基于多源數(shù)據(jù)的城市內(nèi)部空間交互特征:以福州市主城區(qū)為例

真詩(shī)泳, 林欽賢, 張露丹, 李嘉政, 林玉英, 陳誠(chéng), 潘自寶, 胡喜生*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院, 福州 350108; 2.福建師范大學(xué)旅游學(xué)院, 福州 350117; 3.平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)交通與建設(shè)局, 平潭 350499)

不同功能區(qū)相互組合形成了城市的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu),作為城市人群活動(dòng)的基本空間單元,城市功能區(qū)是城市規(guī)劃、管理中的重點(diǎn)問(wèn)題。人群在不同功能區(qū)中的流動(dòng)行為體現(xiàn)了地理空間要素之間的交互關(guān)系[1],并潛在地反映了城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源分配等狀況[2]。對(duì)城市劃分不同功能區(qū)并分析其在城市空間內(nèi)的地位以及人群在不同功能區(qū)間的流動(dòng)狀態(tài),能夠反映城市熱點(diǎn)功能區(qū)域的時(shí)空分布,并為城市交通管理、公共交通規(guī)劃提供參考,從而提高城市的管理水平和治理能力。

在信息化的推動(dòng)下,城市內(nèi)部空間可以看作是一個(gè)由人和空間要素構(gòu)成的高速“流動(dòng)空間”[3],這種人群在不同地理空間中進(jìn)行移動(dòng)和信息交換的行為也被稱(chēng)為空間交互[4-5]?！傲鲃?dòng)空間”是地理學(xué)和城市規(guī)劃學(xué)中的重要研究范式,其核心在于通過(guò)分析城市內(nèi)部“流”形成的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6],來(lái)揭示城市空間中的潛在問(wèn)題。隨著信息科學(xué)的發(fā)展,手機(jī)信令、軌跡數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)被廣泛運(yùn)用到來(lái)描述“人流”行為中[7-9]。傳統(tǒng)的人流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比,交通大數(shù)據(jù)能夠提供小尺度空間內(nèi)的流動(dòng)信息[10],這為研究城市居民的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征提供了幫助[11]。目前,利用交通大數(shù)據(jù)與城市空間結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的研究主要包括通勤人群的職住區(qū)位及行為感知[12-13]、居民活動(dòng)空間及都市圈層級(jí)劃分[14]、城市公共服務(wù)設(shè)施可達(dá)性分析[15-16]等方面。然而,這些研究側(cè)重于探討單一空間結(jié)構(gòu)的分布模式,缺少對(duì)空間結(jié)構(gòu)之間的功能聯(lián)系關(guān)系的關(guān)注。

城市內(nèi)部因經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)分化等因素的影響,會(huì)出現(xiàn)商業(yè)、居住、公共等功能分區(qū)[17],作為表征城市形態(tài)的和人群出行活動(dòng)的基本空間單元,功能區(qū)與人群流動(dòng)的研究熱點(diǎn)主要包括出行時(shí)空分布特征[18-19]、出行熱點(diǎn)[20]、功能區(qū)域 對(duì)人群出行的影響[21]等方面。如利用多源數(shù)據(jù)對(duì)城市功能區(qū)及識(shí)別,研究發(fā)現(xiàn)功能區(qū)在時(shí)空因素的影響下會(huì)影響人群出行的活力[22-25];通過(guò)分析人群在不同功能區(qū)之間出行的時(shí)序空間特征,研究城市人群在不同功能區(qū)之間集散模式[26-27];通過(guò)社交媒體數(shù)據(jù)和POI(point of interests)數(shù)據(jù)對(duì)城市功能空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)功能布局會(huì)決定城市空間結(jié)構(gòu)和人類(lèi)的社會(huì)活動(dòng)狀態(tài)[28];對(duì)城市功能區(qū)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行地理識(shí)別[29-30]等。目前對(duì)于功能區(qū)視角下的人流聯(lián)系研究,通常聚焦于時(shí)空尺度下的人群聚集特征及影響關(guān)系等方面,卻忽略了人流交互網(wǎng)絡(luò)所反映出的城市功能區(qū)地位格局及組團(tuán)特征,城市功能區(qū)的地位格局可以為探究城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)提供新的視角,并服務(wù)于城市交通規(guī)劃及管理。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)于挖掘流動(dòng)空間中各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征、重要性地位等信息[31-32],因此以信息流、人流、貨流等要素流為研究對(duì)象,對(duì)較大尺度(如城際、省際)下的流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系已獲得了較廣泛的應(yīng)用[33-36]。由于傳統(tǒng)的OD(origin, destination)調(diào)查數(shù)據(jù)樣本少且成本高,難以刻畫(huà)城市內(nèi)部功能布局以及空間交互的總體特征,而遷徙大數(shù)據(jù)、人口普查大數(shù)據(jù)等均是對(duì)地級(jí)市及以上的統(tǒng)計(jì)信息,導(dǎo)致以往基于大數(shù)據(jù)對(duì)城市內(nèi)部功能進(jìn)行識(shí)別并探討不同分區(qū)之間的空間交互關(guān)系的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

