基于“實有人口、實有房屋”數(shù)據(jù)的精細化人口空間化處理方法及應(yīng)用研究

朱 瑾，李建松，蔣子龍，程 琦

(1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

0 引言

人口數(shù)據(jù)是描述人類各種活動最直接的指標之一，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛[1].人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)通常以行政區(qū)為單元逐級統(tǒng)計和匯總得來.因為行政區(qū)劃的人為分割，導(dǎo)致人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)往往與其所屬空間特征相脫節(jié)，在進行人地關(guān)系研究時，存在著嚴重制約[2].解決這個問題的方法即是對人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行空間化.人口數(shù)據(jù)空間化，是采用一定的計算方法，對基于行政區(qū)劃的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行處理的過程.其目的是將其中隱含的空間信息發(fā)掘并展現(xiàn)出來，方便結(jié)合其他自然生態(tài)、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)進行空間分析或跨學(xué)科研究[3].

現(xiàn)有的人口空間化方法可以大致歸納為城市地理學(xué)中的人口密度模型方法[4]、空間插值方法[5]、基于遙感和GIS的統(tǒng)計建模方法[6-8].人口密度模型強調(diào)的是對城鎮(zhèn)人口分布規(guī)律進行宏觀描述，對城區(qū)內(nèi)人口詳細分布刻畫不足.空間插值方法具體可細分為面插值法[5]、點插值法[9]和地統(tǒng)計學(xué)方法[10]，其中，面插值法和點插值法的分辨率一般較大，多為數(shù)十千米，且誤差難以量化，刻畫真實人口分布的能力較弱；地統(tǒng)計學(xué)方法易于與高分辨率遙感影像結(jié)合，但其模型較為復(fù)雜，實現(xiàn)比較困難.基于遙感和GIS的空間化方法在近20年來成為主要的空間化方法，可以細分為土地利用類型法[11]、多源信息融合法[12]和基于像元特征的空間化方法[13].其中，土地利用類型法原理簡單、精度較高，但不能反映人口分布的某些隨機特征；多源信息融合法模擬結(jié)果精度較高，能比較真實地反映人口數(shù)據(jù)空間分布情況，但所選因子的權(quán)重確定過程復(fù)雜，不易于推廣；基于像元特征的空間化方法近年來逐漸成為高分辨率空間化研究的重要手段，但采用的模型多屬于經(jīng)驗型統(tǒng)計模型，普適性較差.

現(xiàn)有的人口數(shù)據(jù)空間化的研究主要關(guān)注于大尺度[14-15]的人口模擬，這類研究得到的空間化人口數(shù)據(jù)，其分辨率在多數(shù)情況下大于1 km，無法表現(xiàn)城市內(nèi)人口分布的細節(jié)特征.而精細化的、高分辨率[16]的人口數(shù)據(jù)空間化研究，其研究區(qū)域往往較小，多數(shù)僅包含一個區(qū)或者少數(shù)街區(qū)，部分研究甚至僅僅涵蓋一個社區(qū)的范圍，不足以保證對城市整體的研究需求.為此，有必要研究一種兼顧研究范圍和高分辨率的人口數(shù)據(jù)空間化方法.

“兩實人口”是指轄區(qū)內(nèi)全部房屋及其全部房屋內(nèi)居住的所有人員的統(tǒng)稱.2012年，公安部提出對各轄區(qū)內(nèi)“實有人口、實有房屋”進行調(diào)查，通過逐人逐戶地調(diào)查走訪，掌握轄區(qū)內(nèi)的實有人口、實有房屋信息，以期提升政府服務(wù)管理的水平.“兩實人口”數(shù)據(jù)以其權(quán)威性和精度高的特點為精細化人口數(shù)據(jù)空間化提供了基礎(chǔ)支撐.

因此，基于公安部門“兩實人口”數(shù)據(jù)以及地理國情普查和房屋調(diào)查數(shù)據(jù)，本文提出了一種精細化人口數(shù)據(jù)空間化方法，在武漢市中心主城范圍內(nèi)，以居住建筑內(nèi)的人口數(shù)據(jù)為空間化目標單元，實現(xiàn)了較大范圍的高精細度人口數(shù)據(jù)空間化，以為各領(lǐng)域?qū)θ丝诘难芯刻峁┲С?

