城市旅游流時空網絡模型研究與應用

段莉瓊，劉少俊，劉澤華，曹 群

(1. 首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048； 2. 文化和旅游部信息中心，北京 100740；3. 南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023； 4. 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023； 5. 南京財經大學工商管理學院，江蘇 南京 210023； 6. 首都師范大學地球空間信息科學與技術國際示范學院，北京 100048)

城市是人類旅行活動的重要集散地，在功能轉型和快速發展中，突顯出內部旅游供需不平衡、外部客源市場激烈競爭等“雙重矛盾”，嚴重制約和影響了城市旅游的可持續發展。近年來，信息技術的飛速發展，產生了海量的通信大數據、網絡搜索和社交媒體數據、視頻監控數據等，為研究城市旅游流時空移動規律和模式提供了支持，學者們從不同的角度對其開展了研究[1-4]。當前，相關分析理論和方法主要集中在以下方面：一是利用社會網絡理論和方法對旅游流的空間分布[5-7]、網絡結構模式和特征[8-10]等方面進行研究，雖然能較好地描述旅游流的流量與流向等特征，卻難以描述旅游流的時空動態變化過程。二是利用時空地理學的時空路徑模型分析旅游者的時空行為模式[11-12]等，但時空路徑模型是個體時空行為活動過程建模與可視化表達分析的有效工具[13]，難以描述旅游流的集聚特征。因此，本文提出可以同時兼顧集聚與時空特征的城市旅游流時空網絡模型，并依托通信大數據，對其進行了實證分析。

1 概念和理論基礎

1.1 旅游軌跡

旅游者以城市目的地為區域進行時空移動，形成了旅游軌跡。旅游軌跡包括一系列軌跡點[14]，可表示為

Tra={p1,p2,p3,…,pi,…,pn}，pi=(xi,yi,ti)

(1)

式中，Tra為旅游軌跡；Pi為軌跡點；ti為軌跡點Pi的時間信息；(xi,yi)為軌跡點Pi的空間位置信息。

1.2 城市旅游行程鏈

城市旅游行程鏈是以旅游節點為基本單元，各節點之間通過道路鏈連接，構成按照時間順序線性排列的旅游節點的有序集合[15]，如圖1所示。

圖1 城市旅游行程鏈示意圖[15]

1.3 城市旅游流

城市旅游流是指在某一時刻或時段，以城市目的地為區域，由于旅游需求的近似性形成的N個旅游者的城市旅游行程鏈的集合。本文中旅游行程鏈是以旅游景區為節點的，具有以下特征：城市旅游流系統是一個由旅游流節點、通道和節構成的有向復雜空間網絡結構；城市旅游流分布呈現明顯的空間層次性，其層次性由構成旅游流的旅游節點的空間層次決定。城市旅游流具有多尺度時空結構，具體表現在不同時刻(或時段)旅游流的時空分布，時空模式呈規律性變化。

1.4 網絡結構模型

網絡結構模型常用于表達與分析多個要素之間相互影響的關系，廣泛應用于各種流數據的分析中，如交通流、旅游流、水流等。在網絡結構模型中，要素或現象通常被抽象成節點、鏈對象。對于旅游流來說，其流動方向很關鍵，因此，采用頂點加權有向圖來表達，如圖2所示。有向圖G由二元組(V，E)組成，其中V={V1，V2，…，Vn}，表示頂點集合，E={E1，E2，…，Em}，表示邊的集合，每一條邊Ei則由〈Vis,Vie〉組成，表示邊的起點和終點。

圖2 網絡結構模型(有向圖)示意圖

1.5 時空路徑模型

在時間地理學[16]中，將時間作為數據描述的一個維度來表達個體活動，通過將原來的三維空間壓縮成二維平面，將時間維作為空間坐標系的第三維，從而構成一個新的時空三維坐標系O-XYT來表達事物隨時間的變化過程[17]，這種變化過程稱為時空路徑。如圖3所示，一個旅游者8:30到達A景區，10:40離開了A景區；12:00到達B景區，15:30離開了B景區；16:00到達C景區，18:00離開了C景區。當旅游者在景區(點)內部移動時，其軌跡表示為一條垂直的直線。當旅游者在景區之間移動時，其軌跡是一條斜線，斜率的大小表示移動速度的大小；當旅游者停止時，其軌跡是一條垂直的直線。

