基于POI數(shù)據(jù)的生活設(shè)施空間分布及配套情況研究
——以濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)為例

孫宗耀，翟秀娟，孫希華＊，喬 治

(1.山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量控制天津市重點實驗室，天津 300072)

0 引 言

城市在為居民提供便利的同時，也帶來了諸多城市病，由于日常生活設(shè)施空間分布不均導(dǎo)致的城市問題出現(xiàn)在人民生活的方方面面。近年來，濟(jì)南市城市快速發(fā)展過程中，出現(xiàn)了盲目化的趨勢，各類設(shè)施布局不合理，大大增加了空間的隨機性，出現(xiàn)交通擁擠、住房緊張、環(huán)境污染等城市病[1]。因此，對城市日常生活設(shè)施空間布局進(jìn)行分析和評價是提高城市居民生活便利度，提高生活幸福感的首要工作[2]。

眾多學(xué)者針對不同地區(qū)不同類型設(shè)施進(jìn)行了大量的研究，何丹等[3]在北京市中心城區(qū)公共文化設(shè)施空間分布的研究中發(fā)現(xiàn)文化設(shè)施在空間分布上具有中間多而集聚、邊緣少而分散、區(qū)際差異大、集中程度高、沿環(huán)線從內(nèi)到外遞減分布的特征；李倩等[4]對廣州市中心城區(qū)公共文化設(shè)施空間分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)公共文化設(shè)施在空間分布上具有區(qū)際差異大，集中性高的特點；張旭等[5]在南京市餐飲設(shè)施空間分布及其影響因素研究中利用ArcGIS的空間分析和疊置等工具發(fā)現(xiàn)餐飲設(shè)施的發(fā)展具有地域不均衡性，數(shù)量總體上由中心向外圍遞減。上述研究基于傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)針對城市中某種特定的設(shè)施進(jìn)行研究，忽略了各類設(shè)施間的空間依存，并在數(shù)據(jù)時效性上有所不足。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，能夠用于研究城市空間結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)更加豐富。其中，POI數(shù)據(jù)作為一種代表真實地理實體的點狀地理空間數(shù)據(jù)逐漸應(yīng)用到科學(xué)研究中，并在居民時空行為研究、城市空間研究、城市等級體系研究等方面取得豐碩成果。Kwan等[6]根據(jù)居民活動點數(shù)據(jù)對居民活動的密度、分布，以及變化進(jìn)行了時空模擬；Becker等[7]利用美國莫利斯頓市通話點數(shù)據(jù)，研究城市人口流動與變化；郭潔等[8]在基于點模式分析的城市空間結(jié)構(gòu)研究中，應(yīng)用點模式分析法識別城市主次中心，探討了就業(yè)中心對不同產(chǎn)業(yè)的集聚作用。

本研究結(jié)合POI數(shù)據(jù)的時效性以及GIS在空間分析方面上的優(yōu)勢，選擇濟(jì)南市市內(nèi)五區(qū)的休閑、居住、工作、醫(yī)療四類生活設(shè)施，對生活設(shè)施空間分布研究。①利用核密度分析方法，獲取研究區(qū)內(nèi)的各類設(shè)施的空間分布密度分布現(xiàn)狀；②利用標(biāo)準(zhǔn)橢圓分布，探索各類設(shè)施在空間上的方位分布以及重心，并與研究區(qū)質(zhì)心進(jìn)行比對；③對4種設(shè)施進(jìn)行相關(guān)性評價，研究空間分布的協(xié)同性；④利用CRITIC的改進(jìn)方法，評價生活設(shè)施的空間配套情況。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南是山東省省會，位于山東省中西部，是黃河中下游和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶南翼的重要城市。地處中緯度地帶，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫13.2℃，年降水量648 mm，氣候適宜；全市總面積為8 177 km2。研究區(qū)選擇市中區(qū)、槐蔭區(qū)、天橋區(qū)、歷下區(qū)和歷城區(qū)等市內(nèi)五區(qū)，面積為2 094 km2，如圖1所示。

