基于POI及核密度分析的咸丰县城乡交错带分布研究

王雯雯， 谷优阳， 张 驰， 康全国， 尹 伟， 辛 杰， 廖晓莉

(1.湖北省地质科学研究院，湖北 武汉 430034; 2.中国地质大学(武汉) 公共管理学院，湖北 武汉 430074；3.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034)

科学划定城镇开发边界，控制城镇盲目扩张和无序蔓延，推动城市发展由外延扩张式向内涵提升式转变，提升城镇人居环境品质，是当前城市化发展要义，也是国土空间规划的重要内容之一。目前城镇开发边界的划定研究主要通过元胞自动机、人工神经网络及城乡景观复杂度等[1-2]来预测和划定城镇开发规模，结合资源环境承载能力及国土空间开发适应性评价来约束扩张边界。

城乡交错带，或半城市化地区，作为一种过渡区域[3]和特殊形态的区域生态系统，是城市化的前缘带、农业现代化的先导区、城乡关系的协调区、生态环境的巨屏障[4]。因此，城乡交错带的分布研究可作为城镇开发边界划定的基础性工作，可结合其他划定方法，来更合理地约束城镇扩张的范围。

目前对于城乡交错带的研究主要集中在景观格局演变、村庄分类研究、土地利用问题与对策、用地演变规律及生态风险等不同层面[5-8]。城乡交错带范围的识别是上述诸多相关问题研究的重要基础，选取合理的城乡交错带空间边界界定方法对科学划定其范围有着重大的现实意义。目前，较多学者利用引力模型[9-11]界定城乡交错带的空间边界，而引力模型本用于“都市圈”空间范围的界定，后多用于利用空间实体间相互作用的变化来划分城乡交错的内外边界，其采用的指标体系比较侧重于土地利用变化，在城市质量层面体现得较为薄弱[12-13]，加之其以行政区域为研究对象，容易受到行政边界的束缚，因此该方法不太适用于划定城乡交错带。

兴趣点(point of interest，POI)数据是表征城市系统中城市设施实体的点状数据，包括公司企业、餐饮、购物、住宿、生活服务、教育、医疗、政府机构及交通设施等21个类型[14]。POI具有实时、动态和易获取的特征[15]，相较于大尺度普查数据，可以更加精细化地表征人类复杂的社会经济活动趋势[16]。作为一种新的空间数据源，POI常用于城市空间结构分析、居民活动空间研究、旅游商业热点判别、居民消费行为差异、城市群空间范围识别等研究[17-19]。密集程度高低决定了POI空间分布的密度差异，从中心城区到乡村地区密集程度逐级递减，造成了单位土地面积上POI密度不同，这一规律对于判别城乡交错带的范围具有重要的参考价值。核密度(Kernel)分析法是通过再现实际概率分布曲线，使用平滑的峰值函数来拟合已知数据点的非参数方法，常用于计算点、线要素测量值在指定邻域范围内的单位密度[20]。考虑地理学第一定律的区位影响，在POI数据分析中，核密度分析比样方密度、Voronoi图密度等其他密度表达方法更优。

在大数据时代，利用大数据进行空间分析已逐渐成为区域定量研究的一种新趋势。依靠准确率高的数据来源，以POI数据为依据，抓取各种服务设施的地理坐标点，借助核密度分析法分析不同服务半径设施的密度范围，克服传统研究方法对行政区域界限的依赖，使得结果更符合实际发展方向，最终界定城乡交错带空间分布范围。从县域视角出发，以咸丰县为研究对象，分析其城乡交错空间分布状况，对于城镇开发边界的划定及国土空间格局优化具有重要的指导和借鉴意义。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

