基于手機(jī)信令數(shù)據(jù)的北京市人口空間分布特征

王 淼 楊伯鋼 謝燕峰 陶季奇 郭燕賓 陳 娟

(1. 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

人口空間分布是人口地理學(xué)研究的重要領(lǐng)域[1]。研究城市人口空間分布,發(fā)現(xiàn)城市人口分布差異,對(duì)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)布局、建設(shè)規(guī)劃及城市的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。面對(duì)城市擴(kuò)張發(fā)展以及人口流動(dòng)不斷變化,獲取人口數(shù)據(jù)顯得尤為重要,傳統(tǒng)人口普查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)多以“年”作為時(shí)間尺度,更新時(shí)間過(guò)長(zhǎng),因此，以人口普查為手段的統(tǒng)計(jì)方法在迅速發(fā)展的城市里作用局限性較大。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨、信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及移動(dòng)電話(huà)的普及,各大運(yùn)營(yíng)商架設(shè)的手機(jī)基站所采集的大規(guī)模手機(jī)信令數(shù)據(jù)在軌跡數(shù)據(jù)挖掘、城市國(guó)土規(guī)劃和人口空間分布等研究領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[2]。相對(duì)于以往城市人口主要采用普查手段,手機(jī)信令基于基站定位是一種時(shí)空軌跡大數(shù)據(jù)[3],以“日”“月”“季度”等時(shí)間作為尺度,在區(qū)域-城市-區(qū)縣-街道各級(jí)尺度均有涉及,對(duì)人口晝夜活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)更新,是人口大數(shù)據(jù)天然采集器[4]。

在此基礎(chǔ)之上,本文以北京市為例,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道為研究尺度,利用手機(jī)信令月粒度人口數(shù)據(jù),分時(shí)分地區(qū)對(duì)北京市人口空間分布進(jìn)行分析研究。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究區(qū)域

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

手機(jī)信令數(shù)據(jù)來(lái)源于北京移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大電信運(yùn)營(yíng)商2019年9月整月數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量約30億條,包括用戶(hù)的唯一標(biāo)識(shí)碼、時(shí)間戳、位置更新、基站編號(hào)、歸屬地等信息[5]。

街道數(shù)據(jù)來(lái)自北京市地理國(guó)情常態(tài)化監(jiān)測(cè)(2019年)地理單元鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)成果。

1.2 研究區(qū)域

北京位于華北地區(qū),中心位置116°20′E、39°56′N(xiāo),東與天津毗連,其余均與河北相鄰[6],北京市總面積約1.64×104km2,北京市下轄16個(gè)市轄區(qū),327個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道(2019年)。

2 研究方法

2.1 研究思路

首先是數(shù)據(jù)預(yù)處理,根據(jù)數(shù)據(jù)需求和條件,逐一篩選記錄,剔除無(wú)法定位、信息缺失、數(shù)據(jù)不連續(xù)、難以識(shí)別等異常值,形成手機(jī)信令數(shù)據(jù)樣本[7];根據(jù)基站編號(hào)、時(shí)間戳,計(jì)算每條記錄對(duì)應(yīng)的空間位置;根據(jù)唯一標(biāo)識(shí),提取行動(dòng)軌跡和駐留點(diǎn)位信息;分類(lèi)分街道計(jì)算得到北京市鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道尺度下每天白天時(shí)段的白天服務(wù)用戶(hù)、白天工作用戶(hù)、白天過(guò)路用戶(hù)、每天夜晚時(shí)段的夜晚服務(wù)用戶(hù)、夜晚居住用戶(hù)、夜晚過(guò)路用戶(hù)6個(gè)不同口徑的服務(wù)用戶(hù)數(shù)據(jù);利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)與北京市區(qū)劃數(shù)據(jù)相結(jié)合,分析北京市人口空間分布及均衡性[8]。

2.2 數(shù)據(jù)口徑

(1)白天服務(wù)用戶(hù)：指每天白天時(shí)段(早上08:00:00—晚上09:00:00,城市人口活躍的時(shí)間段),在該區(qū)域出現(xiàn)的服務(wù)用戶(hù)的基礎(chǔ)上,排除掉路過(guò)該區(qū)域的用戶(hù),代表了該區(qū)域每天白天主要服務(wù)的人口。

(2)白天工作用戶(hù)：指每天白天時(shí)段,在該區(qū)域穩(wěn)定工作的用戶(hù)。

(3)白天過(guò)路用戶(hù)：指每天白天時(shí)段,路過(guò)該區(qū)域的用戶(hù),每次經(jīng)過(guò)不超過(guò)2 h。

