基于時間地理學(xué)的居民活動空間測度方法研究

何保紅，梁麗婷，何明衛(wèi)，何 彥

(1.昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，昆明650500；2.東南大學(xué)建筑學(xué)院，南京211189)

0 引 言

隨著城市的大規(guī)模擴(kuò)張，職住錯位現(xiàn)象日益嚴(yán)重，居民日?；顒涌臻g被快速放大，機(jī)動化出行需求迅猛增加，小汽車的高強(qiáng)度使用與“公交優(yōu)先”的發(fā)展理念背道而馳，城市交通結(jié)構(gòu)面臨崩陷的邊緣.與此同時，土地資源對城市發(fā)展模式的約束性逐漸突顯，既要滿足日益增長的機(jī)動化需求，又要面臨城市存量空間的多元化整改和應(yīng)對當(dāng)前交通研究領(lǐng)域所面臨的嚴(yán)峻考驗[1].因此，在城市存量更新中，研究者們試圖通過調(diào)整居民的時間分配來間接影響居民對城市空間利用的微觀個體時空行為已成為研究熱點.活動空間是指居民一段時間內(nèi)到達(dá)活動地點在空間中的分布，反應(yīng)了居民對城市空間利用的時空特征和移動能力，提供了解釋城市空間與居民行為之間關(guān)系的微觀視角.

上個世紀(jì)70年代，瑞典學(xué)者哈格斯特朗創(chuàng)新性地提出了關(guān)于時間、空間和人類活動的時間地理學(xué)方法[2].該方法認(rèn)為可以透過出行決策過程中個體所占據(jù)的特定空間和時間點的自由度(即棱柱)來解釋出行軌跡(即路徑)，并進(jìn)一步認(rèn)為棱柱的容量可以用“空間中的區(qū)位”“面積上的拓展”“時間上的持續(xù)”這三個維度來描述.作為一種分析視角，時間地理學(xué)將出行行為放在“區(qū)位”“空間”“時間”的背景下統(tǒng)籌考察，這種三維立體觀的視角使得對出行決策過程的理解更加全息，從而能夠準(zhǔn)確地剖析出行行為對城市空間的敏感性.由于“路徑”概念完美地回避了“停留”“移動”兩類活動的割裂，時間地理學(xué)與之后的活動分析法在概念框架上達(dá)成一致并能夠在交通領(lǐng)域迅速傳播[3-4].鑒于個體出行在空間上的整體性和連續(xù)性，有學(xué)者利用棱柱在二維平面空間上的投影來解釋出行行為，運(yùn)用個體在一定時空制約下能夠達(dá)到的最大空間范圍來描述個體的潛在活動空間，重點討論可能的出行潛力，不太考慮實際出行能力[5].基于可達(dá)性研究發(fā)展，一些學(xué)者提出實際活動空間概念和測度，用于描述個體空間與行為的相互作用關(guān)系[6]，以此來表明城市居民的空間選擇和移動程度.

目前，對活動空間的主流理解是：在功能上，普遍認(rèn)為活動空間是描述個體對城市空間的利用情況，形態(tài)上是個體日?；顒舆^程中所經(jīng)過的全部地點集合.在這種認(rèn)知的基礎(chǔ)上，大多數(shù)測度研究都是基于空間的方法，例如標(biāo)準(zhǔn)圓、置信橢圓、最小凸多邊形等[7]，如圖1所示.這些測度方法視每個活動地點為均質(zhì)對象，都是想盡可能地用最小的面積測度出個體最多數(shù)量的活動地點，重點關(guān)注活動地點的空間分布特征.

綜上所述，傳統(tǒng)研究方法盡管對于二維空間范圍描述精細(xì)，但對時間維度的考慮相對不足，進(jìn)而缺乏從時空角度來分析居民活動空間.本文以時間地理學(xué)為理論基礎(chǔ)，從微觀個體活動的時空方面入手，嘗試構(gòu)建新的活動空間測度方法，以此透視城市空間與行為之間的相互作用關(guān)系，以期為減少小汽車使用和提高居民生活質(zhì)量提供理論參考.