圖1 濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)地理位置圖Fig.1 The location of five districts of Ji'nan

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究原始數(shù)據(jù)爬取自高德地圖，以2016年4月為節(jié)點，共17 908條POI數(shù)據(jù)，經(jīng)過去重、篩選，共挑選出6 637條有效信息，信息有效率為38.2%。高德地圖是GCJ-02坐標(biāo)系，不能直接添加到WGS-84坐標(biāo)系下，本研究通過糾偏算法將有效數(shù)據(jù)進(jìn)行了矯正，處理后通過地理反編譯驗證最大偏移距離在10 m以內(nèi)，小于密度分析的空間分辨率，精度滿足研究需要。

按照《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》，選取4種典型生活設(shè)施：咖啡館、住宅小區(qū)、寫字樓、診所，可分別代表休閑設(shè)施、居住設(shè)施、工作設(shè)施、醫(yī)療設(shè)施[9]。本研究選擇寫字樓為代表的辦公設(shè)施，代表居民就業(yè)的主要工作場所；餐飲類休閑設(shè)施在休閑設(shè)施中占絕大部分，以及數(shù)據(jù)的代表性，故選取咖啡館作為休閑設(shè)施的代表；選擇診所作為醫(yī)療設(shè)施的代表，避免大型醫(yī)院的輻射效應(yīng)所帶來的數(shù)據(jù)誤差；選取住宅小區(qū)作為居住設(shè)施代表[10]（見表1）。

表1 2016年濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)POI生活設(shè)施數(shù)據(jù)數(shù)量表Tab.1 Quantity table of facilities in five districts of Ji'nan in 2016

2 研究方法

2.1 核密度分析

核密度分析法是以某要素點為中心，密度值在空間上呈三維密度曲面分布，半徑為r，曲面的積分等于中心點要素值。各點密度值空間疊加生成密度圖[11-12]。核密度方法的計算方法，可以表示為：

式中，D(xi,yi)為空間位置(xi,yi)處的核密度值；r為距離衰減閾值；u為與位置(xi,yi)的距離小于等于r的要素點數(shù)；k函數(shù)則表示空間權(quán)重函數(shù)；d表示當(dāng)前要素點與(xi,yi)兩點之間的歐氏距離。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓與質(zhì)心分布

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布用以度量點在空間中位置和方位分布情況。該方法是由平均中心作為起點對x坐標(biāo)和y坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計算，從而定義橢圓的軸，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積大小比較可以判斷點的離散程度[13-14]。質(zhì)心是要素點集在x和y方向的平均值組成的點。

式中，θ為旋轉(zhuǎn)方向角，n為要素點數(shù)量，(x，y)為質(zhì)心坐標(biāo)，σx為橢圓長軸長度，σy為橢圓的短軸長度。

2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析用于衡量多變量間變化的密切程度，相關(guān)性系數(shù)為多變量的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差乘積的比值。本研究對密度歸一化后進(jìn)行相關(guān)性分析，目的是消除因為點要素數(shù)量導(dǎo)致的密度差異[15]。

式中，Vk表示第k個像元的密度值，Vk表示歸一化后圖像像元值，Covpq表示p圖層和q圖層像元值的協(xié)方差，Corrpq表示p圖層和q圖層的相關(guān)系數(shù)，Vpk和Vqk分別表示p圖層和q圖層第k個像元的像元值；Vp和Vq分別表示p圖層和q圖層各像元平均值；N是像元的數(shù)量；k表示特定像元； δp和δq分別表示p圖層和q圖層像元值的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.4 CRITIC方法

CRITIC法是用特征內(nèi)部的數(shù)據(jù)離散程度和特征間的沖突性來衡量整體特性的權(quán)重確定方法。該方法以標(biāo)準(zhǔn)差形式體現(xiàn)特征內(nèi)取值差距的大小，以相關(guān)系數(shù)反映沖突性[16-17]。

