基于GPS時(shí)空行為數(shù)據(jù)的三種游客停留點(diǎn)提取方法比較研究

董偉 張斌 王光奎

基于時(shí)間地理學(xué)，利用GPS軌跡數(shù)據(jù)，研究微觀（公園、景區(qū)）尺度公眾游憩行為是當(dāng)前環(huán)境設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、旅游管理等多學(xué)科交叉關(guān)注的熱點(diǎn)課題。本文以127條秦嶺淺山區(qū)游客GPS軌跡為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，比較了單點(diǎn)提取法、網(wǎng)格聚類法、速度-距離法三種停留點(diǎn)提取方式的操作流程和結(jié)果。研究表明三類方法各有優(yōu)劣，單點(diǎn)提取法過程相對(duì)簡(jiǎn)單，信息留存度高，適合微型場(chǎng)地（中小型城市公園）的停留點(diǎn)研究;網(wǎng)格提取法，操作比較復(fù)雜，信息概括程度較高，效果直觀，適合場(chǎng)地較大的場(chǎng)地景區(qū)（景區(qū)、大型城市公園）;速度-距離法信息具有連續(xù)性，更適于線性場(chǎng)地空間。本研究為微觀尺度的游客停留點(diǎn)提取提供了技術(shù)方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

一、背景與問題

隨著中國經(jīng)濟(jì)的騰飛，國內(nèi)城市化發(fā)展方式已逐漸由面積快速增加的量變階段逐步過渡到了質(zhì)量提升的階段。對(duì)人居環(huán)境品質(zhì)要求的提高已成為共識(shí)，規(guī)劃設(shè)計(jì)已到走到了城市精細(xì)化、智慧化的新階段。如何使城市環(huán)境規(guī)劃更符合公眾的行為特征，更好滿足公眾需求，是人居環(huán)境相關(guān)學(xué)科當(dāng)前面臨的重要課題。

時(shí)間地理學(xué)為刻畫公眾空間行為特征這一課題提供了概念框架。時(shí)間地理學(xué)由瑞典地理學(xué)家哈格斯特朗及其團(tuán)隊(duì)隆德學(xué)派于20世紀(jì)60年代創(chuàng)立并發(fā)展而來。（柴彥威，1998）時(shí)間地理學(xué)認(rèn)為人的活動(dòng)和行為受到自身因素和各種外界客觀條件約束和限制，是可認(rèn)知和測(cè)量的;通過確定各種限制因素，可確定人類潛在的行為活動(dòng)范圍。（柴彥威等，2018）空間行為研究的基礎(chǔ)是行為數(shù)據(jù)，在20世紀(jì)90年代之前的數(shù)據(jù)獲取方法有基于調(diào)查問卷的空間日志法、跟蹤法、心智地圖法等方法。基于時(shí)間地理學(xué)的微觀尺度的空間游憩行為相關(guān)研究方興未艾，是環(huán)境設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、旅游管理等多學(xué)科交叉關(guān)注的熱點(diǎn)課題。本文針對(duì)這一課題，以城市市郊淺山區(qū)為研究區(qū)域，以游客游憩行為鏈條中的停留點(diǎn)判別方法為研究對(duì)象，進(jìn)行了初步探索。

二、核心概念解析

空間行為研究中對(duì)游客停留點(diǎn)的研究是重要內(nèi)容。廣義的游客停留點(diǎn)是指游客停留時(shí)長(zhǎng)到達(dá)一定閾值的區(qū)域或位置點(diǎn)。該概念比較寬泛，在不同時(shí)空尺度下有相對(duì)不同的解釋。例如，在時(shí)間粒度為一周，游覽區(qū)域?yàn)閿?shù)個(gè)城市的尺度研究中，停留點(diǎn)在時(shí)間尺度上主要是指超過6小時(shí)停留的住宿點(diǎn)，在空間尺度上是某個(gè)城市。而在一天之中某微觀景區(qū)內(nèi)的時(shí)空粒度下，時(shí)間閾值為數(shù)十分鐘，空間占地范圍為數(shù)百平米的休息區(qū)、就餐區(qū)、小型主題游覽區(qū)都被認(rèn)為是停留點(diǎn)。本研究中的停留點(diǎn)特指微觀（公園、景區(qū)）尺度下從GPS信息中的提取停留點(diǎn)，是將GPS信息中信息點(diǎn)中的時(shí)間數(shù)據(jù)按一定時(shí)空分析粒度累加起來，超過預(yù)定時(shí)空閾值即認(rèn)定為停留點(diǎn)。

三、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與數(shù)據(jù)收集

本文研究場(chǎng)地定于秦嶺淺山區(qū)的西安市郊段子午峪及以子午峪峪口為上山或下山通道的，游客一天左右可抵達(dá)的周邊山峪。該區(qū)域位于西安市長(zhǎng)安區(qū)南部，因域內(nèi)有著名的子午道（漢代、唐代從京城通往蜀地的交通要道）而知名。該地屬于關(guān)中平原與秦嶺山脈之間的交接區(qū)域，交通便利，從西安市中心鐘樓區(qū)域到子午峪約33公里，駕車僅需一個(gè)半小時(shí)左右，是名副其實(shí)的西安市郊淺山區(qū)區(qū)域。

