李 娜,趙先超
(湖南工業(yè)大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,湖南 株洲 412007)
科學(xué)規(guī)劃城市各用地功能、合理劃分城市各功能區(qū),是城市建設(shè)中的重要一環(huán)。當(dāng)前,中國(guó)城市正處于高質(zhì)量發(fā)展時(shí)期,對(duì)城市合理規(guī)劃和高效建設(shè)提出了更高的要求。在此過(guò)程中,城市認(rèn)知不足導(dǎo)致的規(guī)劃與現(xiàn)實(shí)建設(shè)割裂現(xiàn)象頻發(fā),使得城市問(wèn)題凸顯。因此,面對(duì)不斷開(kāi)展的國(guó)土空間規(guī)劃工作,城市用地功能和研究空間格局識(shí)別變得更為關(guān)鍵,這對(duì)于城市明確空間發(fā)展方向、順利開(kāi)展規(guī)劃工作、高效保質(zhì)建設(shè)等都具有重要意義。
興趣點(diǎn)(point of interest,POI)數(shù)據(jù)以其數(shù)據(jù)量大、獲取方便、成本較低、涉及面廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于空間集聚程度[1-2]、評(píng)估體系建立[3]、空間分布特征[4-6]等方面研究。還可以較好地結(jié)合其他數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,如全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)軌跡數(shù)據(jù)[7]、夜間燈光數(shù)據(jù)[8]、手機(jī)信令數(shù)據(jù)[9]等。在已有研究中,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)城市空間分布格局及驅(qū)動(dòng)力的研究涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)[10-11]、土地利用[12-14]、地形[15]、歷史[16]、人口[17]、交通[18]等視角,驅(qū)動(dòng)力研究方法涉及耦合協(xié)調(diào)度模型及空間計(jì)量模型[19]、地理探測(cè)器[20-21]、時(shí)空地理加權(quán)模型[22]等技術(shù)。
通過(guò)綜合分析現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的城市用地功能時(shí)空格局研究大多基于理論總結(jié)、實(shí)地調(diào)查、專(zhuān)家評(píng)價(jià)等經(jīng)驗(yàn)型研究方法,存在難以落實(shí)且主觀性較強(qiáng)的問(wèn)題,無(wú)法精確反映并識(shí)別城市用地內(nèi)部的功能信息。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái),基于POI 數(shù)據(jù)的城市用地功能研究成為熱點(diǎn),但很多研究局限于獲取的POI 數(shù)據(jù)截面數(shù)據(jù),并且缺乏混合功能用地深入劃分及不同功能空間分布特征分析。本研究嘗試以長(zhǎng)株潭中心城區(qū)為對(duì)象,利用2014、2018、2022 年P(guān)OI 數(shù)據(jù)對(duì)城市用地功能時(shí)空格局演變進(jìn)行識(shí)別,對(duì)其空間分布特征進(jìn)行分析,并選取目前較成熟的地理探測(cè)器模型,進(jìn)一步探測(cè)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能空間驅(qū)動(dòng)力。
長(zhǎng)株潭中心城區(qū)位于湖南省中東部,人口活動(dòng)密集,經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速,在長(zhǎng)株潭城市群承擔(dān)重要的政治、經(jīng)濟(jì)、文化職能。本文以長(zhǎng)株潭中心城區(qū)為研究區(qū)域,參考既有的研究結(jié)果,創(chuàng)建2 km 的正方形格網(wǎng),將長(zhǎng)株潭中心城區(qū)劃分2 574 個(gè)網(wǎng)格單元。
本研究所用的POI 數(shù)據(jù)來(lái)源于高德地圖。本文統(tǒng)一刪除交叉重復(fù)、分類(lèi)有誤、分布廣泛且公眾認(rèn)知度極低的數(shù)據(jù),獲得充分體現(xiàn)城市用地功能特征的2014 年P(guān)OI 數(shù) 據(jù)70 756 條、2018 年P(guān)OI 數(shù)據(jù)179 354 條、2022 年P(guān)OI 數(shù)據(jù)406 602 條。
依據(jù)自然資源部發(fā)布的《國(guó)土空間調(diào)查、規(guī)劃、用途管制用地用海分類(lèi)指南(試行)》,本研究對(duì)POI 數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類(lèi)。新分類(lèi)包括居住用地、公共管理與公共服務(wù)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、工礦用地、交通運(yùn)輸用地、綠地與開(kāi)敞空間用地6類(lèi)用地。
