張?zhí)K 劉鈺 劉宛晨 余卓芮

摘要缺乏空間精度高、便于獲取的教學(xué)實例數(shù)據(jù)，是城市空間結(jié)構(gòu)教學(xué)質(zhì)量難以提高的關(guān)鍵瓶頸問題。為提高教學(xué)質(zhì)量，本文對基于POI大數(shù)據(jù)的城市空間結(jié)構(gòu)教學(xué)改革進(jìn)行了探討。首先，闡述了POI大數(shù)據(jù)的基本特點，及其在可視化、精細(xì)化和定量化分析中的突出優(yōu)勢；并以鄭州市中心城區(qū)為案例，介紹了基于POI大數(shù)據(jù)的教學(xué)改革實踐。實踐表明，將POI大數(shù)據(jù)引入城市空間結(jié)構(gòu)的教學(xué)，可以有效地提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 POI 城市空間結(jié)構(gòu) 空間分析 教學(xué)改革

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.26.041

Research on teaching reform of urban spatial structurebased on POI big data

ZHANG Su[1]， LIU Yu[1]，LIU Wanchen[1][2]， YU Zhuorui[3]

（[1]School of Civil Engineering and Architecture， Henan University， Kaifeng 475003；

[2]School of Human Settlements and Civil Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049；

[3] Faculty of Innovation and Design， City University of Macau， Macau 999078）

AbstractThe lack of teaching case data， which has high spatial accuracy and can be easily to obtain， is the key bottleneck of improving the teaching quality of urban spatial structure. To improve the teaching quality， we discussed the teaching reform of urban spatial structure based on POI big data.This paper firstly described the basic characteristics of POI big data and its outstanding advantages in visualization， refinement and quantitative analysis. Then， taking the downtown area of Zhengzhou as a case， this paper introduced the teaching reform practice of POI big data. Practice showed that the introduction of POI big data into urban spatial structure teaching can effectively improve the teaching quality.

KeywordsPOI； urban spatial structure； spatial analysis； teaching reform

城市空間結(jié)構(gòu)是城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)的“城市地理學(xué)”課程的核心內(nèi)容，主要講授城市的形態(tài)和功能在空間布局上的結(jié)構(gòu)特征，這是教學(xué)中的重點內(nèi)容、也是教學(xué)難點。從課堂測驗和期末考試的成績，以及規(guī)劃設(shè)計院等用人單位的反饋來看，城市空間結(jié)構(gòu)部分是“城市地理學(xué)”課程中教學(xué)質(zhì)量較差的主要環(huán)節(jié)。為探究教學(xué)質(zhì)量較差的癥結(jié)所在，筆者梳理了多年來的教學(xué)經(jīng)驗，并與相關(guān)院校的課程主講教師進(jìn)行了深入的溝通和研討。我們發(fā)現(xiàn)，城市空間教學(xué)質(zhì)量難以提高的重要瓶頸問題是缺乏豐富的教學(xué)實例數(shù)據(jù)。教學(xué)實例的缺乏使得學(xué)生對城市結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)知較為匱乏，難以在有限的感性認(rèn)知的基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)的理性認(rèn)識。究其原因，首先是由于常規(guī)統(tǒng)計資料的統(tǒng)計單元尺度較大，往往只公布城市的總量數(shù)據(jù)；在更為精細(xì)的城市尺度上，很難收集到統(tǒng)計數(shù)據(jù)。例如，人口作為最為常見的統(tǒng)計數(shù)據(jù)之一，往往只有城市的總量數(shù)據(jù)，城市街道、社區(qū)尺度的人口數(shù)據(jù)很難獲取。其次，雖然通過現(xiàn)場調(diào)研可以收集部分精細(xì)數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場調(diào)研需要高昂的人力和經(jīng)濟(jì)成本，以支撐授課需求。因此，積極采用新型數(shù)據(jù)，以彌補常規(guī)統(tǒng)計和現(xiàn)場調(diào)研資料的不足，為城市空間結(jié)構(gòu)教學(xué)提供豐富的實例就成為亟需探索的教學(xué)改革方向。

