大數(shù)據(jù)視角下的城市“三生”空間識別及分布特征研究
——以烏魯木齊市中心城區(qū)為例

王 慶，王承武

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著生態(tài)文明體制改革和美麗中國建設(shè)步伐的加快，科學(xué)合理地規(guī)劃布局城市“生產(chǎn)—生活—生態(tài)”空間（簡稱“三生”空間）已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點問題［1］。城市“三生”空間是以土地利用為基礎(chǔ)，為人類提供產(chǎn)品和服務(wù)的功能空間［2］，準(zhǔn)確識別城市“三生”空間對于提升城市規(guī)劃、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。長期以來，關(guān)于城市“三生”空間的識別已有較為深入和系統(tǒng)的研究。從研究方法上看，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)語境下的研究方法主要分為土地利用類型歸并法［3-5］和指標(biāo)體系測算法［6-8］。其中，土地利用類型歸并法是當(dāng)前學(xué)術(shù)界應(yīng)用較多的方法，該方法可利用遙感影像識別土地利用類型，快速劃分“三生”空間，但僅能反映土地利用的自然屬性，無法反映其社會經(jīng)濟(jì)功能［9］；指標(biāo)體系測算法根據(jù)空間功能價值測算函數(shù)建立測算體系識別“三生”空間，該方法識別準(zhǔn)確度較高，但在城市尺度存在數(shù)據(jù)搜集困難、計算復(fù)雜等問題。面對日益復(fù)雜的城市問題，采用更精細(xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究成為城市規(guī)劃和管理的迫切需求。

伴隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)取得突破性進(jìn)展，利用POI數(shù)據(jù)進(jìn)行了城市空間研究已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界研究的熱點方向之一［9］，學(xué)者們主要利用POI 數(shù)據(jù)進(jìn)行了城市功能區(qū)劃分［9-12］、中心（邊界）識別［13，14］、業(yè)態(tài)集聚分析［15，16］等。POI 數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、信息豐富等特點，對其合理利用有助于掌握城市運行規(guī)律，在城市規(guī)劃、管理中具有重要的價值［10］。近年來POI數(shù)據(jù)逐步被學(xué)者用于城市“三生”空間的研究，如曹根榕、顧朝林、張喬楊基于網(wǎng)格采用POI數(shù)據(jù)對上海市中心城區(qū)“三生”空間進(jìn)行了識別［17］；趙宏波、魏甲辰、孫東琪等采用隨機(jī)森林模型識別了鄭州市“生產(chǎn)—生活—生態(tài)”空間，并分析了其時空演變［18］?？傮w上看，已有部分學(xué)者利用POI 數(shù)據(jù)進(jìn)行了城市“三生”空間識別研究，但是存在對POI 數(shù)據(jù)屬性挖掘不夠詳盡，且注重識別方法的應(yīng)用而缺少對識別出的各類空間分布特征、模式的深入分析。同時，城市“三生”空間識別需要獲取城市最小用地單元，可通過城市規(guī)劃數(shù)據(jù)或人工數(shù)字化獲取，但存在獲取難度大、速度慢等問題［9］。曹根榕、顧朝林、趙宏波等利用格網(wǎng)化的方法生成研究單元作為城市“三生”的識別基礎(chǔ)［17，18］。格網(wǎng)是規(guī)整均勻分布在研究區(qū)內(nèi)，但城市內(nèi)部多由不規(guī)則的多邊形組成，因此格網(wǎng)單元與實際情況不太相符。而道路作為城市建設(shè)的骨架，是城市區(qū)域自然分割的界線［12］，其形成的不規(guī)則單元是城市規(guī)劃的基本單元［19］，對城市發(fā)展起到引導(dǎo)作用。因此，以城市道路為依托劃分研究單元能夠考慮到城市內(nèi)部實際情況，且對城市“三生”空間識別而言，具有相同社會經(jīng)濟(jì)功能的單元空間分區(qū)更具有合理性。

綜上所述，本文以烏魯木齊市為例，以O(shè)SM 路網(wǎng)數(shù)據(jù)劃分研究單元，基于POI數(shù)據(jù)構(gòu)建“影響力—空間面積”權(quán)重模型對烏魯木齊市“三生”空間識別并解析分布特征，為該市“三生”空間結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市地處我國西北部，是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的核心節(jié)點城市，其高質(zhì)量發(fā)展對絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶具有引領(lǐng)性作用，而實現(xiàn)國土空間優(yōu)化是推動城市高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容。本文選取烏魯木齊市中心城區(qū)為研究區(qū)，因該區(qū)域是城市化和工業(yè)化的核心承載區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