根據(jù)本文前期相關(guān)研究,長(zhǎng)株潭中心城區(qū)用地功能時(shí)空格局具有明顯的空間特征。該特征由自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多方面因素綜合決定。參考相關(guān)研究指標(biāo),兼顧數(shù)據(jù)獲取便利性,本文最終選擇自然環(huán)境、區(qū)位條件、交通便捷程度、人口因素、區(qū)域經(jīng)濟(jì)5 個(gè)方面13 項(xiàng)指標(biāo)對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能空間驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行探測(cè),如表1 所示。
表1 驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)體系
詞頻-逆文本頻率指數(shù)(term frequency–inverse document frequency,TF-IDF)模型算法在機(jī)器學(xué)習(xí)中被廣泛應(yīng)用于檢索信息、挖掘數(shù)據(jù)等。本研究通過(guò)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)各類(lèi)POI 的權(quán)重,進(jìn)而確定各網(wǎng)格單元用地功能。其計(jì)算公式為
本文通過(guò)頻數(shù)密度法計(jì)算每個(gè)研究單元的各類(lèi)POI 占全部POI 的比例,從而對(duì)各個(gè)網(wǎng)格單元的用地功能類(lèi)別進(jìn)行識(shí)別。其計(jì)算方法如公式(4)所示。
式中:Fi為i類(lèi)POI 的頻數(shù)密度,Dj為j網(wǎng)格單元所有POI 類(lèi)別權(quán)重之和。根據(jù)相關(guān)研究[23],用地功能類(lèi)型識(shí)別規(guī)則如圖1 所示。
圖1 用地功能類(lèi)型識(shí)別規(guī)則
標(biāo)準(zhǔn)差橢圓是反映整體空間集中區(qū)域與主導(dǎo)方向的一種空間分析方法[24]。本研究利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法分析六類(lèi)功能用地的擴(kuò)展趨勢(shì)和方向。其計(jì)算方法如公式(5)和(6)所示。
式中:Ex、Ey分別表示標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)軸和短軸,xi、yi表示地理實(shí)體i的空間區(qū)位,、表示所有POI 數(shù)據(jù)的平均中心。
核密度估計(jì)法能夠直觀反映并分析POI 數(shù)據(jù)在空間中的集聚程度。核密度估計(jì)值越高,聚集程度越高,用地功能分布越集中。其計(jì)算方法如公式(7)所示。
式中:f(x)為空間位置x處的核密度估計(jì)值,n為點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)量,h為距離衰減閾值,為核函數(shù)。
地理探測(cè)器模型由文獻(xiàn)[25]創(chuàng)建。本研究通過(guò)地理探測(cè)器研究長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能空間驅(qū)動(dòng)力。其計(jì)算方法如公式(8)所示。
式中:q為影響力大小,n、ni分別為網(wǎng)格單元總數(shù)和包含第i類(lèi)POI 的網(wǎng)格單元數(shù)量,、分別為因變量在全區(qū)域和第i類(lèi)的方差,L為各類(lèi)區(qū)域總數(shù)。q值越大,則解釋力越強(qiáng);反之則解釋力越弱。
本文利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)軟件創(chuàng)建長(zhǎng)株潭中心城區(qū)2 km×2 km 格網(wǎng),得到網(wǎng)格單元中一級(jí)POI 數(shù)量。依據(jù)公式(1)~(4)計(jì)算得到Fi值,從而得出長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能用地整體空間分布數(shù)量情況,如圖2 所示。在此基礎(chǔ)上,研究選取2014、2018 及2022 年P(guān)OI 數(shù)據(jù),對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能用地空間格局進(jìn)行比較分析。
圖2 長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能用地整體空間分布數(shù)量
4.1.1 單一功能用地空間分布
本文對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能用地整體空間分布的單一功能用地進(jìn)行詳細(xì)識(shí)別劃分,得到長(zhǎng)株潭中心城區(qū)單一功能用地空間分布數(shù)量狀況,如圖3 所示。
圖3 長(zhǎng)株潭中心城區(qū)單一功能用地空間分布數(shù)量
