基于POI 数据的上海市交通设施空间分布研究

刘玉囡，闫国东，纪如雪

（上海工程技术大学 管理学院，上海 201620）

0 引言

城市交通建设是推进经济发展、开拓城市文明的脉络和纽带，是实现中国现代化的开路先锋，根据国务院印发的《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》，城市综合交通运输网络到2025 年要基本实现一体化融合发展的目标，包括运输服务更加高效、技术装备更加先进、设施网络更加完善、安全保障更加可靠、治理能力更加完备、发展模式更可持续等，充分满足居民及游客对城市交通建设的强烈需求[1]。从交通建设与旅游业发展的关系角度，随着游客需求的变化，旅游活动拓展到“吃、住、游、行、娱、购”的各个环节，交通建设在旅游活动中的地位显著提升，作为兼具旅游出行与城市建设的交通设施，是“交通+旅游”发展模式的重要内容，加强城市交通建设是推进交通与旅游融合、发展旅游产业的大势所趋。城市交通设施作为居民及游客参与公共与旅游活动的重要载体，各类交通设施的空间分布状态直接影响到居民及游客对公共交通服务的可获得性以及出行的便捷性[2]。

分析现有文献，当前有不少学者对城市交通发展基于不同视角展开了研究。从交通空间分布角度，潘海啸等从城市公共中心以及轨道交通站点的空间耦合角度，分析评价城市交通建设对不同公共活动中心的支撑程度[3]；李国旗等基于核密度分析、产业集中度评价等方法，对北京市的物流空间格局展开了探讨，揭示了资产、地租、交通对物流空间格局的作用机制[4]；戢晓峰等以昆明市主城区的城市交通设施为研究对象，基于核密度估计、标准差椭圆等空间分析方法，对城市交通设施的空间分布特征展开探讨[2]；苗毅等基于出行感知以及服务功能构建高速交通发展评价体系，对山东省高速交通发展现状进行分析，通过分析结果，对山东省高速交通网络以及服务业分布的空间对应关系展开优化。从交通建设与旅游发展的关系角度，卞显红全面阐述了旅游交通系统的概念，对城市交通建设在旅游目的地发展中的作用进行了分析与探讨[5]；李如友等利用我国1999—2012年的省级面板数据，探讨了城市交通建设在不同层次区制对旅游经济发展的推动作用，指出应避免在交通基础设施领域的盲目投资建设[6]；郭向阳等以长江经济带为研究对象，基于空间面板杜宾模型、双变量关联检验模型等探究了长江经济带在2000—2018 年间的城市旅游经济以及公路交通发达度的空间格局，对交通发达度与城市旅游经济的空间关系展开分析[7]。

基于上述分析，本文以上海市交通设施为研究对象，基于平均最邻近法、核密度分析等对上海市各类交通设施的空间分布特征进行分析，以此掌握上海市各类交通设施的规划建设现状，以上海市为研究案例，为其他城市的交通设施规划提供科学、合理的决策依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

上海市作为我国的经济与金融大都市，其人口密集程度较高、日常旅客运输量较大，为满足频繁的人口流动需求，上海建设了多种交通基础设施，如公交车站、地铁站、停车场等，上海市在“十三五”规划期间，港口建设不断发展，航运水平逐步提升，公交建设稳步推进，交通网络不断完善，获首批“国家公交都市示范城市”称号。根据上海市综合交通发展“十四五”规划，对上海市城市交通体系提出了更高的发展要求，上海市也将积极落实《交通强国建设纲要》，加快推进综合客运枢纽建设、加强公交枢纽场站建设、打造优质可靠的地面公交系统、推动水路客运有序发展等。

1.2 数据来源

利用Python 采集上海市2020 年公共交通设施的POI 数据，数据格式为点状矢量数据，坐标转化为WGS—1984 地理坐标，属性内容包含了经度、纬度、省市、区县、类别、名称、详细地址，将公共交通设施的POI 数据划分为公交站、地铁站、停车场、港口码头、道路附属设施。其中“地铁站”包括各个地铁站以及地铁站出入口；“停车场”包括公共停车场、专用停车场、路边停车区；“港口码头”包括客运港、货运港、车渡口、人渡口；“道路附属设施”包括高速加油站、高速服务站、收费站等。各类公共交通设施POI 数据分类及比重如表1 所示。

