呼吸道传染病防控视角下城市功能空间结构优化研究

谭德明,蒋 娜,凌宁远

(南华大学 松霖建筑与设计艺术学院,湖南 衡阳 42100)

1989年为防控传染病现代城市规划理论提出调整城市空间结构,2020年我国在全球防疫常态化下将健康城市理念融入国土空间规划中,中国城市规划学会则在2021年9月发挥专业优势发布了《城市防疫专项规划编制导则》(T/UPSC 0005—2021)迅速对一批疫情相关团体标准进行了立项,可以看出,对城市空间治理传染病的防控影响重大。现有针对传染病的研究,主要围绕在对城市空间影响[1]、大数据在疫情防控的应用[2-3]和及时准确的疫情风险评估[4-5]这三个方面,但是影响因素为学者根据经验进行选取[6],科学性有待提高。王兰等从三种空间尺度深入剖析了城市发展对传染性疾病的影响途径,针对具体防治环节提出空间干预措施[7],马向明则通过梳理城市空间在防“疫”管控中的发展,建立了多级联动的防疫体系[8]。专家学者也从时空行为[9]、灾害链略[10]、免疫学[11]、交通数据①②等视角作出多种分析以期减缓传染病传播。现实生活中许多传染病的感染和发病过程都与性别因素相关,不同性别的感染率、恢复率和死亡率不同,考虑性别可以更准确地描述疾病感染和传播过程。从传播途径和数据获取难易程度出发,选取较强传染性的肺结核[12]作为分析对象。据WHO《2021年全球结核病报告》可知,2020年,在30个结核病高负担国家中我国发病数排第2位,新发结核病患者估算为84.2万[13],严重危害公众健康。已有学者研究结核病确诊病例的空间分布[14]或制定影响因子[15]进行研究,总结空间变化规律从而得到具体措施和预防战略。肺结核与COVID-19的主要传播途径均为呼吸道传播,两者是以细菌或病毒形式入侵人体,主要侵犯肺部从而引起病发,它属于《中华人民共和国传染病防治法》规定的乙类传染病。我们将肺结核病例的研究进一步延展至COVID-19的空间防控,为今后健康生活营造提出参考建议。

优化城市功能空间结构有利于促进城市系统的健康发展。传统的城市功能空间研究主要集中于定性研究:总结研究阶段[16]、对内涵概念进行概括、进行多维空间角度的思考等[17]。近年来互联网快速发展,已有论文从POI[18]、多源数据[19]、手机信令数据[20]、GPS运动轨迹[21]等方面总结了城市功能空间结构演变特征。城市功能空间结构会直接影响城市用地布局、交通布局,从而促使人口集聚、产业分布等发生变化,学者已从路网密度[22]、公共服务功能组织[23]、景观生态[24]、工业空间[25]等视角制定城市功能空间优化政策。城市功能空间作为城市空间的整体外在表征,会对传染病传播产生重要影响,但是传染病防控视角出发的城市功能空间结构优化仍有待补充。

综上所述,从防控传染病出发制定空间规划已是必然,但现有研究多以部分空间因子或某特定空间为主,缺少从传染病防治视角去系统优化城市功能空间结构的研究,也并未思考患者性别对空间所造成的差异性影响。本文将分别对患者和城市功能空间进行空间分布规律总结、将两者进行定量分析,明确传染病在功能分区中传播的突出驱动因素及产生缘由,其后依据变量与患者性别进行分层分析,得到性别所带来的异质性影响,最后提出抑制疾病传播的建议,从而制定防范政策企盼得到新冠疫情防控的启示,为促进和落实健康城市建设提供科学支撑。

一 数据与方法

(一)研究概况

综合湖南省疫情防控统计,2021年肺结核确诊人数高居全省传染病患者人数第二。这表明防控肺结核形势依旧严峻,研究传染病具有较高价值。选定省内某中小城市的中心城区为研究区域,总计面积约354.65 km2。