式中，Corrpq表示第p個特征和第q個特征的相關(guān)系數(shù)； δp表示第q個特征的標(biāo)準(zhǔn)差；p表示特征總數(shù)。

本研究借鑒CRITIC方法，利用平均數(shù)和相關(guān)系數(shù)計算不同生活設(shè)施的權(quán)重值。歸一化后的平均數(shù)體現(xiàn)各設(shè)施在研究區(qū)內(nèi)的分布密度高低，相關(guān)系數(shù)用來衡量各類設(shè)施之間的關(guān)聯(lián)性。改進(jìn)后的CRITIC法用來度量各類生活設(shè)施空間上的配套情況。

CRITIC改進(jìn)后的公式：

式中，Mq表示第q個設(shè)施的平均像元值。

生活設(shè)施配套綜合評價值，其計算公式為：

式中，Sk是第k像元綜合評價值的最終得分。

3 結(jié)果與分析

3.1 生活設(shè)施的空間分布

應(yīng)用核密度分析法分別對濟(jì)南市室內(nèi)五區(qū)各類生活設(shè)施進(jìn)行密度制圖，并按照自然間斷點分級法對歸一化后的密度圖像進(jìn)行分類，如圖2所示。分析比較了2016年4月濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)各類生活設(shè)施密度分布圖可知，研究區(qū)的各類生活設(shè)施在空間上具有顯著的單中心特性，在五區(qū)接界的小范圍內(nèi)密度最大。分析寫字樓分布情況，可以看出：以寫字樓為代表的辦公設(shè)施空間分布范圍較廣，且沿東西方向狹長分布，有明顯的3個密度高值區(qū)域，分別位于市中區(qū)與歷下區(qū)交界位置、歷下區(qū)與歷城區(qū)交界位置以及歷下區(qū)東北部，只有在高值區(qū)域周圍存在較小的低密度區(qū)域；歷城區(qū)內(nèi)的設(shè)施分布最少。研究區(qū)內(nèi)的辦公設(shè)施聚集效果明顯，距離衰減作用強烈。

圖2 2016年濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)各類生活設(shè)施密度分布Fig.2 Density distribution of facilities in five districts of Ji'nan in 2016

分析咖啡館分布情況，可以看出：咖啡館在空間中只有一個密度高值區(qū)域，位于歷下區(qū)西部，靠近天橋區(qū)和市中區(qū)，對比其他設(shè)施，休閑設(shè)施的灰色分布區(qū)域最小，所以，以咖啡館為代表的休閑設(shè)施建設(shè)滯后于其他設(shè)施，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的分布于較為發(fā)達(dá)地區(qū)，且處于上升階段。

分析醫(yī)療設(shè)施分布情況，由診所體現(xiàn)的醫(yī)療設(shè)施分布幾乎覆蓋了研究區(qū)所有范圍，僅在歷城區(qū)中南部、天橋區(qū)北部和市中區(qū)東南部稍顯不足。高密度區(qū)幾乎覆蓋了五區(qū)接界的區(qū)域，但醫(yī)療資源最充足的最高密度區(qū)域位于在歷下區(qū)西部。整體來看，研究區(qū)醫(yī)療設(shè)施分布北部好于南部，以東西方向為主，南北方向有一定程度的擴(kuò)展。

分析住宅小區(qū)分布情況，濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)住宅小區(qū)的空間分布情況基本上能反映濟(jì)南市居民的居住情況，本研究以住宅小區(qū)為基本單位，不對小區(qū)內(nèi)居民數(shù)量進(jìn)行分析。如圖2(d)，居民點的分布密度與上述其他設(shè)施的分布略有不同，低密度區(qū)域面積較大且分布集中，高密度區(qū)沿東西方向呈狹長形，說明居住設(shè)施存在一定的向心性，但距離衰減程度并不強烈。歷城區(qū)中北部有少許較低密度區(qū)，其他大部都是低密度區(qū)。