2 研究方法

2.1 平均最近邻指数

上海市交通设施的空间分布特征可以用随机型、集聚型、均匀型三种空间分布态势衡量，表现出公共交通设施的空间分布集聚程度[8]，最近邻分析模型经过调整与修正，能适用于点数据任何形式的空间分布类型[9]，其模型为：

式中：NNI 为最近邻指数，反映了交通设施点状要素的空间集聚程度，当NNI＞1 时，表明交通设施点状要素的分布类型为均匀型，当NNI＜1 时，表明交通设施点状要素的分布类型为集聚型；D0为交通设施点状要素与最近邻交通设施要素之间的观察平均距离；Dr为随机模式下的期望平均距离，a 为研究区域的面积，n 为研究区域内交通设施点状要素的数量。

2.2 核密度估计

核密度估计法主要是借助移动的单元格对交通设施点状要素的密度进行估计[10]，核密度估计法的基本原理[11]为：定义固定搜索半径的圆域，确定圆域覆盖于各个交通设施点之上；基于密度精度要求，确定输出栅格大小；计算出交通设施点对圆域内各个栅格的密度贡献值；依据栅格搜索半径范围内，各个交通设施点对圆域内各个栅格密度贡献值的累加，进行每个栅格密度值的赋值；输出每个栅格的密度值。核密度估计法公式如下：

2.3 标准差椭圆

标准差椭圆最早由美国南加州大学社会学教授韦尔蒂·利菲弗于1926 年提出[1]，通过计算得到的短轴、长轴、面积、旋转角四个参数度量POI 要素的空间分布特征[12]，椭圆的短轴表示交通设施点数据的空间分布范围，椭圆的长轴表示交通设施点数据的空间分布方向，长短轴的差值越大，则表明数据的空间方向性越明显，椭圆的大小表示交通设施点数据在空间格局的集中程度，公式如下：

式中：SDEx和SDEy表示计算得到的椭圆圆心，xi和yi是交通设施点要素的坐标，）表示交通设施点要素的平均中心，n 为研究区域内交通设施点状要素的数量。

3 结果分析

3.1 空间分布集聚性

通过Arc GIS 10.7 计算上海市各类交通设施点数据的平均最近邻指数，计算结果见表2 所示，上海市所有交通服务设施的点数据，有NNI=0.333 0，|Z|=338.501 4＞2.58，P=0.000 0，通过99%显著性检验，呈现出显著集聚的空间分布特征。对于不同类型的交通设施，道路附属设施的集聚特征最显著，有NNI=0.074 5，|Z|=32.452 9＞2.58，P=0.000 0；排名第二的为地铁站的空间集聚程度，有NNI=0.142 3，|Z|=73.639 9＞2.58，P=0.000 0；排名第三的为停车场的空间集聚程度，有NNI=0.250 1，|Z|=323.806 2＞2.58，P=0.000 0；排名第四的为港口码头的空间集聚程度，有NNI=0.464 8，|Z|=16.856 2＞2.58，P=0.000 0；排名第五的为公交站的空间集聚程度，有NNI=0.501 0，|Z|=123.744 3＞2.58，P=0.000 0，均通过99%显著性检验。根据不同类型交通设施的平均最近邻分指标结果可知，上海市公共交通设施具有显著的集聚分布特征。