POI（Point of Interest）即興趣點，是指將地理實體抽象成的點，是地理信息系統(tǒng)用來描述事物地址的專業(yè)術(shù)語。我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降牡乩韺嶓w，如學(xué)校、醫(yī)院等都可以抽象為POI。POI作為新興的大數(shù)據(jù)的典型代表，具有覆蓋廣、精度高、獲取便利等優(yōu)勢。此外，POI包含豐富的城市基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)網(wǎng)點的信息，對城市功能有著獨特的標(biāo)識能力。曹芳潔等基于POI大數(shù)據(jù)分析，指出北京市的商業(yè)功能呈現(xiàn)圈層式結(jié)構(gòu)，并沿交通干道向外發(fā)展。[1]可見，POI大數(shù)據(jù)能用于揭示城市功能的精細(xì)空間結(jié)構(gòu)，其在城市空間結(jié)構(gòu)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 POI適用于城市空間結(jié)構(gòu)教學(xué)的突出優(yōu)勢

POI大數(shù)據(jù)具有空間分辨率高、獲取便捷的優(yōu)勢，可以避免常規(guī)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的空間精度過低的問題，也沒有實地調(diào)研的時間和經(jīng)濟(jì)成本高昂的缺陷，是適用于課堂教學(xué)的優(yōu)良數(shù)據(jù)源。此外，具體到城市空間結(jié)構(gòu)的教學(xué)場景，POI大數(shù)據(jù)在可視化、精細(xì)化和定量化分析等方面還有著突出優(yōu)勢：

1.1 POI的可視化分析優(yōu)勢

數(shù)據(jù)可視化是指通過點、線、面等視覺要素，顏色、形狀和線條粗細(xì)等視覺變量對數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺化表達(dá)。除了將抽象的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為具象的視覺形象，可視化方法還可以和其他數(shù)據(jù)分析方法相結(jié)合，用于展示數(shù)據(jù)中潛在的模式和規(guī)律。例如，張鐵映等人使用密度聚類算法對POI大數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，并對聚類結(jié)果進(jìn)行可視化，從而為城市學(xué)區(qū)房的選取提供技術(shù)支持。[2]我們在教學(xué)實踐中，將代表不同城市功能的各類POI進(jìn)行空間聚類和可視化，能夠很好地表達(dá)各城市功能核心區(qū)的空間特征，取得了良好的教學(xué)效果。

1.2 POI的精細(xì)化分析優(yōu)勢

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比，POI大數(shù)據(jù)具有很高的空間精度。例如，POI大數(shù)據(jù)可以精準(zhǔn)定位城市中單個商鋪，乃至居住區(qū)各個出入口的精確位置。嚴(yán)朝霞等在POI大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，指出提高道路節(jié)點密度對上海市的消費活力的形成與發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。[3]他們能針對道路節(jié)點這樣的小尺度空間實體，對其社會經(jīng)濟(jì)效益開展深入分析，POI大數(shù)據(jù)的高空間精度在其中起到了決定性作用。他們的研究成果也預(yù)示著，由于在空間精細(xì)化分析上的突出優(yōu)勢，POI大數(shù)據(jù)在城市空間精細(xì)結(jié)構(gòu)的教學(xué)中具有巨大潛力。

1.3 POI的定量化分析優(yōu)勢

POI大數(shù)據(jù)是典型的海量空間數(shù)據(jù)，除了從微觀視角在精細(xì)尺度上進(jìn)行探究，還可以從宏觀視角在空間統(tǒng)計方法的支持下定量地揭示城市空間格局。例如，曹芳潔等在基于POI大數(shù)據(jù)的北京商業(yè)中心的研究中，使用Getis-Ord Gi*統(tǒng)計量對商業(yè)中心的空間格局進(jìn)行了定量分析。[1]結(jié)果顯示，不同類型的商業(yè)中心存在顯著的空間分異特征：生活與公共服務(wù)中心高度向心集中，而休閑娛樂中心則呈現(xiàn)多組團(tuán)式離散分布。我們在教學(xué)實踐中，通過引入空間統(tǒng)計工具，引導(dǎo)學(xué)生定量地對比各類POI所代表的城市功能的空間分布特征，有效地提升了教學(xué)效果。