《2021年度中國(guó)城市交通報(bào)告》顯示,福州市擁堵程度在全國(guó)排名前列,福州市委市政府為緩解城市擁堵,著力開(kāi)展了治理城區(qū)交通擁堵專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)。鑒于此,以福州市主城區(qū)為研究區(qū),以交通小區(qū)為分析單元,利用POI數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行功能區(qū)劃分,進(jìn)一步挖掘手機(jī)信令大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的居民出行信息,對(duì)城市內(nèi)部空間交互進(jìn)行量化表達(dá),分析城市交通小區(qū)之間的空間交互格局;同時(shí),采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法,對(duì)功能區(qū)在空間交互活動(dòng)中的活躍度和網(wǎng)絡(luò)地位進(jìn)行評(píng)價(jià);挖掘功能區(qū)之間的出行距離衰減特征。以期為福州市城市公共交通優(yōu)化和治理能力的提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 研究區(qū)域

福州市是福建省省會(huì),位于中國(guó)東南沿海,下轄6區(qū)、6縣及1個(gè)縣級(jí)市,是粵閩浙沿海城市群的中心城市,2021年福州市常住人口約842 萬(wàn),地區(qū)生產(chǎn)總值11 324 億元,人均地區(qū)生產(chǎn)總值 135 298 元?！陡Ｖ莩鞘芯C合交通規(guī)劃(2020—2035年)》指出福州市交通現(xiàn)狀仍存在問(wèn)題,如公交優(yōu)先體系不夠完善,公共交通吸引力不足。同時(shí)福州都市圈作為國(guó)家級(jí)都市圈,以福州市主城區(qū)為核心區(qū)所服務(wù)的人口也將逐漸提高,將對(duì)福州市城市公共交通系統(tǒng)提出更高的要求。因此,本研究以福州市主城區(qū)平原地帶作為研究區(qū)域,包括鼓樓區(qū)、臺(tái)江區(qū)、倉(cāng)山區(qū),以及晉安區(qū)、馬尾區(qū)、閩侯縣的部分行政地界(圖1),是福州市都市圈規(guī)劃中劃定的核心區(qū)域,也是福州市境內(nèi)人口密集度較高的區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 手機(jī)信令數(shù)據(jù)

采用2018年12月10—16日一周內(nèi)的福州市移動(dòng)用戶(hù)手機(jī)信令數(shù)據(jù),原始數(shù)據(jù)記錄了包括用戶(hù)ID、基站位置ID、時(shí)間、事件類(lèi)型(如開(kāi)機(jī)、通話、切換基站等)、位置坐標(biāo)等信息。對(duì)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理后,進(jìn)行用戶(hù)出行鏈識(shí)別,處理流程如下:①選取夜間

圖1 福州市主城區(qū)區(qū)位及交通小區(qū)概況Fig.1 The location of the main urban area of Fuzhou city and traffic zone

(00:00—05:00)里,在相同基站位置的停留時(shí)間在1 h以上且不少于4 d記錄的手機(jī)用戶(hù)為研究對(duì)象,識(shí)別手機(jī)用戶(hù)的居住地的停留;②識(shí)別用戶(hù)在一天內(nèi)停留時(shí)間大于等于60 min的基站位置,作為一天內(nèi)用戶(hù)出行鏈中的停留點(diǎn),將兩個(gè)相鄰的停留點(diǎn)之間的記錄視為一次出行;③從市交通部門(mén)收集了福州市交通小區(qū)地圖(圖1),在研究區(qū)域內(nèi)共計(jì)1 040個(gè)交通小區(qū),交通小區(qū)為街道社區(qū)或用地屬性相近的地塊,將手機(jī)用戶(hù)一天出行軌跡數(shù)據(jù)中的出發(fā)地和目的地匹配至對(duì)應(yīng)小區(qū),得到用戶(hù)在交通小區(qū)之間的出行OD矩陣,最終識(shí)別出了225 萬(wàn)個(gè)居民用戶(hù)的一周的出行數(shù)據(jù)。