2014 年,長(zhǎng)株潭中心城區(qū)單一功能用地網(wǎng)格數(shù)量共784 個(gè);主要功能用地為公共管理與公共服務(wù)用地(284 個(gè))和商業(yè)服務(wù)業(yè)用地(273 個(gè))。2018 年,單一功能用地網(wǎng)格數(shù)量共1 038 個(gè),4 年來(lái)大幅度增加;主要功能用地依舊為公共管理與公共服務(wù)用地(387 個(gè))和商業(yè)服務(wù)業(yè)用地(301個(gè));因?yàn)镻OI 數(shù)據(jù)增加了公交站點(diǎn)數(shù)據(jù),所以交通運(yùn)輸用地明顯增加。2022 年,單一功能用地網(wǎng)格數(shù)量共1 238 個(gè);主要功能用地為商業(yè)服務(wù)業(yè)用地(637 個(gè)),主要集中分布在芙蓉區(qū)、天元區(qū)與荷塘區(qū)交界處。
4.1.2 混合功能用地空間分布
通過(guò)對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能用地整體空間分布的混合功能用地進(jìn)行詳細(xì)識(shí)別劃分,得到長(zhǎng)株潭中心城區(qū)混合功能用地空間分布數(shù)量狀況,如圖4 所示。
圖4 長(zhǎng)株潭中心城區(qū)混合功能用地空間分布數(shù)量
根據(jù)頻數(shù)密度法的識(shí)別規(guī)則,研究區(qū)共識(shí)別15 種混合功能用地。2014 年,數(shù)量較多的混合功能用地是工業(yè)商業(yè)和商業(yè)公服混合用地,主要分布于芙蓉區(qū)、荷塘區(qū)、岳塘區(qū)。2018 年,數(shù)量較多的混合功能用地是居住商業(yè)和商業(yè)公服混合用地,主要分布于芙蓉區(qū)、蘆淞區(qū)、岳塘區(qū)。2022 年,數(shù)量較多的混合功能用地是工業(yè)商業(yè)和交通商業(yè)用地,主要分布于長(zhǎng)沙市中心城區(qū)外圍及株洲市、湘潭市中心城區(qū)北部。
4.1.3 無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)空間分布
本文對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能用地整體空間分布的無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行詳細(xì)識(shí)別劃分,得到2014、2018 和2022 年長(zhǎng)株潭中心城區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)空間分布數(shù)量狀況,如圖5 所示。
圖5 長(zhǎng)株潭中心城區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)空間分布數(shù)量
2014 年,長(zhǎng)株潭中心城區(qū)的無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)網(wǎng)格數(shù)量較多,共有1 116 個(gè),主要位于長(zhǎng)沙縣和望城區(qū)北部、天元區(qū)南部、蘆淞區(qū)東部、淥口區(qū)全域、湘潭縣全域。2018 年,長(zhǎng)株潭中心城區(qū)的無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)網(wǎng)格數(shù)量相較2014 年有所減少,共有964 個(gè),但分布區(qū)域幾乎沒(méi)有變化。2022 年,長(zhǎng)株潭中心城區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)網(wǎng)格數(shù)量大幅減少,共有277 個(gè),少量分布于淥口區(qū)南部,這些區(qū)域主要為山區(qū)和耕地。
4.2.1 方向特征分析
本文運(yùn)用GIS 軟件的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析方法研究6類(lèi)功能用地的空間分布情況,分析其分布方向、重心轉(zhuǎn)移與發(fā)展趨勢(shì),得到3 個(gè)年份6 類(lèi)功能用地的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓及重心轉(zhuǎn)移情況,2022 年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)如表2 所示。
表2 2022 年6 類(lèi)功能用地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)
通過(guò)比較分析3 個(gè)年份的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓,6 類(lèi)功能用地的分布方向都為南—北向,這與長(zhǎng)株潭中心城區(qū)的整體區(qū)域現(xiàn)狀一致。首先,居住用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地及工礦用地的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓半徑相對(duì)較小,而公共管理與公共服務(wù)用地、交通運(yùn)輸用地及綠地與開(kāi)敞空間用地的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓半徑相對(duì)較大。其次,3 個(gè)年份的居住用地、公共管理與公共服務(wù)用地及商業(yè)服務(wù)業(yè)用地的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化不明顯,而工礦用地、交通運(yùn)輸用地及綠地與開(kāi)敞空間用地都有明顯的變化。
