基于开放数据的小城镇现状分析方法研究*——以山东省平阴县主城区为例

杨 阳 周忠凯 王晓瑜 张红岩 赵继龙 YANG Yang, ZHOU Zhongkai, WANG Xiaoyu, ZHANG Hongyan, ZHAO Jilong

0 引 言

自2000年以来，中央对小城镇的发展战略不断进行调整和完善，小城镇在中国整体城镇化进程中的地位被不断加强[1]。“十四五”规划纲要中进一步指出要“促进大中小城市和小城镇协调联动、特色化发展，使更多人民群众享有更高品质的城市生活。”[2]然而，相较于西方发达国家，目前我国小城镇未能起到吸引人口集聚，承接城市功能扩散的作用，缺乏与城市的功能互补发展，自身定位不清，趋同现象较为严重[3]。为了解决上述问题，聚焦于小城镇发展的相关理论研究逐步丰富[4]。研究制度政策变迁和设计视角的学者，分析了公共制度设计对小城镇发展的影响，并提出小城镇制度改革的方向[5-6]；有学者从经济产业发展的角度探讨小城镇的发展方向及面临的问题；研究经济产业发展角度的学者分别从乡镇企业集群[6]和经济全球化的角度[7]探讨了小城镇面临的问题及发展方向。还有学者立足于不同区域小城镇发展条件的差异性，提出因地制宜的发展思路[8]。

上述不同视角的研究成果为小城镇发展方向以及城镇化机制的研究奠定了坚实的基础，然而目前在规划现状分析技术方面的研究，分析子系统的较多，全面描述的较少；分析大城市的较多，聚焦于小城镇的相对较少；使用大数据的较多，采集开放数据的较少。造成上述现象的原因有以下两点，首先是基于数据技术的分析研究方法论整体仍处在摸索阶段，依赖二手资料和主观感知，并且采用的定量分析方法来自不同领域，视角不一，口径各异，因此难以建立有效的分析体系，无法做到全面支撑小城镇规划和决策[9]；另一方面，基于大数据的研究方法空间分析粒度较大，往往选择以区域或者大城市为研究对象，研究者构建的分析框架在小城镇的规划设计尺度上难以对设计提供直接的引导。

随着数据处理及分析技术的发展，根据定量分析进行详细的专项设计或建立综合全面的城市描述性研究已经成为可能[10]。龙瀛等于2015年提出“数据增强设计”这一规划设计方法论[11]，并后续构建了新数据环境支持下大尺度城市设计的时间、空间和人模型[9]。叶宇等对城市建成环境及城市形态要素的量化分析方法作了较为全面的综述，使用空间句法、空间矩阵和混合利用指标对城市街道网络、建筑类型与开发强度、地块功能的混合度进行量化分析[12]。在上述方法和工具的研究基础上，关成贺等从小城镇的视角，通过紧凑性、多样性、密度和连通性提出了小城镇开发强度评价方法[13]。许树辉从城镇存量土地产出率、土地利用强度、土地投入强度和土地可持续度4个方面建立了城镇土地集约利用评价指标总系统，指出了土地集约利用的相关途径[14]。吴一洲等建立了基本信息、发展绩效和特色水平3个维度构成的特色小镇发展水平指标体系[15]，用以指导特色小镇的可持续发展。上述研究分别从开发强度、土地利用和产业发展的角度探讨了小城镇规划设计中的定量分析方法引入，但是上述研究一方面缺乏与规划实践的有效对接，难以直接指导规划应用，另一方面各项研究视角不一，相对独立，难以进行有效整合，无法全面的指导小城镇规划设计[16]。因此，基于小城镇的特点与现实需要，进行适应现阶段规划实践的基于开放数据的小城镇规划分析体系构建，对于小城镇的规划设计存在一定的借鉴意义。

针对上述问题，本文将以小城镇为研究对象，以空间分析为核心，以工程技术为基础，分析现有的技术手段，建立基于开放数据的，聚焦于小城镇的整体现状分析体系，旨在辅助设计师挖掘问题，辅助决策，为小城镇的规划设计工作提供依据。

