基于POI大數(shù)據(jù)的城市空間結構教學改革研究

張?zhí)K 劉鈺 劉宛晨 余卓芮

摘要缺乏空間精度高、便于獲取的教學實例數(shù)據(jù)，是城市空間結構教學質量難以提高的關鍵瓶頸問題。為提高教學質量，本文對基于POI大數(shù)據(jù)的城市空間結構教學改革進行了探討。首先，闡述了POI大數(shù)據(jù)的基本特點，及其在可視化、精細化和定量化分析中的突出優(yōu)勢；并以鄭州市中心城區(qū)為案例，介紹了基于POI大數(shù)據(jù)的教學改革實踐。實踐表明，將POI大數(shù)據(jù)引入城市空間結構的教學，可以有效地提升教學質量。

關鍵詞 POI 城市空間結構 空間分析 教學改革

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.26.041

Research on teaching reform of urban spatial structurebased on POI big data

ZHANG Su[1]， LIU Yu[1]，LIU Wanchen[1][2]， YU Zhuorui[3]

（[1]School of Civil Engineering and Architecture， Henan University， Kaifeng 475003；

[2]School of Human Settlements and Civil Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049；

[3] Faculty of Innovation and Design， City University of Macau， Macau 999078）

AbstractThe lack of teaching case data， which has high spatial accuracy and can be easily to obtain， is the key bottleneck of improving the teaching quality of urban spatial structure. To improve the teaching quality， we discussed the teaching reform of urban spatial structure based on POI big data.This paper firstly described the basic characteristics of POI big data and its outstanding advantages in visualization， refinement and quantitative analysis. Then， taking the downtown area of Zhengzhou as a case， this paper introduced the teaching reform practice of POI big data. Practice showed that the introduction of POI big data into urban spatial structure teaching can effectively improve the teaching quality.

KeywordsPOI； urban spatial structure； spatial analysis； teaching reform

城市空間結構是城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)的“城市地理學”課程的核心內(nèi)容，主要講授城市的形態(tài)和功能在空間布局上的結構特征，這是教學中的重點內(nèi)容、也是教學難點。從課堂測驗和期末考試的成績，以及規(guī)劃設計院等用人單位的反饋來看，城市空間結構部分是“城市地理學”課程中教學質量較差的主要環(huán)節(jié)。為探究教學質量較差的癥結所在，筆者梳理了多年來的教學經(jīng)驗，并與相關院校的課程主講教師進行了深入的溝通和研討。我們發(fā)現(xiàn)，城市空間教學質量難以提高的重要瓶頸問題是缺乏豐富的教學實例數(shù)據(jù)。教學實例的缺乏使得學生對城市結構的感性認知較為匱乏，難以在有限的感性認知的基礎上建立系統(tǒng)的理性認識。究其原因，首先是由于常規(guī)統(tǒng)計資料的統(tǒng)計單元尺度較大，往往只公布城市的總量數(shù)據(jù)；在更為精細的城市尺度上，很難收集到統(tǒng)計數(shù)據(jù)。例如，人口作為最為常見的統(tǒng)計數(shù)據(jù)之一，往往只有城市的總量數(shù)據(jù)，城市街道、社區(qū)尺度的人口數(shù)據(jù)很難獲取。其次，雖然通過現(xiàn)場調研可以收集部分精細數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場調研需要高昂的人力和經(jīng)濟成本，以支撐授課需求。因此，積極采用新型數(shù)據(jù)，以彌補常規(guī)統(tǒng)計和現(xiàn)場調研資料的不足，為城市空間結構教學提供豐富的實例就成為亟需探索的教學改革方向。

POI（Point of Interest）即興趣點，是指將地理實體抽象成的點，是地理信息系統(tǒng)用來描述事物地址的專業(yè)術語。我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降牡乩韺嶓w，如學校、醫(yī)院等都可以抽象為POI。POI作為新興的大數(shù)據(jù)的典型代表，具有覆蓋廣、精度高、獲取便利等優(yōu)勢。此外，POI包含豐富的城市基礎設施和服務網(wǎng)點的信息，對城市功能有著獨特的標識能力。曹芳潔等基于POI大數(shù)據(jù)分析，指出北京市的商業(yè)功能呈現(xiàn)圈層式結構，并沿交通干道向外發(fā)展。[1]可見，POI大數(shù)據(jù)能用于揭示城市功能的精細空間結構，其在城市空間結構教學中具有廣闊的應用前景。

