¹南华大学松霖建筑与设计艺术学院，湖南 衡阳

²湖南省健康城市营造工程技术研究中心，湖南 衡阳

³生态型区域–城市规划与管理衡阳市重点实验室，湖南 衡阳

收稿日期：2023年1月4日；录用日期：2023年2月9日；发布日期：2023年2月21日

摘要

我国城市建设经过数十年的高速增长，现今已迎来了减速时刻，城市的国土空间发展也面临着新的挑战。本文以长沙市为研究对象，首先采用长沙市2012、2017、2020三年的POI数据，为划定三生功能区域提供基础数据集；再通过构建指标评价体系开展长沙市三生功能评价和三生功能耦合性研究，分析长沙市三生空间功能变化与分布情况。研究结论如下：整体上长沙市生产和生态功能范围呈现相互交融，同势增长的态势，且生态功能数值也正逐年增长；从三生功能分布来看，长沙市东西部地区人口和相关建设相对较少，以第一产业为主，所以难以发展比较密集的生活与生产空间，生产与生活功能的耦合协调度较低，无法匹配较高的生态性；相反，长沙市中心六区以规模产业为主导，生产功能强，生活空间较为密集，其相应的生产、生活功能较高，所以与生态功能匹配度较高，所以中心区整体耦合协调等级较高。

关键词

长沙市，三生空间，POI数据，耦合协调

Evaluation of Coupling Coordinated Development of Sansheng Space in Changsha City

Jianhui He¹, Chunhua Huang^1,2,3*

¹Solux College of Architecture and Design, University of South China, Hengyang Hunan

²Hunan Healthy City Construction Engineering Technology Research Center, Hengyang Hunan

³Ecological Area-Urban Planning and Management Hengyang Key Laboratory, Hengyang Hunan

Received: Jan. 4^th, 2023; accepted: Feb. 9^th, 2023; published: Feb. 21^st, 2023

ABSTRACT

After decades of rapid growth, China’s urban construction has now ushered in a time of deceleration, and the development of urban land space is also facing new challenges. This paper takes Changsha as the research object. First, it uses the POI data of Changsha in 2012, 2017 and 2020 to provide a basic data set for delineating the Sansheng functional area; And then through the construction of the index evaluation system to carry out the evaluation of the Sansheng function in Changsha and the research on the coupling of Sansheng function, analyze the spatial function change and distribution of Sansheng in Changsha. The research conclusions are as follows: On the whole, the production and ecological function areas in Changsha are blending with each other and growing in the same trend, and the value of ecological function is also increasing year by year; from the perspective of the distribution of the three life functions, the population and related construction in the eastern and western areas of Changsha City are relatively small, mainly focusing on the primary industry, so it is difficult to develop a more intensive living and production space, the coupling and coordination of production and living functions is low, and it cannot match the high ecological characteristics; on the contrary, the six central districts of Changsha are dominated by large-scale industries, with strong production functions and dense living spaces. Their corresponding production and living functions are high, so they are highly matched with ecological functions, so the overall coupling and coordination level of the central district is high.

Keywords:Changsha, Sansheng Space, POI Data, Coupling and Coordination

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

目前，世界正步入经济全球化的新时代，时代对于社会的各方面发展都提出了更高质量的要求。人类经济发展和技术革新使得交通和通讯方式效率大幅度提高，这让城市与周边区域空间的联系越来越紧密，但这也导致了一系列城市问题，如土地资源利用冲突日益尖锐，生态环境承载力降低和城市交通拥挤等等。因此，探究不同城市空间和不同土地功能之间的耦合协调成为解决城市问题的关键一环。

现如今我国正处于国土空间规划的探索阶段，如何基于区域资源统筹和城市发展的现状，从生产、生活和生态三个角度出发，合理全面的分析土地资源利用的协调性，多适宜性，摆脱过去粗放型的高速增长模式，缓解人地关系之间的矛盾，对于高效编制我国国土空间规划，解决我国国土空间开发与保护的相关问题具有相当的现实意义。

随着社会技术革新，大数据已被应用到工作生活中的方方面面，其中经常被提及的地理数据成为了学术界研究的新型主备力量，基本能够满足城市规划建设中对于数据的需求 [1] [2] 。POI (Point of Interest)数据称作兴趣点，为各类电子地图上所包含的点数据，其包括了地理位置、类别、联系方式等相关信息，比之传统土地利用数据能极大的节约成本，并且更新频率快，数据量大，覆盖面广 [1] [3] [4] 。