2基于POI大數(shù)據(jù)的城市空間結(jié)構(gòu)教學(xué)案例

POI作為新興大數(shù)據(jù)的典型代表，可用于揭示城市空間的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并在可視化、精細(xì)化和定量化等方面具有突出優(yōu)勢。筆者通過將POI大數(shù)據(jù)引入城市空間結(jié)構(gòu)的教學(xué)，取得了很好的教學(xué)效果?，F(xiàn)將教學(xué)中使用的典型案例進(jìn)行介紹，案例地域為河南省省會鄭州的中心轄區(qū)，包括惠濟(jì)區(qū)、中原區(qū)、金水區(qū)、二七區(qū)和管城回族區(qū)，共5個區(qū)級行政單元。POI數(shù)據(jù)來自百度地圖官方提供的WebAPI數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)處理工具為R編程語言。本案例的教學(xué)內(nèi)容為，依托政府機(jī)構(gòu)和超市商城兩個類型的POI數(shù)據(jù)，講授以政府管理和商業(yè)服務(wù)為代表的城市功能的空間特征。

2.1城市功能核心區(qū)的可視化識別

為滿足居民不同的生活需求，城市的居住、工作、商業(yè)、政府管理等功能逐步完善。這些功能雖然廣泛分布于城市的各個區(qū)位，但是其空間分布并不均衡，大量的城市功能往往集中于城市的少數(shù)地區(qū)，這些地區(qū)被稱為城市功能的核心區(qū)。

我們在教學(xué)改革實踐中，參考張鐵映等人的方法，[2]進(jìn)行了城市功能核心區(qū)可視化識別的授課。首先，采用基于密度的空間聚類方法，對政府機(jī)構(gòu)和超市商城兩類POI進(jìn)行空間聚類分析，識別出密度高而且空間連續(xù)的聚集簇。其次，計算POI聚集簇的外接多邊形，作為相應(yīng)城市功能核心區(qū)的邊界。最后，將這些多邊形疊置于城市地圖上，用以識別城市功能核心區(qū)在城市中的區(qū)位。在教學(xué)實例中，我們將面積較小且分布零散的多邊形進(jìn)行剔除后，獲得的政府管理和商業(yè)服務(wù)核心區(qū)的空間分布如圖1所示。

由圖可見，政府管理功能的核心區(qū)幾乎完全覆蓋了鄭州二環(huán)以內(nèi)的區(qū)域，而且其空間范圍受各個行政區(qū)域中心的影響較大。由于金水區(qū)、中原區(qū)和二七區(qū)的區(qū)域中心距離二環(huán)路較近，導(dǎo)致其附近的核心區(qū)溢出了二環(huán)范圍；而位于城市中心的管城回族區(qū)的區(qū)域中心距離二環(huán)相對較遠(yuǎn)，其附近的核心區(qū)出現(xiàn)了指向城市中心的塌陷。對于商業(yè)服務(wù)功能，其核心區(qū)的范圍與鄭州四環(huán)的范圍很接近。由于鄭州東部地區(qū)的如意湖、龍湖和龍子湖地區(qū)，圍繞湖面形成了規(guī)模較小的獨立組團(tuán)，所以商業(yè)服務(wù)功能的核心區(qū)沒有延伸到四環(huán)的東部地區(qū)。從兩類核心區(qū)的關(guān)系來看，兩者在鄭州市中心出現(xiàn)了重疊，由此反映出城市中心的城市功能齊全而且密度較大，是城市功能的優(yōu)勢區(qū)位。兩類核心區(qū)最大的差別表現(xiàn)在面積上，政府管理功能的核心區(qū)面積為94平方公里，而商業(yè)服務(wù)核心區(qū)的面積為365平方公里，約為政府管理的4倍。由此可見，鄭州市的政府機(jī)構(gòu)在城市中心的分布較為集中，而商業(yè)服務(wù)的空間覆蓋范圍較為廣泛。

通過教學(xué)實例，學(xué)生能夠直觀地觀察到不同城市功能的核心區(qū)在城市中心的重疊，及其在空間范圍上的差異，從而豐富了學(xué)生對城市空間結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識。此外，教學(xué)實例還顯示，城市功能的核心區(qū)與行政界線并不一致：城市功能的核心區(qū)往往橫跨了多個區(qū)級行政單元；而且行政單元大多只有部分范圍位于城市功能核心區(qū)內(nèi)。因此，以行政區(qū)為統(tǒng)計單元的傳統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，無法用于城市功能核心區(qū)的識別。由此可見，為了揭示跨行政單元的城市空間結(jié)構(gòu)，將POI大數(shù)據(jù)引入教學(xué)是非常必要的。

