基于開放數據的小城鎮現狀分析方法研究*
——以山東省平陰縣主城區為例

楊 陽 周忠凱 王曉瑜 張紅巖 趙繼龍 YANG Yang, ZHOU Zhongkai, WANG Xiaoyu, ZHANG Hongyan, ZHAO Jilong

0 引 言

自2000年以來，中央對小城鎮的發展戰略不斷進行調整和完善，小城鎮在中國整體城鎮化進程中的地位被不斷加強[1]。“十四五”規劃綱要中進一步指出要“促進大中小城市和小城鎮協調聯動、特色化發展，使更多人民群眾享有更高品質的城市生活。”[2]然而，相較于西方發達國家，目前我國小城鎮未能起到吸引人口集聚，承接城市功能擴散的作用，缺乏與城市的功能互補發展，自身定位不清，趨同現象較為嚴重[3]。為了解決上述問題，聚焦于小城鎮發展的相關理論研究逐步豐富[4]。研究制度政策變遷和設計視角的學者，分析了公共制度設計對小城鎮發展的影響，并提出小城鎮制度改革的方向[5-6]；有學者從經濟產業發展的角度探討小城鎮的發展方向及面臨的問題；研究經濟產業發展角度的學者分別從鄉鎮企業集群[6]和經濟全球化的角度[7]探討了小城鎮面臨的問題及發展方向。還有學者立足于不同區域小城鎮發展條件的差異性，提出因地制宜的發展思路[8]。

上述不同視角的研究成果為小城鎮發展方向以及城鎮化機制的研究奠定了堅實的基礎，然而目前在規劃現狀分析技術方面的研究，分析子系統的較多，全面描述的較少；分析大城市的較多，聚焦于小城鎮的相對較少；使用大數據的較多，采集開放數據的較少。造成上述現象的原因有以下兩點，首先是基于數據技術的分析研究方法論整體仍處在摸索階段，依賴二手資料和主觀感知，并且采用的定量分析方法來自不同領域，視角不一，口徑各異，因此難以建立有效的分析體系，無法做到全面支撐小城鎮規劃和決策[9]；另一方面，基于大數據的研究方法空間分析粒度較大，往往選擇以區域或者大城市為研究對象，研究者構建的分析框架在小城鎮的規劃設計尺度上難以對設計提供直接的引導。

隨著數據處理及分析技術的發展，根據定量分析進行詳細的專項設計或建立綜合全面的城市描述性研究已經成為可能[10]。龍瀛等于2015年提出“數據增強設計”這一規劃設計方法論[11]，并后續構建了新數據環境支持下大尺度城市設計的時間、空間和人模型[9]。葉宇等對城市建成環境及城市形態要素的量化分析方法作了較為全面的綜述，使用空間句法、空間矩陣和混合利用指標對城市街道網絡、建筑類型與開發強度、地塊功能的混合度進行量化分析[12]。在上述方法和工具的研究基礎上，關成賀等從小城鎮的視角，通過緊湊性、多樣性、密度和連通性提出了小城鎮開發強度評價方法[13]。許樹輝從城鎮存量土地產出率、土地利用強度、土地投入強度和土地可持續度4個方面建立了城鎮土地集約利用評價指標總系統，指出了土地集約利用的相關途徑[14]。吳一洲等建立了基本信息、發展績效和特色水平3個維度構成的特色小鎮發展水平指標體系[15]，用以指導特色小鎮的可持續發展。上述研究分別從開發強度、土地利用和產業發展的角度探討了小城鎮規劃設計中的定量分析方法引入，但是上述研究一方面缺乏與規劃實踐的有效對接，難以直接指導規劃應用，另一方面各項研究視角不一，相對獨立，難以進行有效整合，無法全面的指導小城鎮規劃設計[16]。因此，基于小城鎮的特點與現實需要，進行適應現階段規劃實踐的基于開放數據的小城鎮規劃分析體系構建，對于小城鎮的規劃設計存在一定的借鑒意義。

針對上述問題，本文將以小城鎮為研究對象，以空間分析為核心，以工程技術為基礎，分析現有的技術手段，建立基于開放數據的，聚焦于小城鎮的整體現狀分析體系，旨在輔助設計師挖掘問題，輔助決策，為小城鎮的規劃設計工作提供依據。