彭正洪等基于手机信令数据和POI数据对武汉市社区居民在社区周围的活动范围进行调查分析，以此来识别和分析社区居民的社区生活圈 [1] ；朱邦耀等基于中国四大知名地方小吃门店的POI数据，通过密度分析，标准椭圆差分析、加权平均中心分析、空间自相关分析和冷热点分析等一系列空间分析方法研究地方小吃空间集聚与扩散格局和模式 [2] [5] ；李坤洋等基于电子导航地图的POI数据，利用GIS (Geographic Information System)空间分析方法对郑州市四环以内的绿地服务空间分布进行研究 [6] ；王少剑等基于高铁站周边的产业POI数据，通过核密度分析和产业指数等方法研究不同区位下高铁站区的产业空间结构特征 [7] ；郭艳萍等基于山西旅游景区POI数据，对其进行整理分类后，探索其具体地市的旅游产业空间分布特征 [8] ；罗雯等基于广州市基础设施的POI数据和珞珈一号夜间灯光数据，通过相应的数学模型从多维度角度测度了商圈的功能多样性特征，并以此探索其与商圈活力之间的定量关系 [9] 。

以上相关学者的研究表明，在城市建设中POI数据已被利用到经济、社会、生态等方面，且研究结果具有一定的参考价值。在使用POI数据的过程中，统筹协调不同类型的POI数据，不但能判定其相应的空间类型，也可以探究与其相关的空间特征。

2. 研究方法与数据源

2.1. 数据来源与处理

本研究的分析数据抓取于长沙市2012、2017和2020年的高德地图电子数据。主要参考了曹根榕和段亚明分别针对重庆市和上海市中心城区空间识别的POI分类方法(表1)。共包含生产性服务空间、管理空间、生活性服务空间以及绿地空间等六大类 [10] 。

表1. 三生空间POI数据分类

2.2. 研究范围选取与处理

长沙市(图1)为湖南省省会，是长江中游地区重要的中心城市，全国“两型社会”综合配套改革试验区、中国重要的粮食生产基地，长江中游城市群和长江经济带重要的节点城市。东邻江西省萍乡，西连益阳，南接湘潭，北靠岳阳。长沙是综合交通枢纽，京广高铁和渝厦高铁在此交汇。总面积11815.96平方公里，常住人口815.47万人，成为湖南省首个常住人口破800万人的城市。根据长沙市的街区尺度，本研究于市界范围内建立了500 m × 500 m的渔网网格去作为识别“三生”功能的基本单元，且单元数量为26625个。

图1. 研究范围

2.3. 研究方法

本文以长沙市为研究对象，首先采用长沙市2012、2017、2020三年的POI数据，为划定三生功能区域提供基础数据集；再通过构建指标评价体系开展长沙市三生功能评价和三生功能耦合性研究，分析长沙市三生空间功能变化与分布情况。

2.3.1. 综合权重赋值法

本步骤主要参考了曹根榕结合相关度和影响力的分析POI数据方法。首先，依据POI数据和生产、生活、生态三者之间的相关程度，同时采用层次分析法、德尔菲法得出各项指标的相关值a，但因为电子地图数据不具备面积属性，所以将每一项指标应所对应的土地面积的平均值来进行赋值，并把它标注为影响度指数b [10] 。最后将两者进行综合性评价，得到最终权重(P)：P = a × b [10] 。

接着利用ArcGIS得到各网格各类型点数据的综合数量，即综合评价结果。具体计算公式如下：

$N_i=C_i\times P_i,i=l,2,3,\cdots ,n$ (1)

然后将各个网格中不同类型的要素相加得到相应功能要素数量，其公式为：

$S=\underset{i}{\overset{n}{{\displaystyle \sum }}}{C}_i\times P_i,i=l,2,3,\cdots ,n$ (2)