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)特點

1.1 研究區(qū)概況

本文選取武漢市中心主城作為研究區(qū)域(見圖1).據(jù)2015年底武漢市房屋調(diào)查數(shù)據(jù)和公安部門“實有人口、實有房屋”的社區(qū)人口數(shù)據(jù)，中心主城共計包含社區(qū)1 114個，占武漢市全部3 493個社區(qū)的31.89%；面積808.99 km2，占武漢市總面積8 569.15 km2的9.44%；擁有常住人口6 443 488人，占全市常住人口10 821 004人的59.55%，人口密度見圖2.

圖1 研究區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)來源及特點

本文所用數(shù)據(jù)主要包括2015年底武漢市公安部門社區(qū)實有人口調(diào)查數(shù)據(jù)、2015年房屋調(diào)查專項數(shù)據(jù)，并使用2015年武漢市地理國情普查和監(jiān)測數(shù)據(jù)作為補充.

實有人口，是指某一行政管轄區(qū)域內(nèi)實際存在的人口，包括該轄區(qū)內(nèi)的常住人口、暫住人口、寄住人口、未落常住戶口人員、轄區(qū)境外人員，數(shù)據(jù)由各級公安部門每年更新.實有人口調(diào)查數(shù)據(jù)的尺度單元為社區(qū)，具有統(tǒng)計單元小、人口數(shù)據(jù)詳細全面、時效性較高等特點.

圖2 武漢市中心主城人口密度圖

2015年房屋調(diào)查專項數(shù)據(jù)由武漢市測繪研究院主持采集制作.該數(shù)據(jù)收集了武漢市中心主城范圍內(nèi)絕大部分建筑的相關(guān)信息.該數(shù)據(jù)按照建筑用途將房屋建筑分為大類、中類和小類等三類.本研究的房屋數(shù)據(jù)主要來源于房屋調(diào)查專項數(shù)據(jù)中的大類信息，根據(jù)該數(shù)據(jù)集的建筑物命名規(guī)則，對建筑物進行了篩選，最終得到居住用房信息.此外，由于該數(shù)據(jù)集中存在的極少數(shù)地區(qū)房屋調(diào)查數(shù)據(jù)缺漏的狀況，需要結(jié)合地理國情普查數(shù)據(jù)對缺漏的部分進行補充.主要用到地理國情普查和監(jiān)測數(shù)據(jù)的城鎮(zhèn)綜合功能單元(面)和地表覆蓋分類數(shù)據(jù)(簡稱BUCA和LCA).

2 研究方法

本文首先對實驗數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后對房屋數(shù)據(jù)進行編輯以得到居住用房，隨后進行實有人口數(shù)據(jù)與房屋數(shù)據(jù)的空間關(guān)聯(lián)，并對缺失數(shù)據(jù)進行補充.完成上述步驟后，進行居住面積量算以及居民分配，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)人口數(shù)據(jù)的空間化.最后引入中心主城范圍的標準柵格網(wǎng)實現(xiàn)人口數(shù)據(jù)的柵格化.技術(shù)路線如圖3所示：

圖3 技術(shù)路線圖

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選用的數(shù)據(jù)中，2015年武漢市房屋調(diào)查專項數(shù)據(jù)以及武漢市地理國情普查和檢測數(shù)據(jù)使用的坐標系為“CGCS2000_3_Degree_GK_CM_114E”.該坐標系屬于2000國家大地坐標系，是我國當(dāng)前最新的國家大地坐標系，是全球地心坐標系在我國的具體體現(xiàn).而來自武漢市公安部門的社區(qū)實有人口調(diào)查數(shù)據(jù)則未分配坐標系.為了提高數(shù)據(jù)處理精度，將實有人口數(shù)據(jù)重投影至坐標系“CGCS2000_3_Degree_GK_CM_114E”，實現(xiàn)坐標系的統(tǒng)一.根據(jù)中心主城的范圍，對地理國情普查數(shù)據(jù)以及實有人口數(shù)據(jù)進行裁剪，得到中心主城范圍內(nèi)的BUCA、LCA圖層數(shù)據(jù)，以及實有人口數(shù)據(jù).