圖1 日?；顒涌臻g測度的幾何方法Fig.1 Geometric method of daily activity space measurement

1 研究理論和假設(shè)

時間地理學(xué)從微觀層面關(guān)注個體出行決策和選擇過程，由注重空間研究轉(zhuǎn)向時空維度延伸，把時空關(guān)系納入出行決策統(tǒng)籌分析.所以，時空路徑概念是指由路徑空間—時間束共同組成的動態(tài)地圖，而非靜態(tài)的閉合鏈或幾何形態(tài)面積.此外，美國行為地理學(xué)者Golledgede 指出個體對環(huán)境的感知是活動空間重要的決定因素[8]，因個體對時間的感知而形成的時間偏好會影響著不同類型活動的時間分配權(quán)重，這意味著活動地點的時間分配與活動地點的空間位置選擇相關(guān)聯(lián)，同時，活動空間中各地點的位置是有層次的，居住地作為主要錨點將位于整個活動空間結(jié)構(gòu)的第一級.

結(jié)合哈格斯特朗的時空制約觀和Golledgede的時間感知，可知活動時間利用和地點分布存在相互作用.因此，可以認(rèn)為體現(xiàn)個體行為模式的活動空間不僅由活動位置要素決定，還應(yīng)與活動時間要素共同決定.圖2顯示了兩個工作者的時空路徑和活動空間模式，其中圖2(a)顯示了一名早出晚歸的全職工作者，圖2(b)顯示一名非全職工作者，其工作之余參與了早晚接送兒童、購物和休閑活動.從圖2中發(fā)現(xiàn)，兩個居民的居住地、工作地和學(xué)校的位置相同，即兩者在城市空間中虛線圍合的活動空間形態(tài)具有相似性，但是兩者的工作方式和時間分配不同，導(dǎo)致兩者的出行決策行為不同，最終時空路徑和活動模式呈現(xiàn)出顯著差異.

圖2 引入“時間”維度后基于相同空間尺度的不同活動模式示意圖對比Fig.2 Comparison of different activity modes based on same spatial scale after introducing"time"dimension

2 基于時間地理學(xué)的活動空間重心測度方法

2.1 時間地理學(xué)工具

時間地理學(xué)理論的時空路徑記錄了個體在時間和空間上的移動，主要由活動地點和路徑段落構(gòu)成，活動地點是已知具體位置和時間屬性的點，路徑段落是點與點之間的連線.圖3(a)為時空路徑的示意圖，其中的垂直段落代表個體在該時段內(nèi)停留在特定地點，傾斜段落代表個體在該時段內(nèi)有位置上的移動，如地理空間中A1表示活動地點，t1為A1點活動的開始時刻，t2是A1點活動的結(jié)束時刻，t2到t3是出行時間，時空路徑詳盡地記錄了個體活動的時空屬性.

2.2 活動空間的元素表達(dá)

根據(jù)以上內(nèi)容闡釋，本文認(rèn)為活動空間是個體對城市空間的時間占用，可以由特定時間內(nèi)個體活動地點在空間中的分布來表達(dá).為了更清晰地表達(dá)個體活動地點的時空屬性，本文基于時間地理學(xué)理論將家外活動地點抽象為時空環(huán)境中帶時空屬性的地點，即將這些活動地點用三維方式表示，構(gòu)成一系列帶時空屬性的坐標(biāo)點，每個活動地點都有對應(yīng)的X、Y坐標(biāo)和活動持續(xù)時間T，可以設(shè)置家為原點，則所有地點可以表示為如圖3(b)所示.

式中：X0表示居住地的X坐標(biāo)；Y0表示居住地的Y坐標(biāo)；Xi表示第i個活動地點的X坐標(biāo)；Yi表示第i個活動地點的Y坐標(biāo)；Ti表示活動持續(xù)時間，該值等于i活動時間終點與起點的差值.

2.3 活動空間的時空重心測度方法

通過以上分析可知，個體活動空間是由帶時空屬性的空間地點構(gòu)成.基于此，本文將借鑒一種同時考慮時間和空間屬性的重心法對活動空間進(jìn)行測度.具體測度步驟如下.