(4)夜晚服務(wù)用戶(hù)：指每天夜晚時(shí)段(晚上09:00:00-次日上午08:00:00,城市人口休息的時(shí)間段),在該區(qū)域出現(xiàn)的服務(wù)用戶(hù)的基礎(chǔ)上,排除掉路過(guò)該區(qū)域的用戶(hù),代表了該區(qū)域每天夜晚主要服務(wù)的人口。

(5)夜晚居住用戶(hù)：指每天夜晚時(shí)段,在該區(qū)域穩(wěn)定居住的用戶(hù)。

(6)夜晚過(guò)路用戶(hù)：指每天夜晚時(shí)段,路過(guò)該區(qū)域的用戶(hù),每次經(jīng)過(guò)不超過(guò)2 h。

2.3 分析模型

北京市鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道數(shù)量多,可分析其用戶(hù)數(shù)量以及用戶(hù)密度分布規(guī)律。利用Excel表格對(duì)用戶(hù)數(shù)量以及用戶(hù)密度進(jìn)行正態(tài)分布密度函數(shù)[9]統(tǒng)計(jì)。

(1)

對(duì)數(shù)正態(tài)分布(log-normal distribution,LND)指隨機(jī)變量的對(duì)數(shù)符合正態(tài)分布[10]。它和正態(tài)分布的關(guān)系是：如果X是正態(tài)分布的隨機(jī)變量,則exp(X)為對(duì)數(shù)正態(tài)分布;同樣,如果Y是對(duì)數(shù)正態(tài)分布,則ln(Y)為正態(tài)分布。

對(duì)于x>0,對(duì)數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為

(2)

其中,α為變量x的對(duì)數(shù)平均值;β為變量x的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差[11]。

擬合曲線趨勢(shì)由于參數(shù)α和β的結(jié)果不同而不同,擬合趨勢(shì)主要有兩類(lèi)形狀,f(x)值隨著用戶(hù)的增加先增加然后下降,此類(lèi)形狀表明人口分布相對(duì)來(lái)說(shuō)更均衡,f(x)值隨著用戶(hù)的增加直接下降,此類(lèi)形狀表明人口分布相對(duì)更不均衡[12]。

3 結(jié)果分析

3.1 分街道人口空間分布

3.1.1不同口徑分街道人口數(shù)量分布

根據(jù)圖1可知,北京市分街道六個(gè)狀態(tài)用戶(hù)數(shù)量分布整體呈現(xiàn)集中在中心城區(qū)。白天服務(wù)用戶(hù)數(shù)量空間分布上主要聚集在首都功能核心區(qū)、中心城區(qū)以及新城靠近中心城區(qū)邊界,呈現(xiàn)由首都功能核心區(qū)往外擴(kuò)散態(tài)勢(shì);白天工作用戶(hù)數(shù)量空間分布上主要聚集在中心城區(qū)以及新城中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道,呈現(xiàn)區(qū)域重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道中心聚集態(tài)勢(shì);白天過(guò)路用戶(hù)數(shù)量空間分布上主要聚集在中心城區(qū)以及新城中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道,呈現(xiàn)中心聚攏態(tài)勢(shì);夜晚服務(wù)用戶(hù)數(shù)量空間分布上主要聚集在中心城區(qū)以及新城中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道,呈現(xiàn)區(qū)域重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道中心聚集態(tài)勢(shì);夜晚居住用戶(hù)數(shù)量空間分布上主要聚集在中心城區(qū)以及新城中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道,呈現(xiàn)區(qū)域重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道中心聚集態(tài)勢(shì);夜晚過(guò)路用戶(hù)數(shù)量空間分布上主要聚集在中心城區(qū)以及新城中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道,呈現(xiàn)區(qū)域重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道中心聚集態(tài)勢(shì)。

(a)白天服務(wù)用戶(hù)

(b)夜晚服務(wù)用戶(hù)

(c)白天工作用戶(hù)

(d)夜晚居住用戶(hù)

(e)白天過(guò)路用戶(hù)

(f)夜晚過(guò)路用戶(hù)[審圖號(hào)：京S(2017)009號(hào)]圖1 北京市分鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道6個(gè)不同口徑的用戶(hù)數(shù)量分布圖

3.1.2 不同口徑分街道人口密度分布

根據(jù)圖2可知,北京市分街道六個(gè)狀態(tài)用戶(hù)密度空間分布集中在中心城區(qū),由首都功能核心區(qū)向外輻射呈現(xiàn)。白天和晚上服務(wù)用戶(hù)密度空間分布上主要聚集在朝陽(yáng)區(qū)以及首都功能核心區(qū)的商務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū),整體分布環(huán)繞在中心城區(qū)中;白天工作用戶(hù)密度空間分布在朝陽(yáng)區(qū)以及首都功能核心區(qū)的商務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)、海淀區(qū)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū),整體上呈現(xiàn)根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展而聚集態(tài)勢(shì);白天和晚上過(guò)路用戶(hù)密度空間分布上主要聚集在交通樞紐以及景區(qū)所在街道,整體上呈現(xiàn)根據(jù)旅游業(yè)發(fā)展而聚集態(tài)勢(shì);夜晚居住用戶(hù)密度空間分布上主要聚集在中心城區(qū)以及新城中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道,呈現(xiàn)區(qū)域重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道中心聚集態(tài)勢(shì)。