2.2 房屋調(diào)查數(shù)據(jù)編輯

在房屋調(diào)查數(shù)據(jù)的一級分類基礎(chǔ)上，對房屋調(diào)查數(shù)據(jù)進行人工篩選，提取出居住建筑以用于人口數(shù)據(jù)空間化的處理.房屋調(diào)查數(shù)據(jù)編輯過程如下：

(1) 居住建筑篩選.利用ArcGIS軟件，篩選出字段“建筑用途”或“竣工用途”為“JR”的房屋.然后根據(jù)建筑命名規(guī)則，篩選并刪除非居住用房，得到中心主城居民居住用房數(shù)據(jù).

(2) 空間關(guān)聯(lián).利用ArcGIS基于空間位置的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)功能，對中心主城實有人口數(shù)據(jù)和房屋調(diào)查數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，賦予房屋調(diào)查數(shù)據(jù)所屬社區(qū)屬性.由于存在房屋跨越兩個社區(qū)的情況，導(dǎo)致所屬社區(qū)屬性無法分配，需單獨進行人工分配.

(3) 缺失數(shù)據(jù)補充.結(jié)合中心主城實有人口數(shù)據(jù)，針對房屋調(diào)查數(shù)據(jù)中存在的缺失或缺漏情況，從BUCA、LCA圖層中對應(yīng)的位置提取地物對象予以補充.在BUCA圖層中，“TYPE”字段屬性為“一類”“二類”“三類”“四類”的地塊為居住用地；LCA圖層中，“一級類”字段屬性為“05”的地物為建筑.

房屋調(diào)查數(shù)據(jù)編輯結(jié)果如圖4所示.處理完成后的房屋調(diào)查數(shù)據(jù)，房屋對象由原有的277 561減少至183 614個，基底面積和建筑面積分別由原來的95.81和428.87 km2減少為47.29和290.74 km2.

圖4 房屋調(diào)查數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖

2.3 人口數(shù)據(jù)計算及空間化

(1) 計算居住面積.以社區(qū)為單元，使用如下公式統(tǒng)計居住建筑總的建筑面積：

(1)

式中：Si為第i個社區(qū)的建筑面積之和，Sij為該社區(qū)中第j個建筑的建筑面積.

(2) 分配居民.由于研究區(qū)域內(nèi)社區(qū)數(shù)量較大(共計1 114個)，單個社區(qū)面積小且房屋類型單一，可以假設(shè)每個社區(qū)內(nèi)居民的人均居住面積相同.基于這個假設(shè)前提下，使用如下公式可將人口由社區(qū)重新分配到居住建筑：

(2)

式中：Si為第i個社區(qū)的建筑面積之和，Sij為該社區(qū)中第j個建筑的建筑面積，Pi為第i個社區(qū)的人口總數(shù)，Pij為該社區(qū)中第j個建筑容納的居民數(shù).

2.4 人口數(shù)據(jù)柵格化

為了使人口數(shù)據(jù)能更方便進行空間分析，以及進行跨學(xué)科研究時能更好地與其他數(shù)據(jù)進行結(jié)合，需要對2.3得到的空間化人口數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)化處理.本研究在計算機硬件性能允許的前提下，綜合考慮格網(wǎng)大小對精度的影響，選取50 m×50 m的格網(wǎng)作為實驗單元.

(1) 生成標準格網(wǎng).根據(jù)武漢市中心主城的范圍，使用ArcGIS軟件的Fishnet工具生成50 m×50 m的標準格網(wǎng)，并將其轉(zhuǎn)化為格網(wǎng)面.

(2) 空間疊加.使用ArcGIS疊加工具Intersect，對標準格網(wǎng)面和2.3中所得帶有人口信息的房屋數(shù)據(jù)進行處理，得到經(jīng)格網(wǎng)切割過的房屋數(shù)據(jù)，并計算切割后房屋對象的面積.

(3) 人口計算.由于部分房屋跨越多個格網(wǎng)，在切割后被分配到不同的格網(wǎng)中.本文假設(shè)同一棟建筑內(nèi)，居民的人均居住面積是均勻的，從而可用如下公式計算切割后的房屋所容納的人口數(shù)：

(3)

式中：Pm為第m個房屋所容納人口數(shù)，Pmn為該房屋被切割后的第n個部分所容納的人口數(shù)，Sm為該房屋的基底面積，Sn為切割后的第n個部分的占地面積.隨后，統(tǒng)計每個標準格網(wǎng)內(nèi)容納的人口數(shù)量，完成人口數(shù)據(jù)格網(wǎng)化處理.