其中N_i为研究单元方格内第i类POI数据点的综合数量，C_i为研究单元方格内第i类POI数据点的数量；P_i为第i类POI的综合权重 [10] 。

2.3.2. 核密度估计法

核密度估计法目前经常被运用于城市空间结构分析。由于原生的电子地图数据本身具有面积属性的不足，所以本研究先将综合权重赋值法中所统计得到得各类型网格数据转换成对应的点数据，再利用ArcGIS中的核密度分析工具对长沙市范围内的POI数据进行相应的密度计算，最后得到其密度值 [11] 。计算公式为：

$F\left(x\right)=\frac{1}{n{r}^2}\underset{i=1}{\overset{n}{{\displaystyle \sum }}}K\left(\frac{d_i-d}{r}\right)$ (3)

式中，F(x)为在研究范围中x处的核密度估算值；n为总共的样本数量；r为搜索半径； $d_i-d$ 表示在距离范围内的两样本点之间的距离，K为距离的权重 [11] 。

2.3.3. 耦合协调评价法

耦合协调法是基于协调度和耦合度的综合模型，其反映了三生功能相互之间在发展过程当中彼此影响所反映出协同促进的水平 [12] 。通过ArcGIS中的统计分析工具可以获得各网格中生产、生活和生态要素的数量，再运用下述公式即可得到其耦合度：

$C=\left[\frac{a_1\times a_2\times a_3}{\left(a_1+a_2\right)\left(a_1+a_3\right)\left(a_2+a_3\right)}\right]$ (4)

其中，a₁、a₂、a₃分别为生产、生活、生态功能三者的要素数量 [12] 。

在上述步骤中，研究已将各类型点数据赋予了相应的权重并进行统计，通过综合权重赋值法得到生产、生活、生态功能的评价结果，最后再进行对应的协调度计算。公式如下：

$T=\alpha A_1+\beta A_2+\eta A_3$ (5)

式中，A₁代表生产功能评价结果，A₂代表生态功能评价结果，A₃代表生活功能评价结果，式中α，β和η为权重系数，本文将3者均取值为1/3 [12] 。

耦合协调度计算公式如下：

$D=\sqrt{CT}$ (6)

D为耦合协调度，是取耦合度与协调度的几何平均值 [12] 。

3. 结果分析

3.1. 三生功能识别

上文中已将相应的点数据划分为生产、生活和生态三种类型，并通过上述计算方法得出各个类型的功能要素数量后运用ArcGIS对各类型功能进行数值可视化分析，并得出其分布情况(图2)。

从整体上看，三生功能主要集中于长沙市中心六区，在芙蓉区、岳麓区、开福区、天心区和雨花区的交汇处呈现高度聚集，浏阳市和宁乡市也是仅于市中心呈现高低聚集，其他区域为零散分布状态。并且随着时间推移，整体上各类型要素值分布皆呈扩展态势。

2012年至2020年长沙市生产功能与生活功能的要素值增长趋势相反，2012年至2020年生产功能要素值先升高后降低趋于平稳，而生活功能恰好相反，但其整体范围都在扩展，而生态功能要素值虽然不高，但一直呈现增长趋势。说明近年来随着社会经济发展，人们开始注重生产发展和生态环境保护，而生活功能的相关建设只是按照对应的社会需求进行配套和改造。

图2. 三生功能要素值及其分布

3.2. 三生功能格局分析

虽然上述分析已经获取了长沙市三生功能要素值的分布情况及其发展态势，但是依旧不能从中直接获取其空间格局。本文采用核密度估计法，将所取得的各类型面数据转换成点数据，并对其进行计算(图3)。

从整体上看，长沙市中心六区的功能混合特征非常明显，三生功能之间相互重叠，尤其生产功能与生态功能之间呈现相互交融的格局，随着时间推移两者集聚度此消彼长，但其整体范围同势消长，而生态功能相对来说聚集程度不高，但都各区域呈较大范围的片状分布，2012年至2020年浏阳市、宁乡市和长沙县的生态格局皆呈先缩减后扩展的趋向，表明近年来生态环境得到了有效的治理和保护。

2012年至2020年长沙市生产空间呈扩张态势，其于长沙市各区中心都出现了不同程度的集聚，但分布的重心一直处于河东的开福区、芙蓉区、雨花区等区。

2012年至2020年长沙市生活空间呈扩张态势，生活空间相较于生产空间整体覆盖范围更广，但集聚度更低，主要分布于以长沙火车站、五一广场、岳麓区大学城、浏阳市中心等区域。