1 小城鎮規劃工作中的現實困境

目前小城鎮規劃工作仍存在許多不足之處，其重要原因之一在于規劃師缺乏完整刻畫小城鎮現狀的工具，因此很難精準全面地提升小城鎮的空間面貌。現階段小城鎮規劃工作中的現實困境表現在以下3個方面：首先是小城鎮空間塑造的困境，主要體現在小城鎮的空間設計失衡，其原因在于規劃前對目標小城鎮缺乏針對性的深度調研，套用城市尺度的空間設計模式，導致在設計過程中出現空間結構規劃缺乏針對性[17]；其次是小城鎮空間特色延續的困境，小城鎮的空間形態與其原有的自然風貌與文化氛圍息息相關[18]，而在實際的規劃與建設中，小城鎮原有的空間特色與尺度感逐漸喪失；最后是可操作性的困境，現階段由政府主導的建設更新方式，常常因忽略居民的意愿而導致各類社會事件的發生，此外，小城鎮的財政預算不足以及其他不確定性因素，也可能影響規劃工作在實施過程中的進度[19]。

2 小城鎮規劃設計中的開放數據引入

數據增強設計（DAD）是一種通過定量城市分析驅動的規劃設計方法，規劃師通過數據分析和建模的手段，為規劃設計的各個周期提供對應的工具[20]。王德等學者研究了手機信令數據在城市建成環境分析中的作用[21]，展示了數據分析對于城市形態和功能布局研究的價值；龍瀛等學者在此基礎上通過研究公交卡數據（smart card data，SCD），提出了數據有偏性的概念，并進一步明確了開放數據在城市規劃實務工作中的應用前景[22]。基于大數據的研究方法對數據質量的要求較高，分析的時間周期相對較長，比較適用于大城市的存量開發。小城鎮規劃中需要定量研究的引入，然而又難以套用大城市現有的研究基礎和經驗，需要針對自身特點，研究相對應的規劃分析方法。開放數據的概念與大數據相對，是指政府或者企業有意識或者無意識發布的，針對某一時段或者某一區域的描述性數據[23]。對比基于大數據的數據增強設計，基于開放數據的城鄉規劃主要特點包括以下兩點：

第一，基于開放數據的城鄉規劃設計方法是以實證研究的邏輯基礎作為用地分析與規劃依據的綜合設計方法，通過對開放數據的提取、分析和建模，輔助規劃師從千頭萬緒的復雜系統中更準確的發現規律、權衡利弊、認識小城鎮，有針對性地對小城鎮發展過程中出現的問題進行解決，更容易獲得廣泛的理解和支持。相較于大數據分析方法，開放數據的更易獲取，數據總量少，處理的算力要求低，利于規劃實務使用。

第二，基于開放數據的城鄉規劃強調技術手段與規劃師，規劃師與公眾，現狀與規劃引導的多層次交互。首先，基于開放數據的城鄉規劃強調定量分析在設計過程中的輔助作用，這種新的方法不僅可以減輕設計師的負擔而使其專注于創造本身，同時還可以增強設計結果的預測性和可評估性。其次，廣泛使用無意識公共參與手段與小規模精確調研結合可以全面描述公眾的偏好和需求[11]。第三，進行數據的實時收集與處理，形成動態的反饋評估機制。

針對小城鎮的規劃環境和現階段的規劃實務需求，基于開放數據的小城鎮分析體系需要具有三個主要功能：挖掘問題，輔助決策，指導設計，并且能夠在分析過程中引入公共參與，綜合提升支撐規劃設計的力度。本文中提出的基于開放數據的小城鎮規劃分析體系分為兩部分，有意識公共參與平臺，以及基于開放數據的規劃設計分析框架。有意識公共參與平臺構建可以結合“多規合一平臺搭建”用以收集規劃設計中各利益相關方的訴求；基于開放數據的規劃設計以 Arcmap為基本工作平臺，完成數據采集、計算及可視化表達，具有較強的可操作性。基于開放數據的規劃設計分析工具，其特點主要體現在數據對規劃和設計的全過程參與。如圖1所示，基于開放數據的規劃設計分析工具分別對小城鎮整體、小城鎮區域和局部節點進行分析。

圖1 基于開放數據的規劃設計分析方法Fig.1 planning and design analysis method based on open data

2.1 小城鎮整體分析層面

小城鎮整體分析層面，主要是解決小城鎮形態上的結構平衡問題和經濟發展上的產業規劃問題，利用POI分析、網絡分析、微博語義分析和企業數據分析的方法，綜合評價小城鎮空間結構的合理性，并且客觀展示小城鎮的產業分布以及產業發展現狀。

第一，空間形態學分析主要使用空間句法分析或城市網格分析技術，對城市的整體空間關系進行量化，并與現狀進行匹配分析。分析借助地理信息技術平臺提取各個地塊的區位特征和地塊與整個城鎮的空間關系[24]，對地塊開發潛力和適宜功能進行預估，以此評價城市整體功能分布的和理性。