1.2.2 POI數(shù)據(jù)

在高德地圖開(kāi)放平臺(tái)(lbs.amap.com)上,利用python爬蟲(chóng)技術(shù)獲取了研究區(qū)域內(nèi)的POI數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和重復(fù)點(diǎn)篩除后,共計(jì)168 536 個(gè),POI種類(lèi)包括餐飲服務(wù)、購(gòu)物服務(wù)、商務(wù)住宅、地名地址信息、政府機(jī)構(gòu)及社會(huì)團(tuán)體科教文化服務(wù)等,本研究根據(jù)城市功能區(qū)種類(lèi)將POI數(shù)據(jù)歸類(lèi)為6大類(lèi),如表1所示。

表1 POI分類(lèi)結(jié)果Table 1 The classification results of POI data

1.3 研究方法

1.3.1 功能區(qū)識(shí)別

交通小區(qū)將城市劃分成了眾多面積不等的地塊,為了了解小區(qū)在城市中的功能定位以及區(qū)域內(nèi)主要的活動(dòng)人群,對(duì)交通小區(qū)進(jìn)行功能區(qū)識(shí)別[18]。首先計(jì)算功能區(qū)POI的密度指數(shù)Pi,j,計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:i指交通小區(qū)i;j指第j類(lèi)POI;Pi,j為小區(qū)i中第j類(lèi)POI的密度指數(shù);Qi,j為小區(qū)i中第j類(lèi)POI的數(shù)量;Ai為小區(qū)i的面積。

通過(guò)POI分類(lèi)結(jié)果可知各類(lèi)型POI的數(shù)量差異較大,如商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施的POI數(shù)量幾乎遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型POI,為了消除POI數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)差異對(duì)功能區(qū)識(shí)別結(jié)果的影響,對(duì)POI密度指數(shù)進(jìn)行min-max標(biāo)準(zhǔn)化處理,公式為

(2)

式(2)中:Pnor,(i,j)為小區(qū)i第j類(lèi)POI標(biāo)準(zhǔn)化后的密度指數(shù);Pmin,j為第j類(lèi)POI的密度指數(shù)最小值;Pmax,j為第j類(lèi)POI的密度指數(shù)最大值。

最后通過(guò)計(jì)算小區(qū)內(nèi)各類(lèi)POI的頻率密度Fi,j,來(lái)判斷小區(qū)的功能類(lèi)型,計(jì)算公式為

(3)

式(3)中:Fi,j為小區(qū)i中第j類(lèi)POI的頻率密度;Pnor,(i,j)為小區(qū)i第j類(lèi)POI標(biāo)準(zhǔn)化后的密度指數(shù);∑jPnor,(i,j)為小區(qū)i中各類(lèi)POI標(biāo)準(zhǔn)化密度指數(shù)之和。

最終,若小區(qū)內(nèi)某一類(lèi)POI的頻率密度>50%時(shí),則將其識(shí)別為單一功能區(qū);若小區(qū)內(nèi)有兩類(lèi)頻率密度值較高的POI處在20%～50%時(shí),則識(shí)別該小區(qū)為這兩類(lèi)POI的混合功能區(qū);若某小區(qū)內(nèi)有兩類(lèi)以上POI的頻率密度在20%～50%且包含所有POI類(lèi)型,則識(shí)別為綜合功能區(qū)。當(dāng)小區(qū)內(nèi)存在各類(lèi)POI數(shù)量均為0時(shí),識(shí)別為無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域。

1.3.2 空間交互強(qiáng)度

交通小區(qū)之間的空間交互強(qiáng)度能夠反映著居民在不同地域間的出行流動(dòng)情況,是判斷區(qū)域人流活力和影響力的指標(biāo),將小區(qū)間相互出行的發(fā)生次數(shù)之和定義為小區(qū)間的交互強(qiáng)度S,表達(dá)式為

S=Sij+Sji

(4)

式(4)中:Sij為由小區(qū)i至小區(qū)j發(fā)生的出行次數(shù);Sji為由小區(qū)j至小區(qū)i發(fā)生的出行次數(shù)。

1.3.3 網(wǎng)絡(luò)中心性指標(biāo)