1 小城镇规划工作中的现实困境

目前小城镇规划工作仍存在许多不足之处，其重要原因之一在于规划师缺乏完整刻画小城镇现状的工具，因此很难精准全面地提升小城镇的空间面貌。现阶段小城镇规划工作中的现实困境表现在以下3个方面：首先是小城镇空间塑造的困境，主要体现在小城镇的空间设计失衡，其原因在于规划前对目标小城镇缺乏针对性的深度调研，套用城市尺度的空间设计模式，导致在设计过程中出现空间结构规划缺乏针对性[17]；其次是小城镇空间特色延续的困境，小城镇的空间形态与其原有的自然风貌与文化氛围息息相关[18]，而在实际的规划与建设中，小城镇原有的空间特色与尺度感逐渐丧失；最后是可操作性的困境，现阶段由政府主导的建设更新方式，常常因忽略居民的意愿而导致各类社会事件的发生，此外，小城镇的财政预算不足以及其他不确定性因素，也可能影响规划工作在实施过程中的进度[19]。

2 小城镇规划设计中的开放数据引入

数据增强设计（DAD）是一种通过定量城市分析驱动的规划设计方法，规划师通过数据分析和建模的手段，为规划设计的各个周期提供对应的工具[20]。王德等学者研究了手机信令数据在城市建成环境分析中的作用[21]，展示了数据分析对于城市形态和功能布局研究的价值；龙瀛等学者在此基础上通过研究公交卡数据（smart card data，SCD），提出了数据有偏性的概念，并进一步明确了开放数据在城市规划实务工作中的应用前景[22]。基于大数据的研究方法对数据质量的要求较高，分析的时间周期相对较长，比较适用于大城市的存量开发。小城镇规划中需要定量研究的引入，然而又难以套用大城市现有的研究基础和经验，需要针对自身特点，研究相对应的规划分析方法。开放数据的概念与大数据相对，是指政府或者企业有意识或者无意识发布的，针对某一时段或者某一区域的描述性数据[23]。对比基于大数据的数据增强设计，基于开放数据的城乡规划主要特点包括以下两点：

第一，基于开放数据的城乡规划设计方法是以实证研究的逻辑基础作为用地分析与规划依据的综合设计方法，通过对开放数据的提取、分析和建模，辅助规划师从千头万绪的复杂系统中更准确的发现规律、权衡利弊、认识小城镇，有针对性地对小城镇发展过程中出现的问题进行解决，更容易获得广泛的理解和支持。相较于大数据分析方法，开放数据的更易获取，数据总量少，处理的算力要求低，利于规划实务使用。

第二，基于开放数据的城乡规划强调技术手段与规划师，规划师与公众，现状与规划引导的多层次交互。首先，基于开放数据的城乡规划强调定量分析在设计过程中的辅助作用，这种新的方法不仅可以减轻设计师的负担而使其专注于创造本身，同时还可以增强设计结果的预测性和可评估性。其次，广泛使用无意识公共参与手段与小规模精确调研结合可以全面描述公众的偏好和需求[11]。第三，进行数据的实时收集与处理，形成动态的反馈评估机制。

针对小城镇的规划环境和现阶段的规划实务需求，基于开放数据的小城镇分析体系需要具有三个主要功能：挖掘问题，辅助决策，指导设计，并且能够在分析过程中引入公共参与，综合提升支撑规划设计的力度。本文中提出的基于开放数据的小城镇规划分析体系分为两部分，有意识公共参与平台，以及基于开放数据的规划设计分析框架。有意识公共参与平台构建可以结合“多规合一平台搭建”用以收集规划设计中各利益相关方的诉求；基于开放数据的规划设计以 Arcmap为基本工作平台，完成数据采集、计算及可视化表达，具有较强的可操作性。基于开放数据的规划设计分析工具，其特点主要体现在数据对规划和设计的全过程参与。如图1所示，基于开放数据的规划设计分析工具分别对小城镇整体、小城镇区域和局部节点进行分析。

图1 基于开放数据的规划设计分析方法Fig.1 planning and design analysis method based on open data

2.1 小城镇整体分析层面

小城镇整体分析层面，主要是解决小城镇形态上的结构平衡问题和经济发展上的产业规划问题，利用POI分析、网络分析、微博语义分析和企业数据分析的方法，综合评价小城镇空间结构的合理性，并且客观展示小城镇的产业分布以及产业发展现状。

第一，空间形态学分析主要使用空间句法分析或城市网格分析技术，对城市的整体空间关系进行量化，并与现状进行匹配分析。分析借助地理信息技术平台提取各个地块的区位特征和地块与整个城镇的空间关系[24]，对地块开发潜力和适宜功能进行预估，以此评价城市整体功能分布的和理性。