OSM路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于OpenStreetMap 平臺。首先，對原始路網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)涮幚?，消除連接錯誤；其次，根據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合實際情況，對高速公路、主干道、一級道路、二級道路分別拓寬30m、20m、10m、5m，進(jìn)而建立道路空間；最后，將道路空間從研究區(qū)內(nèi)移除，得到研究單元（圖1）。

圖1 城市路網(wǎng)及地塊單元Figure 1 Urban road network and parcels

利用Python爬取243216 條高德地圖POI 數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)存在冗余、重疊問題，因此首先剔除研究相關(guān)度低的POI，并根據(jù)“三生”空間的定義及《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（GB50137—2011）對POI數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類。①生產(chǎn)空間，指用于生產(chǎn)經(jīng)營管理活動的場所。城市區(qū)域中的生產(chǎn)空間主要指工業(yè)、物流倉儲、交通運輸、商務(wù)、公共管理用地，主要包括生產(chǎn)服務(wù)空間、工業(yè)空間、管理空間和交通空間4 大類。②生活空間，指人們居住、消費和娛樂的場所。城市區(qū)域中的生活空間是指具有居住及生活配套設(shè)施等用地，包括生活服務(wù)空間和居住空間兩大類。③生態(tài)空間，指具有生態(tài)功能，為人類提供生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)的區(qū)域。城市區(qū)域中的生態(tài)空間主要指公園綠地、風(fēng)景區(qū)等。具體對應(yīng)POI數(shù)據(jù)見表1。

表1 基于“三生”空間的POI分類及權(quán)重Table 1 POI Classification and Weight based on“production- living- ecological”space

2 研究方法

2.1 城市“三生”空間類型POI權(quán)重

由于POI數(shù)據(jù)不具備實體規(guī)模信息，且與城市“三生”空間影響力不同，因此需要對各類POI 進(jìn)行權(quán)重賦值。

影響力權(quán)重：參照文獻(xiàn)［18，20］，采用隨機(jī)森林模型確定POI影響力權(quán)重。隨機(jī)森林模型是一種基于分類樹的算法，在處理大數(shù)據(jù)時具有較強(qiáng)優(yōu)勢，該模型可以評估變量的重要性。根據(jù)設(shè)定的研究單元，結(jié)合規(guī)劃圖，均勻選取“三生”空間樣本單元250 個，同時統(tǒng)計樣本單元中各類POI 的數(shù)目，將樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，選取最優(yōu)模型結(jié)果，利用Importance（）函數(shù)對POI重要性進(jìn)行排序，并按所屬“三生”空間類型標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而得到POI影響力權(quán)重（表1）。

空間面積權(quán)重：由于不同類型POI 實體規(guī)模相差較大，因此以POI面積評價其實體規(guī)模。根據(jù)《中國現(xiàn)行的業(yè)態(tài)分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T18106—2010），對于明確的POI建筑面積直接引用，未明確的POI 類型則通過結(jié)合影像測量和同類對比，推算其一般建筑面積。POI種類較多，最后根據(jù)POI 一般面積大小采用分級打分的方式最終確定權(quán)重（表1）。對研究單元內(nèi)各類POI 進(jìn)行加權(quán)匯總，通過構(gòu)建類別比例來確定空間類型。計算公式為：

式中，Dij為i單元j類空間類型總分?jǐn)?shù)；Nk為該單元內(nèi)第j 類空間的第k 類POI 的數(shù)量；Wk為第k類POI的權(quán)重；m 為該單元內(nèi)存在的所有POI 的類別總數(shù)；Nl為第l類POI的數(shù)量；Wl第l類POI的權(quán)重。參照已有的研究［18］，設(shè)定：若Dij≥50%，則將該單元的空間判定為對應(yīng)的空間類型；若Dij均未達(dá)到50%，則認(rèn)定為混合空間。

2.2 核密度估計法

核密度估計法能夠顧及地理學(xué)第一定律的影響，較好地反映地理現(xiàn)象空間分布中的距離衰減效應(yīng)［21］，可用于空間熱點區(qū)的探測。計算公式為：

式中，n為帶寬范圍內(nèi)的點數(shù)；K（·）為核函數(shù)；h為帶寬。帶寬的選擇直接影響核密度分析結(jié)果，經(jīng)過多次測試，本文將生活空間、生產(chǎn)空間和生態(tài)空間的帶寬分別設(shè)置為800m、1000m、1500m。