(1)加權(quán)度中心性。加權(quán)度中心性表現(xiàn)了功能區(qū)在空間交互中的活躍度和重要性,它代表了功能區(qū)在一天內(nèi)與空間內(nèi)其他功能區(qū)之間產(chǎn)生的交互總次數(shù),由加權(quán)入度和加權(quán)出度組成。計(jì)算公式為

(5)

(6)

W(i)=Win(i)+Wout(i)

(7)

式中:W(i)為加權(quán)度中心性;Win(i)為加權(quán)入度;Wout(i)為加權(quán)出度;Ni為與小區(qū)i有產(chǎn)生空間交互記錄的小區(qū)的集合;δji為由j小區(qū)至i小區(qū)產(chǎn)生的出行次數(shù);δij為由i小區(qū)至j小區(qū)產(chǎn)生的出行次數(shù)。

(2) PageRank中心性。PageRank算法是由Google提出的一種網(wǎng)頁(yè)排序算法,目前已被廣泛運(yùn)用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析中,它反映了節(jié)點(diǎn)是否與網(wǎng)絡(luò)中的其他重要節(jié)點(diǎn)有緊密的聯(lián)系,本研究利用PageRank中心性指標(biāo)評(píng)價(jià)福州市主城區(qū)各類(lèi)型功能區(qū)在空間交互網(wǎng)絡(luò)分析中的網(wǎng)絡(luò)地位。

1.3.4 空間交互距離衰減效應(yīng)

距離衰減效應(yīng)是指交互強(qiáng)度隨著距離的遞增而減弱的現(xiàn)象,目前常用的距離衰減函數(shù)包括冪律型和指數(shù)型,本研究將采用指數(shù)型衰減函數(shù)進(jìn)行擬合,具體公式為

f(d)=αe-βd,β>0

(8)

式(8)中:α為振幅;β為距離衰減系數(shù);d為距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 福州市主城區(qū)功能分區(qū)識(shí)別

利用式(1)～式(3),對(duì)交通小區(qū)進(jìn)行功能區(qū)識(shí)別,共識(shí)別出公共用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、居住用地、工業(yè)用地、科教文化用地及綠地景點(diǎn)用地六類(lèi)單一功能區(qū)、15類(lèi)混合功能區(qū)及綜合功能區(qū)和無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域(圖2)。

研究區(qū)內(nèi)共識(shí)別出單一功能區(qū)、混合功能區(qū)、綜合功能區(qū)及無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域共280 個(gè)、668 個(gè)、83 個(gè)、9 個(gè),混合功能用地偏多。其中,以公共及居住相關(guān)類(lèi)型用地為主,兩者合計(jì)約占研究區(qū)域總面積的64%。居住類(lèi)型相關(guān)功能區(qū)在空間上分布最廣,約占據(jù)了研究區(qū)域總面積的36%,其中“居住-公共”“居住-商服”是分布較多的混合功能區(qū)類(lèi)型;公共服務(wù)單一功能區(qū)主要為醫(yī)院、交通樞紐、政府機(jī)構(gòu)等公共設(shè)施場(chǎng)所,公共服務(wù)相關(guān)類(lèi)型功能區(qū)占據(jù)了研究區(qū)域總面積的39%;科教文化單一功能區(qū)以大中專(zhuān)院校和研究機(jī)構(gòu)為主,在倉(cāng)山區(qū)、閩侯片區(qū)和晉安城區(qū)內(nèi)分布較多,與科教文化功能混合的功能類(lèi)型主要有公共功能和居住功能;商業(yè)服務(wù)業(yè)單一功能區(qū)在空間上分布較少,主要為各區(qū)域內(nèi)的成熟商業(yè)服務(wù)業(yè)中心。盡管商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施的POI數(shù)量較多,但經(jīng)過(guò)POI密度指數(shù)歸一化處理后,大部分小區(qū)的“商服”功能會(huì)與其他功能類(lèi)型相結(jié)合成為混合功能區(qū),其中“公共-商服”“工業(yè)-商服”是主要的混合功能區(qū)類(lèi)型,兩者共占到了研究區(qū)域總面積的10.2%;工業(yè)類(lèi)型功能區(qū)主要分布在倉(cāng)山、鼓樓、晉安、馬尾等區(qū)的工業(yè)和產(chǎn)業(yè)園基地,在空間上通常連片分布,工業(yè)類(lèi)型混合功能區(qū)以“工業(yè)-公共”“工業(yè)-商服”為主;綠地景點(diǎn)單一功能區(qū)以公園、景區(qū)為主,主要集中在鼓樓區(qū)和晉安區(qū),約占研究區(qū)域總面積的5%,綠地功能主要與公共功能混合;綜合功能區(qū)是功能體系較為完善的小區(qū),約占研究區(qū)域總面積的9%,不同區(qū)位的綜合功能區(qū)內(nèi)部所承擔(dān)的主要功能類(lèi)型有所不同,如臺(tái)江、晉安、馬尾內(nèi)的綜合功能區(qū)多依托于“商服”中心或居住集中地,鼓樓、倉(cāng)山兩區(qū)的綜合功能區(qū)則多以公共功能為主體;無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)主要位于城市的未開(kāi)發(fā)地或遠(yuǎn)郊。