第二，电子地图兴趣点（Point of Interest）主要标注小城镇内具有标志性作用的实体建筑物，并包含这些实体建筑物的空间和属性信息。基于POI的道路网的小城镇功能评价，可以建立街道数据和兴趣点数据的联系，研究功能和业态的分布和集聚特征，并将街道的几何特性融入对小城镇功能布局的评价中，以利于了解街道网络设计如何影响街道尺度的土地混合利用以及步行街道的氛围营造[25]。

2.2 小城镇交通分析层面

小城镇交通分析主要是评价路网结构合理性，发现小城镇交通服务中存在的问题，评价公共交通和公共设施服务的均衡性。

第一，人流数据可以理解为一种无意识的公共参与手段，基于开放数据的人流热点分析可以分析市民的停驻意愿，有目标的分析和调整城市空间结构的功能布局[26]。人流数据同时可以结合微博语义分析，利用复合人工智能机器学习来提升分析精确度，从而自动进行微博文本的情感倾向判别及数理统计[27]。

第二，基于车流数据的分析可以识别车流流向和拥堵程度，通过系统的记录分析车流数据可以评价整体空间结构、功能分布和公共设计分布[28]。规划师和研究者可以通过车流数据对小城镇功能布局和路网结构进行调整，达到提升职住平衡度，引导市民绿色出行等目的。

2.3 小城镇局部节点分析层面

小城镇的局部节点主要研究道路的断面以及沿街立面设计。街道除了通行功能外，也是社会活动发生的重要场所，同时可以起到一定的商业作用。合理的断面和沿街立面设计，能够有效地促进小城镇的持续繁荣[29]。机器学习是设计并使用计算机可以自动学习和改进的算法，从数据中分析获得规律，并利用规律对未知数据进行预测的方法。利用机器学习CNN（卷积神经网络）可以很好地完成图像的语义分割。在街道性格分析方面采用机器学习的方法，可以对大量街景或调研图片进行批量分析和统计，从而对小城镇内的所有街道进行特征提取和分类，根据分类概括街道现状与功能的匹配程度，并进行统一处理[30]。

3 案例分析

平阴县地属济南，地处济南市、泰安市和聊城市三市的交汇处，位于省会城市群经济圈中心圈层。内有青兰高速、济广高速通过，同时105国道、220国道和341国道贯穿全县，是济南市面向鲁西南地域辐射的重要节点。平阴是济南最小的县，下辖东阿镇、孝直镇、孔村镇、洪范池镇、玫瑰镇和安城镇六镇，已经初步形成了“基础设施协调布局、产业分工协作、公共服务共享、生态共建环境共治”的一体化协调发展机制[2]，平阴县主城区包括榆山街道与锦水街道，人口共计11.86万人，主城区与周边地区的通达性较高，交通便利，具有良好的产业基础，是城乡统筹发展的重要节点。

3.1 小城镇整体分析

3.1.1 小城镇功能结构及空间结构特征

人流动态检测的方法是利用热力图对人流量在不同时间段的活跃点进行动态监测，将动态监测结果卫星图上进行可视化叠加，使得各时间阶段人流量热度直观地呈现在地图上，动态监测结果如下图所示（图2）。

图2 不同时间段活跃点分布情况Fig.2 distribution of active points in different time periods

空间网络分析工具（UNA）的原理是基于“空间点+道路系统”构建网络系统，通过函数关系分析整个网络的空间特征，进行包括连接度、可达性、辐射范围等分析[31]

UNA的分析结果如图3-4所示。

图3 区域中心性Fig.3 regional centrality

3.1.2 基于POI的小城镇功能空间分布

通过对平阴县POI数据的梳理，运用 GIS 的空间分析方法对城镇中的各类商业类型的空间进行定量研究，真实客观的描述平阴县的商业空间总体分布特征情况，并对商业中心功能聚集度对比分析（图5）。

图5 基于POI的商业功能类型的空间分布以及集聚度对比Fig.5 comparison of the spatial distribution and agglomeration degree of urban commercial function types based on POI

3.1.3 基于POI的功能聚集度

功能密度指道路中心线55 m缓冲范围内影响活力的POI总数。功能混合度指街道功能混合度用信息熵来计算。

图4 经过性分析Fig.4 empirical analysis

Diversity =-sum(pi×ln pi)，(i = 1，…，n)

式中，n表示该街道POI的类别数，pi表示某类POI占所在街道POI总数的比例，各类POI数量均进行过归一化处理。分析结果如图6所示。

图6 基于POI的中心功能聚集度对比分析Fig.6 a comparative analysis of urban center function concentration based on POI