具體分析2022 年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的參數(shù)。從扁率看,公共管理與公共服務(wù)用地的分布方向最明顯,而交通運(yùn)輸用地的分布方向最不明顯。從短半軸長(zhǎng)度看,綠地與開(kāi)敞空間用地的離散程度最大,而居住用地的向心力最明顯;從長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度看,綠地與開(kāi)敞空間用地的數(shù)據(jù)方向性最明顯,而居住用地的數(shù)據(jù)方向性最不明顯,其他用地的數(shù)據(jù)方向性介于二者之間。
4.2.2 聚集特征分析
本文在GIS 軟件中導(dǎo)入6 類(lèi)功能用地的POI數(shù)據(jù),得到各功能用地核密度分布,并通過(guò)調(diào)整色帶拉伸使其更直觀顯示核密度估計(jì)值,最終得到2014、2018 和2022 年6 類(lèi)功能用地核密度分析結(jié)果。
(1)對(duì)比3 個(gè)年份的核密度演變,2014 年,各類(lèi)用地均出現(xiàn)了一定的密度中心;2018 年和2022 年,商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、交通運(yùn)輸用地及綠地與開(kāi)敞空間用地呈現(xiàn)明顯的連片式分布特征。
(2)在長(zhǎng)沙市中心城區(qū)范圍內(nèi),芙蓉區(qū)地處湖南省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、信息中心,聚集程度最高,而長(zhǎng)沙縣聚集程度較低。在株洲市中心城區(qū)范圍內(nèi),天元區(qū)東北部(株洲市老城區(qū))聚集程度最高,而淥口區(qū)和石峰區(qū)的城市建設(shè)用地多是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地,聚集程度較低。在湘潭市中心城區(qū)范圍內(nèi),聚集程度較高的區(qū)域位于雨湖區(qū)和岳塘區(qū)交界處,而湘潭縣的聚集程度較低。
(3)在分布模式上,公共管理與公共服務(wù)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、交通運(yùn)輸用地均表現(xiàn)“大集聚、大分散”的分布模式,居住用地、工礦用地大致表現(xiàn)“小集聚、小分散”的分布模式,綠地與開(kāi)敞空間用地則大致表現(xiàn)“小聚集、大分散”的分布模式。
本文選取13 個(gè)影響因子,對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行單因子探測(cè),結(jié)果如圖6 所示。
圖6 各影響因子驅(qū)動(dòng)力探測(cè)結(jié)果
根據(jù)各因子的影響力,計(jì)算得出5 個(gè)一級(jí)指標(biāo)的平均影響力,平均影響力由大到小的一級(jí)指標(biāo)依次為區(qū)位條件、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、人口因素、交通便捷程度、自然環(huán)境??梢钥闯觯瑓^(qū)位條件與區(qū)域經(jīng)濟(jì)對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能空間分布的影響力較強(qiáng),而自然環(huán)境則較弱。探究其原因,一方面,政治和經(jīng)濟(jì)是影響一個(gè)城市的重要因素,政策革新和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展一定程度上會(huì)影響城市用地功能空間的演變;長(zhǎng)株潭中心城區(qū)是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心增長(zhǎng)極,對(duì)全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有一定意義上的帶動(dòng)作用。另一方面,長(zhǎng)株潭中心城區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,位于湖南省地勢(shì)相對(duì)平坦的湘江河谷平原區(qū),所以自然環(huán)境的影響力相對(duì)較弱。
本研究將影響因子進(jìn)行兩兩交互分析,共得到15 類(lèi)交互作用,交互作用類(lèi)型如圖7 所示。雙因子交互作用分析結(jié)果如圖8 所示,區(qū)位條件因子交互、交通便捷程度因子交互、區(qū)域經(jīng)濟(jì)因子交互、區(qū)位與交通因子交互、區(qū)位與經(jīng)濟(jì)因子交互、交通與經(jīng)濟(jì)因子交互都是雙因子增強(qiáng),其余交互既有雙因子增強(qiáng)又有非線(xiàn)性增強(qiáng),并沒(méi)有相互獨(dú)立起作用的因子。這說(shuō)明長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能空間是多種因素共同作用的結(jié)果,而不受單一因子或單類(lèi)因素的影響。
圖7 交互作用類(lèi)型
