基于互联网地图POI数据的城市地下空间需求度评价
——以济南市为例

起晓星，李建春

（1.中山大学中国公共管理研究中心，政治与公共事务管理学院，广东 广州 510275；2.山东师范大学地理与环境学院，山东 济南 250014；3. 山东师范大学商学院，山东 济南 250014）

1 引言

伴随着中国社会经济的快速发展和城镇化进程的稳步推进，城市建设用地呈现出外延式扩张的态势，造成了土地资源的浪费。因此，转变城市空间的拓展模式是提升土地集约节约利用水平的关键。地下空间的开发利用可突破传统城市发展的空间局限，为城市化的内涵式增长提供了新的思路[1]。与地面建设相比，城市地下空间开发存在可逆性弱、投资运营维护成本高、规划管理手段不完备等问题，因此加强对地下空间这种“新型国土资源”的评价和管理具有重要的理论和现实意义。

当前国内外学术界对地下空间的研究主要包括定性和定量分析两个方面。定性研究主要针对城市地下空间利用的理论体系[2]、发展趋势[3]，政策制定[4]、规划编制[5]以及空间权属[6-7]。定量研究包括城市地下空间资源开发潜力评价、适宜性评价、权属价格评估、安全性评价和规划持续性评价等[8-12]。然而，现有研究也存在理论体系相对滞后于发展实践、技术方法较为传统以及案例研究比较缺乏等问题，亟待多学科交叉融合，拓展新的研究方向。

目前国内多数城市还没有完整的城市地下空间信息数据库，因此，相关研究多基于实地调研、专家访谈等方法获取基础数据[13-14]。由于数据采集方法的限制，应用这些传统数据难以对城市地下空间进行系统且深入的研究[15]。近年来，随着移动互联网的快速发展，基于地理位置服务（Location Based Service, LBS）产生了大量的空间数据，这些数据为精细尺度的城市研究提供了条件。POI是兴趣点（Point of Interest）的缩写，是一种代表真实地理实体的点数据，包含空间和属性信息，也是地理大数据的重要来源之一。目前基于POI数据开展了城市空间结构[16]、职住平衡[17]、土地利用变化[18]等方面的研究，还尚未有关于城市地下空间的研究。因此，本文以城市地下空间的功能性需求为出发点，通过对地下空间需求度的概念进行界定，采用“现状分析—需求度评价—分区管理”的思路展开案例研究。基于POI数据，本研究从地下空间利用强度的空间差异性出发，探索其微观尺度特征，从而为城市地下空间研究拓展新的方向，同时也为规划管理提供科学支持。

2 城市地下空间“需求度”的概念与评价方法体系

2.1 城市地下空间的“需求度”的概念

城市空间开发利用与人们的需求密不可分。早在1933年，《雅典宪章》中就将城市划分为居住、工作、游憩、交通4大功能，随着居民生活方式、城市功能与形态结构的变化，地下空间的主要利用方式随之改变[19]。传统的地下空间需求研究具有建构主义特色，多从规模和结构的视角出发，将城市地下空间的需求与宏观因素相结合，主要集中于需求调查评价[20]，需求总量预测[21]，需求模型研究[22]等不同方面。地下空间开发利用和区位存在着联系，既包含平面上的邻近关系，也包含立体的竖向关联，人们对地下空间的利用是地上空间土地利用方式的延伸与补充。由于地下空间受到采光、通风、排水等环境条件的限制，其利用方式往往会受到一定制约。地下空间的利用形态可分为线状地下工程和点状地下建筑空间两个部分[23]。线状地下工程包括地下管线、轨道交通等，这一部分开发利用多由城市政府发起，通过规划建设形成地下空间发展的“总轴线”。从城市居民日常生活需求层面来看，商业、办公、停车场及人防等利用类型较为常见，呈现出自发性的点状分布。因此，从城市居民需求的视角来看，城市地下空间的扩展表现出“自下而上”的方式，遵循“点—线—面”的综合拓展模式。本文提出的城市地下空间“需求度”，是考虑到城市社会经济发展与居民生活空间诉求的综合性评价指标，是反映城市地下空间潜在需求量的重要参考依据。

