鄭國強，喬宇昊，孫思民

（1.山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，山東 濟南 250101）

傳統(tǒng)的城市功能區(qū)劃分與識別主要依靠人工判讀和實地勘查，主觀性強，識別誤差大且效率低下，無法滿足相關(guān)技術(shù)精度需求。街區(qū)地塊是開展城市空間規(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現(xiàn)了濟南市中心城區(qū)的功能區(qū)定量識別。通過POI核密度分析展示了六大類POI 在空間分布上的聚集性。最后將識別結(jié)果與濟南市規(guī)劃數(shù)據(jù)對照，利用混淆矩陣進行精度驗證，提出功能區(qū)優(yōu)化對策。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)來源

1.1 研究區(qū)概況

濟南市位于山東省中部，地勢南高北低，以丘陵、平原為主。截至2020 年年底，濟南市常住人口920.24萬人，城鎮(zhèn)化率達75%。

研究區(qū)域選取濟南市繞城高速內(nèi)的濟南市中心城區(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，布局相對整齊。隨著城市的擴張，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)識別過程中邊緣效應(yīng)的干擾[1]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

利用Python語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40萬余條，每個興趣點包含了名稱、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7 萬余條，約占濟南市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)或交叉的問題，因此需要對POI數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，刪除重復(fù)的點和屬性缺失的點。對預(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、綠地與廣場用地[2]6個大類為主要用地類型，根據(jù)濟南市的城市特點歸納總結(jié)出中類和小類，進行分類研究，如表1所示。

表1 城市用地功能分類體系

濟南市2021 年道路數(shù)據(jù)源自O(shè)pen Street Map（OSM）開放地圖平臺，數(shù)據(jù)包括鐵路，國道，縣道，城市快速路，高速公路，市區(qū)一級道路，行人道路等。刪除鐵路、行人道路等無法圍成街區(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路網(wǎng)的道路，需進行拓撲糾正。糾正后的路網(wǎng)將研究區(qū)域劃分為1 018個街區(qū)地塊。

2.2 POI數(shù)據(jù)賦權(quán)

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

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

2.3 POI核密度分析

核密度分析用于計算要素在其周圍鄰域中的密度，展示點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)計實驗表明，當(dāng)帶寬（服務(wù)半徑）確定后，不同的核函數(shù)對核密度估計的影響很小[6]，因此在實際工作中，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為已知點數(shù)量；h為服務(wù)半徑；(x-xi)為柵格中心點到已知點的距離。

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

表2 服務(wù)半徑對應(yīng)表

2.4 頻數(shù)密度與類型比例計算

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)計出每個街區(qū)落入POI 點的總量，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]進行功能區(qū)的定量識別。

計算公式如下：

在式（2）、（3）中，i為類型；ni為第i類POI 的個數(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，該街區(qū)以此功能為主導(dǎo)功能，街區(qū)被識別為單一功能區(qū)[7]；如果該區(qū)域內(nèi)的各類POI 沒有一種能夠占到50%以上，則表明該街區(qū)有多個功能，選取占比前兩名的為主要兩種功能，則該區(qū)域識別為混合功能區(qū)。當(dāng)該研究單元內(nèi)沒有落入POI時，該街區(qū)識別為無數(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。濟南中心城區(qū)東西走向狹長，是典型的條帶狀城市，因此各類POI的空間分布呈現(xiàn)多個高密度區(qū)域，具有多中心特征。政府機關(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)長條狀。居住區(qū)主要分布在研究區(qū)的東南部，濟南的南部主要為山區(qū)，環(huán)境優(yōu)美，而濟南的東部地勢平坦廣闊，與章丘形成的一體化發(fā)展趨勢較為明顯。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)施的分布對居住小區(qū)具有較強的空間依賴性。在空間分布特征上，商業(yè)設(shè)施集中在濟南老商埠區(qū)，與政策因素和歷史因素有一定關(guān)聯(lián)。濟南是內(nèi)陸城市，對外經(jīng)濟活動主要依靠鐵路運輸與高速運輸，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)計表

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

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。城市的綠地與廣場主要分布在老城區(qū)與南部山區(qū)?？蒲袉挝弧⒄畽C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)實現(xiàn)聯(lián)動發(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)的土地資源儲備不足，導(dǎo)致單一用地數(shù)量較少，多以“綠地-居住”混合形式呈現(xiàn)。

3.3 識別精度分析

利用混淆矩陣評價識別精度，真實屬性參照濟南市高分辨率衛(wèi)星影像目視結(jié)果解譯和查詢電子地圖信息獲得，識別屬性為利用POI 進行功能區(qū)識別的結(jié)果。受功能區(qū)數(shù)量的限制，在單一功能區(qū)各類地塊中隨機選取30個樣本，混合功能區(qū)隨機選取20個樣本，分別建立混淆矩陣計算總體精度以及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

通過計算，單一功能區(qū)識別的總體精度為86.67%，Kappa系數(shù)為0.84；混合功能區(qū)識別的總體精度為80%，Kappa系數(shù)為0.73。功能區(qū)識別的平均精度為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)化對策

濟南市在最新一輪城市總體規(guī)劃中提出了“東拓、西進、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)將進一步的調(diào)整與優(yōu)化。將識別結(jié)果與《濟南市城市總體規(guī)劃（2011-2020 年）》進行對比，為濟南市中心城區(qū)的功能區(qū)優(yōu)化提出三點建議與對策：①促進中心城區(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)保護與經(jīng)濟建設(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)尺度上進行定量識別，通過對POI數(shù)據(jù)進行分類和賦予權(quán)重分值，運用核密度分析法，頻數(shù)密度與類型比例法對濟南市中心城區(qū)功能分區(qū)進行計算，得到濟南市中心城區(qū)單一功能用地與混合功能用地分布圖。與《濟南市城市總體規(guī)劃2011-2020》進行對比，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達商圈為中心形成3個商業(yè)-居住類型組團式分布格局。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)識別與空間規(guī)劃方面具有廣闊的應(yīng)用前景。通過混淆矩陣計算，功能區(qū)識別的總體精度可達83.34%，可為城市功能區(qū)識別與城市空間規(guī)劃的科學(xué)決策提供新的方法及思路。