圖2 城市功能區(qū)空間分布Fig.2 Spatial distribution of urban functional areas

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各類(lèi)型功能及綜合功能區(qū)在各行政區(qū)域中的出現(xiàn)頻次(圖 3)?？梢钥闯?鼓樓區(qū)的公共服務(wù)功能的出現(xiàn)頻次較區(qū)域內(nèi)其他功能類(lèi)型明顯更高,共有113 個(gè)功能區(qū)具有公共服務(wù)屬性;其次,鼓樓區(qū)的科教文化功能的出現(xiàn)頻次在各行政區(qū)中位居前列。臺(tái)江區(qū)的商服、公共、居住三類(lèi)功能的出現(xiàn)頻次明顯偏高,是其他功能類(lèi)型的5～6倍,此外,臺(tái)江區(qū)與其他行政區(qū)相比出現(xiàn)了最多的綜合功能區(qū)。倉(cāng)山區(qū)由于較廣的行政地界,“商服”、科教文化、綠地景點(diǎn)、工業(yè)等功能的出現(xiàn)頻次相對(duì)均衡。晉安城區(qū)內(nèi)的城市功能區(qū)以居住功能和公共功能為主,同時(shí)“商服”功能的出現(xiàn)頻次較高。馬尾城區(qū)由于其港口屬性,工業(yè)功能區(qū)的出現(xiàn)頻次在區(qū)域內(nèi)僅次于居住功能。閩侯片區(qū)內(nèi)的功能區(qū)以居住功能居多,科教文化、公共服務(wù)、“商服”功能的出現(xiàn)頻次較為相近。

圖3 不同功能類(lèi)型的出現(xiàn)頻次Fig.3 Frequency of different functional types

2.2 福州市主城區(qū)空間交互強(qiáng)度分析

利用式(4)計(jì)算一周內(nèi)工作日及周末各交通小區(qū)之間的平均空間交互強(qiáng)度,將交互強(qiáng)度大于100的交互流線利用自然間斷法分成五個(gè)等級(jí)(圖4)。一周內(nèi)日均總交互流量從高到低依次為倉(cāng)山區(qū)(2 218 884 次)、晉安城區(qū)(1 508 036 次)、鼓樓區(qū)(1 468 575 次)臺(tái)江區(qū)(725 601次)、閩侯片區(qū)(582 441 次)、馬尾城區(qū)(338 317次)。從工作日和周末的對(duì)比來(lái)看,工作日各小區(qū)間的交互強(qiáng)度明顯強(qiáng)于周末,這表明在工作日內(nèi),人群在空間中的往來(lái)出行需求更高。在周末,可以發(fā)現(xiàn)空間中相鄰或鄰近的小區(qū)之間的高強(qiáng)度交互流線相對(duì)有所增加;鼓樓區(qū)及臺(tái)江區(qū)的內(nèi)部空間交互流線最為密集且強(qiáng)度相對(duì)較高,作為福州市的政治、經(jīng)濟(jì)中心,兩區(qū)無(wú)論在人流量還是區(qū)域人員活躍度都展現(xiàn)了較大的優(yōu)勢(shì)。倉(cāng)山區(qū)和晉安城區(qū)的空間交互格局則出現(xiàn)明顯的空間不平衡狀況,晉安城區(qū)東部遠(yuǎn)郊地區(qū)的空間交互流線遠(yuǎn)不及鄰近鼓樓、臺(tái)江的老城區(qū)密集,倉(cāng)山區(qū)的空間交互則主要集中在中西部的金山奧體片區(qū),東南部三江口片區(qū)的交通小區(qū)之間交互流線則普遍較為稀疏。馬尾城區(qū)內(nèi)部交通小區(qū)之間的交互強(qiáng)度較大,這說(shuō)明在人群在區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)量很大。閩侯片區(qū)內(nèi)部的存在較為突出的高強(qiáng)度交互流線,片區(qū)南部的空間交互流線較為稀疏。