第二，電子地圖興趣點（Point of Interest）主要標注小城鎮內具有標志性作用的實體建筑物，并包含這些實體建筑物的空間和屬性信息。基于POI的道路網的小城鎮功能評價，可以建立街道數據和興趣點數據的聯系，研究功能和業態的分布和集聚特征，并將街道的幾何特性融入對小城鎮功能布局的評價中，以利于了解街道網絡設計如何影響街道尺度的土地混合利用以及步行街道的氛圍營造[25]。

2.2 小城鎮交通分析層面

小城鎮交通分析主要是評價路網結構合理性，發現小城鎮交通服務中存在的問題，評價公共交通和公共設施服務的均衡性。

第一，人流數據可以理解為一種無意識的公共參與手段，基于開放數據的人流熱點分析可以分析市民的停駐意愿，有目標的分析和調整城市空間結構的功能布局[26]。人流數據同時可以結合微博語義分析，利用復合人工智能機器學習來提升分析精確度，從而自動進行微博文本的情感傾向判別及數理統計[27]。

第二，基于車流數據的分析可以識別車流流向和擁堵程度，通過系統的記錄分析車流數據可以評價整體空間結構、功能分布和公共設計分布[28]。規劃師和研究者可以通過車流數據對小城鎮功能布局和路網結構進行調整，達到提升職住平衡度，引導市民綠色出行等目的。

2.3 小城鎮局部節點分析層面

小城鎮的局部節點主要研究道路的斷面以及沿街立面設計。街道除了通行功能外，也是社會活動發生的重要場所，同時可以起到一定的商業作用。合理的斷面和沿街立面設計，能夠有效地促進小城鎮的持續繁榮[29]。機器學習是設計并使用計算機可以自動學習和改進的算法，從數據中分析獲得規律，并利用規律對未知數據進行預測的方法。利用機器學習CNN（卷積神經網絡）可以很好地完成圖像的語義分割。在街道性格分析方面采用機器學習的方法，可以對大量街景或調研圖片進行批量分析和統計，從而對小城鎮內的所有街道進行特征提取和分類，根據分類概括街道現狀與功能的匹配程度，并進行統一處理[30]。

3 案例分析

平陰縣地屬濟南，地處濟南市、泰安市和聊城市三市的交匯處，位于省會城市群經濟圈中心圈層。內有青蘭高速、濟廣高速通過，同時105國道、220國道和341國道貫穿全縣，是濟南市面向魯西南地域輻射的重要節點。平陰是濟南最小的縣，下轄東阿鎮、孝直鎮、孔村鎮、洪范池鎮、玫瑰鎮和安城鎮六鎮，已經初步形成了“基礎設施協調布局、產業分工協作、公共服務共享、生態共建環境共治”的一體化協調發展機制[2]，平陰縣主城區包括榆山街道與錦水街道，人口共計11.86萬人，主城區與周邊地區的通達性較高，交通便利，具有良好的產業基礎，是城鄉統籌發展的重要節點。

3.1 小城鎮整體分析

3.1.1 小城鎮功能結構及空間結構特征

人流動態檢測的方法是利用熱力圖對人流量在不同時間段的活躍點進行動態監測，將動態監測結果衛星圖上進行可視化疊加，使得各時間階段人流量熱度直觀地呈現在地圖上，動態監測結果如下圖所示（圖2）。

圖2 不同時間段活躍點分布情況Fig.2 distribution of active points in different time periods

空間網絡分析工具（UNA）的原理是基于“空間點+道路系統”構建網絡系統，通過函數關系分析整個網絡的空間特征，進行包括連接度、可達性、輻射范圍等分析[31]

UNA的分析結果如圖3-4所示。

圖3 區域中心性Fig.3 regional centrality

3.1.2 基于POI的小城鎮功能空間分布

通過對平陰縣POI數據的梳理，運用 GIS 的空間分析方法對城鎮中的各類商業類型的空間進行定量研究，真實客觀的描述平陰縣的商業空間總體分布特征情況，并對商業中心功能聚集度對比分析（圖5）。

圖5 基于POI的商業功能類型的空間分布以及集聚度對比Fig.5 comparison of the spatial distribution and agglomeration degree of urban commercial function types based on POI

3.1.3 基于POI的功能聚集度

功能密度指道路中心線55 m緩沖范圍內影響活力的POI總數。功能混合度指街道功能混合度用信息熵來計算。

圖4 經過性分析Fig.4 empirical analysis

Diversity =-sum(pi×ln pi)，(i = 1，…，n)

式中，n表示該街道POI的類別數，pi表示某類POI占所在街道POI總數的比例，各類POI數量均進行過歸一化處理。分析結果如圖6所示。

圖6 基于POI的中心功能聚集度對比分析Fig.6 a comparative analysis of urban center function concentration based on POI