①利用家外活動位置坐標(biāo)與活動持續(xù)時間計算重心.重心可以作為一個虛擬的參考坐標(biāo)，反映個體家外活動地點的時空結(jié)構(gòu)和重要錨點，如重心可能接近某個活動時間較長的地點，將該點認(rèn)為是空間中的重要錨點，如圖3(c)所示.

式中：Xc和Yc表示重心的坐標(biāo)；n為活動位置的數(shù)量；Ti表示活動持續(xù)時間，由于該時間的數(shù)值之間存在較大差異，本文將活動持續(xù)時間進(jìn)行取對數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理.

②以家為主要錨點，利用家到重心的距離計算活動空間的偏移度，表征個體整日活動受到的時空制約度，用Dh表示.相較于傳統(tǒng)空間測度方法，考慮時間維度的偏移度，能夠同時反映活動的時間和空間對個體活動空間的影響.因此，偏移度不僅修正了基于空間的測度，而且把個體的行為模式表達(dá)得更加客觀和全面.

式(4)中，Dh的值越小，說明居住地到重心的距離越小，表明個體日?；顒痈性诩腋浇瑐€體受到的時空約束越小.

③利用各活動位置到重心的距離總和計算活動空間的擴(kuò)展度，表征個體活動地點空間分布的離散程度和移動的自由度，用Dc表示.Dc的值越大，反映活動地點空間分布越遠(yuǎn)離重心，說明個體的時間自由度越高，流動性越強(qiáng).

圖3 基于時間地理學(xué)的時空重心測度模型Fig.3 Space-time gravity center measurement model based on time geography

3 實證分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于昆明市居民出行調(diào)查，調(diào)查時間為2016年11～12月.調(diào)查范圍覆蓋了昆明市十四大行政區(qū)，抽樣3.2萬戶家庭，約8萬人，抽樣率達(dá)2%.調(diào)查形式采用居民出行調(diào)查系統(tǒng)，調(diào)查員通過平板電腦內(nèi)置調(diào)查程序及電子地圖進(jìn)行信息采集，家庭地址和出行OD 地址是在電子地圖上定位后轉(zhuǎn)換為XY坐標(biāo)保存，其他出行特征在對應(yīng)調(diào)查界面進(jìn)行填寫和選擇.調(diào)查內(nèi)容主要包括個人信息和出行日志.出行日志包括出發(fā)時間、出發(fā)地點、到達(dá)時間、到達(dá)地點、出行目的和出行交通方式等.依據(jù)實驗?zāi)康?，考慮到如果家外活動地點僅有一個，擴(kuò)展度的計算結(jié)果為0，不能體現(xiàn)新方法的性質(zhì)和優(yōu)勢，因此本文重點選取了活動地點相對較多的工作者作為實驗對象，并且要求樣本的家外活動為兩個及其以上，最終選取了643個樣本.

3.2 時空重心法與空間中心法的對比分析

為了更清楚地理解所提出的測度方法，以及剖析時空法對空間方法的修正作用，本文以傳統(tǒng)空間中心法為參照，與時空方法進(jìn)行對比分析.中心法與重心法最大的區(qū)別是，中心方法視每個活動地點為均值節(jié)點，計算過程不考慮活動持續(xù)時間[9].為區(qū)分兩種方法的活動空間特征，定義時空偏移度和時空擴(kuò)展度為重心方法的測度指標(biāo)，空間偏移度和空間擴(kuò)展度為中心方法的測度指標(biāo).

本文首先選取兩個樣本進(jìn)行比較，如圖4所示.圖4(a)樣本1的時空偏移度大于空間偏移度，圖4(b)樣本2的時空偏移度小于空間偏移度，可見，由于考慮了個體活動時間，時空偏移度趨向于個體活動時間最大的工作地，一定程度上說明，時空偏移度反映了工作活動的時空制約.同時，工作地的空間分布和時間利用是影響其他非工作活動展開的重要因素，所以，時空擴(kuò)展度能夠反映個體時空制約下的空間選擇多樣性和移動能力.