2012年至2020年生态空间核密度呈先缩减后扩张态势，其主要分布于湘江两岸和浏阳市、宁乡市的森林公园，如橘子洲景区，大围山森林公园，青羊湖森林公园和影珠山森林公园等等。

3.3. 三生功能耦合协调分析

从整体来看，长沙市整体处于低级耦合协调区间(图4)。从2012到2020年长沙市耦合协调度呈先减少后上升的趋势，值区间分别为(0~0.613599)、(0~0.499723)、(0~0.518772)，长沙市的耦合协调性主要

图3. 核密度分析

图4. 2012~2020年耦合协调等级分布图

为次级耦合协调和低级耦合协调。良好耦合协调等级区域仅存在于长沙市五一广场附近，从2012年至2020年，良好等级一致都较为稳定，其等级保持较好。中级协调所占比例呈先降后升波动扩张的趋势，中级耦合协调和初级协调区域主要集中在市核心区域，呈环状分布在良好耦合协调区附近。

4. 结论与讨论

4.1. 结论

本文以长沙市为研究对象，通过采用长沙市2012、2017、2020三年的POI数据，为划定三生功能区域提供基础数据集；然后构建指标评价体系开展长沙市三生功能评价和三生功能耦合性研究，分析长沙市三生空间功能变化与分布情况。结合长沙市三类空间分布规律和生产、生活、生态三种功能变化情况来看，现研究结论如下：

1) 从三生功能要素值的变化趋势来看，长沙市生产和生态功能呈现相互交融，同势增长的态势，且生态功能数值也正逐年增长。2012年至2017年长沙市生产、生活和生态功能在格局上一直都在扩展，生产功能要素值升高，而生活功能要素值降低，与此同时生态功能要素值也呈略微增长；2017年至2020年三生功能扩展趋势与之前保持一致，但是从趋势来看，人们开始注重生产发展和生态环境保护，而生活功能的相关建设只是按照对应的社会需求进行配套和改造。

2) 从三生功能耦合协调空间格局变化来看，长沙市整体处于低级耦合协调区间，从2012到2020年耦合度协调度呈先减弱后增强的趋势。由于长沙市东西部地区人口和相关建设相对较少，以第一产业为主，所以难以发展比较密集的生活与生产空间，生产与生活功能的耦合协调度较低，无法匹配较高的生态性；相反，长沙市中心六区以规模产业为主导，生产功能强，生活空间较为密集，其相应的生产、生活功能较高，所以与生态功能匹配度较高，所以中心区整体耦合协调等级较高。

3) 从三生功能耦合协调整体的评价结果来看，三生功能耦合协调等级呈现出一定的差异化。长沙市中心六区的耦合协调等级总体上维持相对稳定，说明在人口、产业、配套设施集中的区域，城市的规划和政策得到了科学的落地，所以三生空间的布局更为合理；反之，2012至2020年长沙市东西部区域虽然生产、生活和生态空间一直在拓展，但三生空间格局一直未得到优化，其耦合协调性一直得不到提高，从土地利用的角度而言，由于用地统筹布局的不合理，引起农业生产需求和生产功能之间的冲突，加之交通、地形等因素的影响，导致相应的耦合失调。

4.2. 讨论

“三生功能”空间格局和耦合协调性的变化是多方原因导致，由于不同时期中空间内主导功能各异，导致“三生功能”彼此制约但又协同演化，而“三生”功能空间均衡是理顺空间发展秩序、协调城乡关系与市域经济高质量发展的关键。因此，未来长沙市的经济社会发展和生态保护的政策制定应充分考虑“三生空间”转型的生态环境效应及其主导影响因素，促进“三生空间”用地结构的合理分布，推进区域生态文明建设和高质量发展。

基金项目

国家自然科学基金(51876087, U1867221)；南华大学博士科研启动基金(190XQD047)；湖南省社会科学成果评审委员会重点项目(XSP19ZDIO03)。

文章引用

何建辉,黄春华. 长沙市三生空间耦合协调发展评价研究
Evaluation of Coupling Coordinated Development of Sansheng Space in Changsha City[J]. 地理科学研究, 2023, 12(01): 68-76. https://doi.org/10.12677/GSER.2023.121007

参考文献