咸丰县地跨东经108°37′08″～109°20′08″、北纬29°19′28″～30°02′54″，地处恩施土家族苗族自治州西南部、云贵高原东武陵山余脉与大巴山之间，全境南北长80.38 km，东西宽68.95 km，国土总面积为2 550 km2。该县下辖7镇(高乐山镇、忠堡镇、坪坝营镇、曲江镇、朝阳寺镇、清坪镇、唐崖镇)、3乡(小村乡、黄金洞乡、活龙坪乡)、1区工委(大路坝区工委)。截至2020年末，全县户籍总人口38.52万人，其中乡村人口21.03万人、城镇人口17.49万人，户籍人口城镇化率为45.4%；农村常住居民人均可支配收入11 720元，城镇常住居民人均可支配收入29 162元。

咸丰县东承长江经济带，西接成渝双城经济圈，南连长株潭经济圈，具有“承东启西，东进西出”的区位优势，是“宜荆荆恩”城市群和渝东南城市群中的重要城市，是华中、华南连接西部及西部联系沿海的便捷交通节点。咸丰县位于武陵山区生物多样性与水土保持生态功能区内，属于国家层面的重点生态功能区，既是中国重要的生态屏障建设区、湖北省重要的生物多样性维护区和森林生态保护区，也是重要的革命老区和少数民族聚居区。2020年4月，该县实现整县脱贫摘帽，66个重点贫困村全部出列，14.94万贫困人口稳定脱贫。

1.2 数据来源及处理

本研究采用的咸丰县POI数据来源于规划云网站(http://guihuayun.com/poi/)，包括教育、体育、文化、餐饮娱乐、生活服务、公共设施等各方面的POI数据共1 576条，经数据清洗后得到有效数据1 255条。

根据中国城市规划领域的有关规范要求并结合研究区实际，将1 255条POI数据按照服务半径距离分为4大类，如表1所示[21]。此外，本研究涉及的咸丰县2018年土地变更调查数据由咸丰县自然资源和规划局提供，社会经济数据主要来源于《咸丰县2020年统计公报》[22]、《咸丰县人民政府2021年政府工作报告》[23]。

表1 不同服务半径的设施类型表Table 1 Table of facility types in different service radius

本研究仅以咸丰县7个建制镇、1个区工委为研究对象，基于POI数据的位置点信息，利用ArcGIS 10.2平台进行数据处理与坐标转换，统一为国家大地2000坐标系，构建咸丰县城乡交错带划定基础数据库，得到原始POI数据点在咸丰县的分布图(图1)。

2 研究方法

核密度分析法将每个已知数据点设定为中心，用核密度函数计算各个已知点在指定范围内(半径为某值的圆)各个网格单元的密度贡献值，与中心点间距越小密度越大，密度与间距成反比，边际点处默认密度为0，若相同位置存在密度重合，则将其贡献密度累计叠加。简单来说，它能直观地反映出离散测量值在连续区域内的分布情况，其结果是中间值大、周边值小的光滑曲面，栅格值即为单位密度，在邻域边界处降为0。计算区域内每个要素点，并对相同位置处的贡献密度进行叠加，得到要素在整个区域的分布密度。核密度计算公式[24]为：

(1)

图1 咸丰县城市经济社会活动POI点空间分布图Fig.1 Spatial distribution of POI points of urban economic andsocial activities in Xianfeng County

具体而言，核密度分析使用的核函数为：

(2)

式中：P为栅格中心点到已知点距离与查找半径的比值。

想要计算POI的核密度，需要选择合适的查找半径。查找半径的设置需结合分析尺度的特点,较小的查找半径适于对局部范围进行密度分布特征分析,较大的查找半径适于对全域范围进行密度分布特征分析。此外，查找半径的选择应与POI的离散程度呈正相关：较为离散分布的POI数据采用较大的查找半径，集中分布的兴趣点适用较小的查找半径。本研究提取的POI类型主要为公共服务设施，故查找半径的取值可以理解为各类公共服务设施对社区服务的可达性距离，即服务半径。