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 居民住房空間分布分析

根據(jù)編輯后的房屋建筑數(shù)據(jù)，中心主城范圍內(nèi)，居民居住房屋建筑數(shù)量為183 612間，占地面積47.20 km2，占中心主城總面積808.99 km2的5.83%，建筑面積總計290.7 km2.由圖4可以看出，在中心主城范圍內(nèi)，武漢市房屋建筑分布呈現(xiàn)明顯的中心—邊緣式空間分異格局.中心區(qū)域由于社會經(jīng)濟發(fā)展較為成熟，土地開發(fā)程度高，房屋建筑較為密集.邊緣地區(qū)由于大部分開發(fā)建設(shè)尚處于起步階段，土地開發(fā)程度還比較低，房屋建筑較為稀疏.以位于中心主城北部的長江江心洲——天興洲為例，該地區(qū)房屋建筑數(shù)量為115個，僅占中心主城的0.062 6%，這是由于該地區(qū)為武漢市的瓜果生產(chǎn)基地，主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，城市開發(fā)建設(shè)較為滯后.另外，值得一提的是漢陽區(qū)中南部，其所處并非邊緣區(qū)，然而該地區(qū)的房屋建筑數(shù)量僅為1 448個，遠低于中心區(qū)域的平均水平.其原因在于，作為武漢市老工業(yè)區(qū)，該地區(qū)在數(shù)年前開始的舊城區(qū)改造行動中，大量老舊工廠被拆除，新的建設(shè)尚未完成，從而導(dǎo)致房屋建筑數(shù)量偏少.

圖5 地塊分類圖

對于居民居住建筑和其他建筑的分布細節(jié)方面，大致可以根據(jù)房屋用途分為三類地塊.其中，第一類地塊(如圖5a所示)為武漢市武昌區(qū)洪山廣場，是湖北省政府所在地，居住用房中夾雜部分其他建筑，這類地塊主要為商業(yè)金融用地，且這類地塊的其他用房較多數(shù)沿街分布；第二類地塊(如圖5b所示)位于青山區(qū)鋼花村街道，是原武漢鋼鐵集團公司的職工家屬區(qū)，居住用房占絕大多數(shù)，其所在地塊在土地規(guī)劃用地方面主要為居民用地，其代表主要為集中建設(shè)的居住小區(qū)以及城中村地區(qū)；第三類地塊(如圖5c所示)位于武漢市青山區(qū)中部，區(qū)域中其他建筑占絕大多數(shù)，這類地塊主要為工業(yè)用地，其典型代表位于青山區(qū)原武漢鋼鐵集團公司廠區(qū)以及武漢市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)所在地.住房和其他建筑的分布規(guī)律，是武漢市中心主城用地規(guī)劃的外在體現(xiàn)，居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地和綠地的規(guī)劃導(dǎo)致了房屋分布細節(jié)的差異.

3.2 人口數(shù)據(jù)空間化及柵格化結(jié)果分析

根據(jù)人口數(shù)據(jù)計算和空間化方法，將武漢中心主城實有人口數(shù)據(jù)劃分到房屋建筑中去，形成人口數(shù)據(jù)的空間化成果圖.圖6為中心主城的人口空間化成果圖，并以青山區(qū)鋼花村街道附近區(qū)域為例進行了細節(jié)展示.由圖6可見，武漢市中心主城人口分布主要集中在硚口區(qū)、江漢區(qū)、江岸區(qū)、漢陽區(qū)北部、青山區(qū)西部、武昌區(qū)、洪山區(qū)北部以及東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)西部.與圖2的中心主城社區(qū)人口密度圖相比，在體現(xiàn)了人口分布總體概況的前提下，描繪出了更多細節(jié).研究者能通過房屋的形狀、排列模式、所容納人口數(shù)量等信息，判斷不同地區(qū)人口的居住環(huán)境.在圖6右方的細節(jié)圖中，房屋形狀及排列規(guī)整，容納人口數(shù)量較多的房屋為居住小區(qū)，如圖6右側(cè)實線方框區(qū)域；而房屋排列密集，容納人口數(shù)量較少的房屋，為城中村地區(qū)，如圖6右側(cè)虛線方框區(qū)域.此外，圖2中人口密度較低的社區(qū)，其人口分布的具體細節(jié)在圖6中也得到了很好的體現(xiàn).