3 結(jié)果及分析

3.1 城市“三生”空間識別結(jié)果

烏魯木齊市共有6 類空間，包括3 類單一空間和3 類混合空間（圖2）。其中，單一空間包括生活空間（共計1593 個單元，總面積為441.07km2），生產(chǎn)空間（共計875 個單元，總面積為404.37km2），生態(tài)空間（共計57 個單元，總面積為32.22km2）；混合空間包括生產(chǎn)生態(tài)空間（共計9 個單元，總面積為8.08km2），生活生產(chǎn)空間（共計15 個單元，總面積為4.70km2），生活生態(tài)空間（共16 個單元，總面積為6.58km2）?？傮w而言，受地形、水源等自然條件影響，烏魯木齊城市空間結(jié)構(gòu)呈“T”型的北寬南窄空間格局，城市“三生”空間分布與城市功能分區(qū)布局相符合?？v向以由南北向的生活空間為主，內(nèi)呈塊狀分布；橫向以東西走向的生產(chǎn)空間為主，集中分布在烏魯木齊市的各類工業(yè)區(qū)；生態(tài)空間主要呈點狀分布，與生活空間形成交錯鑲嵌的分布狀態(tài)。混合空間數(shù)量較少，分布無明顯規(guī)律，后文不再進(jìn)行分析。

圖2 烏魯木齊市“三生”空間識別結(jié)果Figure 2 Identification of“production- living- ecological”space in Urumqi City

3.2 識別結(jié)果檢驗

為了檢驗城市“三生”空間識別結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選取典型區(qū)域作為案例，結(jié)合百度地圖和城市規(guī)劃圖對識別結(jié)果進(jìn)行檢驗，建立誤差矩陣驗證識別精度。經(jīng)過對比計算后發(fā)現(xiàn)，誤差矩陣總體精度為77.78%，Kappa 值 為70. 02%，識 別 精 度 較 高（表2）。同時，選取高鐵新區(qū)典型區(qū)域進(jìn)行對比檢驗（圖3）。本文將A、B、C 區(qū)域分別識別為生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間，規(guī)劃圖中分別為物流倉儲用地、居住用地、公園綠地。對照百度地圖可知，A區(qū)域分布有光正鋼構(gòu)公司，屬生產(chǎn)空間；B 區(qū)域為朗坤德澤園小區(qū)，為生活空間；C 區(qū)域為大綠谷生態(tài)公園，為生態(tài)空間。選取老城區(qū)典型區(qū)域進(jìn)行檢驗（圖3）。本文將D、E、F區(qū)域識別為生態(tài)空間、生活—生態(tài)空間、生活—生產(chǎn)空間，規(guī)劃圖中D、E、F 為公園綠地、公園綠地—居住—教育科研用地、商住用地。對照百度地圖可知，D區(qū)域為紅山公園，屬于生態(tài)空間；E區(qū)域分布有紅山公園南園、中學(xué)和住宅小區(qū)，功能較為混合，屬于生活—生態(tài)空間；F 區(qū)域有時代廣場，內(nèi)部分布著眾多公司企業(yè)，屬于生產(chǎn)—生活空間?？傮w而言，“三生”空間識別結(jié)果準(zhǔn)確度較高，能夠較為精細(xì)地識別城市內(nèi)部各類空間的分布特征。

表2 “三生”空間樣本誤差矩陣Table 2 “Production- living- ecological”space sample error matrix

圖3 “三生”空間識別結(jié)果對比Figure 3 “Production- living- ecological”space result comparison

3.3 城市“三生”空間分布的區(qū)際差異

本文從行政區(qū)視角來探索“三生”空間的分布情況（表3）。各行政區(qū)“三生”空間分布的區(qū)際差異較明顯，總體上呈現(xiàn)“大分散，小集中”的特征。具體來看，生活空間在新市區(qū)占比最高（25.24%），其次是沙依巴克區(qū)（19.14%），上述區(qū)域為烏魯木齊市生活空間分布的核心板塊。生活空間分布數(shù)量最少的區(qū)域是頭屯河區(qū)，為烏魯木齊市生活空間分布的“邊緣地帶”。作為中心城區(qū)的邊緣組團(tuán)，該區(qū)域以生產(chǎn)功能導(dǎo)向為主，生活功能屬性較弱。生產(chǎn)空間主要集中在米東區(qū)、新市區(qū)、頭屯河區(qū)3 區(qū)，約占總量的82.69%。該區(qū)域主要以生產(chǎn)導(dǎo)向為主，分布有各類產(chǎn)業(yè)區(qū)，集中了大量的生產(chǎn)空間，為推動烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。生態(tài)空間主要在“老四區(qū)”集中分布，其中占比最高的是沙依巴克區(qū)（23.45%），其 次 是 新 市 區(qū)（21. 92%）、水 磨 溝 區(qū)（16.36%）。但生態(tài)空間在各區(qū)的分布數(shù)量都較小，說明生態(tài)空間設(shè)施布局較生活空間、生產(chǎn)空間仍顯落后，城市空間組合結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步優(yōu)化。