圖8 雙因子交互作用結(jié)果熱力圖
在15 類(lèi)交互作用中,自然環(huán)境因子和區(qū)位條件因子的平均交互作用表現(xiàn)較強(qiáng)的解釋力,說(shuō)明高程、坡度、坡向等地形條件及氣溫、降水等氣候條件協(xié)同區(qū)位條件能夠影響長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能空間分布。高程與區(qū)位、高程與第二產(chǎn)業(yè)總值、氣溫與第二產(chǎn)業(yè)總值、降水與第二產(chǎn)業(yè)總值的交互作用較大,說(shuō)明在規(guī)劃配置城市功能用地過(guò)程中要注重地形起伏、地理區(qū)位與第二產(chǎn)業(yè)要素的影響。
本研究基于POI 數(shù)據(jù),運(yùn)用GIS 空間分析及地理探測(cè)器等研究方法,對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)用地功能時(shí)空格局演變與驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了定量分析,得出以下研究結(jié)果。
(1)2014、2018、2022 年,長(zhǎng)株潭中心城區(qū)用地功能主要以單一功能用地為主。隨著POI數(shù)據(jù)的逐年增多和完善,單一功能用地和混合功能用地的分布范圍逐年擴(kuò)大,且單一功能用地的網(wǎng)格單元數(shù)量遠(yuǎn)大于混合功能用地的網(wǎng)格單元數(shù)量。
(2)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能用地大致呈現(xiàn)出“多核心-外圍”的分布格局,研究區(qū)南北部功能用地空間分布格局差異明顯。具體來(lái)看,長(zhǎng)沙市中心城區(qū)單一功能用地由內(nèi)向外呈現(xiàn)減弱的集聚趨勢(shì),而混合功能用地多樣性呈現(xiàn)增加趨勢(shì),而株洲市和湘潭市中心城區(qū)單一功能用地的集聚趨勢(shì)呈現(xiàn)由北往南逐漸減弱,同時(shí)混合用地多樣性呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。
(3)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能空間分布是多種驅(qū)動(dòng)力綜合作用的結(jié)果。其中,區(qū)位條件和區(qū)域經(jīng)濟(jì)要素對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)用地功能時(shí)空格局分布的影響較大,而自然環(huán)境要素的影響力相對(duì)較小。
(4)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)功能空間分布同時(shí)也受任意兩個(gè)影響因子交互作用的影響,雙因子交互呈現(xiàn)出不同程度的雙因子增強(qiáng)和非線(xiàn)性增強(qiáng)。在15 類(lèi)交互作用中,自然和區(qū)位條件因子的平均交互作用表現(xiàn)較強(qiáng)的解釋力。
根據(jù)研究結(jié)果,本文對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)的空間結(jié)構(gòu)、空間格局、用地混合模式提出以下優(yōu)化建議。
(1)優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)。針對(duì)長(zhǎng)株潭中心城區(qū)“核心強(qiáng)、外圍弱”的集聚情況,城市未來(lái)規(guī)劃建設(shè)要注重均衡各功能用地,加強(qiáng)核心片區(qū)之間的聯(lián)系,同時(shí)要完善外圍基礎(chǔ)設(shè)施和綠地系統(tǒng)。
(2)完善城市空間格局。長(zhǎng)株潭中心城區(qū)呈現(xiàn)“多核心”分布格局,要以核心區(qū)域帶動(dòng)周邊區(qū)域發(fā)展,逐步打造“一核多組團(tuán)”發(fā)展格局,最終實(shí)現(xiàn)用地均衡、總體協(xié)調(diào)。
(3)探索土地利用混合。在單一功能用地中引入可兼容性用地,提高土地利用效率,進(jìn)而因地制宜尋求更合理的用地功能配置機(jī)制。同時(shí)建議各地自上而下組織相關(guān)主題研討會(huì),制定更科學(xué)的用地功能規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)。
總體看,基于POI 數(shù)據(jù)的定量分析與GIS 可視化處理能夠較好地識(shí)別城市功能用地空間格局分布。由于POI 數(shù)據(jù)存在的分布缺陷,很難合理分類(lèi)和準(zhǔn)確識(shí)別POI 數(shù)據(jù)較少或缺失的地域,未來(lái)應(yīng)提高識(shí)別和分類(lèi)精度。與此同時(shí),利用地理探測(cè)器能夠有效探測(cè)城市功能空間分布驅(qū)動(dòng)力,但在指標(biāo)選取上存在局限性和主觀性,后期研究應(yīng)進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,為城市未來(lái)規(guī)劃和發(fā)展提供較好的建議,進(jìn)一步完善城市用地功能時(shí)空格局演變的相關(guān)研究。