3.1.4 基于微博語義的無意識公共參與

目前針對微博消息、熱點話題等的應用已經非常普及，但以地理位置為基礎，面向用戶活動特征的研究仍然很缺乏。使用自然語言處理工具，對平陰微博消息進行分析，詞頻較高且與空間設計相關的是“農業”“環保”“改舊”等（圖7）。

圖7 基于微博語義識別的“平陰印象”Fig.7 “impression of Pingyin” based on Weibo semantic recognition

3.1.5 基于POI的企業評價體系

基于POI的企業評價，將數據企業評分標準劃分為五大類：經營狀況、風險評估、創新能力、企業規模以及就業帶動能力（圖8）。其中經營狀況又分為產品信息和納稅信用等級，風險評估分為司法風險和經營風險，創新能力分為專利信息和著作權信息（圖9）。

圖8 基于POI的企業評價標準Fig.8 enterprise evaluation standard based on POI

圖9 基于POI的平陰縣企業評價Fig.9 evaluation of pingyin county enterprises based on POI

上述部分分別從空間結構、交通現狀、產業布局和產業發展幾個層面對目標小城鎮進行了分析，幫助規劃者更好的認識小城鎮面臨的問題，通過對結果的整合和梳理，可以為后續的設計研究提供依據和建議。城鎮整體分析總結見表1。

表1 小城鎮整體分析總結Tab.1 Overall analysis of the target

3.2 小城鎮交通分析

3.2.1 等時圈分析

等時圈分析是描述小城鎮整體出行環境的有效手段，對于空間結構調整以及公共服務設施布局等具有重要輔助價值。提取小城鎮路網，對步行、騎行、公交以及駕駛四種交通方式以小城鎮中心為目標進行等時性分析，可以完整地描述居民的出行便利度（圖10）。

圖10 基于真實路徑不同交通方式的交通可達性分析Fig.10 analysis of traffic accessibility based on different traffic modes of real route

3.2.2 車行交通流及公交分析

車行交通流的研究方法是收集不同時段的交通數據進行疊加，描述整體路網的運行效率，重點分析工作日早晚高峰道路狀況，并與休息日進行對比（圖11-12），可以輔助規劃師明確擁堵產生的原因，在后續設計中進行調整。

圖11 工作日早晚高峰道路狀況對比Fig.11 comparison of morning and evening peak road conditions on working days

本節兩個部分分別從現狀交通量和小城鎮整體道路結構兩個方面入手，分析了小城鎮的空間布局合理性，通過對結果進行梳理并與POI分析結果進行對照，可以幫助規劃師獲取交通方面的建設建議。城鎮交通分析總結見表2。

表2 城鎮交通分析總結Tab.2 summary of urban traffic analysis

圖12 休息日早晚高峰道路狀況對比Fig.12 comparison of morning and evening peak road conditions on rest days

3.3 城鎮局部節點分析

根據百度地圖的街景數據，識別平陰核心區域的公共空間質量（圖13）。然后，通過街景圖片場景語義識別，對公共空間進行質量評價（圖14）。行人和自行車出現率以及綠視率反映對應區域的慢行條件，可以綜合研究小城鎮內部的慢行體系；圍合度和開敞度指標描述對應區域的街道高寬比、圍合感等特征，對于引導商業布局和塑造街道活力氛圍具有指導意義。城鎮局部節點分析總結見表3。

表3 城鎮局部節點分析總結Tab.3 analysis and summary of local nodes in the city

圖13 基于街景圖片場景語義識別的公共空間要素識別Fig.13 public space element recognition based on semantic recognition of street scene picture scene

圖14 基于街景圖片場景語義識別的公共空間質量評價Fig.14 public space quality evaluation based on semantic recognition of street view picture scenes

4 結語

本研究屬于“交互城市”（urban interaction）模型項目的系列成果，是為模型整體目標體系收集定制依據的工具研究。小城鎮是當前和未來一段時間城鄉規劃的工作重點，合理利用規劃分析技術可以輔助小城鎮的規劃編制工作，為小城鎮的高速發展打好基礎。本文以小城鎮的發展現狀和現實需要為依據，梳理了現有的技術手段，結合公眾參與，提出了一種基于開放數據的小城鎮整體現狀分析體系，其特點包括：

第一，針對現狀小城鎮存在的普遍問題，分別設置了不同的數據獲取和分析工具，包括空間結構、產業發展、業態布局、交通服務和景觀環境對目標小城鎮進行綜合診斷，并提出更新提升建議。

第二，結合規劃更新實務工作的現實需要，在不同的尺度層級總結整合了現有的技術手段，厘清了分析體系，提升了工具的輔助分析能力，同時規避了數據有偏性帶來的偏差。

圖表來源：

圖1-12、14：作者繪制

圖13：根據百度地圖繪制

表1-3：作者繪制