圖4 交通小區(qū)區(qū)間平均空間交互強(qiáng)度Fig.4 Average spatial interaction strength among traffic zones

2.3 福州市主城區(qū)功能區(qū)中心性評(píng)價(jià)

2.3.1 加權(quán)度中心性評(píng)價(jià)

為了比較不同行政區(qū)域內(nèi)各功能區(qū)在空間交互中的活躍度和在跨行政區(qū)域空間交互中的地位,結(jié)合一周內(nèi)各天的出行OD數(shù)據(jù),利用式(6)～式(8)度量了工作日及周末下各類(lèi)型功能區(qū)的加權(quán)度中心性的平均值以及跨行政區(qū)域交互比例(圖5)。

鼓樓區(qū)軟件園片區(qū)的“居住-工業(yè)”類(lèi)型功能區(qū)以及五四路周邊的“工業(yè)-公共”功能區(qū)是該區(qū)內(nèi)工作日平均加權(quán)度中心性最高的功能區(qū);在周末,鼓樓區(qū)功能區(qū)的加權(quán)度中心性整體有所下降,但東街口片區(qū)附近的“商服”及綠地景點(diǎn)功能區(qū)則相反呈上升趨勢(shì),并且大部分功能區(qū)的跨行政區(qū)交互比例均有所上升,這說(shuō)明鼓樓區(qū)在周末吸引輻射區(qū)外人群的能力更強(qiáng)。臺(tái)江區(qū)內(nèi)各類(lèi)型功能區(qū)的加權(quán)度中心性在一周內(nèi)均處于較高的水平,其中“商服”和“科教文化”相關(guān)功能區(qū)的地位最高;在周末,臺(tái)江區(qū)的商業(yè)服務(wù)業(yè)用地的中心性地位出現(xiàn)明顯提升;臺(tái)江區(qū)各功能區(qū)的跨區(qū)交互比例普遍較高,其中“工業(yè)-科教文化”的跨區(qū)交互比例更是高達(dá)60%,說(shuō)明臺(tái)江區(qū)是城市內(nèi)人群跨區(qū)域出行的集中地。倉(cāng)山區(qū)和晉安城區(qū)均呈現(xiàn)出了以“商服-科教文化”、綜合功能區(qū)為核心功能區(qū),以居住相關(guān)混合功能區(qū)為主體交互區(qū)域的空間交互模式,這表明“商業(yè)服物業(yè)+學(xué)校”類(lèi)型用地和綜合服務(wù)用地在城市中的輻射和吸引人群的作用是顯著的。馬尾城區(qū)的“商服”相關(guān)混合功能區(qū)和綜合功能區(qū)是人群聚散的熱點(diǎn)功能區(qū),對(duì)其他功能區(qū)形成了斷層式的優(yōu)勢(shì)。閩侯片區(qū)內(nèi)由大學(xué)構(gòu)成的科教文化用地是空間交互的優(yōu)勢(shì)功能區(qū),它所主要服務(wù)的大學(xué)生群體流動(dòng)性較強(qiáng)。

圖5 功能區(qū)加權(quán)度及跨區(qū)交互比例Fig.5 Weighted degree centrality and proportion of inter-district interactions of each functional areas

2.3.2 PageRank中心性評(píng)價(jià)

利用Gephi軟件內(nèi)置的PageRank算法對(duì)研究區(qū)內(nèi)各功能區(qū)的網(wǎng)絡(luò)地位進(jìn)行度量,并使用自然間斷法將PageRank值劃分成了5個(gè)等級(jí),工作日及周末的結(jié)果如圖6所示。

圖6 PageRank指標(biāo)空間分布Fig.6 Spatial distributions of PageRank index

從空間分布格局上看,PageRank值較高的功能區(qū)在鼓樓、臺(tái)江、晉安三區(qū)內(nèi)主要集中在二環(huán)線內(nèi)的核心區(qū),呈小范圍組團(tuán)現(xiàn)象。而在城市外圍的閩侯片區(qū)和馬尾城區(qū)內(nèi),PageRank值較高的功能區(qū)則有明顯的聚集特征,它們內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)功能區(qū)之間較強(qiáng)的空間交互量是其網(wǎng)絡(luò)地位較高的主要原因。周末PageRank值的分布格局與工作日差異不大,但PageRank高等級(jí)的功能區(qū)數(shù)量有所下降,說(shuō)明周末人群的出行熱點(diǎn)區(qū)域相對(duì)集中。

