基于POI与核密度分析的城市边缘区扩张监测——以宿迁市宿城区为例

朱益民，章仁斌，岳秋丽，孙小荣

(宿迁学院 建筑工程学院，江苏 宿迁 223800)

0 前 言

在快速蔓延的城市扩张中，城市边缘区是介于城市与农村之间，在社会、经济、人口等多方面具有明显融合特征的渐变区域。对城市边缘区的扩张进行有效监测，分析其背后的驱动机制，可科学合理地指导城市规划，控制用地规模，对保护生态环境和有限的土地资源，具有重要意义。目前，关于城市边缘区加以识别的研究，大多以定性为主，而借助各类城市功能在空间上的实际分布数据来描述和分析城市边缘区这一方法，对城市扩展模式进行探索分析的文献，还相对较少。本文尝试通过后一途径来展开研究。

各种技术的发展，突破了早期以行政边界来界定城市边缘区的模式，从而促生出对城市边缘区加以界定的新方法，其中应用较广者，是采用与城市活动高度相关的要素，通过构建指标体系，进而利用数学模型进行界定。随着对地观测技术的发展，利用遥感影像识别与分类来研究城市边缘区的扩张与演化，则成为大势所趋。姜祎[1]基于网络POI数据，运用核密度和自然点间断法识别城市边缘区，从扩张数量、扩张速度、扩展方向等方面分析干旱区绿洲城市边缘区的内部结构与空间扩展部分，并讨论了城市扩张模式。杨子江等[2]以POI数据为基础，利用核密度分析和空间相关指数，根据不同类型的POI数据的空间分布和集聚特征，分析出城市不同功能的城市中心之间的空间分异和空间相关指数。高晨[3]则对POI数据进行核密度估计，并通过归一化特征距离模型，计算建设用地多尺度分割后地块范围归一化核密度值与典型产业地块范围相应值之间的距离，来对城市建设用地地块进行功能分类。

宿迁市则是中国沿海地区向内地辐射的重要门户城市，也是“一带一路”节点城市，长江经济带的重要战略支点。《宿迁城市总体规划<2015-2030>》中提出了宿迁市域城乡空间结构，形成“一主三副、三轴多点”的市域城镇空间发展格局。本研究选取宿迁市的中心城区——宿城区作为研究区域，基于宿城区的POI数据，利用核密度分析方法，对宿城区的城市扩张区域进行监测，从数量、方向、强度等方面分析城市扩张的空间分布特征。为进一步探索宿城区社会发展结构提供研究基础，并为宿迁市城市发展和空间结构优化提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究的原始数据，是宿迁市宿城区2011、2016、2019年三个年份的在线地图POI数据，通过Python语言编程、创建开放接口获得。POI数据广泛用于导航与移动通信领域，包含了名称、类别、坐标、分类等方面的属性信息，是城市实体在数字地图的抽象描述。可以认为，POI数据基本包含了研究区域内空间实体的地理信息，而这些数据也真实反映了城市中各类功能实体的空间分布状况。本文在获取POI数据后，对其进行了检校，其中2011年POI数据为7 213个，2016年包含8 468个数据，而2019年有效POI数据量则高达56 477个。

1.2 研究方法

本研究采用核密度分析的方法，对宿城区多个年份下的POI数据进行计算处理。核密度是一种应用最广泛的非参数估计方法，而核密度分析，则用于计算空间点、线要素的领域的密度值，模拟密度分布的连续化。常用的核密度估计函数，其数学表达式为：

式中，k为核函数；h为选定区域的带宽；Dij表示空间点i与研究对象j之间的距离，而当样本容量N较大时，即使h足够小，也足可保证区间内有足够多的点，用于计算概率密度。通常要求，当N→∞时，h→0。最优的关系式为h=c·N-1/5。若就正态分布来看，可以算出c=1.05σ。

2 宿城区城市演变过程与格局

2.1 基于核密度分析的城市整体演变过程

2.1.1 搜索半径的选取与核密度的计算

运用核密度分析模型时，若所选取的搜索半径变化，则所得到的结果也有所不同，从直观上看，这种不同直接表现为像素大小及其边缘平滑程度上的差异。本研究首先设置500、1 000、1 500、2 000 m这四个搜索半径，对2011、2016、2019年的宿城区POI数据进行核密度计算试验，由此进行比较分析，图1显示出不同搜索半径对应的POI空间聚集结构变化。对比四个搜索半径方案下的试验结果，可以看到：①当搜索半径逐渐增加时，区域整体上空间结构的宏观感觉是POI的聚集程度在逐渐减弱，等值线则较为平滑；②而当搜索半径越小时，则POI数据的耦合程度就越高，区域整体上的内部空间结构越紧密，也越能识别出小范围的POI聚集区域。