3.2 生活設(shè)施重心

利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析法對68%的點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分布制圖，并根據(jù)所有的點數(shù)據(jù)計算該設(shè)施的空間質(zhì)心。比較標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布結(jié)果，可以看出，咖啡館空間分布面積最小，橢圓與五個區(qū)均有重疊；寫字樓和住宅小區(qū)與東西方向夾角最小，受濟(jì)南整體東西向交通影響最大；研究區(qū)質(zhì)心位于歷下區(qū)中偏東南，而寫字樓、咖啡館、診所和住宅小區(qū)質(zhì)心接近，位于區(qū)域質(zhì)心的西北方，全部位于歷下區(qū)界內(nèi)，各橢圓呈同心分布。

圖3 2016年濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)各類設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)差橢圓與質(zhì)心分布Fig.3 Standard deviation ellipse and mass distribution of facilities in five districts of Ji'nan in 2016

3.3 空間相關(guān)性評價

根據(jù)上述密度圖像，歸一化后，通過相關(guān)系數(shù)計算，對濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)的五類設(shè)施的密度分布圖進(jìn)行相關(guān)性分析，可得到相關(guān)矩陣的相關(guān)系數(shù)，見表2。

表2 2016年濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)各類設(shè)施相關(guān)性矩陣Tab.2 Correlation matrix of facilities in five districts of Ji'nan in 2016

在各類生活設(shè)施中，診所與小區(qū)的空間相關(guān)度最高，達(dá)到0.870 3；而咖啡館和診所的相關(guān)度最低，只有0.499 9。分析結(jié)論為：①從居住角度出發(fā)來衡量各類設(shè)施與居住的關(guān)系可以得出各類設(shè)施空間適宜程度是：醫(yī)療設(shè)施＞辦公設(shè)施＞休閑設(shè)施。②住宅小區(qū)與寫字樓、診所的相關(guān)系數(shù)均大于0.7，在空間上是強相關(guān)關(guān)系，說明研究區(qū)內(nèi)的居民的生活方式更加注重醫(yī)療和工作，在選擇住所時，醫(yī)療和工作條件占較大比重；③診所與住宅小區(qū)的高相關(guān)性，反映了診所總是選擇在居民點附近開設(shè)，獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時能服務(wù)更多居民。

3.4 生活設(shè)施配套綜合評價

根據(jù)改進(jìn)后的CRITIC方法，計算得到濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)各類設(shè)施權(quán)重，見表3。按照生活設(shè)施配套綜合評價計算公式，在ArcGIS軟件中，利用柵格計算器，根據(jù)不同權(quán)重計算每個柵格像元的綜合得分值，再利用重分類命令，得出綜合評價結(jié)果分布圖，如圖4所示。

表3 2016年濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)各類生活設(shè)施權(quán)重值Tab.3 Weight of facilities in five districts of Ji'nan in 2016

圖4 2016年濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)生活設(shè)施配套綜合評價分布圖Fig.4 Comprehensive matching evaluation distribution of facilities in five districts of Ji'nan in 2016

生活設(shè)施最完備的是槐蔭區(qū)東部、市中區(qū)北部、歷下區(qū)西部，沿東西呈條狀分布，與濟(jì)南市東西干道經(jīng)十路相符，交通對生活設(shè)施分布的影響較大；在承擔(dān)生活功能的能力上：歷下區(qū)＞市中區(qū)＞槐蔭區(qū)＞天橋區(qū)＞歷城區(qū)，說明歷下區(qū)配套情況最好，歷城區(qū)最差；生活設(shè)施主體分布于研究區(qū)幾何中心西側(cè)，天橋區(qū)南部、槐蔭區(qū)東部、市中區(qū)北部與歷下區(qū)接界的小塊區(qū)域；研究區(qū)內(nèi)居民活動都集中于高值區(qū)域，空間中呈現(xiàn)顯著的單中心模式。