如表1所示，基于中国城市规划领域的有关规范要求及以往学者的研究，300～500 m距离是城市建成区范围内幼儿园、小学、公共厕所、停车场、小卖部等基层公共服务设施的常规服务半径，据此确定第一类查找半径取值为400 m。以此类推，500～1 000 m距离是中学、公交站点、社区卫生服务站、休闲娱乐场所、小公园等基层公共服务设施的常规服务半径,则第二类查找半径取值为750 m；1 000～1 500 m距离是加油站、农贸市场、文化活动中心、营业厅等基层公共服务设施的常规服务半径，故第三类查找半径取值为1 250 m；1 500～2 000 m距离是垃圾中转站、消防站、景点、邮政网点等基层公共服务设施的常规服务半径，故第四类查找半径取值为1 750 m。

3 划定结果与分析

四类公共服务设施的核密度分析结果如图2所示。将POI核密度分析结果与Google Earth影像地图进行目视校验，并将POI核密度分析结果叠加形成各种公共服务设施核密度分析汇总图(图3)，提取核密度值强度随距离显著衰减的闭合区域，去除在闭合区域外的独立小区域(它们可能是因为布局的公共设施比较单薄，缺乏完备的公共设施系统，无法支撑该区域的城镇化发展)，得到城乡交错带的外边界。再根据咸丰县2018年土地变更调查数据进行校验，并进行微调得出城市化城区区域范围，即城乡交错带的内边界。用提取的城乡交错带外边界闭合区域扣除城市化城区部分，得出咸丰县城乡交错带分布类型图(图4)。

根据咸丰县城乡交错带分布类型图(图4)，可将研究区域划分为三种类型：城市化城区、城乡交错带和乡村地区，它们的分布具有空间非连续性特征，城市化城区有很多地块嵌于城乡交错带中，该情况与咸丰县实际城市化程度相符合。

城乡交错带主要分布于唐崖镇、曲江镇、坪坝营镇集镇东部和南部，忠堡镇镇区东部和北部，高乐山镇东部，清坪镇周围区域，大路坝区工委镇区和朝阳寺镇镇区靠近重庆市部分，面积达到99.99 km2，占县域总面积的3.96%。

城市化城区包含7个镇和一个区工委现状建成区范围，共计6.86 km2，主要围绕232省道和恩黔高速分布。其中高乐山镇现状建成区面积最大，达5.41 km2，占城市化城区的78.86%。

乡村地区主要分布于县城北部乡、林区以及坡度>25°区域，县政府所在地高乐山镇的乡村地区面积较小。乡村地区总面积达2 417.27 km2，占县域总面积的比例高达95.77%。由于咸丰县地势山峦起伏，沟壑纵横，不适宜大面积城镇扩张，乡村地区占比较大是符合实际情况的。

4 城市化发展模式总结

根据划定得到的咸丰县城乡交错带分布类型，可以总结出3种较为典型的山区城市化发展模式，即带状延伸模式、独立扩展模式和孤立发展模式。

图2 不同服务半径POI核密度分析图Fig.2 Kernel density analysis chart of POI with different service radius

图3 各类POI数据核密度分析汇总图Fig.3 Summary diagram of kernel density analysis of various POI data

图4 咸丰县城乡交错带分布类型图Fig.4 Distribution map of urban-rural ecotone in Xianfeng County

(1) 带状延伸模式。主要以交通走廊、河岸走廊为轴线，吸引人口和产业聚集，使该区域的城乡交错带分布呈现放射型、网络型发展框架。高乐山镇、曲江镇、忠堡镇、唐崖镇是这一城市化发展模式的典型代表。一方面，恩黔高速、利咸高速、咸来高速等交通干线轴带加速了资源向沿线的高乐山镇、曲江镇、忠堡镇、唐崖镇集聚，形成了三条主县域经济发展带。另一方面，高乐山镇、曲江镇、忠堡镇分别以忠建河、曲江、龙洞河为轴线呈带状延伸，成为县域经济发展的核心和绿色工业与现代服务业融合发展南部产业带的重要环节。唐崖镇以唐崖河为轴线，正着力构建合理、高效、先进的旅游产业要素体系，形成了比较完备的“食、住、行、游、购、娱”旅游产业链，建立了以风景游赏和绿色生态产业为主导的高效区域经济结构，在咸丰县现代农业与旅游业融合发展北部产业带中发挥着重要作用。