1 POI適用于城市空間結構教學的突出優(yōu)勢

POI大數(shù)據(jù)具有空間分辨率高、獲取便捷的優(yōu)勢，可以避免常規(guī)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的空間精度過低的問題，也沒有實地調研的時間和經(jīng)濟成本高昂的缺陷，是適用于課堂教學的優(yōu)良數(shù)據(jù)源。此外，具體到城市空間結構的教學場景，POI大數(shù)據(jù)在可視化、精細化和定量化分析等方面還有著突出優(yōu)勢：

1.1 POI的可視化分析優(yōu)勢

數(shù)據(jù)可視化是指通過點、線、面等視覺要素，顏色、形狀和線條粗細等視覺變量對數(shù)據(jù)進行視覺化表達。除了將抽象的數(shù)據(jù)直接轉化為具象的視覺形象，可視化方法還可以和其他數(shù)據(jù)分析方法相結合，用于展示數(shù)據(jù)中潛在的模式和規(guī)律。例如，張鐵映等人使用密度聚類算法對POI大數(shù)據(jù)進行聚類，并對聚類結果進行可視化，從而為城市學區(qū)房的選取提供技術支持。[2]我們在教學實踐中，將代表不同城市功能的各類POI進行空間聚類和可視化，能夠很好地表達各城市功能核心區(qū)的空間特征，取得了良好的教學效果。

1.2 POI的精細化分析優(yōu)勢

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比，POI大數(shù)據(jù)具有很高的空間精度。例如，POI大數(shù)據(jù)可以精準定位城市中單個商鋪，乃至居住區(qū)各個出入口的精確位置。嚴朝霞等在POI大數(shù)據(jù)分析的基礎上，指出提高道路節(jié)點密度對上海市的消費活力的形成與發(fā)展有著積極的促進作用。[3]他們能針對道路節(jié)點這樣的小尺度空間實體，對其社會經(jīng)濟效益開展深入分析，POI大數(shù)據(jù)的高空間精度在其中起到了決定性作用。他們的研究成果也預示著，由于在空間精細化分析上的突出優(yōu)勢，POI大數(shù)據(jù)在城市空間精細結構的教學中具有巨大潛力。

1.3 POI的定量化分析優(yōu)勢

POI大數(shù)據(jù)是典型的海量空間數(shù)據(jù)，除了從微觀視角在精細尺度上進行探究，還可以從宏觀視角在空間統(tǒng)計方法的支持下定量地揭示城市空間格局。例如，曹芳潔等在基于POI大數(shù)據(jù)的北京商業(yè)中心的研究中，使用Getis-Ord Gi*統(tǒng)計量對商業(yè)中心的空間格局進行了定量分析。[1]結果顯示，不同類型的商業(yè)中心存在顯著的空間分異特征：生活與公共服務中心高度向心集中，而休閑娛樂中心則呈現(xiàn)多組團式離散分布。我們在教學實踐中，通過引入空間統(tǒng)計工具，引導學生定量地對比各類POI所代表的城市功能的空間分布特征，有效地提升了教學效果。

2基于POI大數(shù)據(jù)的城市空間結構教學案例

POI作為新興大數(shù)據(jù)的典型代表，可用于揭示城市空間的精細結構，并在可視化、精細化和定量化等方面具有突出優(yōu)勢。筆者通過將POI大數(shù)據(jù)引入城市空間結構的教學，取得了很好的教學效果?，F(xiàn)將教學中使用的典型案例進行介紹，案例地域為河南省省會鄭州的中心轄區(qū)，包括惠濟區(qū)、中原區(qū)、金水區(qū)、二七區(qū)和管城回族區(qū)，共5個區(qū)級行政單元。POI數(shù)據(jù)來自百度地圖官方提供的WebAPI數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)處理工具為R編程語言。本案例的教學內(nèi)容為，依托政府機構和超市商城兩個類型的POI數(shù)據(jù)，講授以政府管理和商業(yè)服務為代表的城市功能的空間特征。

2.1城市功能核心區(qū)的可視化識別

為滿足居民不同的生活需求，城市的居住、工作、商業(yè)、政府管理等功能逐步完善。這些功能雖然廣泛分布于城市的各個區(qū)位，但是其空間分布并不均衡，大量的城市功能往往集中于城市的少數(shù)地區(qū)，這些地區(qū)被稱為城市功能的核心區(qū)。

我們在教學改革實踐中，參考張鐵映等人的方法，[2]進行了城市功能核心區(qū)可視化識別的授課。首先，采用基于密度的空間聚類方法，對政府機構和超市商城兩類POI進行空間聚類分析，識別出密度高而且空間連續(xù)的聚集簇。其次，計算POI聚集簇的外接多邊形，作為相應城市功能核心區(qū)的邊界。最后，將這些多邊形疊置于城市地圖上，用以識別城市功能核心區(qū)在城市中的區(qū)位。在教學實例中，我們將面積較小且分布零散的多邊形進行剔除后，獲得的政府管理和商業(yè)服務核心區(qū)的空間分布如圖1所示。

