基于POI數據的城市土地利用和功能分區*
——以“城市內部空間結構”教學為例

汪 超 張海峰

（1. 青海師范大學 地理科學學院, 青海 西寧 810008; 2. 安徽省安慶市第十中學, 安徽 安慶 246001;3. 高原科學與可持續發展研究院, 青海 西寧 810008）

隨著互聯網的發展和教師地理信息技術能力的提高，基于微信公眾號、谷歌地球、在線街景地圖、百度人口熱力圖、百度遷徙數據、夜間燈光數據、短視頻、微博等與生活息息相關的各種大數據資源不斷被運用到中學地理教學中。近年來，隨著教師ArcGIS軟件操作技能的提高以及學校多媒體教學設備的完善，通過ArcGIS軟件將多源大數據進行時空可視化教學已成為一種趨勢。在具體的課堂教學過程中，教師通過操作ArcGIS軟件或者直接展示各種大數據資源平臺的內容，例如，基于百度大數據平臺的熱力圖，引導學生觀察并發現地理問題，總結地理規律。很多地理事物在空間可視化表達中一目了然，有效提高了課堂教學效率。

地理空間大數據具有數據量大、內容豐富、處理速度快的特點，其能夠從時空角度描述和解釋人地系統，并在更大尺度和更深層次上挖掘出有效空間信息，從而較大程度地體現地理信息的服務價值。POI興趣點本身就是一類比較完善的地理空間大數據，以POI興趣點為主要代表的地理空間大數據目前在人文地理學相關問題研究中被廣泛運用，尤其是在城市研究上，POI興趣點數據的興起帶來了巨大的革新與機遇。POI興趣點為研究城市內部空間結構、劃分城市功能區、分析城市間相互作用、總結城市空間發展規律及趨勢等方面提供了新的研究視角，越來越多的學者關注其在城市研究中的應用。[1]在教學中，教師借助ArcGIS軟件將POI興趣點等地理空間大數據運用在高中地理教學中，充分體現了《普通高中地理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）關于“利用地理信息技術，營造直觀、實時、生動的地理教學環境”的理念。[2]

一、POI數據介紹

POI數據是一種代表著地理實體且含有空間位置及屬性信息的點狀空間數據，例如，政府事業單位等工作場所、商業設施、生活設施、公共文化設施、住宅及其他各類城市設施等，也可以是用戶停留的點或移動軌跡點。POI數據主要通過網站開放的API接口檢索、網絡爬蟲或特定的采集軟件獲取，主要包括電子導航地圖POI數據（高德、百度和騰訊地圖）、LBS簽到POI數據（論壇、微博和大眾點評）、手機信令POI數據（移動、聯通和電信公司）等。主要應用于探討城市設施空間格局、城市設施可達性、城區職住關系、城市功能區劃分、業態集聚分析、城市中心區或邊界識別、興趣點推薦（選址匹配的最優解問題）等領域。目前對POI數據研究的方法主要包括基于核密度分析、聚類分析等空間分析方法以及基于空間自相關分析、多元回歸分析等統計分析方法兩大類。

本文通過Python編程，借助高德地圖開放的API接口，爬取成都市、重慶市、蘭州市和西寧市的全類型POI興趣點數據（見表1），通過Python編程在安居客網站爬取2021年3月份西寧市主城區全部類型房價數據（見表2）。對數據進行“清洗”，刪除重復、無效和錯誤的點后，將POI興趣點導入ArcGIS軟件中進行可視化表達，結合百度街景地圖和Google Earth影像圖，探究POI數據及其他大數據在“城市內部空間結構”一課中的應用。

表1 Python爬取的高德地圖POI興趣點數據

表2 Python爬取的安居客房價數據

二、課標內容要求和教學目標

新課標內容要求：“2.2結合實例，解釋城鎮和鄉村內部的空間結構，說明合理利用城鄉空間的意義”。結合學生所在城市西寧市，輔以西寧市POI興趣點、百度街景地圖、2005-2019年Google Earth影像圖及其他資料，使用相關地理信息技術探究西寧市城市內部空間結構的形成機制。

教學目標：通過展示在線百度街景地圖對西寧市進行功能分區；借助Google Earth展示西寧市2005-2019年城市內部空間結構變化，了解城市地域結構的形成過程；分別將西寧市住宅、商業、工業的POI興趣點與房價（房價POI數據已在ArcGIS中生成插值面）疊加，探究房價的影響因素，然后展示圖片、視頻等資料，了解可能影響房價的其他因素；通過讀圖，分析各類土地利用的付租能力與各功能區布局的關系。

三、教學重點

總結城市住宅區、商業區、工業區等功能區的空間分布特征；分析房價的影響因素；理解各類土地利用的付租能力與各功能區布局的關系（地租曲線理論）。

四、教學應用

1.課前準備

收集西寧市地圖、衛星影像圖、西寧市歷年總體規劃圖；了解自己所知道的小區、重要商場、工業園區的位置及周邊交通等環境；登錄安居客網站了解從商業中心到郊區的房價變化。

2.新課導入，創設情境

教師將成都市、重慶市、蘭州市的全類型POI興趣點數據導入ArcGIS中，展示三個城市的外部形態，學生比較三個城市外部形態的差異。成都市的外部形態為團塊狀，蘭州市的外部形態為條帶狀，重慶市的外部形態為組團狀。影響不同地區城市外部形態的因素有所差異（見表3）：團塊狀形態的城市主要分布在平原地區，受地形影響；條帶狀形態的城市主要分布在河谷和鐵路線地區，受地形、水系和交通線因素影響較大，西寧市形態也屬于條帶狀；組團狀形態的城市主要分布在河流交匯處和丘陵山區，受地形和水系影響較大。