圖6 人口數(shù)據(jù)空間化成果圖

在人口數(shù)據(jù)空間化的基礎(chǔ)上，進一步生成柵格化人口數(shù)據(jù)(見圖7)，結(jié)果同樣以青山區(qū)鋼花村街道附近區(qū)域為例進行了詳細展示.該成果在一定程度上放大了空間化人口數(shù)據(jù)的粒度，在描繪武漢市中心主城這個較大尺度的人口分布時，表現(xiàn)得更為直觀、明顯.同時由于標準格網(wǎng)的選取，人口分布的細節(jié)相比圖2也得到了很好的保留，研究者可通過柵格化的人口數(shù)據(jù)，更直觀地觀察到某個社區(qū)內(nèi)人口的精細化分布.

與以往傳統(tǒng)的社區(qū)行政單元為統(tǒng)計單元的人口數(shù)據(jù)相比，本文所得到的空間化成果對人口分布的描繪體現(xiàn)了更多的細節(jié)，同時最大限度地保留了整體信息.經(jīng)柵格化處理后，保留了大部分細節(jié)信息，提高了對人口空間分布的表現(xiàn)力；且柵格化的人口數(shù)據(jù)將更易于與其他自然環(huán)境、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)結(jié)合，為跨學(xué)科研究提供了便利.

3.3 人口數(shù)據(jù)空間化誤差檢驗

本文根據(jù)空間化和柵格化處理后得到的人口總數(shù)，量算總體誤差.誤差量算公式如下：

(4)

式中：EG(general error)為總體誤差，Pa為統(tǒng)計人口數(shù)，Ps為人口數(shù)據(jù)空間化后的總計人口數(shù).

圖7 人口數(shù)據(jù)柵格化成果圖

研究區(qū)所有社區(qū)包含的人口總數(shù)為6 443 488人，人口數(shù)據(jù)空間化后，所有房屋容納的人口總數(shù)為6 437 104人，柵格化后所有柵格容納的人口總數(shù)則為6 436 588人.本文所用方法總體誤差分別為0.10%和0.11%.

4 結(jié)論與討論

本文提出了一種新的人口數(shù)據(jù)空間化方法，實現(xiàn)了較大尺度下的精細化的人口分配，并得到了較好的效果.相較同類研究具有以下特色：

(1) 拓展了數(shù)據(jù)來源.公安部門“實有房屋，實有人口”是我國2012年后才逐步展開的調(diào)查行動.調(diào)查得到的人口數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的街道人口數(shù)據(jù)更加詳細.此外，地理國情普查和監(jiān)測數(shù)據(jù)以及房屋專項調(diào)查得到的建筑類別、建筑基底面積、建筑面積是傳統(tǒng)影像提取手段很難甚至無法得到的信息，在剔除了非住宅建筑后，用于人口分布的空間化能得到極好的模擬效果.也為近年來在全國范圍廣泛開展的地理國情普查和監(jiān)測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，找到了一個擁有很大潛力的應(yīng)用領(lǐng)域.

(2) 提高了處理范圍和空間分辨率.人口分布的模擬結(jié)果精確到真實的單個居住建筑，空間分辨率高、模擬范圍廣.將人口模擬到單個居住建筑在當(dāng)前人口數(shù)據(jù)空間化研究中還不多見；且現(xiàn)有的模擬單個建筑人口分布的研究往往選用少數(shù)社區(qū)，甚至僅選用一個社區(qū)進行討論.本文對武漢市中心主城808.99 km2的范圍進行了人口模擬，讓精細化的人口數(shù)據(jù)空間化更適合城市人口研究的需求.

(3) 應(yīng)用范圍較為廣泛.人口柵格化處理可以進一步更好地進行相應(yīng)的計量地理學(xué)處理.在分配到格網(wǎng)的過程中，標準格網(wǎng)的大小可以很方便地定制，適用于分析不同格網(wǎng)尺度下人口分布的特征分析，且格網(wǎng)化的數(shù)據(jù)能更加方便地進行地統(tǒng)計運算.

(4) 易于推廣.在目前全國各地相關(guān)部門廣泛開展地理國情普查和監(jiān)測，以及 “兩實全覆蓋”調(diào)查的背景下，本文所用方法的數(shù)據(jù)來源穩(wěn)定、覆蓋面廣.此外，本文所用方法自動化程度較高，在對數(shù)據(jù)進行少數(shù)步驟的處理后，即可由商業(yè)軟件得到所需成果，便于相關(guān)領(lǐng)域的使用和推廣.