2.2城市功能的可達(dá)性的精細(xì)化評價

可達(dá)性是指抵達(dá)特定區(qū)位的難易程度。城市功能的可達(dá)性即居民抵達(dá)城市功能服務(wù)網(wǎng)點獲取服務(wù)的便捷程度。過低的城市功能可達(dá)性，會增加居民獲取服務(wù)的時間和通勤成本，進(jìn)而影響居民的日常生活質(zhì)量。

我們在教學(xué)改革實踐中，在100米的空間尺度上，基于POI大數(shù)據(jù)對政府管理和商業(yè)服務(wù)兩項城市功能的可達(dá)性開展了教學(xué)工作。首先，考慮到需要城市功能的人群主要為生活在城市的居民，因此將城市建設(shè)用地作為可達(dá)性分析的空間范圍，沒有對城市周邊的農(nóng)林用地展開分析。其次，將城市用地劃分為精細(xì)的方格，方格邊長為100米，以同時實現(xiàn)空間尺度的精細(xì)化和城市空間范圍的全覆蓋。然后，針對每一個方格，計算該方格到特定類型的所有POI的距離。考慮到日常生活中，人們往往選擇距離最近的網(wǎng)點來獲取功能；我們將計算所得的距離進(jìn)行排序，篩選出到該方格距離最近的POI點位。此POI點位和方格之間的距離即為方格到該POI類型的最短可達(dá)距離。最短可達(dá)距離越短，說明該方格能夠越便利地獲取相應(yīng)的功能，其可達(dá)性也越好。最后，為了便于比較政府管理和商業(yè)服務(wù)的可達(dá)性水平，對兩者的最短可達(dá)距離采用相同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級設(shè)色，從而對兩種功能可達(dá)性的空間分布進(jìn)行表達(dá)（圖2）。

結(jié)果顯示，政府管理功能的可達(dá)性水平從城市中心到城市外圍呈現(xiàn)明顯的降低趨勢。具體來看，位于城市中心的網(wǎng)格，其最短可達(dá)距離大多在600米以下；而在城市外圍的網(wǎng)格，往往在1200米以上。商業(yè)服務(wù)可達(dá)性的空間分布也呈現(xiàn)從城市中心到城市外圍的降低趨勢?？梢?，城市中心的功能可達(dá)性水平在整體上高于城市外圍。從可達(dá)性的整體水平來看，兩者存在較大差異。對于政府管理功能，約56.3%網(wǎng)格的最短可達(dá)距離在600米到2400米之間。而對于商業(yè)服務(wù)，有74.2%網(wǎng)格的最短可達(dá)距離在600米以下。這表明，在可達(dá)性水平上，商業(yè)服務(wù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于政府管理。

本教學(xué)實例形象地展示了城市功能可達(dá)性在城市不同區(qū)位上的分異，特別是城市中心與城市周邊在功能可達(dá)性水平上的巨大分異。而且，不同城市功能在可達(dá)性水平上的差異也給學(xué)生留下了深刻印象。此外，本教學(xué)實例是在100米的空間尺度上進(jìn)行分析的，這表明POI大數(shù)據(jù)能夠揭示極為精細(xì)的空間尺度的城市結(jié)構(gòu)，從而可對城市空間結(jié)構(gòu)的教學(xué)工作提供強有力的支持。

2.3城市功能空間格局的定量化分析

由于城市功能在服務(wù)群體、服務(wù)半徑上的差異，不同城市功能的空間分布也有較大分異。為了實現(xiàn)城市功能的提升和優(yōu)化配置，就需要測度不同城市功能的空間格局，定量比較不同城市功能的空間分布。

我們在教學(xué)改革實踐中，使用重心和標(biāo)準(zhǔn)距離橢圓模型對政府管理和商業(yè)服務(wù)的POI大數(shù)據(jù)進(jìn)行空間格局的定量化分析。其中，重心模型可以表征POI空間分布的中心。[4]標(biāo)準(zhǔn)距離橢圓可以表征POI空間分布的均衡性。POI的空間分布越均衡，其標(biāo)準(zhǔn)距離橢圓就越接近于圓形。[5]為便于比較，我們在教學(xué)中將政府管理和商業(yè)服務(wù)的重心和標(biāo)準(zhǔn)距離橢圓在城市地圖上進(jìn)行了疊置，如圖3所示。

