武汉中心城区城市空间结构特征研究

熊鹰，张坤，杨天浩 （长沙理工大学，湖南 长沙 410114）

1 基于大数据的城市空间结构研究

城市是人造的复杂系统，拥有复杂的社会属性和物理属性，城市内部人口实际分布和各类人群对城市功能区的实际使用情况等社会属性可以从本质上体现城市空间结构。目前我国许多学者都尝试运用手机信令、poi兴趣点、网络地图等大数据研究城市结构特征，并通过arcgis软件空间分析、地理探测器模型等方法实现了影响因素分析和机制探讨[1-3]。

目前，大数据在城市空间结构研究方面已有较好研究基础，但在此基础上增加新方法、新视野、新技术进行深入研究还很必要：首先对于武汉、重庆、西安等中西部大城市城市空间结构社会属性方面研究尚薄弱，而随着城市化进程加快，这些省会城市有着复杂的人口流动、功能分区建设和多中心发展趋势，空间结构愈加复杂，急需社会属性研究的指导[4]；同时目前相关研究多着重于长间隔、少量、固态的人口统计数据，少用实时、充分、动态的大数据进行研究[5]。

考虑到上述不足，本文依靠实时、充分、动态的百度地图热力图数据，将城市复杂的人口流动、多中心发展趋势和功能分区建设相结合，从本质上深究武汉中心城区空间结构特征。

2 研究对象与数据选择

2.1 研究范围

相比于广大的城郊结合部，中心城区具有明显的空间结构特征和社会属性，且拥有主要的区域功能中心和社会引领地位。因此研究范围选取为武汉中心城区。根据土地利用总体规划以及最新出台的相关规划报告，共包括江汉、汉阳、武昌、硚口、青山、洪山、江岸等7个主城区。

图1 武汉中心城区

2.2 数据选择

本文追踪2019年4月8日-14日（星期一至周末）武汉市人口热力图数据，并通过自编程序截取整点数据（共168份），以此作为研究的基础数据。

2.3 数据转换与赋值

首先对人口热力数据进行了坐标系定义，地理配准，投影栅格和矢量化处理。考虑到真实数据与人口热力图数据间有误差（基于巨大的用户量和普及度也仅能较精确的反映人群时空变化特征和分布趋势），因此本文着重研究人群分布及聚集的相对情况。同时，用热力度代表人口相对密度，对热力图中7种颜色（白、蓝、青、绿、黄、橙、红）依次进行1～7的热力度赋值，数值越大反映人口密度越大。其中1～3为低热区、4～5为次热区、6～7为高热区。

图2 人口热力图截取（4月8日）

3 城市热力度分布的时空变化

通过相关资料梳理和大量文献研究，结合武汉市现状，发现人群行动状况主要分周末及工作日两种，且相差较大、各具特点。因此在研究武汉市中心城区人群行动特征时，运用对比分析法深入探讨周末和工作日不同人群时空分布特征。

图3 矢量处理及数据转化后的热力数据（4-13-13：00）

3.1 工作日数据分析

周一至周五由于固定工作安排，人群行动状态和时空分布特征高度相似。其特征以周一（4月8日）人口热力数据为例：通过9点到23点经空间分析处理后的人口热力数据（15张）可以发现，各级人口热力度数量、空间位置、大小等都随时间变化而明显变动，具体特征如图4所示。

图4 周一数据矢量转换后的热力分级效果图

3.1.1 面积变化分析

由图5可见，周一次热、高热区面积9:00-10:00增幅较大，是工作人群早上从住宅区向各中心商业区和商务办公区快速集聚的体现，反映出上班高峰期为上午九点且工作人群为工作日人口流动的主力的特点。9点和23点次热、高热区面积相似，人群聚集在居住区休息，但集聚度低于11：00-17：00人群在中心商业区的集聚度。而集聚度在13：00最高，前后呈现先升后降趋势，这是休闲消费群体在工作人群聚集后进一步推动商业中心、休闲公园、餐饮区人口的聚集。下午17：00后聚集度加速下降，并随着人群聚集到商业中心、休闲公园、居住区形成另一个稳定聚集状态，直到22：00返回到居住区。同时高热区面积23：00高于9：00，说明繁华区域存在较强的夜间娱乐现象。而次热区9：00面积远高于23：00，反映出次繁荣地区23：00以后人群主要集中在居住区。