由圖可見，政府管理功能的核心區(qū)幾乎完全覆蓋了鄭州二環(huán)以內(nèi)的區(qū)域，而且其空間范圍受各個行政區(qū)域中心的影響較大。由于金水區(qū)、中原區(qū)和二七區(qū)的區(qū)域中心距離二環(huán)路較近，導致其附近的核心區(qū)溢出了二環(huán)范圍；而位于城市中心的管城回族區(qū)的區(qū)域中心距離二環(huán)相對較遠，其附近的核心區(qū)出現(xiàn)了指向城市中心的塌陷。對于商業(yè)服務功能，其核心區(qū)的范圍與鄭州四環(huán)的范圍很接近。由于鄭州東部地區(qū)的如意湖、龍湖和龍子湖地區(qū)，圍繞湖面形成了規(guī)模較小的獨立組團，所以商業(yè)服務功能的核心區(qū)沒有延伸到四環(huán)的東部地區(qū)。從兩類核心區(qū)的關系來看，兩者在鄭州市中心出現(xiàn)了重疊，由此反映出城市中心的城市功能齊全而且密度較大，是城市功能的優(yōu)勢區(qū)位。兩類核心區(qū)最大的差別表現(xiàn)在面積上，政府管理功能的核心區(qū)面積為94平方公里，而商業(yè)服務核心區(qū)的面積為365平方公里，約為政府管理的4倍。由此可見，鄭州市的政府機構在城市中心的分布較為集中，而商業(yè)服務的空間覆蓋范圍較為廣泛。

通過教學實例，學生能夠直觀地觀察到不同城市功能的核心區(qū)在城市中心的重疊，及其在空間范圍上的差異，從而豐富了學生對城市空間結構的感性認識。此外，教學實例還顯示，城市功能的核心區(qū)與行政界線并不一致：城市功能的核心區(qū)往往橫跨了多個區(qū)級行政單元；而且行政單元大多只有部分范圍位于城市功能核心區(qū)內(nèi)。因此，以行政區(qū)為統(tǒng)計單元的傳統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，無法用于城市功能核心區(qū)的識別。由此可見，為了揭示跨行政單元的城市空間結構，將POI大數(shù)據(jù)引入教學是非常必要的。

2.2城市功能的可達性的精細化評價

可達性是指抵達特定區(qū)位的難易程度。城市功能的可達性即居民抵達城市功能服務網(wǎng)點獲取服務的便捷程度。過低的城市功能可達性，會增加居民獲取服務的時間和通勤成本，進而影響居民的日常生活質量。

我們在教學改革實踐中，在100米的空間尺度上，基于POI大數(shù)據(jù)對政府管理和商業(yè)服務兩項城市功能的可達性開展了教學工作。首先，考慮到需要城市功能的人群主要為生活在城市的居民，因此將城市建設用地作為可達性分析的空間范圍，沒有對城市周邊的農(nóng)林用地展開分析。其次，將城市用地劃分為精細的方格，方格邊長為100米，以同時實現(xiàn)空間尺度的精細化和城市空間范圍的全覆蓋。然后，針對每一個方格，計算該方格到特定類型的所有POI的距離?？紤]到日常生活中，人們往往選擇距離最近的網(wǎng)點來獲取功能；我們將計算所得的距離進行排序，篩選出到該方格距離最近的POI點位。此POI點位和方格之間的距離即為方格到該POI類型的最短可達距離。最短可達距離越短，說明該方格能夠越便利地獲取相應的功能，其可達性也越好。最后，為了便于比較政府管理和商業(yè)服務的可達性水平，對兩者的最短可達距離采用相同的標準進行分級設色，從而對兩種功能可達性的空間分布進行表達（圖2）。

結果顯示，政府管理功能的可達性水平從城市中心到城市外圍呈現(xiàn)明顯的降低趨勢。具體來看，位于城市中心的網(wǎng)格，其最短可達距離大多在600米以下；而在城市外圍的網(wǎng)格，往往在1200米以上。商業(yè)服務可達性的空間分布也呈現(xiàn)從城市中心到城市外圍的降低趨勢?？梢?，城市中心的功能可達性水平在整體上高于城市外圍。從可達性的整體水平來看，兩者存在較大差異。對于政府管理功能，約56.3%網(wǎng)格的最短可達距離在600米到2400米之間。而對于商業(yè)服務，有74.2%網(wǎng)格的最短可達距離在600米以下。這表明，在可達性水平上，商業(yè)服務要遠遠優(yōu)于政府管理。