从功能性的视角来看，城市地下空间利用与地上空间关系紧密。从参与主体的角度来看，城市地下空间的开发与利用涉及城市政府与市民两个主体间的关系，其核心在于地下空间利用现状和社会经济发展潜在需求的均衡，同时地下空间的需求和区位条件密切相关。因此，本文将城市地下空间需求度划分为社会经济（Social Economic）、区位条件（Location Condition）和利用规划（Utilization and Planning）三个层面来构建SLU框架，对地下空间的潜在需求量进行评估。研究框架体系整体涵盖尺度完备，其中社会经济条件属于宏观尺度，区位条件属于中观尺度，而土地利用方式则属于微观尺度，可以完整表征空间差异性。同时，研究提出的“需求度”模型综合了多项影响因子，也将地下空间过去利用方式、当前利用条件以及未来需求趋势结合起来，形成地下空间研究的时空耦合的分析框架（图1）。

图1 城市地下空间需求度的SLU框架体系Fig.1 A SLU framework for the demand degree of urban underground space

2.2 地下空间“需求度”评价指标体系

基于城市地下空间“需求度”的SLU框架，对影响因子进行初步筛选以及专家论证，综合考虑指标可获取性后，最终确定了17个评价指标。其中，社会经济层面（B1）包含7个指标，用以分析城市化过程中，经济水平、人口、投资以及消费等方面对城市地下空间开发造成的影响，这些数据主要来源于统计年鉴；区位条件层面（B2）包含6个指标，基于影响城市发展的交通、商业、行政、教育医疗和商业办公的点状设施数据，运用GIS中的线性衰减距离分析法分级量化城市空间区位，其中等级划分标准借鉴了已有的研究成果[24]；利用与规划层面（B3）包含5个指标，基于城市用地现状及用地规划，探究基础设施、容积率以及土地利用类型的影响，可将地下空间的需求细化到地块尺度。由于不同层面的评价准则涉及多个评价因子，采用德尔菲法计算不同影响因子对评价准则的相对权重，结果如表1所示。

2.3 地下空间“需求度”评价方法

（1）评价单元的确定。传统研究多采用行政区或栅格作为评价单元，但行政区粒度粗糙不能体现区位的影响，而栅格单元过于突出细节而缺乏统计特征。因此，本文选取公里网格作为评价单元；其不仅能统一不同的数据类型，而且可关联静态和动态数据，在丰富了评价单元属性维度的同时可以有效反映城市地下空间差异性。

表1 城市地下空间需求度影响因子Tab.1 Impact factors of the demand degree for urban underground space

（2）指标归一化。为消除数据量纲造成的影响，提升结果的综合可比性，本文先将各指标进行对数变换后，再执行归一化计算。

若ximin= 0，则取最小非0值除以100为lnximin的取值[25]，采用这一处理方法可以减少指标量纲及比例不同带来的信息丢失问题。

（3）城市地下空间需求评价。城市地下空间的需求是多个指标因子作用在评价单元上的综合反映，地下空间需求分为3个不同层次。

按照i取值不同，S1、S2及S3分别代表特定评价单元的社会经济需求、区位条件需求及利用规划需求。

（4）城市地下空间需求综合指数计算。基于不同层面的地下空间需求，可采用加权求和方法计算城市地下空间需求的综合指数，该指数反映出整体需求强度。

式（3）中：GRD代表格网单元的城市空间需求综合指数；wi代表不同层面需求的权重。综合指数数值越接近于1，说明城市土地利用需求度水平越高，反之则越低。

3 研究区概况与数据处理

3.1 研究区概况

济南市地处鲁中南低山丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上，是环渤海经济区和京沪经济轴上的重要交汇点，山东省的政治、文化、经济中心。根据《济南市城市总体规划（2011—2020）》，到2020年，中心城区面积扩大到1 022 km2，城区人口控制在430万人，城市建设用地控制在410 km2，人均建设用地面积95 m2。济南市非常重视地下空间的开发，然而在开发中需要兼顾保护泉水、历史古迹和生态环境的重任，因而根据需求科学合理的进行开发利用迫在眉睫。2015年9月，济南市的首条地铁正式动工，标志着地下空间的开发开启了新时代。本研究选取济南市中心城区作为研究区，东到章丘行政界，南至绕城高速公路南环线，西沿长清区文昌街道办事处，北接黄河大堤南岸，总面积约1 122.55 km2。