图5 次热、高热区面积变化折线图（周1）

3.1.2 城市高热区的空间分布

为更深入探讨中心城区城市功能空间利用情况，本文使用arcgis软件建立150mx150m的渔网覆盖整个城区，并使用区域分析、空间叠加分析等分析工具进行计算研究，最后计算各格网的整日数据（24个整点数据）平均值(1)。

u:单元i的整日平均热力度；Hix:单元i

在X点时刻的热力度；X=1，2，…，24;

i=1，2，…，n。

根据图6所示，周一连续高热区为：黄鹤楼、关山荷兰风情园、中山公园、街道口商圈、光谷广场、汉正街、楚河汉街、汉口站、中南路、武昌火车站等10处中心集聚点及周边区域。通过10处连续高热区主要城市功能发现，各中心聚集点均有发达的商务功能，是城市主副功能中心或区域综合性功能中心，辐射带动周边区域及整个城区发展。以商务为主导功能，兼备完善的旅游、休闲娱乐、交通等功能。如汉正街是区域的商务核心区，更是综合性的地区乃至全国金融中心。而街道口商圈汇聚了强大的电子、科技、新材料等企业，拥有良好的区位条件、政策优势。周一中心聚集点的功能特征反映出工作日人群聚集以商务办公为主，同时旅游餐饮、休闲娱乐也拥有较强的聚集功能。

图6 周一整日热力度平均值

3.2.周末数据分析

相关研究表明，周六、周日人群活动具有较强的相似性，所以为进一步分析周末相比工作日人群不同的活动特征，本文以周日(4月14日)为例，通过arcgis软件强大的空间分析、空间数据处理功能，探讨武汉市周末人口热力度特征。

3.2.1 面积变化分析

图7反映出周末人群聚集度呈单波峰变化现象，峰值在15:00左右，且较为对称，对各整点面积对比分析可见，次热、高热区9：00的聚集面积与23：00基本相等，说明周末人群早晚活动强度基本相同，且为了休闲娱乐，人群有晚出晚睡、活动范围大、韧性高等特征。且人群主要聚集时段为13:00-20:00，表明周末人群一般在午餐时段外出进行餐饮娱乐活动，并于晚餐后返回住宅区，大部分综合性服务功能中心在早晨使用率较低。

图7 次热、高热区面积变化折线图（周日）

3.2.2 城市高热区的空间分布

根据图8，周日武汉市连续高热区为：汉正街、光古广场、中山公园、街道口商圈、汉口站、中南路、徐东片区、黄鹤楼等8处中心集聚点及周边区域。

图9和图6对比可以看出，工作日人群高度聚集时间比周末长且空间上更分散，各人口集聚中心面积相比周末较小。区域综合商务功能中心在工作日成为连续高热区，同时公园、广场等重点休闲娱乐中心以及武昌火车站、汉口站等核心交通枢纽是人群持续汇聚的城市主要功能中心。

图9 周日整日热力度平均值

3.3 周末与工作日的数据比较

对比分析一周内人口流动时空变化特点，武汉市城市空间结构特征如下：

①周末人群早晚活动强度基本相同，且为了休闲娱乐，人群有晚出晚睡、活动范围大、韧性高等特征；

②周末商业娱乐功能中心区域利用度显著高于其他城市功能中心，而工作日商务办公、旅游服务、商业餐饮、休闲娱乐等区域重点功能中心均有较强的使用强度；

③工作日人群高度聚集时间比周末长且空间上更分散，各人口集聚中心面积相比周末较小；

④武汉市城市已逐步发展为多核多中心城市，商业化繁荣特征明显。