(a)白天服務(wù)用戶(hù)密度

(b)夜晚服務(wù)用戶(hù)密度

(c)白天工作用戶(hù)密度

(d)夜晚居住用戶(hù)密度

(e)白天過(guò)路用戶(hù)密度

(f)夜晚過(guò)路用戶(hù)密度[審圖號(hào)：京S(2017)009號(hào)]圖2 北京市分鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道6個(gè)不同口徑的用戶(hù)密度分布圖

3.2 分街道人口均衡性分析

計(jì)算北京市分區(qū)域6個(gè)不同口徑的用戶(hù)數(shù)量以及密度對(duì)數(shù)正態(tài)分布參數(shù)α和β結(jié)果,繪制出每個(gè)區(qū)域的對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合曲線,以觀察每個(gè)區(qū)域的用戶(hù)數(shù)量以及密度分布函數(shù)特征[13]。

3.2.1分街道人口數(shù)量均衡性分析

選取東城區(qū)、海淀區(qū)、通州區(qū)為例,分析各街道用戶(hù)數(shù)量分布特征,如圖3所示,白天服務(wù)用戶(hù)數(shù)量f(x)值隨著用戶(hù)數(shù)量的增加先增加后下降,區(qū)域用戶(hù)數(shù)量空間分布相對(duì)來(lái)說(shuō)均衡一些。門(mén)頭溝區(qū)街道用戶(hù)數(shù)量f(x)值隨著用戶(hù)數(shù)量的增加直接下降,區(qū)域用戶(hù)數(shù)量空間分布相對(duì)來(lái)說(shuō)不均衡。

圖3 東城、海淀、通州和門(mén)頭溝區(qū)各街道白天服務(wù)用戶(hù)數(shù)量結(jié)構(gòu)圖

3.2.2分街道人口密度均衡性分析

如圖4所示,東城區(qū)和海淀區(qū)用戶(hù)密度f(wàn)(x)值隨著用戶(hù)密度的增加先增加后下降,區(qū)域用戶(hù)密度空間分布相對(duì)來(lái)說(shuō)均衡一些。通州區(qū)和門(mén)頭溝區(qū)用戶(hù)密度f(wàn)(x)值隨著用戶(hù)密度的增加直接下降,區(qū)域用戶(hù)密度空間分布相對(duì)來(lái)說(shuō)不均衡。

圖4 東城、海淀、通州和門(mén)頭溝區(qū)各街道白天服務(wù)用戶(hù)密度圖

3.3 北京市職住用戶(hù)分析

采用白天工作用戶(hù)密度數(shù)據(jù)以及夜晚居住用戶(hù)密度數(shù)據(jù),計(jì)算其比值可知北京市整體職住用戶(hù)比較大[14],朝陽(yáng)區(qū)建外街道職住用戶(hù)比最大,其次是西城區(qū)金融街街道,昌平區(qū)東小口鎮(zhèn)最小,工作用戶(hù)的比重大于規(guī)劃值,存在就業(yè)功能空間外溢,居住功能空間緊張的現(xiàn)象,職住用戶(hù)分布不匹配。

[審圖號(hào)：京S(2017)009號(hào)]圖5 北京市鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度職住用戶(hù)比統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)手機(jī)信令用戶(hù)數(shù)據(jù)分析可知,北京市人口分布呈現(xiàn)出由首都功能核心區(qū)向中心城區(qū)和新城擴(kuò)散的態(tài)勢(shì),對(duì)于手機(jī)信令可分時(shí)段統(tǒng)計(jì)用戶(hù),呈現(xiàn)出人口密度分布并不平衡,中心城區(qū)和新城個(gè)別街道如盧溝橋街道、新橋街道、沙河地區(qū)等工作居住用戶(hù)遠(yuǎn)超于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道,人口聚集明顯。

北京市人口的特點(diǎn)是流動(dòng)性大、基數(shù)大和增長(zhǎng)迅速,人口分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度高度相關(guān)[15]。隨著中心城區(qū)以及新城的建設(shè),首都功能核心區(qū)的疏解,北京市人口會(huì)根據(jù)產(chǎn)業(yè)變動(dòng)發(fā)展而分布,促進(jìn)周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道產(chǎn)業(yè)發(fā)展,擴(kuò)大人口分布范圍,緩解因人口聚集帶來(lái)一系列城市壓力等問(wèn)題。