3.2 研究数据处理

计算城市地下空间需求度时，本研究共涉及到4种不同类型的数据，其处理方法如下：（1）社会经济数据主要来自济南市统计年鉴，相关数据录入电子表格后与行政区挂接后转换成空间矢量数据；（2）规划利用数据来自《济南市城市规划（2010—2020）》，将相关规划图件要素分类提取后转换成矢量格式数据；（3）POI数据主要借助Geosharp 1.0工具采集高德地图2016年12月数据，该数据具有空间精度高、更新及时的特点，并采用火星坐标转换器进行坐标偏移校正；（4）济南市基准地价数据来自于市国土资源局2013—2016年城市基准地价更新成果的矢量数据。所有数据在进行空间转换后，投影到西安1980 3 Degree GK Zone 39坐标系下，形成城市地下空间研究的基础底图数据库。

由于所涉及到的数据量较大且结构复杂，本研究采取格网化表达方法实现空间数据融合与分析。结合Arcgis 10平台XTools插件，利用Creat Fishnet工具，生成1 km×1 km的格网（公里网）将整个济南市中心城区划分为999个方格。由于涉及到的评价指标较多且尺度不一，选取 ArcGIS平台Toolbox中的 Spatial Join工具，利用相交连接（Intersects）方式，通过空间位置关系对格网进行属性赋值，实现空间尺度转与数据类型重构。

4 研究结果与分析

4.1 城市地下空间利用现状分析

本文共采集了高德地图16个利用类型约21.24万条数据，利用文本挖掘方法，采集“位置”和“名称”字段中涉及到地下空间的关键词，结合人工识别共筛选出6个一级类共536个地下空间利用POI数据点（图2（a））。并将其分为商业、办公和地下停车场3种基本类型。其中，地下商业点459个，地下办公点14个，地下停车场63个。从地下空间利用类型来看，济南市的地下空间主要以地下商业与停车场为主要利用方式。从地下空间的POI点分布区域来看，历下区最多有235个，其次为市中区96个，而长清区最少仅有15个。结合不同类型的POI点空间特征来看，地下商业数量多且分布较为分散，主要包括生活服务、餐饮、购物和体育休闲等利用方式；地下办公点数量最少且集中在老城区中心，主要为物流仓储物流公司；而地下停车场呈现组团分布并且和商业繁华区与办公区的位置相一致，主要是为其配备的公共地下停车场。

图2 济南市城区地下空间利用现状POI点分布及核密度分析Fig.2 Distribution of POI and kernel density analysis of urban underground space utilization in Jinan City

综合考虑POI数据的空间精度与尺度问题[26-27]，本文采用地统计分析方法中的核密度估算法，按照搜索平面距离为1 km作为统计参数，测算济南市城区地下空间的利用强度现状（图2（b））。研究结果表明，济南市地下空间核密度最小值为0，最大值为18.22，平均核密度为0.43。济南市地下空间总体利用强度处于较低的水平，并且具有明显的空间差异。从空间形态上来看，城市地下空间的利用强度呈现空间集聚与组团特征，高强度区形成了3个明显的利用热点：一是以大明湖—泉城广场为中心的繁华的商业中心城区，二是天桥区中部以济南泺口服装城为核心的大型商贸物流聚集区，三是历下区东部以齐鲁软件园为中心的高新技术产业开发区。济南市地下空间的利用强度与商贸业和高新技术产业的空间关联度高，这说明地下空间利用既存在着人口要素集聚引致的空间诉求，也包含着产业结构升级带动的城市空间再生产。结合空间探索分析方法（ESDA），选用莫兰指数（Moran’s I）对城市地下空间利用强度的差异性特征进行定量分析。将地下空间现状POI点核密度估计的结果转化为矢量格网shpfile数据，并将其导入Geoda 1.12软件平台，利用欧氏空间距离（Euclidean Distance）作为权重，阈值距离设定为1km，采用单变量全局莫兰指数（Univariate Local Moran’s I）分析模块，计算其利用强度的空间特征。济南市地下空间利用强度全局Moran’s I指数为0.749，说明全市层面具有明显的空间正相关性，地下空间利用在公里格网尺度上表现出空间连续性和依存关系，尤其是高强度区表现出集聚分布的特点。