表3 烏魯木齊市“三生”空間分布的區(qū)際差異Table 3 Regional differences of distribution of“production- living- ecological”space in Urumqi City

3.4 城市“三生”空間集聚特征

本文通過ArcGIS進(jìn)行平均最鄰近分析，以最鄰近比率來衡量“三生”空間的集聚度指標(biāo)（表4）。其中，生態(tài)空間的最鄰近比率最高，為1.16，說明該類空間分布相對均勻分散，集聚程度較低；生活空間的最鄰近比率為0.89，呈明顯的凝聚型格局；生產(chǎn)空間最鄰近比率處于中間序列，為0.96，相對集中。整體來看，城市“三生”空間的集聚程度呈現(xiàn)“生活空間＞生產(chǎn)空間＞生態(tài)空間”的位序特征，形成“生活空間較強(qiáng)凝聚，生產(chǎn)空間相對集中，生態(tài)空間均勻分散”的格局特征。

表4 烏魯木齊市“三生”空間集聚分布特征Table 4 Agglomeration characteristics of“production- living- ecological”space in Urumqi City

3.5 城市“三生”空間分布特征

本文使用ArcGIS空間分析法進(jìn)行緩沖區(qū)分析，以紅山公園為中心，以2km 為間隔做緩沖區(qū)，統(tǒng)計各圈層內(nèi)“三生”空間數(shù)量（圖4）?？傮w上看，各類型數(shù)量占比呈中心向外圍逐級遞減的規(guī)律，圈層式結(jié)構(gòu)特征較為明顯。具體來看，12—24km 范圍內(nèi)為生產(chǎn)空間的“隆起帶”，數(shù)量約占全市的60.82%。該區(qū)域處于城市外圍，毗鄰繞城高速，由于中心城區(qū)地價較高，而外圍區(qū)域地價較低，交通可達(dá)性不斷提高，因此生產(chǎn)空間逐漸在該區(qū)域集聚。生活空間主要分布在距離市中心4—16km 范圍內(nèi)的區(qū)域，占總數(shù)的64.51%；生態(tài)空間集中分布在14km范圍內(nèi)的中心區(qū)域，城市邊緣區(qū)域分布較少，是生態(tài)空間規(guī)劃與建設(shè)的薄弱區(qū)域。

圖4 烏魯木齊市“三生”空間圈層分布Figure 4 Zonal distribution of“production- living- ecological”space in Urumqi City

生活空間分布特征具體表現(xiàn)為（圖5）：①生活空間由南向北延伸，呈“西北—東南”向走勢，北部為主要發(fā)展方向?？偟膩碚f，生活空間分布特征與自然地理條件存在直接關(guān)系。烏魯木齊市南部靠山，發(fā)展空間狹窄，北部為廣闊的沖積扇平原，水土資源與地形約束下的城市規(guī)劃引導(dǎo)各類生產(chǎn)、生活要素向北集聚。②呈現(xiàn)內(nèi)部連片、外圍組團(tuán)分布的特征。大部分生活空間集中于城市中心區(qū)域，此區(qū)域城市建設(shè)較早，在人口集聚，生活氛圍上具有顯著優(yōu)勢，能較好地滿足居民的日常生活需求。③空間上形成“南密北疏型擴(kuò)散，東北部自成單核”的集聚特征。一方面，受“南控、北延、東進(jìn)”城市發(fā)展戰(zhàn)略的影響，南部老城區(qū)的門戶職能和部分服務(wù)職能逐步向北部新城疏解；另一方面，符合規(guī)劃思路中所要形成的“雙核、多組團(tuán)”空間格局。

生產(chǎn)空間分布特征主要如下（圖5）：①生產(chǎn)空間呈現(xiàn)“東西兩翼”的格局，東翼是“米東工業(yè)園—甘泉堡開發(fā)區(qū)”組成的能源化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展翼，西翼是“104 團(tuán)合作區(qū)—頭屯河工業(yè)園—八鋼集團(tuán)”的制造業(yè)發(fā)展翼。從城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來講，生產(chǎn)空間呈現(xiàn)“東西兩翼”的格局，說明城市各類產(chǎn)業(yè)既在城市總體層面上協(xié)調(diào)了與周邊城市的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性（即實現(xiàn)烏昌城市群的協(xié)同發(fā)展），也在城市內(nèi)部對產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了分區(qū)融合，實現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置。②主要沿城市交通干線布局，圍繞產(chǎn)業(yè)區(qū)呈現(xiàn)“多中心”的集聚特征。一方面，生產(chǎn)空間分布呈現(xiàn)出顯著的交通集聚指向，即生產(chǎn)空間往往沿交通線等重要廊道輻射、擴(kuò)散，而吐烏大高速和烏奎大高速為“東西兩翼”的生產(chǎn)空間格局形成奠定了基礎(chǔ)；另一方面，由于烏魯木齊城市發(fā)展空間的限制，在土地市場、城市規(guī)劃不斷轉(zhuǎn)變的情況下，工業(yè)企業(yè)逐步向外圍遷移。