統(tǒng)計(jì)工作日和周末下,空間中各類(lèi)型功能區(qū)的PageRank均值及總和(表2)。在工作日,PageRank總和及平均值均較高的功能區(qū)類(lèi)型包括綜合功能區(qū)、“公共-商服”等,它們?cè)诮换ゾW(wǎng)絡(luò)中有較高的地位,而綠地景點(diǎn)相關(guān)功能區(qū)的總和及均值均較低,除部分著名綠地景點(diǎn)外,大部分綠地景點(diǎn)功能區(qū)在空間交互中的吸引和輻射能力明顯不如其他類(lèi)型功能區(qū)。在周末,“商業(yè)服務(wù)業(yè)”和“綠地景點(diǎn)”相關(guān)類(lèi)型功能區(qū)的PageRank中心性均有明顯提高,工業(yè)及公共相關(guān)類(lèi)型功能區(qū)的PageRank中心性則有所下降。此外,單一功能區(qū)的網(wǎng)絡(luò)地位普遍不及同類(lèi)型混合功能區(qū)。

表2 功能區(qū)PageRank指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistics of PageRank index of each functional areas

2.4 福州市主城區(qū)功能區(qū)交互距離衰減效應(yīng)分析

利用ArcGIS中的近鄰分析工具度量各功能區(qū)之間的歐氏距離,并統(tǒng)計(jì)空間中每公里內(nèi)發(fā)生的交互量,發(fā)現(xiàn)交互強(qiáng)度與距離呈指數(shù)遞減分布關(guān)系(圖7),可用式(8)進(jìn)行擬合并計(jì)算距離衰減系數(shù)β。

在工作日,居住用地相互之間的距離衰減效應(yīng)最為明顯,在2～3 km區(qū)間內(nèi)的累計(jì)交互比例即達(dá)到了90%;居住用地與科教文化用地、綠地景點(diǎn)累計(jì)交互比例達(dá)到90%的距離在3～4 km區(qū)間;居住用地與公共用地、工業(yè)用地、綜合功能區(qū)及商服用地之間累計(jì)交互比例達(dá)到90%的距離則均在5～6 km區(qū)間。在周末,居住用地與公共用地及工業(yè)用地的衰減系數(shù)增長(zhǎng)較為明顯,達(dá)到累計(jì)交互比例90%的距離區(qū)間縮短至4～5 km;而居住用地與“商服”用地及綠地景點(diǎn)的衰減系數(shù)則有所下降,居住用地與“商服”用地之間累計(jì)交互比例達(dá)到90%的距離區(qū)間延伸至了6～7 km。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了工作日及周末各類(lèi)型功能區(qū)在空間交互中作為出發(fā)地及目的地時(shí)的平均出行距離(圖8)?？梢钥闯?在“居住-工業(yè)”“工業(yè)-商服”和工業(yè)用地之間出現(xiàn)3個(gè)平均出行距離的峰值,且工作日明顯高于周末,平均出行距離均在2 km左右;在“居住-公共”、工業(yè)-公共和工業(yè)-科教文化之間出現(xiàn)谷值,且周末明顯低于工作日,平均出行距離在1.6 km左右。整體結(jié)果與距離衰減效應(yīng)結(jié)果相符。

圖7 不同功能區(qū)間空間交互的累計(jì)比例曲線Fig.7 Accumulative proportion curve of spatial interaction between different functional areas

圖8 各類(lèi)型功能區(qū)的平均出行距離Fig.8 Average travel distance of each functional areas

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究利用POI數(shù)據(jù)識(shí)別城市交通小區(qū)的功能區(qū)類(lèi)型,并采用手機(jī)信令數(shù)據(jù)對(duì)城市內(nèi)部人群在交通小區(qū)中的交互行為進(jìn)行量化,結(jié)合功能區(qū)識(shí)別結(jié)果和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法,對(duì)城市功能區(qū)的中心性地位及各類(lèi)型功能區(qū)之間空間交互的距離特征進(jìn)行了探究,得到以下主要結(jié)論。

(1)福州市主城區(qū)類(lèi)型的城市功能區(qū)以混合功能區(qū)為主,其中,公共和居住相關(guān)類(lèi)型功能區(qū)占比較大,共占研究區(qū)域總面積的64%。