为进一步探究城市地下空间呈现出的集聚特征，利用自然断裂法（Nature Breaks）对地下空间利用的强度进行聚类分析，根据核密度值大小按照组内最相似原理将地下空间利用程度分为3个级别，4～18为高强度区（Ⅰ级），0～4为中强度区（Ⅱ级），0为低强度区（Ⅲ级）（图3）。从数量结构来看，每一级别对应面积占总面积的比例分别为3.70%、13.41%和82.89%，地下空间利用的高强度区和中强度区面积小比例低，而低强度区面积大比例高。从空间分布来看，高强度区主要位于历下区中部泉城路商圈和东部市政府和高新技术开发区附近，以及天桥区中部火车站和长途汽车站等运输枢纽所在地；中强度区主要分布在历下区中西部、天桥区南部、槐荫区中部和东南部以及长清区中部，主要是城市快速扩张的边缘区域及各辖区中心；低强度区主要分布在城市中心区的外围，包括历城区和长清区大部，槐荫区和市中区西部地区。总体而言，济南市地下空间的利用强度与城市区位及商业中心的繁华程度表现出空间一致性，从高强度区到低强度区呈现辐射状分布。

图3 济南市城区地下空间利用现状强度分级Fig.3 Classification of the utilization intensity of urban underground space in Jinan City

4.2 城市地下空间“需求度”分析

根据城市地下空间需求度评价体系，探究城市地下空间的潜在需求特征。首先对构成指标的3个维度进行结构分析：（1）社会经济层面，在考虑城市基准地价影响因素后，表现出以街坊为单元的空间差异性特征（图4（a））。历下区、市中区与槐荫区作为济南传统老城区所在地，城市空间难以满足社会经济与人口活动的需求，同时由于旧城更新改造存在着资金与产权的限制性因素，造成了地下空间需求度较大。相反，历城区和长清区等城市快速扩张区，土地资源的空间限制还不明显，社会经济发展对地下空间的需求相对较低。（2）区位条件层面，需求度呈现热点辐射状特点（图4（b））。济南市高值区分布在历下区和市中区的中部，凸显出城市中心对地下空间区位优势具有优先发展地下空间的需求。与此同时，随着城市向东扩张战略实施以及市中心的大学向郊区转移，历城区和长清区大学城的区位优势也逐步显现。（3）利用规划层面，表现出沿轴线变化的特性（图4（c））。从市区东部到西部，需求度依次呈现低—高交叉分布的特点，分别以传统老城区和新城区为增长极，逐渐向两侧扩散及纵深推移，这与吴良镛院士在济南市城市规划中提出的“东拓、西进、南控、北跨、中疏”的空间发展格局相吻合。

综合考虑以上3个层面的影响，结合济南市需求的结构特点，社会经济、区位条件以及利用规划层面权重分别取0.3、0.4和0.3，利用式（2）采用地图叠加法计算济南市地下空间综合需求指数，结果表明济南城市地下空间综合需求度呈现出核心—边缘扩散的特点（图4（d））。城市中心以历下区、天桥区南部、槐荫区西南部和市中区东北部区域组成地下空间需求度的高值区，以此为核心向周边区域扩散。此外，市中心外围区也存在地下空间需求度较高的相对独立的高值区，包括长清区北部，历城区中部和东南部等部分区域。

图4 济南市城区地下空间需求度分析Fig.4 Analysis of the demand degree for urban underground space in Jinan City

从数值上看，济南市地下空间需求综合指数最小值0，最大值92.73，平均值为42.12，需求度指数总体处于中等水平。采用自然断裂法将地下空间需求度可分为高中低3个级别。其中，60～100为高需求区（A级）、40～60为中等需求区（B级）、0～40为低需求区（C级），每个级别对应面积的比例分别为45.89%、35.12%和18.99%，需求度从高到低整体空间上的分布呈现核心—外围式的圈层分布特征。高需求区主要分布在历下区、天桥区南部、槐荫区中东部和市中区东北部，这些区域是传统的城镇中心，具有良好的区位优势和发展基础，对地下空间的需求度很高；中等需求区分布在历城区西南部、天桥区北部、槐荫区西部以及市中区西南部，围绕中心城区呈现连片分布特点，这些区域是城市早期扩张区，随着城市郊区化扩张，新城区对地下空间的需求度还将不断提高；低需求区主要分布在历城区北部和东部、长清区北部和南部等边缘地带，受城市基础设施和人口集聚的影响，目前这部分区域对城市地下空间的需求度还处于较低水平。

图5 济南市城区地下空间需求度分级Fig.5 Classification of the demand degree for urban underground space in Jinan City