圖4 兩個樣本的重心方法和中心方法對比示意圖Fig.4 Comparison of center of gravity and center methods of two samples

其次，本文通過計算643個樣本的兩種方法指標(biāo)，選取30個樣本的偏移度進(jìn)行折線圖繪制，如圖5所示.從圖中發(fā)現(xiàn)，兩個指標(biāo)表現(xiàn)出一定的差異，如樣本7、12和17的時空偏移度大于空間偏移度，而樣本2和25 卻相反.考慮到樣本17是這些樣本中差異最大的個體，其次為了詳細(xì)說明圖4(a)所展示的情況，本文結(jié)合樣本17的行為指標(biāo)進(jìn)行闡述.個體17的通勤距離7.4 km，工作時長為2.8 h，有兩個分別距離家4.6 km和15.2 km，活動時間為2.7 h和4.4 h的非通勤活動，納入時間要素的重心相對于未納入時間的中心偏離更遠(yuǎn)，導(dǎo)致時空偏移度大于空間偏移度.由此推測，考慮了時間維度的測度方法能夠修正空間要素對活動空間的單一約束性，而且也能夠更綜合反應(yīng)個體受到的時空制約.同時，從這些樣本中發(fā)現(xiàn)，個體11和16的兩種方法偏移度差異較小.針對偏移度最小的樣本11，結(jié)合其行為特征來看，個體11的通勤距離為2.1 km，工作時長為7.6 h，有兩個距離家3 km以內(nèi)的非通勤活動，表現(xiàn)出活動地點高度集中在家周圍，顯示為緊湊的聚集模式.

圖5 兩種測度方法的偏移度對比Fig.5 Comparison of offset degree of two measurement methods

3.3 活動空間與通勤距離的關(guān)系

為進(jìn)一步分析時空重心方法對空間方法的修正程度，以及更準(zhǔn)確地體現(xiàn)居民行為特征，本文在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[9]，認(rèn)為通勤距離對活動空間的形成有重要影響，因此將所選樣本的兩種方法指標(biāo)與通勤距離指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行討論.表1給出了不同通勤距離群體兩種方法測度指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差.從總體上看，城市居民活動空間的偏移度和擴(kuò)展度隨著通勤距離的增大而增大，說明通勤距離對活動空間的形成有顯著影響.同時，各群體時空偏移度的標(biāo)準(zhǔn)差小于空間偏移度，表明時空測度方法波動較小，穩(wěn)定性更好.從偏移度上看，當(dāng)出行距離大于4 km以上，時空偏移度對空間測度的修正程度約為5%～15%.一定程度上表明，個體活動和出行受到較大空間約束時，時間要素對活動空間的影響程度變得較為敏感.

表1 不同通勤距離群體兩種測度方法的活動空間特征Table1 Activity space characteristics of two measurement methods under different commuting distances

4 結(jié) 論

本文在時間地理學(xué)的時空觀基礎(chǔ)上，構(gòu)建了活動空間的時空重心測度模型，并提出“偏移度”“擴(kuò)展度”兩個概念，分別量化居民受到的時空制約和移動自由度，最后運(yùn)用居民調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行實例驗證.結(jié)果表明：當(dāng)居民活動地點距離家較遠(yuǎn)時，納入時間維度的活動空間測度可以顯著地修正基于傳統(tǒng)的空間測度.生活在傳統(tǒng)單位大院或工作地在家附近的居民，時間要素對居民的活動空間塑造作用不敏感；而隨著城市空間逐步擴(kuò)大，居住外遷現(xiàn)象增多，居民的職住分離程度加劇，時間要素對活動空間的影響程度變得較為敏感.時間要素的時空重心測度方法，可以提高刻畫居民行為特征的真實性和準(zhǔn)確性，為深入理解居民出行決策和行為模式提供了更為細(xì)致的理論思考.

本文的重心測度方法可以在以下方面作進(jìn)一步研究：①本方法可以應(yīng)用于不同社會群體的活動空間測度，如老年人和非工作者；②可以拓展研究不同活動空間模式群體的出行決策機(jī)制，針對不同的研究結(jié)果提出相應(yīng)規(guī)劃和政策措施.