(二)肺结核患者数据

统计当地疾控中心提供的肺结核确诊数据,将2010、2015、2020年累计的数据分别进行整理,共纳入1 844个确诊病例作为本次研究的样本。从不同年份进行比对分析,增加研究结果可靠性。将多级空间影响因素分析作为特征值Y进行运算。用患者数据表示地区患病风险程度,用自然断点法(Natural breaks)将肺结核感染人数依据100×100网格划分等级,将感染人数分布在地区格网,划分为4个等级:低风险(1～5)、中低风险(6～10人)、中等风险(11～15人)、中高风险(16人以上)。

(三)空间影响因素数据

学者分析后发现疫情扩散和其严重程度与人口的流动以及空间分布具有重要关联[26],人口高度集聚与频繁流动会使得风险加大[27],应相对展开对人类空间活动的研究[28]。本文使用100×100精度的人口数据,将人口密度纳入辅助分析要素。路网对于人口的集聚影响也十分重大,本文收集了研究时间内的OSM路网,数据来源于OSM(Open Street Map,OSM)网站。

城市中的兴趣点(points of interest,POI)是把生活中的地理实体用具有较高定位精度详细的属性点的信息在地图上进行表示,这能够真实地反映城市功能空间布局[29]。区别于传统空间分析尺度所带来的单一城市功能空间分区划分,本文使用研究区域中心城区的高德地图POIs数据,共315 458条,根据研究范围以及影响因素初步筛选出51 372条。根据已有研究将与传染病有关联的POIs类型分成8大功能:公共管理、公用设施用地、休闲娱乐、出行保障、商业服务、金融商务、工业生产、公园绿地。根据高德POI分类将兴趣点总结为归纳15大类[30]作为一级驱动因素,见表1。

表1 城市功能空间结构指标

(四)研究方法

1.核密度估计

为分析研究对象空间分布规律变化,我们利用核密度分析工具体现目标在空间上的集聚情况,呈现了要素在空间分布上的集聚分布状态。其计算公式如下:

2.格网采样法

为了实现全市区覆盖分析,本文构建渔网实现市区空间化,但是收集数据尺度不统一,数据点之间确定地理坐标存在不一致,从而导致空间划分存在一定问题。为减少误差,便于整体数据分析,本文对构建规则格网进行重采样。主要过程如下:构建100m×100m规则渔网将已知的行政统计单元进行划分,共划36 154个基本地块单元对研究区域全覆盖,再将属性数据按位置关系赋予到每个单元,实现分析单位的统一。

3.随机森林模型

为构建全市区的疫情感染风险评估模型,选用随机森林(Random forest,RF),它是由许多决策树组成的模型,相较于大部分机器学习方法,它具有灵活便于处理、能处理高维度数据、快速得到影响变量重要性排序等优点。将肺结核感染等级情况作为特征值Y,市域兴趣点(POIs)数据、人口密度数据以及主要道路的路网数据作为影响变量Xi。本文通过随机森林模型,探索影响变量之间的复杂相关性,计算得到每个影响变量的权重,其中考虑数据数量限制一级拟合问题等,设置100棵决策树并且设定188个随机种子数,引入随机数的整个程序,在多次运行后得到确定的一致的结果。

其中Kappa系数是统计学中评估一致性的一种方法,计算公式如下:

影响因子的重要值计算方法。用随机森林进行特征重要性评估就是根据每个特征在随机森林中每棵树上做出的贡献量取平均值,最后比较特征之间的贡献大小。贡献大小通常使用基尼指数(Gini index)或者袋外数据(OOB)错误率作为评估指标来衡量。计算方式如下:

其中,D为数据的传染病确诊病例分级,pK是分级D中第K类样本所占的比例(k=1,2,…,|Y|)。k的取值为k=(低风险、中低风险、中等风险、中高风险),Gini_index(D,a)是影响因子a的重要值,值越大说明影响变量DV越重要。