圖3 時空路徑模型示意圖[17]

2 城市旅游流時空網絡模型

雖然，網絡結構模型能較好地描述旅游流的流量與流向等特征，卻難以描述其時空動態變化特征；而時空路徑模型能較好地描述單個旅游者的旅游行程鏈，但是難以描述其整體的旅游流流量與流向特征；因此，本文在時空路徑模型和網絡結構模型的基礎上，提出了一種面向對象的時空網絡模型。

2.1 時空網絡概念模型

定義1 城市旅游流節點是旅游者出行、游覽的主要興趣點、停留點，其流量信息隨時間而動態變化，可表示為v=(pos,m(t))，其中，pos為節點的空間位置；m(t)為該節點的流量隨時間變化的函數。

定義2 城市旅游流流向邊是城市旅游流兩個節點之間的有向流動關系所產生的有向邊。節點i流向節點j(i≠j)的流動邊可表示為e=(vi,vj,m(t))，其中，vi、vj為旅游流節點的子集；m(t)是指流向邊的屬性(權重)信息隨時間t變化的函數。

定義3 城市旅游流路徑。對于有序訪問鏈r=(vi,vi+1,…,vi+m)，如果滿足從i到i+m(m≥0)節點在拓撲結構上形成連續的路徑，則稱之為城市旅游流路徑。城市旅游流路徑可以為單個、兩個及兩個以上節點的組合，如圖4所示，r1表示一條從v3出發，經過v2到達v4的旅游流路徑。

定義4 城市旅游流時空網絡G=〈V,E,R〉是由旅游流節點、流向邊與路徑所構成的關于時間t的連續圖集。V為由旅游流節點v構成的城市旅游流時空網絡頂點集；E為由旅游流流向邊e構成的城市旅游流網絡邊集；R為由旅游流路徑r構成時空網絡路徑的集合，可基于時間t的取值，確定一個唯一的城市旅游流網絡結構。圖4所示為t時刻下某城市旅游流時空網絡結構拓撲關系圖，該網絡包含了5個旅游流節點，分別為v1、v2、…、v5；各節點之間有9條流向邊，分別為e1,2、e1,3、…、e5,4，由于v2-v5之間沒有連通關系，因此，t時刻下城市旅游流時空網絡為非連通圖。

圖4 t時刻城市旅游流時空網絡模型示意圖

2.2 時空網絡數據模型

根據城市旅游行程鏈的定義，旅游者的活動包含在單景區的停留信息和多景區的運動轉移信息，從而構成了城市空間內以景區為活動節點的旅游流時空動態網絡結構。結合城市旅游流時空網絡概念模型與面向對象的時空數據建模思想，城市旅游流時空網絡數據模型是由城市旅游流節點V、流向邊E及路徑R這3類時空對象構成的旅游者在各空間節點內及節點間的時空流動關系集合。

城市旅游流節點V的構成要素包括：對象的唯一標識、空間對象和時態對象這3個部分，即

(2)

式中,ID為節點對象的唯一標識；SO為空間對象，它由地理空間信息geo和屬性信息attr構成，地理空間信息一般表示節點的空間位置，即geo=(x,y)，屬性信息是包括節點的名稱、類型、級別等信息的集合，即attr=(name,type,level,…)；TO為時態對象，包含了節點對象的在園客流量隨時間的變化函數p(t)與已接待的客流總量隨時間變化的函數a(t)兩個部分。

城市旅游流流向邊E的構成要素也包括對象的唯一標識、空間對象和時態對象三個部分，即

(3)

式中，ID為流向邊對象的唯一標識；SO為空間對象，包含了起始節點的空間對象信息(vs.so)和終止節點的空間對象信息(ve.so)；vs和ve為節點V的子集；TO為時態對象，包括該流向邊上的客流量隨時間變化的信息p(t)和該流向邊上總游客訪問量隨時間變化的信息a(t)兩部分。

城市旅游流路徑R的構成要素包括對象的唯一標識、空間對象和時態對象三部分，即

(4)

式中，ID為路徑對象的唯一標識；SO為空間對象，包含了由路徑開始到結束途經的一個或多個節點對象的空間對象信息(vi.so)所構成，vi為節點V的子集；而TO為時態對象，保存了該游玩路徑的開始和結束日期及其客流量。

