基于市政用水時序數據的城市混合土地利用感知與分析

Sensing Mixed Urban Land-Use Patterns Using Municipal Water Consumption Time Series

成果信息

Guan, Q., Cheng, S., Pan, Y., Yao, Y. & Zeng, W.* (2020). Sensing mixed urban land-use patterns using municipal water consumption time series. Annals of the American Association of Geographers.?

DOI: 10.1080/24694452.2020.1769463

https://doi.org/10.1080/24694452.2020.1769463

團隊成員

關慶鋒，博士，中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院，教授。研究方向：時空大數據、空間計算智能、高性能空間計算。guanqf@cug.edu.cn

程斯靜，碩士，中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院&中國電建華東勘測設計研究院。研究方向：時空大數據、空間計算智能。

潘永婷，博士生，中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院。研究方向：時空大數據、空間計算智能。

姚堯，博士，中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院，副教授。研究方向：時空大數據、城市計算。yaoy@cug.edu.cn

曾文(通訊作者)，博士，中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院，教授。研究方向：城市網絡建模與分析、時空大數據。zengwen@cug.edu.cn

成果介紹

研究背景

合理的土地利用組成對于可持續和健康的城市社區至關重要。近年來新興社會經濟活動數據集廣泛應用于城市土地利用研究。由于這些數據人口覆蓋范圍存在偏倚，時間跨度較短，在長期動態分析上存在缺陷。本文提出了一個利用市政用水數據分析混合土地利用模式及其演變的框架(包括基于“旋轉森林”的兩步分類策略)，利用從各種耗水時間序列中提取的多個特征，來區分客戶的社會經濟類型(包括住宅，商業，公共設施，制造和娛樂)，得出社會經濟功能的空間結構，并使用基于信息熵的多樣性指數來測量土地利用混合度。將此方法應用于中國典型發展中城市常熟，分析其2004-2013年間的混合土地利用演變。

研究方法

研究提出一個框架，基于用水模式分類來描繪和分析城市地區的混合土地利用首先對原始用水時間序列中的異常值進行檢測和處理，將原始時序轉換為具有不同的時間粒度和跨度的三種形式，并從中提取了一組特征來表示用水模式。然后，通過兩步旋轉森林分類器進行分類。第一步將客戶分為居民和非居民。第二步將非居民客戶進一步分為社會經濟功能的四種類型：商業，公共設施，制造業和娛樂業。最后結合用戶地理位置，基于網格劃分來描繪和分析城市土地利用模式，從而獲取了土地利用的混合模式，并分析其長時間跨度內的時空動態。

圖1 研究方法

實驗結果

(1)用水模式概況

2004-2013年，用水用戶(尤其是居民類型)的數量逐漸增加，非居民用戶中，制造業和商業在過去幾年中出現了大幅增長。如圖2所示，非零用水的網格比例從5485個網格的46.73％增加到55.31％，平均每個網格的用水量從1,897.36m3增加到2,674.3m3。另外，存在用水量較高(熱點)的區域，表明了社會經濟活動的空間集中度。圖2B表明，用水量快速增長的地區在早期(即2004-2007年)集中在市中心附近，然后逐漸分散。

圖2 用水量分布及增長情況

(2)居民用地與非居民用地

核密度分析結果表明，城市中心地區有一個大型居民用地中心，多年來居民用地的使用量逐漸增加(圖3)。非居民用地早期主要的中心位于城市的中心地區，然后在中心區域周圍又分成幾個較小的次級中心，同時，東北和南部出現了一些次級中心，并隨著時間的推移逐漸擴展。此外，總體用水量的分布和演變與非居民社會經濟功能的分布和演變更為相似，這表明就用水量而言，非居民用戶比居民用戶的影響更大。

圖3 基于核密度的中心區提取

(3)混合土地利用模式

高度混合的網格集中在城市中心和城鎮中心，這表明較高的城市化程度和相對穩定的工作居住混合區域，居民可更方便地使用各種設施。此外，由于道路是幾乎所有類型的社會經濟活動集中關鍵因素之一，一些高度混合的網格沿路分布。

土地利用混合程度逐漸增加。此外，圖4顯示混合土地利用從中心區域擴展到其周邊區域。土地利用混合的增加主要發生在早期的城市中心地區，然后在后來的幾年分散在其他地區(尤其是東北和南部的次中心)。土地利用混合趨勢與總耗水量的時空動態一致，表明隨著城市化的空間擴展和城市化的成熟。

圖4 混合土地利用模式

結論

本文提出了一個框架，通過識別各個市政用水用戶的社會經濟類型，利用信息熵衡量土地利用混合度，來描述和分析混合的土地利用模式時空動態。結果表明，常熟市的城市化經歷了空間擴展和集約化發展，近年來發展速度呈下降趨勢。除了市中心，還出現了兩個子中心用于工業發展。土地使用混合的程度隨著城市的增長而增加，這表明城市化的成熟過程。證明了市政用水數據集可以在精細的空間分辨率下揭示土地利用模式和動態并評估城市規劃和管理，且具有人口覆蓋范圍廣泛和時間跨度長的優勢。

圖文：關慶峰團隊

編輯：莫祎凡

審核：宋超

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的土地利用结构信息熵_科研成果快报第163期：基于市政用水时序数据的城市混合土地利用感知与分析...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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