二 研究结果

首先将收集到的数据落实到空间上,总结对比不同年份空间分布规律,用核密度以及局部空间自相关进行展示;分析城市功能空间结构特征对肺结核传播的驱动因素,得到影响主要特征;依据构成不同场所传播风险权重的高低,采用柱状图与雷达图等形式展示。然后,基于已有框架进行风险评估模型构建,对模型展开性能评估,针对城市中心区域范围进行风险等级划分,最终实现疫情风险评估空间化。

(一)空间分布规律探究

将各个年份的城市POIs数据和确诊病例的点数据在空间上进行可视化展示,从热力分布到街道尺度的局部空间进行自相关分析,展现两者空间分布相关规律,总结两者分布规律,对比发现两者之间的关系。

第一,使用核密度方法对聚集程度进行估计。经过比较,本文将核半径设为500 m,在能够保留到点数据的足够细节信息基础上,又能较好地体现空间分布以及两者之间的关联性。从肺结核确诊病例分析(图1),它集中分布在城市中心地区,从最高密度可以看出2015年集聚度最高。2010年呈分散分布且从中心向外减轻,2015年逐步出现分区传播,到2020年集聚程度缓解,但也是呈分区分布。从城市POIs数据分析(图2),利用城市兴趣点反映城市功能空间结构变化,显示随着时间推移,收集的有效数据量明显增加,城市功能空间结构也发生了较为显著的变化。从最高密度也可以看出,2010年市区为单中心结构,2015年出现双中心分布雏形,且从中心向外拓展;到2020年城市双中心已成形,且城市各功能集聚呈圈层式扩散。

图1 肺结核分布热力图分析

图2 POIs分布热力图分析

第二,利用聚类和异常值工具将点数据在街道尺度上进行空间分布异质处理,显示患者病例2010年在某一街道呈现出高高集聚,其后一直主要以低高集聚特征为主,且出现集聚情况的街道发生变化,见图3。城市POIs的集聚程度随着时间变化高高集聚情况的街道增加,且相关街道的集聚状况从低高集聚或低低集聚转变成高高集聚,见图4。

图3 肺结核局部自相关分析

图4 POIs局部自相关分析

(二)多级空间驱动因素分析

为明晰城市功能空间结构特征与肺结核确诊病例集聚的关联,基于随机森林算法中各决策树划分情况及其结点的权重分布,本文经过计算得到每个独立单元的特征影响,从而总结出影响各单元风险等级的驱动因素。总结功能空间结构影响特征,再细分为一级驱动因子、二级驱动因子,分别根据模型计算进行对比分析或增添具体权重数值实现直观呈现结果。

1.功能空间结构特征影响分析

通过城市功能分区影响分析,从图5可得知突出影响的是商业服务功能,它三年的影响因素分别为:0.421 7、0.269 3、0.364 7。其他功能区按排序高低为公共管理、金融商务、公用设施、出行保障、休闲娱乐、工业生产、公园绿地。其中公共管理、休闲娱乐和出行保障占比逐年增长,公用设施则相反;而商业服务影响先降后升,余下功能区都恰好相反。具体情况见图5。

图5 城市功能分区影响分析

2.一级驱动因子分析

图6以雷达图形式展示了15类一级兴趣点变量对疫情传播影响程度的高低,可以明显发现三年中影响最为严重的是购物服务类(0.277 3、0.197 9、0.288 3)。2010年到2015年医疗服务类的比重从0.090 2到0.166 1,有了较大的增长。而教育科研、公用设施、娱乐康体以及道路附属等比重在三年中逐年增长,其余则发生不规律的变化,其中教育科研增长较为明显。

3.二级驱动变量分析

利用算法得到独立单元疾病风险等级所组成的参数权重具体值。从图7可以看出各单元肺结核传染风险等级影响变量变化,并可明显看出对疾病传播能力有较大影响的驱动变量。分别从每年的权重排序和年份不同所带来的结果进行对比,得到主要影响场所以及城市功能空间结构变化所带来的影响。