(2)工作日各小區(qū)間的交互強(qiáng)度明顯高于周末。鼓樓區(qū)和臺(tái)江區(qū)人流活動(dòng)最為活躍;倉(cāng)山和晉安兩區(qū)內(nèi)部空間交互格局存在顯著的不平衡特征;馬尾城區(qū)與閩侯片區(qū)都存在內(nèi)部空間交互較為活躍的小區(qū)。

(3)功能區(qū)在空間交互中的中心性地位因區(qū)位和時(shí)間段的影響有所差異:如臺(tái)江區(qū)的“商服”相關(guān)功能區(qū)優(yōu)勢(shì)地位遠(yuǎn)高于其他行政區(qū)域的同類(lèi)型功能區(qū),工業(yè)相關(guān)類(lèi)型功能區(qū)的中心性地位在工作日及周末普遍存在較大的差異,科教文化類(lèi)型功能區(qū)是聚散區(qū)域內(nèi)人群的核心區(qū)域等。網(wǎng)絡(luò)地位較高的功能區(qū)類(lèi)型主要集中在二環(huán)線以?xún)?nèi),在城市外圍區(qū)域則有明顯的聚集現(xiàn)象。

(4)各類(lèi)型單一功能區(qū)在工作日與居住用地達(dá)到90%累計(jì)交互比例的距離從小到大依次為:居住用地>科教文化用地>綠地景點(diǎn)>公共用地>綜合功能區(qū)>工業(yè)用地>商服用地住用地;周末居住用地與公共用地及工業(yè)用地的衰減系數(shù)增長(zhǎng)較為明顯,而與“商服”用地、科教文化用地及綠地景點(diǎn)的衰減系數(shù)則有所下降;各類(lèi)型功能區(qū)在空間交互中產(chǎn)生的平均行程距離反映居住類(lèi)及公共服務(wù)類(lèi)功能區(qū)的距離普遍較短,“商服”類(lèi)、科教文化類(lèi)及綠地景點(diǎn)類(lèi)功能區(qū)的平均行程距離體現(xiàn)為較為明顯的周末增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

3.2 討論

通過(guò)分析福州市主城區(qū)的功能區(qū)分布情況,發(fā)現(xiàn)鼓樓區(qū)公共相關(guān)的功能區(qū)占比較高,而居住相關(guān)功能區(qū)占比相對(duì)較低;馬尾城區(qū)工業(yè)相關(guān)占比較高而居住相關(guān)占比較低,結(jié)合各類(lèi)型功能區(qū)的中心性地位及跨區(qū)域交互比例,可以推斷福州市主城區(qū)的鼓樓、馬尾等區(qū)域存在一定的職住分離現(xiàn)象,應(yīng)通過(guò)完善公共交通的方式達(dá)到職住平衡。受地域、時(shí)間段等的影響,功能區(qū)呈現(xiàn)出不同的空間交互格局和地位,在城市區(qū)域發(fā)展中,應(yīng)保持和發(fā)揮區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)功能區(qū)的輻射、吸引能力,形成多中心化的城市發(fā)展格局;同時(shí),可對(duì)不同行政區(qū)內(nèi)的熱點(diǎn)功能區(qū)域?qū)嵤┯嗅槍?duì)性的交通優(yōu)化政策,以提高城市的交通質(zhì)量和管理水平。還可參考居住用地與其他功能用地之間的距離衰減效應(yīng)以及各類(lèi)型功能區(qū)的平均行程距離,進(jìn)行相應(yīng)的交通系統(tǒng)優(yōu)化,對(duì)于出行距離分布較遠(yuǎn)的交互線路之間增加公共交通投入;而對(duì)于平均出行距離較低的功能區(qū)則增加設(shè)置騎行專(zhuān)用道,引導(dǎo)市民綠色出行,降低交通碳排放。

然而,本研究還存在一定的局限性,由于手機(jī)信令數(shù)據(jù)在描述人群出行目的方面存在空缺,導(dǎo)致混合功能區(qū)之間交互行為相對(duì)難以界定區(qū)分,未來(lái)應(yīng)融合多源大數(shù)據(jù),判斷功能區(qū)主要吸引和輻射的人群類(lèi)型以及人群的出行目標(biāo);此外,不同功能區(qū)在面積、地理位置等方面存在一定差異,未來(lái)還需要對(duì)各類(lèi)因素對(duì)功能區(qū)活躍度及網(wǎng)絡(luò)地位的影響進(jìn)行分析研究。