結(jié)果顯示，政府管理和商業(yè)服務(wù)的重心都位于城市中心，這表明兩種功能的網(wǎng)點都圍繞城市中心進(jìn)行分布。從兩者重心位置的差異來看，兩者的差異主要體現(xiàn)在東西方向，在南北方向的差異較小。具體來看，兩者在東西方向的差異為459.3米，南北方向為153米，東西方向的差異是南北方向差異的3倍。標(biāo)準(zhǔn)距離橢圓的分析結(jié)果顯示，政府管理和商業(yè)服務(wù)的空間分布并不均衡，兩者在東西方向的分布較為展開，在南北方向較為收斂。從兩者標(biāo)準(zhǔn)距離橢圓的差異來看，兩者在偏東西方向的橢圓軸線上的差異較大，兩者軸線長度的差異為1595.1米；而在偏南北方向的軸線上，兩者的差異較小，差異為260.4米，僅為東西方向的16.3%。

通過上述定量化的教學(xué)實例，我們?yōu)閷W(xué)生展示了兩種城市功能的空間格局特征，揭示了兩種功能在空間格局上的差異主要集中在東西方向。此外，學(xué)生還進(jìn)一步認(rèn)識到，在相同的建筑布局和路網(wǎng)形態(tài)下，不同的城市功能可以呈現(xiàn)不同的空間格局。因此，在規(guī)劃方案的制訂中，除了城市物質(zhì)形態(tài)的設(shè)計，還應(yīng)充分重視城市功能空間格局的調(diào)控，針對不同城市功能的特點進(jìn)行最優(yōu)化的布局?？梢?，將POI大數(shù)據(jù)定量化分析引入課堂教學(xué)，對學(xué)生深入理解城市空間結(jié)構(gòu)有很大的推動作用。

3結(jié)論

在傳統(tǒng)的城市空間結(jié)構(gòu)教學(xué)中，采用的教學(xué)實例數(shù)據(jù)主要來自統(tǒng)計資料或者實地調(diào)研。但是統(tǒng)計資料的統(tǒng)計尺度過大，不能滿足小尺度城市空間教學(xué)所需的定位精度；實地調(diào)研又存在時間和人力成本過高的問題。因此，將新型數(shù)據(jù)引入教學(xué)，成為迫切的現(xiàn)實需求。筆者在教學(xué)改革實踐中，嘗試了將新興的POI大數(shù)據(jù)引入城市空間結(jié)構(gòu)的教學(xué)工作。在本文中，我們介紹了POI大數(shù)據(jù)在可視化、精細(xì)化和定量化分析等方面的優(yōu)勢，以及教學(xué)改革實踐案例。我們的教學(xué)改革實踐表明，將POI大數(shù)據(jù)引入教學(xué)，深化了學(xué)生對城市空間結(jié)構(gòu)的理解，夯實了城市功能調(diào)控和優(yōu)化的知識基礎(chǔ)，取得了良好的教學(xué)效果。除了在城市空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，POI大數(shù)據(jù)在相關(guān)課程的教學(xué)中也有良好的應(yīng)用前景。例如，在“城市總體規(guī)劃”課程中，可以結(jié)合各類型的POI，分析各類城市用地的空間特征，進(jìn)而提出規(guī)劃引導(dǎo)措施。隨著信息化和智能城市時代的到來，通過新型大數(shù)據(jù)來分析和解決城市問題將逐步成為主流方法，教師應(yīng)積極將POI大數(shù)據(jù)為代表的新型數(shù)據(jù)引入課堂教學(xué)，進(jìn)一步豐富教學(xué)實例，提升教學(xué)質(zhì)量，引導(dǎo)學(xué)生成為融入大數(shù)據(jù)時代的高素質(zhì)人才。

基金項目：本文得到了國家自然科學(xué)基金“基于多尺度GeoDesign的城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間調(diào)控研究”（41401183）；河南大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“中原城市群建設(shè)用地的多維演化機(jī)制與多策略空間調(diào)控”（202110475104）；河南大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于POI大數(shù)據(jù)的鄭汴都市區(qū)城市功能空間評價與優(yōu)化調(diào)控”（201910475045）的資助

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