基于百度热力图的兰州市中心城区空间结构研究

董鹏程，刘晓慧

（1.兰州交通大学 建筑城市规划学院；2.兰州交通大学 艺术设计学院）

1 引言

百度公司在2011年新推出的一款以现代智能手机用户在使用百度相关搜索引擎或具有定位地理位置信息的手机百度软件为基础的百度热力图数据产品，通过空间定位聚集方式以不同的色块及亮度动态反映研究区域内城市人口空间聚集程度，从而表征出研究区域内城市人口实时的空间聚集程度及空间差异。该数据产品在推出之初是为用户在节假日出游提供决策的智能工具，深受广大用户的喜爱[1]。此外，作为一个基于手机用户地理位置的大数据新应用，百度热力图在不同专业领域内的研究价值也在被持续地挖掘和开发[2]。相较于依赖传统人口普查数据或问卷调查的研究方法，百度热力图数据在城市规划领域的逐渐应用研究弥补了传统统计数据的时效性或动态性不足等问题。同时，由于百度热力图是用户使用百度产品时后台记录的数据轨迹，从这一角度来讲，是城市人口在日常生活中无意识的规划参与，研究百度热力图数据所呈现的实际空间与城市空间规划的耦合程度，也是一种将自下而上的决策机制与自上而下的决策机制相结合的研究方式[3]。

因此，基于百度热力图所带有的实时人口空间分布数据，研究检测其不同时段、不同中心城市区域的实际空间使用情况，通过对比与兰州第四版城市空间规划实施的耦合度，为兰州市城市中心区空间优化提供实时的动态依据。

2 研究对象与数据来源

2.1 研究对象

本研究对象为兰州市中心城区，即为兰州市区行政辖区内的城关、七里河、安宁、西固四区的部分地区，以及榆中县的和平镇、定远镇和皋兰县的九合镇的部分地区，面积688.9km2[4]，形成“一河，三城，六组团”的空间格局,如图1所示。

图1 第四版兰州市中心城区空间结构规划

2.2 数据来源与处理

随机对2018年7月21—7月23日连续3天7:00～23:33期间的百度热力图数据进行爬取，爬取时间间隔约为33min，作为本研究的基础数据。以ArcGIS 10.2中模型建构器为主要处理工具，以WGS_1984_UTM_Zone_48N为投影坐标系，进行坐标转换及投影校正，再根据兰州中心城区的百度地图中的以城关区中庆阳路、南冰河东路等为例的多条路线图进行批量地理配准链接，从而得到研究所需的百度热力图。采用热力度衡量热力图反映的密度情况，热力度越高表明人口在城市空间聚集程度较高。由此，将热力值大小按自然间断法进行重分类，将原有的热力值分为1～7级，其中，热力值为6～7级的定义为高热区，热力值4～5级的定义为次热区，高热区和次热区在一定程度上分别代表了城市内人群高度集中的区域和较为集中的区域，高热区和次热区的面积越大反映城市人群的的聚集程度越高，也进一步表征了城市空间的实际使用强度越高，反之，则反映城市人群的离散程度较高，城市实际空间使用强度较低，3天处理结果如图2所示。

图2 兰州市中心城区3天平均百度热力图

3 城市热力度空间分布分析

3.1 休息日不同热力度区域面积随时间变化情况

根据众多学者的研究，城市人口的空间聚集在一定程度上呈现以周为基本单位的活动规律，并且休息日（周六和周日）及工作日（周一至周五）的城市人口空间聚集表现出一定程度的差异性，由此，为进一步刻画兰州中心城区城市空间功能实际使用强度，以2018年7月21日（周六）热力图数据为例（周日与周六的人群聚集活动相对相似），采用ArcGIS 10.2工具将兰州市中心城区进行栅格单元划分，通过栅格计算器工具，将一天中每个单元的数据热力值进行平均值和计算[5]，平均值计算公式为：

式中，Hi为单元的整日平均热力度；Hix为单元i在x时刻的热力度数值，其中，x=7:00、7:33、8:08、8:24、9:17、…、23:32；i=1、2、3、…、n。计算结果如图3所示。

由图3可知，在休息日(7月21日)7:00～23:32的研究时段内，从整体变化趋势方面，兰州市中心城区的城市高热区和次热区的面积随着时间的变化有着明显的波动，其中，高热区波动轨迹最为明显，城市人口早上的空间聚集程度波动明显，且整体波动幅度略低于晚间，城市人口的空间集聚热力值在13:17～14:25之间出现较大的差值，且在9:51～10:59和20:40～21:50时段高热区与次热区面积占比同时增加达到峰值。从具体时段来看，高热区面积占比在7:00～14:25时段之间波动频繁且在13:51时间点达到最低值，而后在14:25～20:40时段内形成大约持续6h15min的相对稳定期，随后在21:15时刻达到一天的峰值；与高热区不同，次热区在7:00～10:59时段内经历2次小波峰且在10:59～20:40时段内形成持续长达8h以上的稳定期，随后在21:15时刻达到一天的峰值且与高热区峰值极为相近。