图7 二级驱动变量具体分析

从场所角度看,三年里造成最大影响的因素都是店铺(0.180 5、0.109 7、0.192 6)。2010年影响次之的为商场(0.108 2),2015年为公司(0.090 5),其中综合医院(0.085 9)也占据重要影响,2020年游戏场所(0.015 2)、保险(0.011 5)等场所影响明显升高。三年内社区医院(0.021 7、0.030 6、0.046 5)、成人教育(0.007 3、0.012 0、0.291 0)、快餐(0.017 4、0.012 0、0.033 0)等占比逐年增长,而公园绿地(0.011 8、0.010 2、0.003 8)、商场(0.108 2、0.063 5、0.011 0)占比逐年减少。

总而言之,从功能空间分区分析,可得知商业服务业功能区和公共管理功能区明显高于其他变量,都有为居民生活提供日常服务、人口集聚特征明显、区域人员复杂等特点。从兴趣点分类变量分析,所占权重较大的是人口流动较大且较为集聚的区域,如购物服务类和餐饮服务类等,也有医疗卫生类带来的影响。兴趣点驱动变量中,主要集中在超市、市场、店铺等,这些场所影响占比相较于其他明显突出,可知肺结核传播与人们日常活动有一定的联系。从最低影响因素之间的比较中可发现,城市主要功能区的建设,使得相关兴趣点缺少,从而导致其影响性的减弱。

(三)分层分析

为研究传染病患者的性别对各功能区所造成的异质性影响,本文对患者性别进行空间自相关。数据显示,男女患者空间性相关性存在逐年增强的现象,男性患者对比女性患者的空间相关性更显著。利用OLS与地理加权回归模型(图8—图10)将男性患者与城市各功能区进行相关性分析,对比不同模型的性能,可发现地理加权回归更能科学地体现结果。五类功能区与男性患者空间性相关性结果为:不同功能区影响的主要地理区域不一样,出行保障功能在2015年和2020年呈现负相关性,2010年与公共管理呈负相关。对比整个患者群体与功能区的影响关系发现,公园绿地功能比商业服务三年中与男性患者相关性更强,公共管理三年对男性患者的影响逐步增强。

图8 2010年功能区与患者性别空间相关性分析

图9 2015年功能区与患者性别空间相关性分析

图10 2020年功能区与患者性别空间相关性分析

三 城市中心城区功能空间结构优化策略

第一,以疏散人流为导向,构建科学合理的城市功能空间结构体系。研究区域现有中心城区规模不断扩大,虽已在西南与东北处有新中心雏形出现,但城市整体仍然表现为典型的单中心城市结构,进而促使人流向中心大量汇集,容易形成感染加剧。要加强新城区和郊区建设,提供更丰富的产业分布以满足居民不断变化的需求,吸引更多人流分散到新城区和城镇以减少中心区人口压力以及疾病的传播。要提高多尺度的城市功能复合利用程度,结合居民需求进行科学化配套,优化卫生医疗资源储备结构,增加社区医院和医疗服务等配套设施。

第二,以防疫为抓手,进行功能区精细化规划设计,将各功能区划分为开敞空间与建筑空间两个部分。开敞空间防疫设计紧紧围绕优化交通系统和植物搭配展开。城市功能空间结构的形成与联系势必要依赖于便捷的交通网络,路网的密度应该在合理范围之内,保证出行便捷且有利于形成城市通风廊道而减少病毒的传播;公园则考虑灌木和乔木合理搭配,运用不同尺度的植物组合配置营造不同的空间,要重视树木的间距,控制适当的社交距离达到人群之间减少接触感染的可能。室内的建筑公共空间具有人流量大、人群复杂以及环境卫生品质存在隐患等特点,则需按不同类型制定卫生规范,在卫生治理上保证定期消毒,加强卫生质量检测工作。