表2 上海市交通设施的平均最近邻指数

3.2 空间分布不平衡性

为进一步探讨上海市公共交通设施的空间分布特征，本文基于核密度分析对上海市公共交通设施的空间点状数据进行空间分析，分析结果如图1 所示，各类公共交通设施的空间分布差异明显，布局不均衡，具体而言：（1）公交站的核密度高值集中于黄浦区、静安区、徐汇区，由该核心区向外扩散，呈现片状分布特征，辐射范围广泛，主要原因在于随着城市建设规模的不断扩大，上海市坚持公交优先战略，公共行业发展迅速，公交设施已基本实现上海市的无盲点全覆盖。（2）地铁站的核心区为黄浦区、静安区、徐汇区，整体分布形态与地铁线路分布一致，上海市的地铁系统相对性健全，但城市边缘仍然是上海市地铁基础设施建设的薄弱环节。（3）停车场在整体上呈现出从城市中心到城市边缘的“核心—边缘”扩散模式，高值集聚区有黄浦区、静安区、徐汇区、长宁区、虹口区，原因是在核心区的商业发展水平较高、居民居住密度较高，建设停车场可以更好地为居民提供生活的便利，缓解人口集聚区的“停车难”问题，此外在松江区、嘉定区、奉贤区、浦东新区的学校、公园、商业密集区，有停车场次核分布。（4）上海市港口码头分布分散，城市内部码头主要沿黄浦江分布，在黄浦区与浦东新区交界处的黄浦江沿岸存在集聚分布现象，三个主要港口吴淞码头、外高桥、洋山深水港均分布在城市沿海地带。（5）道路附属设施的核密度分布图与高速公路收费站、服务站的点分布一致，高速公路收费站以及服务站的通行能力、服务水平与高速公路的社会形象息息相关[13]，为保证通行的畅通性，需在充分利用现有资源的基础上保持一定的间距。（6）基于上述所有交通设施进行核密度分析可以发现，上海市总体的交通设施空间形态和空间扩展与公交站、停车场的分布特征较相近，其中与停车场的分布特征更相似，其次为公交站，主要原因是上海市停车场的POI 数量占整体公共交通设施的比例较高，比例达到了72.40%，上海市停车场的空间分布特征已成为影响整体公共交通设施分布特征的主导因素。

图1 公共交通设施的核密度分析

3.3 空间分布方向性

为充分了解上海市公共交通设施点状数据的方向分布特征，进一步对公共交通设施POI 数据进行标准差椭圆分析，比较标准差椭圆分布结果（如图2 所示），（1）基于上海市各类公共交通设施的椭圆面积大小，服务范围依次为道路附属设施、公交站、港口码头、停车场、地铁站，道路附属设施的服务范围最广，以充分实现高速公路收费站以及服务站的快捷、高效服务；公交站的服务范围次之，主要原因在于公交出行是居民以及游客参与公共交通活动最为普遍且方便的方式，尽管在数量以及占比上低于停车场，但公交的分布范围优于停车场；地铁站的服务范围最小，进一步说明了上海市地铁建设在中心城区较为发达，而城市边缘较为薄弱；上海市总体的交通设施分布范围与停车场的分布范围较为相似。（2）分析根据上海市各类公共交通设施长短轴计算的扁率，大小依次为地铁站、道路附属设施、港口码头、公交站、停车场，扁率表示各类公共交通设施的方向明确性程度，因此上海市地铁站的方向趋势更明显，其次为道路附属设施，停车场的方向趋势最弱。（3）从各类公共交通设施的分布方向角度，上海市公交站向东北—西南方向拓展，地铁站向东—西方向拓展，港口码头向南—北方向拓展，道路附属设施向东—西方向拓展，停车场的方向分布特征不明显。

图2 标准差椭圆分布结果

4 结论与讨论

4.1 研究结论

本文基于Arc GIS 空间分析工具，运用平均最近邻指数、核密度分析、标准差椭圆分析对上海市公共交通设施的空间特征进行了分析与探讨，研究结论如下：从平均最邻近分析结果来看，上海市各类交通设施呈现集聚分布现象；从核密度分析结果来看，上海市公交站、地铁站、停车场主核分布在主城区，呈现出“核心向边缘扩散”的分布模式，其中公交站的空间分布更加平衡；从标准差椭圆分析结果来看，公交站呈现东北—西南方向分布格局，地铁站、道路附属设施呈现东—西方向分布格局，港口码头呈现南—北方向分布格局，公交车站方向分布面积最大。

4.2 研究讨论

本文基于POI 数据对上海市公共交通设施的空间分布特征展开了探究，相较于以往对城市交通发展现状展开的研究，本文基于不同的交通设施类型分析了上海市整体交通空间格局，针对研究结论，上海市应采取的以下优化策略：（1）构建完善的城市交通网络体系，加强上海市新城以及边缘城区的地铁基础设施建设，实现上海市内外交通的便捷高效换乘，优化中心城区、上海新城、周边城市的交通联系。（2）继续加强公交站的基础设施建设，推动既有公交线路的完善，增强新公交站点的建设水平，优化上海城市公交网络，提升居民与游客的公交出行吸引力，打造多层次公交服务体系。（3）对于港口码头以及道路附属设施，注重其建设水平，打造港口码头、道路附属设施与其他各类交通设施的协调建设、协同规划、稳步发展。