4 結(jié)束語

基于濟(jì)南市市內(nèi)五區(qū)的部分POI數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的清洗、校正，以及分別對各類設(shè)施進(jìn)行核密度分析、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析，探索了研究區(qū)內(nèi)生活設(shè)施空間分布情況，利用相關(guān)性分析和改進(jìn)后的CRITIC法對不同設(shè)施賦值不同權(quán)重，探討了各類設(shè)施的空間配套情況。結(jié)論如下：

1）各類生活設(shè)施在空間上呈單核心分布，中等及以上等級覆蓋的區(qū)域中，居住設(shè)施和醫(yī)療設(shè)施面積最大，其次是辦公設(shè)施，休閑設(shè)施覆蓋面積最小。各類設(shè)施均集中在研究區(qū)質(zhì)心西北側(cè)，歷下區(qū)西部，研究區(qū)西部區(qū)域相比于東部更便利。各類設(shè)施呈東西向帶狀分布，略向東北西南偏移，符合濟(jì)南市市內(nèi)五區(qū)道路通達(dá)情況。

2）在行政分區(qū)上看，各類生活設(shè)施高等級區(qū)域均位于歷下區(qū)中西部，該區(qū)域生活設(shè)施配套情況較好。天橋區(qū)南部、槐蔭區(qū)東部、市中區(qū)北部與歷下區(qū)接界的小塊區(qū)域在居住和醫(yī)療方面也享有較高便捷性。歷城區(qū)除零星的居住設(shè)施和醫(yī)療設(shè)施較低等級的點狀區(qū)域外，在辦公設(shè)施和休閑設(shè)施分布上都處于低等級的情況，生活設(shè)施配套情況較差。

3）從職住角度來看，辦公設(shè)施與居住設(shè)施的空間相關(guān)性較高，市內(nèi)五區(qū)的居民仍處于職住不分離的生活方式，間接證明了在城市功能分區(qū)中較少考慮由功能分區(qū)促進(jìn)的城市用地外擴(kuò)的城市化手段。

從研究結(jié)果來看，濟(jì)南市內(nèi)五區(qū)生活設(shè)施在基本的居住和醫(yī)療兩方面比較完善，但在辦公和休閑等生活質(zhì)量方面較差，只有經(jīng)濟(jì)文化水平較高的歷下區(qū)兼?zhèn)浠旧畋Ｕ虾洼^高的生活質(zhì)量。為提高居民生活質(zhì)量，完善生活設(shè)施的配套情況可以從以下幾方面入手：①在居住設(shè)施覆蓋面較大而其他設(shè)施覆蓋較小的情況下，可以以街道辦事處或居委會為基本單元，合理配置小區(qū)內(nèi)生活資源，鼓勵建立服務(wù)性設(shè)施。②創(chuàng)立高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)以及商務(wù)集中區(qū)，從職住分離的角度促進(jìn)城市化向外發(fā)展，在擴(kuò)大辦公區(qū)域范圍的同時，幫助城郊地區(qū)提高生活質(zhì)量。③鼓勵服務(wù)業(yè)發(fā)展，休閑設(shè)施覆蓋的情況極大程度上決定了居民幸福指數(shù)，服務(wù)業(yè)的不斷完善更是帶動城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。通過POI數(shù)據(jù)分析城市生活設(shè)施分布和配套情況，一方面在數(shù)據(jù)的實時性上有了很大改善，原本基于統(tǒng)計的數(shù)據(jù)難免對于規(guī)劃的指導(dǎo)存在一定的滯后性，新的數(shù)據(jù)獲取手段除了在上述的應(yīng)用外，還可以分析一定時間內(nèi)的各項生活設(shè)施的發(fā)展情況，實時監(jiān)督城市建設(shè)；另一方面基于多類型設(shè)施點數(shù)據(jù)的分析可以用于城市功能區(qū)識別，不同年齡的人群在城市空間的不同熱度研究等。本研究基于POI數(shù)據(jù)的一系列分析方法為未來城市發(fā)展規(guī)劃提供了一套完整的評價體系，對城市整體規(guī)劃有積極意義。此外，由大數(shù)據(jù)支持下的城市空間分析也是未來研究的重要方向。