)式分布格局。②混合功能區(qū)主要分布在城區(qū)二環(huán)路以內(nèi)的中心地帶，單一功能用地環(huán)繞混合用地分布，呈現(xiàn)出圈層分布特征。③以POI數(shù)據(jù)為主的網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)在城市功能區(qū)識(shí)別與空間規(guī)劃方面具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)混淆矩陣計(jì)算，功能區(qū)識(shí)別的總體精度可達(dá)83.34%，可為城市功能區(qū)識(shí)別與城市空間規(guī)劃的科學(xué)決策提供新的方法及思路。