表3 不同地區的城市外部形態及影響因素

教師提問：城市外部形態主要有3種，那么城市內部結構又是怎樣的呢？

3.教師示范，主動發現

教師課前布置作業，讓學生確定自己所了解的小區、重要商場和工業園區的名單，在地圖上分別找到其位置并總結周邊環境。教師通過示范百度街景地圖，帶領學生一起尋找住宅區、商業區、工業區等功能區及其空間分布特征。教師引導學生觀察西寧市歷年總體規劃圖，探究城市內部空間結構的形成和影響因素。

教師親自示范百度街景地圖如何使用，讓學生對城市內部功能區劃分有直觀的了解，感受各功能區的空間位置特征，了解城市地域結構的變化。學生自己操作和截圖，也為下一環節的小組合作探究學習奠定基礎。

4.小組合作，協作加工

探究一：功能區劃分和空間分布特征

將全班學生分成3組，分別是住宅區組、商業區組和工業區組。以POI興趣點為基礎，依托百度街景地圖，每個小組對所分配功能區的功能和空間分布特點進行討論。

學生通過各功能區POI興趣點的名稱，在百度街景地圖中搜索地址，并對各功能區外部環境截圖，將截圖放到小組PPT中并做簡要說明（見圖1）。通過10分鐘左右的小組協作探究，成員共同整理出要匯報的內容，每個小組派代表在全班進行匯報。

圖1 小組PPT截圖

探究二：城市內部空間結構的形成和變化

教師展示西寧市歷年總體規劃圖，并補充Google Earth影像中西寧市2005-2019年城市空間結構變化對比圖（見圖2），總結城市地域結構的變化。然后按照之前的分組，繼續探究城市地域結構形成的影響因素：經濟因素組、自然因素組、社會因素組。經濟因素方面，教師分別提供西寧市住宅、商業、工業的POI興趣點與房價疊加圖（見圖3、圖4、圖5）。

圖2 Google Earth影像中西寧市2005-2019年城市空間結構變化對比圖

圖3 住宅區與地價分布

圖4 商業區與地價分布

圖5 工業區與地價分布

學生通過房價疊加圖，以及自己在網上搜索的圖片、視頻資料，總結影響城市地域結構的因素，通過10分鐘左右的小組探究，成員共同整理出要匯報的影響因素內容，每個小組派代表進行匯報。

5.匯報交流，主動發展

(1)功能區劃分和空間分布特征

小組代表分別把探究整理出的功能區空間分布特征相關內容在全班匯報（見表4），教師列出要點，其他組可以就匯報內容進行補充，通過主動匯報交流，學生獲得發展。

表4 學生自主探究匯報內容

(2)城市內部空間結構的形成和變化

城市地域結構包括同心圓模式、扇形模式、多核心模式。根據《西寧市城市總體規劃2001-2020》以及Google Earth影像中西寧市2005-2019年城市空間結構變化對比圖可以發現，西寧市地域結構從原來的以城東舊城為中心的單核心模式，逐步向多中心、組團式發展模式演進。原來城市“十”字型中心位置的大十字百貨商圈繼續承擔金融商貿、商業零售功能。而在海湖路以東至南川河以西區域，重點布局了文教科研、行政辦公、休閑娛樂等場所，形成新的城市中心，城市向多中心發展。

通過西寧市住宅區、商業區、工業區的POI興趣點與房價疊加圖，總結房價與各功能區空間分布的關系。西寧市房價最高的區域在城西區，主要包括虎臺街道東北部、萬達新區東北部、興海路街道北部，房價基本呈現出由以上三個街道向四周遞減、由城區向城市外圍遞減的態勢。影響地租高低的因素主要包括以下幾方面。

第一，經濟因素（最主要）：距離市中心遠近、交通便捷程度。從房價趨勢上可以發現高值區域面積最大的區域主要集中在力盟-新華百貨、城中大十字百貨附近，它們接近城市的幾何中心，不僅是西寧市兩大發展核心，也是人口和經濟活動重心，距離商業中心越近，土地租金越高；同時交通也是影響房價的一個重要因素，這兩個地區交通通達度高，土地租金也高。

第二，環境因素：通過圖3-圖5中的地價分布可以發現，海湖新區房價最高值并不在萬達廣場位置，而是在萬達廣場東北部的海虹壹號、中房-薩爾斯堡一帶。結合百度地圖可以知道：海湖新區高值區域及次值區域均沿湟水河分布；中房-薩爾斯堡附近有西郊樂園、海湖濕地公園分布。西寧本身位于西北高原內陸地區，冬季草木凋零，優美的環境成為該區域房價較高的主要因素。

第三，社會因素：包括收入水平、歷史、種族、宗教、行政、社會知名度等。例如，城東區是西寧市的傳統中心，也是回族和藏族人口的聚居區。曾經西寧長期的單中心、放射狀空間格局，使得人流、物流和交通流過于集中在軸線交匯處的老城中心，住房、廠房建設“見縫插針”式發展，使城市建設密度過大。房屋和人口的高度密集，導致環境惡化、交通擁擠、建設用地緊張、城市綠化率低等一系列城市問題，因此，這里的房價相對較低。

住宅區、商業區、工業區是城市3個主要功能區，城市內部空間結構的形成是多種因素共同作用的結果，經濟因素是影響城市內部空間結構形成的最主要因素。通過學生探究和總結匯報，驗證了地租曲線的正確性（PPT展示“各類土地利用付租能力隨距離遞減示意圖”）：商業多分布在房價較高的區域，工廠多分布在遠離城市中心的外圍且地價相對較低的地區，城市內部每塊土地被用于哪種活動取決于各種活動能夠付出的租金高低。但是，除了經濟因素，社會和環境等因素的優劣也會影響城市內部空間結構的變化。