本教學實例形象地展示了城市功能可達性在城市不同區(qū)位上的分異，特別是城市中心與城市周邊在功能可達性水平上的巨大分異。而且，不同城市功能在可達性水平上的差異也給學生留下了深刻印象。此外，本教學實例是在100米的空間尺度上進行分析的，這表明POI大數(shù)據(jù)能夠揭示極為精細的空間尺度的城市結構，從而可對城市空間結構的教學工作提供強有力的支持。

2.3城市功能空間格局的定量化分析

由于城市功能在服務群體、服務半徑上的差異，不同城市功能的空間分布也有較大分異。為了實現(xiàn)城市功能的提升和優(yōu)化配置，就需要測度不同城市功能的空間格局，定量比較不同城市功能的空間分布。

我們在教學改革實踐中，使用重心和標準距離橢圓模型對政府管理和商業(yè)服務的POI大數(shù)據(jù)進行空間格局的定量化分析。其中，重心模型可以表征POI空間分布的中心。[4]標準距離橢圓可以表征POI空間分布的均衡性。POI的空間分布越均衡，其標準距離橢圓就越接近于圓形。[5]為便于比較，我們在教學中將政府管理和商業(yè)服務的重心和標準距離橢圓在城市地圖上進行了疊置，如圖3所示。

結果顯示，政府管理和商業(yè)服務的重心都位于城市中心，這表明兩種功能的網(wǎng)點都圍繞城市中心進行分布。從兩者重心位置的差異來看，兩者的差異主要體現(xiàn)在東西方向，在南北方向的差異較小。具體來看，兩者在東西方向的差異為459.3米，南北方向為153米，東西方向的差異是南北方向差異的3倍。標準距離橢圓的分析結果顯示，政府管理和商業(yè)服務的空間分布并不均衡，兩者在東西方向的分布較為展開，在南北方向較為收斂。從兩者標準距離橢圓的差異來看，兩者在偏東西方向的橢圓軸線上的差異較大，兩者軸線長度的差異為1595.1米；而在偏南北方向的軸線上，兩者的差異較小，差異為260.4米，僅為東西方向的16.3%。

通過上述定量化的教學實例，我們?yōu)閷W生展示了兩種城市功能的空間格局特征，揭示了兩種功能在空間格局上的差異主要集中在東西方向。此外，學生還進一步認識到，在相同的建筑布局和路網(wǎng)形態(tài)下，不同的城市功能可以呈現(xiàn)不同的空間格局。因此，在規(guī)劃方案的制訂中，除了城市物質形態(tài)的設計，還應充分重視城市功能空間格局的調控，針對不同城市功能的特點進行最優(yōu)化的布局?？梢?，將POI大數(shù)據(jù)定量化分析引入課堂教學，對學生深入理解城市空間結構有很大的推動作用。

3結論

在傳統(tǒng)的城市空間結構教學中，采用的教學實例數(shù)據(jù)主要來自統(tǒng)計資料或者實地調研。但是統(tǒng)計資料的統(tǒng)計尺度過大，不能滿足小尺度城市空間教學所需的定位精度；實地調研又存在時間和人力成本過高的問題。因此，將新型數(shù)據(jù)引入教學，成為迫切的現(xiàn)實需求。筆者在教學改革實踐中，嘗試了將新興的POI大數(shù)據(jù)引入城市空間結構的教學工作。在本文中，我們介紹了POI大數(shù)據(jù)在可視化、精細化和定量化分析等方面的優(yōu)勢，以及教學改革實踐案例。我們的教學改革實踐表明，將POI大數(shù)據(jù)引入教學，深化了學生對城市空間結構的理解，夯實了城市功能調控和優(yōu)化的知識基礎，取得了良好的教學效果。除了在城市空間結構中的應用，POI大數(shù)據(jù)在相關課程的教學中也有良好的應用前景。例如，在“城市總體規(guī)劃”課程中，可以結合各類型的POI，分析各類城市用地的空間特征，進而提出規(guī)劃引導措施。隨著信息化和智能城市時代的到來，通過新型大數(shù)據(jù)來分析和解決城市問題將逐步成為主流方法，教師應積極將POI大數(shù)據(jù)為代表的新型數(shù)據(jù)引入課堂教學，進一步豐富教學實例，提升教學質量，引導學生成為融入大數(shù)據(jù)時代的高素質人才。

基金項目：本文得到了國家自然科學基金“基于多尺度GeoDesign的城鎮(zhèn)建設用地空間調控研究”（41401183）；河南大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“中原城市群建設用地的多維演化機制與多策略空間調控”（202110475104）；河南大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“基于POI大數(shù)據(jù)的鄭汴都市區(qū)城市功能空間評價與優(yōu)化調控”（201910475045）的資助

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