4.3 基于需求度的城市地下空间开发耦合度分析

根据济南市地下空间利用现状与需求度分级结果，本文采用互斥性矩阵进行耦合性研究。按照乘法原理，构建3×3矩阵产生9种不同的类型，如表2所示。按照类别间相似性，结合管理学原理，将其划分为5种不同的地下空间发展类型。

表2 地下空间利用现状和需求度耦合度矩阵分类Tab.2 A matrix classification of underground space utilization status and the demand degree

（1）优先发展区，指AⅢ型，占总面积的 4.50%，主要分散在中心城区人口快速集中的边缘地带，如历下区东部、天桥区中部、槐荫区南部以及市中区北部。该区需求度高但现状利用程度低，地下空间发展相对滞后，应结合区域工程地质的限制性条件，注重满足日益旺盛的地下空间需求，借助新规划地铁路线，形成地下空间集中开发的热点核心，构建网络化的地下空间，完善城市地下空间形态。

（2）协调发展区，包括AⅠ和BⅡ型，占总面积的6.21%，呈组团状分布在传统商业街区、省市政府机构所在地以及火车站和长途汽车站等区位条件良好区域。该区域地下空间利用的现状和需求都比较高，整体上处于协调状态。地下空间的规划管理上应强调从整体效益最大化出发，注重城市地上地下空间协调融合，可在符合长远规划的前提下，引入市场化机制提高空间利用效率。

（3）优化发展区，包括AⅡ和BⅢ型，占总面积的40.04%，呈连片状分布，并且面积大、范围广，城市中心及外围区域都有涉及。该区地下空间的整体开发利用程度低于需求程度，应展开地下空间需求度的深入调研，结合需求特征及地质工程条件，确定城市地下空间开发程度与发展方向，在初期就应统筹规划，协调机构组织，健全地下空间产权法律法规，寻求开发利用新技术突破，在需求旺盛的区域可适度开发深层地下空间资源。

（4）转型发展区，包括BⅠ和CⅡ型，占总面积的0.80%，主要分布在济南东部新城以及西客站附近，该区域地下空间的整体开发程度高于现有需求程度，作为济南市战略发展的重点区域，城市地下空间的开发作为基础设施配套已较为完善，伴随区域主导功能转型，应重新定位地下空间功能与阶段，防止短期内盲目开发或过度商业化造成浪费现象。

（5）保留发展区，指CⅢ型，占总面积的 42.14%，呈斑块状零散分布，包括历城区北部和东部、长清区边缘地带。该区域对地下空间的开发迫切度较低，可以适度结合自身和周边区域实际情况，通过制定长期发展规划，结合“名泉”保护工程强调保护性开发，为城市转型留下足够发展空间。

图6 济南市城市地下空间利用分区Fig.6 Zoning of urban underground space utilization in Jinan City

5 结论与讨论

本文尝试从资源管理的视角出发，将城市地下空间的开发利用视为地上空间需求的合理延伸。利用高德地图POI数据，获取精细尺度的城市地下空间利用信息，聚焦于地下空间的功能、结构与空间差异性，为城市地下空间研究提供一个新的视角。通过对城市地下空间“需求度”的概念进行界定，提出了基于SLU框架的地下空间评价方法体系，并以济南市中心城区为案例区展开研究，主要结论如下：（1）从现状来看，济南市地下空间的利用强度与城市区位以及商业中心的繁华程度一致，高强度区表现出空间集聚与组团特征；从需求来看，济南市地下空间整体需求度呈现出核心—边缘扩散的特征，城市中心区形成高需求热点。（2）应用耦合矩阵可将城市地下空间分为优先发展区、协调发展区、优化发展区、转型发展区以及保留发展区，对不同类型的分区采取差异化的开发策略。（3）在进行城市地下空间利用规划时，应充分协调现状与需求的关系，强调保护性开发，形成地下空间专项分区规划，构建“点—线—面”整体发展的格局。

在研究过程中发现以下值得进一步探索的问题：（1）地下空间作为资源管理领域一个相对较新的方向，涉及到规划、设计、工程、管理等多学科交叉，亟待整合不同学科形成更为完善的研究框架。（2）如何把地质工程条件等限制性因素及开发的经济可行性纳入城市地下空间需求度的评价体系，相关研究还有待深入展开。

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