3.2 休息日城市高热区的空间分布

图3 休息日（7月21日）高热区和次热区面积变化

城市高热区作为城市中人口空间集中度最高的区域，在一定程度上表征了城市空间结构中人口聚集的重要节点。为了进一步探究城市人口在城市中的空间聚集特征，结合第四版兰州城市空间结构规划与经赋值的兰州市中心城区休息日百度热力图，对比高热区的地理分布特征进行考察，结合图1，兰州市中心城区休息日范围内高热力区域按照面积大小依次集中在城关中心区、七里河中心区、东岗中心区、雁滩中心区、西固中心区。

通过考察兰州第四版城市总体规划的城市功能可知，上述高热力区具有较强的行政办公、商业金融及文化娱乐功能，尤其在城关中心区，还包含了相对较多的医疗卫生、教育科研、体育设施、交通设施及文物古迹用地，集多功能于一身的城关中心区因此也成为整日高热力面积分布最大的区域。特别的是，从高热力分布持续时间长短来看，位于城关中心区的兰州火车站及七里河区的兰州西站成为高热力持续时间最长，面积变化最小的区域，综合交通集中是其保持稳定的主要原因。由此可见，休息日兰州市中心城区的主要城市人口集聚空间分布集中于商业、娱乐、购物及休闲等区域，表征了商业娱乐区域是城市人口高强度聚集的主要原因。

3.3 工作日不同热力度区域面积随时间变化情况

相较于休息日，工作日的热力值数据分析结果呈现出更强的相似性，在此以7月23日数据处理结果为例（见图4），分析工作日兰州中心城区城市空间实际使用强度的变化特点。

从图4可以得出，工作日（7月23日）的高热区与次热区的面积变化在7:33～8:07、8:07～8:40和9:14～10:23时段内出现3次显著增幅，推测在前2h段为上班早高峰时间城市人口从居住区向商务办公区等岗位密集区域进行大量聚集，在第3个时段为商业服务区等岗位密集区进行再一次聚集，表征了在工作日，岗位密集区域所能达到的城市人口聚集程度高于居住区。高热区与次热区的面积大约自 12:05～13:48和 14:57～18:56期间为工作日相对平稳的时段，并在18:56～19:30期间达到工作日的第二波峰，随之在20:05～21:14出现最高峰。由此，在工作日，受到工作时间的影响，高热区和次热区面积达到峰值的时段耦合程度相对较高。在工作日，城市人口集聚度首先由于工作性质的不同从居住区域向工作区域集中出现2次显著提升，随后在晚间受到休闲消费人群向餐饮、娱乐等休闲区域集中的影响出现新的2次提升并达到整日的峰值，在城关中心区最为显著，表现出城关中心区集多功能于一体的对城市人口具有强大的空间吸引。

3.4 工作日城市高热区的空间分布

图4 工作日（7月23日）高热区和次热区面积变化

结合图1与图2，兰州市中心城区工作日范围内高热力区域按照面积大小依次集中在城关中心区、东岗-雁滩中心区、七里河中心区、安宁中心区、西固中心区。可以看到，在工作日，城市人口的空间集聚在各空间功能区呈现出彼此联系程度相较于休息日高且相对均匀，但空间分布除了安宁中心区出现一定程度的空间聚集，城关中心区及其他中心区的城市人口空间分布与休息日并与明显差异，表征了商务办公及休闲娱乐区域对城市人口的聚集程度高于休息日，且传统的商业、娱乐及医疗等区域呈现出强大的吸引力。

3.5 规划空间与实际空间的比较

通过将上述休息日和工作日时段的热力图数据分析结果与兰州中心城区空间结构规划图进行比较可以发现，休息日或工作日表征的实际空间与第四版兰州市中心城区的规划空间均呈现出相对较高的相似性，一定程度上反映出第四版兰州市城市总体规划实施程度与实际建设耦合度较高，基本符合“一河、三城、六组团”的空间结构规划。从百度热力图呈现的结果来看，城关城区承担的城市职能远大于其他城区，且城关中心区承担的城市职能远高于雁滩片区和东岗片区，从地理位置来看，安宁-七里河城区对于城关城区的面临的各项压力缓解效果相对较低，城关单一中心的现象依旧存在。而规划设计的安宁-七里河城区实际更倾向于七里河中心区，实际空间与规划空间存在较大的差异，对此，兰州城市今后的建设与发展中心应当在安宁-七里河城区，加强2个城区的各项联系，优化城区空间，提升城区内各项功能区域的吸引力，才能逐渐缓解城关单一中心的现状。

4 结语

本研究利用大数据技术对兰州市中心城区空间结构分析的探索，在百度热力图数据的处理分析及方法上还有诸多的不成熟之处，相较于传统兰州城市空间结构研究方法，百度热力图提供了一种集动态的、易获取的、海量的等特征于一体的研究方法，为城市规划更加“智慧”实施建设和发展提供支有力的技术支撑。当然，大数据技术应用研究依旧存在一定的缺陷，但在城市研究和城市规划领域将发挥越来越重要的作用。