圖5 烏魯木齊市“三生”空間分布與核密度Figure 5 Spatial distribution and kernel density of“production- living- ecological”space in Urumqi City

從生態(tài)空間來看（圖5），城區(qū)內(nèi)生態(tài)空間以公園綠地為主，城區(qū)外多由風(fēng)景名勝組成。具體表現(xiàn)為：①呈非連片的點狀分布，圍繞城市中心呈環(huán)狀分布。分布最為集中的區(qū)域為大小綠谷生態(tài)公園、蜘蛛山公園，這些生態(tài)空間的規(guī)模相對較大，與規(guī)劃中所要形成的“點線面相結(jié)合、環(huán)網(wǎng)式”的生態(tài)綠地系統(tǒng)基本符合。②中心—外圍差異明顯，中心多而密集，外圍少而分散。烏魯木齊市總體規(guī)劃將城市劃分為城南區(qū)、城北區(qū)，城南區(qū)生態(tài)綠地規(guī)劃和建設(shè)較為成熟，形成了良好的生態(tài)游憩空間；城北區(qū)作為發(fā)展中的生活性城市用地，現(xiàn)有生態(tài)空間無法滿足居民需求，生態(tài)綠地資源配置有待提升。

4 結(jié)論與討論

主要結(jié)論如下：①受地形、水源等自然條件的影響，烏魯木齊市城市空間結(jié)構(gòu)呈“T”型的北寬南窄空間格局，城市“三生”空間布局與城市各片區(qū)功能分區(qū)基本符合。②烏魯木齊市“三生”空間分布的行政區(qū)差異明顯，大致呈現(xiàn)“大分散、小集中”的特征，總體上形成“生活空間較強(qiáng)凝聚、生產(chǎn)空間相對集中、生態(tài)空間均勻分散”的空間格局；各類空間數(shù)量均呈現(xiàn)中心向外圍逐級遞減的規(guī)律，“圈層式”結(jié)構(gòu)特征較明顯。③生活空間呈現(xiàn)“西北—東南”走勢，呈內(nèi)部連片、外圍組團(tuán)狀的特征，形成“南密北疏型擴(kuò)散，東北部自成單核”的空間格局；生產(chǎn)空間呈現(xiàn)“東西兩翼”的差異化格局，沿交通干線布局向產(chǎn)業(yè)區(qū)集聚；生態(tài)空間呈現(xiàn)非連片的點狀分布，圍繞城市中心呈環(huán)狀分布，中心—外圍區(qū)域分布差異明顯。

平原地帶的城市“三生”空間往往按照同心圓模式分布，是因為其地形廣闊，城市空間發(fā)展受到自然地理條件的約束較小。烏魯木齊市受干旱區(qū)典型的山地—綠洲—荒漠條件制約，河流與交通干線基本以南北向為主，其城市空間呈扇形分布。在上述因素的影響下，烏魯木齊城市總體規(guī)劃中形成了“南控北擴(kuò)”的控制原則，北部為城市主要發(fā)展方向。如城市生活空間總體呈現(xiàn)由南向北擴(kuò)展的分布模式，生產(chǎn)空間在北部形成東西兩翼的格局，表現(xiàn)出了顯著的交通集聚指向?？傮w而言，采用OSM 路網(wǎng)數(shù)據(jù)劃分研究單元，基于POI 數(shù)據(jù)識別城市“三生”空間并解析其分布特征有助于人們更加直觀地了解城市空間結(jié)構(gòu)，提高城市規(guī)劃和土地利用分析的科學(xué)性。由于數(shù)據(jù)有限，本文只對現(xiàn)狀進(jìn)行了初步研究。同時，由于POI數(shù)據(jù)不能代表完整的地物實體信息，部分生態(tài)空間所屬的生產(chǎn)防護(hù)綠地?zé)o法納入POI數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)識別。未來，應(yīng)融合多源數(shù)據(jù)，如規(guī)劃數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等，提高識別精度，探索變遷機(jī)制與形成機(jī)理，完善對城市“三生”空間的研究。