本文資料以網(wǎng)絡(luò)公開的游客的行為軌跡為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集以子午峪口為上山地點(diǎn)或下山地點(diǎn)的軌跡，時(shí)間跨度為2012-2019年，共收集143條，經(jīng)過對(duì)軌跡的清洗，刪除重復(fù)、信號(hào)丟失過多，位置錯(cuò)誤的軌跡，最終保留124條軌跡。軌跡中，最短時(shí)間53分鐘，最長(zhǎng)時(shí)間25小時(shí)，最長(zhǎng)距離60.3公里，最短距離2.2公里，軌跡點(diǎn)總計(jì)222 765個(gè)。

四、三種方法的操作過程

對(duì)比實(shí)驗(yàn)以ESRI Arcgis地理信息系統(tǒng)為操作平臺(tái)，采集的軌跡數(shù)據(jù)文件類型為GPX格式，該格式是一種輕量的GPS交換數(shù)據(jù)格式，目前主流的GPS設(shè)備均能輸出這一格式。論文中的三種停留點(diǎn)提取方法有一些通用的基礎(chǔ)步驟。首先，將所有通過篩選的軌跡數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能導(dǎo)入Arcgis桌面版，導(dǎo)入后獲取的是一組點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)，在組中每一個(gè)點(diǎn)要素均帶有多個(gè)屬性，屬性信息一般包括軌跡ID、坐標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度、坐標(biāo)點(diǎn)緯度、日期-時(shí)間數(shù)據(jù)。由于原始的軌跡數(shù)據(jù)的坐標(biāo)通常是WGS1984大地坐標(biāo)，因此導(dǎo)入成功后，首先要對(duì)軌跡進(jìn)行投影處理，將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為UTM墨卡托投影，在投映時(shí)需格外注意投影條帶號(hào)的選擇問題，以防投影錯(cuò)誤。另外，Arcgis平臺(tái)中的地圖數(shù)據(jù)底圖采用的是經(jīng)過投影處理的研究區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像。

（一）網(wǎng)格提取法

網(wǎng)格提取法是地理學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)等常用的定量分析場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法，它的實(shí)質(zhì)是降低場(chǎng)地分辨率（粒度），減少信息冗余，幫助分析者快速掌握適宜尺度的場(chǎng)地信息方法。它針對(duì)所需的場(chǎng)地某種屬性和實(shí)際需要，選擇合適的分析粒度，進(jìn)而將場(chǎng)地利用歐式幾何手段，按照分析粒度要求，均勻地將場(chǎng)地分成數(shù)量若干的格網(wǎng)，并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)每一個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的屬性值，最終呈現(xiàn)較低分辨率的場(chǎng)地信息格。時(shí)空行為學(xué)下的游客停留點(diǎn)的提取方法與地理學(xué)網(wǎng)格提取法從邏輯上看并無區(qū)別，只不過將某種地理屬性置換為了時(shí)間屬性。

利用網(wǎng)格提取法提取游客停留點(diǎn)的具體操作方法如下。首先，應(yīng)用追蹤統(tǒng)計(jì)工具獲取每一條軌跡中每一個(gè)單要素點(diǎn)的累積停留時(shí)間，其次，將微觀景區(qū)以垂直視角格網(wǎng)形式進(jìn)行分割，要說明的是，網(wǎng)格間距的選取即空間分析粒度，要基于設(shè)計(jì)需求具體情況具體討論。再次，通過要素空間鏈接的方式，聚合所有軌跡點(diǎn)上累積的時(shí)間數(shù)據(jù)，并以此字段為屬性值將要素轉(zhuǎn)換為柵格。最后，通過重分類工具，將超出預(yù)設(shè)時(shí)間閾值的柵格要素值設(shè)置為1，其他柵格賦值為0。通過對(duì)停留次數(shù)進(jìn)行疊加，再次設(shè)置需要的閾值，獲取格網(wǎng)式樣停留點(diǎn)。

（二）單點(diǎn)直接提取法

直接提取法是針對(duì)GPS軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)而采取的方法。方法的實(shí)質(zhì)是審視所有GPS點(diǎn)數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息，將數(shù)據(jù)中所有大于預(yù)定閾值時(shí)間的GPS點(diǎn)要素全部提取出來，并以點(diǎn)密度分析等工具進(jìn)行信息概括化顯示。