3.1.4 基于微博语义的无意识公共参与

目前针对微博消息、热点话题等的应用已经非常普及，但以地理位置为基础，面向用户活动特征的研究仍然很缺乏。使用自然语言处理工具，对平阴微博消息进行分析，词频较高且与空间设计相关的是“农业”“环保”“改旧”等（图7）。

图7 基于微博语义识别的“平阴印象”Fig.7 “impression of Pingyin” based on Weibo semantic recognition

3.1.5 基于POI的企业评价体系

基于POI的企业评价，将数据企业评分标准划分为五大类：经营状况、风险评估、创新能力、企业规模以及就业带动能力（图8）。其中经营状况又分为产品信息和纳税信用等级，风险评估分为司法风险和经营风险，创新能力分为专利信息和著作权信息（图9）。

图8 基于POI的企业评价标准Fig.8 enterprise evaluation standard based on POI

图9 基于POI的平阴县企业评价Fig.9 evaluation of pingyin county enterprises based on POI

上述部分分别从空间结构、交通现状、产业布局和产业发展几个层面对目标小城镇进行了分析，帮助规划者更好的认识小城镇面临的问题，通过对结果的整合和梳理，可以为后续的设计研究提供依据和建议。城镇整体分析总结见表1。

表1 小城镇整体分析总结Tab.1 Overall analysis of the target

3.2 小城镇交通分析

3.2.1 等时圈分析

等时圈分析是描述小城镇整体出行环境的有效手段，对于空间结构调整以及公共服务设施布局等具有重要辅助价值。提取小城镇路网，对步行、骑行、公交以及驾驶四种交通方式以小城镇中心为目标进行等时性分析，可以完整地描述居民的出行便利度（图10）。

图10 基于真实路径不同交通方式的交通可达性分析Fig.10 analysis of traffic accessibility based on different traffic modes of real route

3.2.2 车行交通流及公交分析

车行交通流的研究方法是收集不同时段的交通数据进行叠加，描述整体路网的运行效率，重点分析工作日早晚高峰道路状况，并与休息日进行对比（图11-12），可以辅助规划师明确拥堵产生的原因，在后续设计中进行调整。

图11 工作日早晚高峰道路状况对比Fig.11 comparison of morning and evening peak road conditions on working days

本节两个部分分别从现状交通量和小城镇整体道路结构两个方面入手，分析了小城镇的空间布局合理性，通过对结果进行梳理并与POI分析结果进行对照，可以帮助规划师获取交通方面的建设建议。城镇交通分析总结见表2。

表2 城镇交通分析总结Tab.2 summary of urban traffic analysis

图12 休息日早晚高峰道路状况对比Fig.12 comparison of morning and evening peak road conditions on rest days

3.3 城镇局部节点分析

根据百度地图的街景数据，识别平阴核心区域的公共空间质量（图13）。然后，通过街景图片场景语义识别，对公共空间进行质量评价（图14）。行人和自行车出现率以及绿视率反映对应区域的慢行条件，可以综合研究小城镇内部的慢行体系；围合度和开敞度指标描述对应区域的街道高宽比、围合感等特征，对于引导商业布局和塑造街道活力氛围具有指导意义。城镇局部节点分析总结见表3。

表3 城镇局部节点分析总结Tab.3 analysis and summary of local nodes in the city

图13 基于街景图片场景语义识别的公共空间要素识别Fig.13 public space element recognition based on semantic recognition of street scene picture scene

图14 基于街景图片场景语义识别的公共空间质量评价Fig.14 public space quality evaluation based on semantic recognition of street view picture scenes

4 结语

本研究属于“交互城市”（urban interaction）模型项目的系列成果，是为模型整体目标体系收集定制依据的工具研究。小城镇是当前和未来一段时间城乡规划的工作重点，合理利用规划分析技术可以辅助小城镇的规划编制工作，为小城镇的高速发展打好基础。本文以小城镇的发展现状和现实需要为依据，梳理了现有的技术手段，结合公众参与，提出了一种基于开放数据的小城镇整体现状分析体系，其特点包括：

第一，针对现状小城镇存在的普遍问题，分别设置了不同的数据获取和分析工具，包括空间结构、产业发展、业态布局、交通服务和景观环境对目标小城镇进行综合诊断，并提出更新提升建议。

第二，结合规划更新实务工作的现实需要，在不同的尺度层级总结整合了现有的技术手段，厘清了分析体系，提升了工具的辅助分析能力，同时规避了数据有偏性带来的偏差。

图表来源：

图1-12、14：作者绘制

图13：根据百度地图绘制

表1-3：作者绘制