3 實證分析

本文選擇天津市為案例地，2016年國慶節為研究時段，共獲得天津市聯通運營商的6 987 611條旅游者脫敏通信記錄，涉及天津市30個重點旅游景區，經過數據預處理，包括噪聲剔除、數據轉換、數據修正和數據驗證，獲得軌跡數據320 819條。基于城市旅游流時空網絡模型，對天津市旅游流時空網絡進行動態構建，其思路如下：

首先，提取旅游流的節點、流向邊和路徑，然后，構建網絡拓撲結構。根據所選取的時間不同，可將動態時空網絡的構建分為兩類：指定時刻的瞬時時空網絡和指定時間范圍的時段時空網絡。

在旅游流時空網絡數據庫中，指定任意時刻，查詢節點、流向邊的時態表中該時間點或小于且最臨近該時間點的記錄，并與空間信息進行關聯構成時空網絡中的所有節點和流向邊數據。而對于路徑的構建，需從路徑時態信息表中獲取路徑結束日期與小于指定日期的記錄，并按路徑空間模式進行統計，再與空間數據表進行關聯。在此基礎上，根據流向邊、路徑與節點的空間拓撲關系對前面查詢的各時空要素結果進行網絡拓撲構建，完成指定時間點的瞬時旅游流時空網絡的構建。任意時段旅游流時空網絡的構建與構建瞬時時空網絡過程相似，不同之處是時態數據的取值部分。取時態信息表中與指定查詢時段結束時間點匹配的時間點(若無相應的時間點則取結束時間點的前一時間點)的游覽人數，并將它與查詢時段起始時間點匹配的時間點(若無相應的時間點則取前一個時間點)游覽人數的差值作為該時段的客流信息。通過上述方法，實現了天津市旅游行程鏈數據時態信息的組織與入庫，根據流向邊和路徑的空間信息表，獲取旅游流網絡點與線的拓撲關系，從而構建旅游流時空網絡結構，如圖5、圖6所示。

圖5 2016年10月1日12時旅游流時空網絡圖

圖5為2016年10月1日12時以30個景區為空間單元，以在園客流量構建的旅游流瞬時時空網絡。從圖5可看出，盤山風景名勝區、佛羅倫薩小鎮的旅游流內外流動最強，旅游競爭力最強，這是由于盤山風景名勝區是自然山水與名勝古跡兼具、佛教文化與皇家文化相融的旅游勝地，也是國家首批5A級旅游景區；佛羅倫薩小鎮則是中國首座純意大利風格的大型高端名品折扣中心和休閑文化中心，兩個景區知名度大，成為觀光游客到天津游玩的首選目的地之一。其次，旅游流主要集中在濱海航母主題公園、華僑城歡樂谷、黃崖關長城之間流動；再次，旅游流在梨木臺、獨樂寺、水上公園、方特歡樂世界、東疆灣景區、龍達溫泉、海昌極地海洋世界之間流動較緊密，其中，水上公園是天津本地游客喜愛的休閑場所。另外，古文化街、光合谷旅游度假村、凱旋王國、希樂城、熱帶植物觀光園在區域內也較受游客歡迎。圖6表示了以10月1日各景區的游客人數構建的旅游流時空網絡。從圖6可看出，天津市西部和東部區各景區間旅游流流動明顯增強，網絡聯系更緊密。

圖6 2016年10月1日旅游流時空網絡圖

從上述分析可知，國慶節期間，自然風光類景區、游樂場比較受歡迎，展覽館、城市觀光類景區在網絡中的集聚作用較弱，需加強此類景區的宣傳引導。

4 結論與討論

本文研究了城市旅游流概念，在此基礎上，基于時空路徑模型與網絡結構模型，提出了城市旅游流時空網絡概念模型，既克服了時空路徑模型無法反映旅游流的集聚過程，又克服了網絡結構模型不能表達動態時空信息的缺陷，較好地描述了城市旅游流的時空動態變化特征。但本文的城市旅游流概念僅考慮了景區節點，對于旅游者在出游過程中關注的賓館、飯店等節點類型，由于數據獲取限制，尚未考慮；另外，城市旅游流時空網絡模型還未考慮時空多尺度的問題，需要進一步研究。