利用直接提取法提取游客停留點(diǎn)的具體操作方法如下。第一步與網(wǎng)格提取法一致，應(yīng)用追蹤統(tǒng)計(jì)工具獲取每一條軌跡中每一個(gè)單要素點(diǎn)的累積停留時(shí)間。第二步，將所有的軌跡進(jìn)行要素合并。第三步，以預(yù)先設(shè)定的時(shí)間閾值為標(biāo)尺，應(yīng)用屬性表的提取工具將超過閾值的軌跡點(diǎn)提取出來。至第三步一萬平米以下的微型場(chǎng)地，已可清晰的表述。如果場(chǎng)地過大，信息點(diǎn)過于雜亂，可應(yīng)用第四步，即選擇合適的搜索半徑和形態(tài)，進(jìn)行所有提取軌跡點(diǎn)的點(diǎn)密度分析，得到概化后的類似于網(wǎng)格提取法的柵格停留點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（三）速度-距離法

利用GPS速度-距離信息判定停留點(diǎn)，當(dāng)軌跡點(diǎn)在空間上呈現(xiàn)團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，或線性結(jié)構(gòu)較，并停留較長(zhǎng)時(shí)間，此時(shí)GPS信息點(diǎn)中的速度將較低，利用這一特點(diǎn)提取所有速度低于預(yù)定閾值的連續(xù)的軌跡點(diǎn)，也可將這些連續(xù)的軌跡點(diǎn)轉(zhuǎn)為線性要素或利用工具轉(zhuǎn)化為柵格，進(jìn)行概括化處理。

利用速度-距離法提取游客停留點(diǎn)的具體操作方法如下。第一步，利用追蹤統(tǒng)計(jì)工具，審視所有軌跡點(diǎn)的速度信息，以預(yù)定的速度信息為閾值，提取所有低于閾值的軌跡點(diǎn)。第二步，觀察所有提取出的點(diǎn)數(shù)據(jù)，連續(xù)性超過預(yù)定設(shè)置，或時(shí)間高于閾值的連續(xù)點(diǎn)判定為停留區(qū)域，或休憩型游覽區(qū)域，將這些連續(xù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為柵格要素，并進(jìn)行重分類。第三步，進(jìn)行與上文網(wǎng)格提取法中的疊加操作，將停留超過一定人次的要素再次提取出來。

綜上，從步驟上可以看出，三種提取方法中網(wǎng)絡(luò)提取法步驟最為復(fù)雜，既考慮了單人停留的時(shí)間和停留范圍（網(wǎng)格大小），又進(jìn)行了多人次的疊加判斷，涉及了要素與柵格轉(zhuǎn)換和柵格疊加操作。速度-距離法步驟比網(wǎng)絡(luò)提取法簡(jiǎn)單，省去了分隔場(chǎng)地，鏈接要素這一操作。單點(diǎn)提取法過程最簡(jiǎn)單，合并所有軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)，直接以時(shí)間為標(biāo)尺提取軌跡點(diǎn)，不需要提前確定劃定空間網(wǎng)格，也不需要網(wǎng)格提取法、速度距離法中的基于停留概率的二次疊加判斷。

五、提取結(jié)果與討論

本課題為了對(duì)比方便，網(wǎng)格法以25×25米為基本粒度，以180秒為停留判定閾值，獲取停留網(wǎng)格。以樣本數(shù)量的20%以上人停留判定為停留點(diǎn)，結(jié)果見圖1。單點(diǎn)提取法以180秒為閾值，進(jìn)行提取后又進(jìn)行了點(diǎn)密度分析，結(jié)果見圖2。速度-距離法結(jié)果與網(wǎng)格法類似，僅在柵格排布上有所不同，故未附圖。

圖1 網(wǎng)格提取法提取結(jié)果

圖2 單點(diǎn)提取法提取結(jié)果

結(jié)合步驟和結(jié)果可以看出，當(dāng)有明確的時(shí)間空間分析粒度需求時(shí)，格網(wǎng)法準(zhǔn)確，并且效果直觀。劣勢(shì)在于步驟較為復(fù)雜，且無論多小的空間分析粒度，空間格網(wǎng)都可能將停留場(chǎng)地一分為二，損失停留信息。單點(diǎn)直接提取法，當(dāng)空間較小且有明確的時(shí)間閾值設(shè)定時(shí)，精度較高信息無損耗且步驟簡(jiǎn)單。劣勢(shì)在于未經(jīng)過二次判斷，精確度一般，當(dāng)場(chǎng)地尺度較大時(shí)，如圖2，效果不直觀，需要結(jié)合點(diǎn)密度分析降低分辨率。速度-距離法介于上述兩者之間，更適用于線性場(chǎng)地空間。

綜上所述，本文為微觀尺度的游客停留點(diǎn)提取提供了簡(jiǎn)要的技術(shù)方法和一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文的缺點(diǎn)是以僅以微觀尺度的區(qū)域下的淺山區(qū)類型場(chǎng)地作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，且受制于數(shù)據(jù)采集成本，得到的樣本數(shù)據(jù)較為有限。未來應(yīng)以不同尺度不同場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)出較為普世的指標(biāo)和方法選擇標(biāo)準(zhǔn)。

（作者單位：西安工業(yè)大學(xué)）