图1 不同搜索半径对应的POI空间聚集结构变化(单位:m)

通过对比研究，结合已有城区的空间结构紧密率及不同的搜索半径对局部细节的影响，加上宿城区的区域面积并不大等其他影响因素，研究选择500 m作为最终的搜索半径，展开核密度分析，得到如图2所示2011、2016、2019年三个年份下的不同类型POI核密度图。

图2 2011年、2016年、2019不同类型POI核密度值

2.1.2 核密度结果分析与讨论

根据图2中三个年份下各城市功能的POI核密度图，可以得出以下结论。

1)从2019、2016、2011年总核密度来看，主城区以洪泽湖路、西湖东路、发展大道以及省道S324为主干道路，各种类型沿着主干道路以组团方式存在，空间分布密度大，结构层次清晰，城市中心辐射南至三树新城，西至通湖大道，以宿城区主城区为中心，呈现辐射状。

2)2011年，洋河镇发展状况已开始发生变化，它逐步承担起副中心的角色，呈现一种同心圆发展的态势，虽势头较弱，但已逐步形成一定的规模。

3)在2011～2019年，宿城区主城区仍以城市主中心的地位，逐年地沿主干道路进行扩张，且每次边缘区的扩张，都伴随有次级核心的存在，呈现同心圆扩张加辐射扩张的边缘区综合扩张模式。

4)纵向对比各种城市功能的发展可知，公共服务这一城市功能的扩张较为迅速，辐射现象较为明显，城市边缘区表现也较为明显。而横向对比各种功能在各年份下的发展可知，仍是公共服务的发展势头占优。

由上述分析可知：总体看来，宿城区的城市边缘区的扩张，与城市主干道路的方向以及不同的城市功能的辐射与发展有着很大的关系，其中与公共服务这一功能的关联最大。城市边缘区的现象呈现出明显的差异，体现在两个城市中心之间，且主中心宿城区与副中心洋河镇之间的发展差异较大。

2.2 宿城区城市边缘区的城市扩张类型分析

根据已有研究可知，城市边缘区扩张可分为三种类型：一是向外扩张型，即由乡村腹地转为城市边缘区的地域；二是内部填充型，即不同的发展阶段都属于城市边缘区；三是转化核心型，即由城市边缘区向城市中心转换的区域。这三种类型变现了城市边缘区发展的不同阶段，且三种模式是共存的。

作出2019年度宿城区POI数据与经纬度的对应关系图，该图以经纬度为索引，对宿城区POI在各经纬度值上的频数进行分析(见图3)。由图3可知：宿城区在2019年度以主城区及洋河镇为两个中心城区，POI在各经纬度值上的频数分布，呈现出较为明显的正态特征。

1)其中，中心城区的发展较为迅速，耦合程度高，组团现象明显，空间结构紧密，其城市边缘区的发展以核心为中点，呈向外辐射型扩张、沿着道路向外扩张的条带状，在总体上呈现出向南发展的态势。

2)而副中心洋河镇的扩张速度，较主城区而言较为缓慢，其发展模式与主城区类似，但其城市边缘区的扩张方向则较为清晰，属于第三种类型：转化核心型。

图3 经纬度索引下2019年度宿城区POI频数分析图

3 结 论

城市边缘区的出现是城市化进程中的必然现象。城市边缘区的存在，使边缘区与城市中心之间的联系更加紧密，从而为主城区分担职能，实现城市资源的合理配置。基于POI数据，对宿城区的边缘区扩张进行了核密度分析和讨论，可得出如下结论。

1)宿城区的城市扩张，大致呈较为规则的环状分布。而

其城市边缘区，则沿着城区的主干道进行扩张。宿城区发展的平衡态，大致呈正态分布性。

2)宿城区南部地势平坦，成为城市空间扩张的主要方向，城区的发展呈现条带状分布，而且，正在逐步形成多核心的城市发展趋势。

3)由于城市边缘区具有模糊性及动态性的特点，因此基于POI数据和核密度分析模型，对城市边缘区进行识别与空间扩张分析，具有一定优势。但文中并未进一步探究城市边缘区扩张的驱动因素，且空间分析方法也相对单薄。

将来，可在本研究的基础上，借助于更多期的POI数据，运用更具对照性的多种分析方法，对城市边缘区的城市扩张及其驱动因素开展深入探究。

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