第三,以性别分析为基础,建立以异质性影响出发的评价机制。考虑到传染病在不同人群中所产生的差异影响,对城市功能空间结构优化需正确认识城市复杂、动态、人地相互作用强烈的巨系统。要进一步利用数字化技术手段,构建网格化智慧管理体系,如用手机信令、公交刷卡、出租车OD等统计各功能区内不同性别人群活动强度,总结其出行习惯,利用各软件点评、发帖等网络舆情数据,分析居民防控需求,参考居民对城市建设的想法与建议,形成多元城市建设与治理主体。

四 结论与启示

(一)结论

城市空间结构与传染病的空间分布规律、两者之间的影响关系以及患者性别所带来的异质性影响,证实城市功能空间的繁复会导致人口集聚以及人口流动性的增强,会造成传染病更为密集的传播;城市中心变化的数量影响确诊病例出现分片区集中情况;病例集聚的街道与兴趣点集聚变化有一定联系,与街道自身承担的功能有一定关联。突出影响因素可能是大量人群聚集的公共空间,容易造成感染人数的集聚,其中商业服务业功能、公共管理功能为代表。一级驱动因素中随着社会经济提升,政府对公用设施加大投入以及人们生活品质的追求,公用设施、娱乐康体等影响明显增强。在二级驱动因素中综合医院的影响明显强于社区等其他医疗设施,符合中小城市医疗主要依靠综合医院现状,综合医院具有诊疗全面、设施健全、有权威性等特点,但是会让各类病患集中进而使得病毒在空间交叉影响,增加感染可能性。为减少交叉感染概率,实现健康社区建设,要细化社会单元并完善社区医院的诊疗条件,及时科普社区医院的优点,这在往后制定中小城市规划策略中是不可忽略的。横向对比三年的变化:功能分区影响值自身的变化与城市建设重心变化相关;2010年到2015年,城市逐渐进行商业升级,至2020年,城市发展加速使得商业服务业先降后升、金融商务功能先升后降;一级驱动因素变化可知兴趣点归类最终决定对传染病的影响高低,同一级驱动因素中所包含的场所影响值也具有高低之分,与居民的日常行为和城市性质相关;对比最高与最低影响功能,公园绿地功能从2010年到2020年影响占比逐年减少,公园绿地影响城市通风,在防范传染病和加强居民健康方面都有一定作用,研究区域虽然具有较大面积的绿色空间,但是影响占比仍呈下降趋势,这可能与城市整体绿色空间布局有较大联系。与之相反,出行保障功能则呈现逐年影响权重上升的趋势,此情况主要在于居民出行次数、出行方式等的改变,而此功能区建设量的增加也为传播肺结核提供更多条件。发现男性患者的空间相关性明显强于女性患者。将男性患者与各功能区进行比对,研究发现男性患者对比所有患者与各功能区的空间分布关系有较大差异性,可能与男性患者日常活动场所和行为习惯密不可分;各功能区对研究区域造成影响的分布也不相同,侧面辅证了城市不同建设重心将对传染病传播产生影响。

(二)启示

肺结核是一种古老的传染病,曾在全世界范围内流行,夺去了数亿人生命。以城市功能空间结构为分析对象是因为城市功能空间结构影响着城市的方方面面,从而研究两者关系能为优化城市建设、防控传染病提供指导。本文创新之处在于运用多源数据和地理信息技术从呼吸道传染病防控视角系统思考优化城市功能空间结构,强调了数据空间属性,克服了以往数据中忽视空间特征等不足。希望本文的研究方法及结论,可为未来利用地理信息技术的疾病研究以及优化城市功能空间结构提供借鉴与参考。但在数据分析以及逻辑关系构建上,本文仍存在一定的局限性,例如未考虑城市社会经济、自然环境等对传播肺结核的影响,缺乏对病例的针对性分析。

注释：

①YUAN H, HOSSAIN M P, TSEGAYE M, et al. Estimating the Risk on Outbreak Spreading of 2019-nCoV in China Using Transportation Data in medRxiv, 2020.

②AI S, ZHU G, TIAN F, et al. Population Movement, City Closure and Spatial Transmission of the 2019-nCoV Infection in China in medRxiv, 2020.