(2) 独立扩展模式。以镇区为中心，依靠产业发展布局和基础设施联动，全方位向外呈圈层式扩张。坪坝营镇、清坪镇是这一城市化发展模式的典型代表。以坪坝营原生态休闲旅游区为核心的特色生态旅游圈，立体化的交通网络、完善的旅游集散体系及便民惠民的基础设施带动了景区周边地区发展，包括大溪、锣鼓坪、老岩孔、旋坨、王母洞、水车坪、新场等村。清坪镇则聚集农旅融合发展，大力发展休闲观光农业和生态旅游，加速发展食品加工产业，呈圈层式扩展。

(3) 孤立发展模式。由于山区地形等条件限制，一些乡镇镇区远离中心城区与发展轴线，人口增长缓慢甚至外流，经济社会发展相对滞后，对周边乡镇辐射带动能力相对较弱，也不能被周边乡镇带动发展，故该区域的城乡交错带呈面状孤立式发展模式。朝阳寺镇、大路坝区工委是这一城市化发展模式的典型代表。朝阳寺镇、大路坝区工委是鄂渝省际边贸镇，其镇区远离咸丰县中心城区或三条以高速交通干线(恩黔高速、利咸高速、咸来高速)为主的经济发展带，因此，其受到的辐射带动作用微弱。

5 结论与建议

5.1 结论

(1) 咸丰县主要包括三大区域，即城市化城区、城乡交错带和乡村地区，它们的分布具有空间非连续性特征，城市化城区有很多地块嵌于城乡交错带中，该情况与咸丰县实际城市化程度相符合。

(2) 从高乐山镇向两侧延伸，各类POI数据核密度呈阶梯状下降。根据划定得到的咸丰县城乡交错带分布类型图，可以总结出三种城市化发展模式，即带状延伸模式(高乐山镇、曲江镇、忠堡镇、唐崖镇)、独立扩展模式(坪坝营镇、清坪镇)和孤立发展模式(朝阳寺镇、大路坝区工委)。

5.2 建议

本研究采用POI数据和核密度分析方法研究咸丰县的城乡交错带分布状况，避免了行政区划边界统计的各种问题，加之POI数据资料更新速度快、精确度高，核密度分析简单易操作，可以更加契合实际城市化发展范围，跟踪城镇化发展方向和规模。采用POI数据研究城乡交错带的分布特征也是一种基于大数据分析的新思路，之前虽有学者对其研究，但是仅限于发达城市群城乡交错带的确定，对于微观县域范围没有涉及。将城乡交错带研究与国土空间规划中城镇开发边界划定相联系，对于咸丰县城镇开发边界划定及国土空间格局优化也具有一定的指导和借鉴意义。

由于小城市POI数据更新相对缓慢，而经济社会的快速发展让很多小型商铺迅速发展又极速衰落，尤其是新冠疫情过后，很多POI点消失，但是在电子地图中可能未及时更新，一定程度上导致城乡交错带边界判读出现差异；另外，POI数据抓取过程中可能会受各种主客观因素影响，存在重复、遗漏甚至移位的情况，故为确保研究结果较为真实，本研究通过“数据清洗”进行了调整与修正，以提高其有效性和准确性。

在未来的研究中，还可采用POI数据和核密度分析方法对区域性城市化质量进行评议，或完善引力模型的指标体系，综合考虑“十四五”规划重大项目、人口密度、建设用地指标、永久基本农田和生态红线边界的控制等经济社会因素的影响，以此划定咸丰县城乡交错带边界；或者将两种方式结合，更全面、系统地获取较为精确的城乡交错带分布范围，为咸丰县城镇开发边界划定奠定坚实的基础。