基于市政用水时序数据的城市混合土地利用感知与分析

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

团队成员

关庆锋，博士，中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院，教授。研究方向：时空大数据、空间计算智能、高性能空间计算。guanqf@cug.edu.cn

程斯静，硕士，中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院&中国电建华东勘测设计研究院。研究方向：时空大数据、空间计算智能。

潘永婷，博士生，中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院。研究方向：时空大数据、空间计算智能。

姚尧，博士，中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院，副教授。研究方向：时空大数据、城市计算。yaoy@cug.edu.cn

曾文(通讯作者)，博士，中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院，教授。研究方向：城市网络建模与分析、时空大数据。zengwen@cug.edu.cn

成果介绍

研究背景

合理的土地利用组成对于可持续和健康的城市社区至关重要。近年来新兴社会经济活动数据集广泛应用于城市土地利用研究。由于这些数据人口覆盖范围存在偏倚，时间跨度较短，在长期动态分析上存在缺陷。本文提出了一个利用市政用水数据分析混合土地利用模式及其演变的框架(包括基于“旋转森林”的两步分类策略)，利用从各种耗水时间序列中提取的多个特征，来区分客户的社会经济类型(包括住宅，商业，公共设施，制造和娱乐)，得出社会经济功能的空间结构，并使用基于信息熵的多样性指数来测量土地利用混合度。将此方法应用于中国典型发展中城市常熟，分析其2004-2013年间的混合土地利用演变。

研究方法

研究提出一个框架，基于用水模式分类来描绘和分析城市地区的混合土地利用首先对原始用水时间序列中的异常值进行检测和处理，将原始时序转换为具有不同的时间粒度和跨度的三种形式，并从中提取了一组特征来表示用水模式。然后，通过两步旋转森林分类器进行分类。第一步将客户分为居民和非居民。第二步将非居民客户进一步分为社会经济功能的四种类型：商业，公共设施，制造业和娱乐业。最后结合用户地理位置，基于网格划分来描绘和分析城市土地利用模式，从而获取了土地利用的混合模式，并分析其长时间跨度内的时空动态。

图1 研究方法

实验结果

(1)用水模式概况

2004-2013年，用水用户(尤其是居民类型)的数量逐渐增加，非居民用户中，制造业和商业在过去几年中出现了大幅增长。如图2所示，非零用水的网格比例从5485个网格的46.73％增加到55.31％，平均每个网格的用水量从1,897.36m³增加到2,674.3m³。另外，存在用水量较高(热点)的区域，表明了社会经济活动的空间集中度。图2B表明，用水量快速增长的地区在早期(即2004-2007年)集中在市中心附近，然后逐渐分散。

图2 用水量分布及增长情况

(2)居民用地与非居民用地

核密度分析结果表明，城市中心地区有一个大型居民用地中心，多年来居民用地的使用量逐渐增加(图3)。非居民用地早期主要的中心位于城市的中心地区，然后在中心区域周围又分成几个较小的次级中心，同时，东北和南部出现了一些次级中心，并随着时间的推移逐渐扩展。此外，总体用水量的分布和演变与非居民社会经济功能的分布和演变更为相似，这表明就用水量而言，非居民用户比居民用户的影响更大。

图3 基于核密度的中心区提取

(3)混合土地利用模式

高度混合的网格集中在城市中心和城镇中心，这表明较高的城市化程度和相对稳定的工作居住混合区域，居民可更方便地使用各种设施。此外，由于道路是几乎所有类型的社会经济活动集中关键因素之一，一些高度混合的网格沿路分布。

土地利用混合程度逐渐增加。此外，图4显示混合土地利用从中心区域扩展到其周边区域。土地利用混合的增加主要发生在早期的城市中心地区，然后在后来的几年分散在其他地区(尤其是东北和南部的次中心)。土地利用混合趋势与总耗水量的时空动态一致，表明随着城市化的空间扩展和城市化的成熟。

图4 混合土地利用模式

结论

本文提出了一个框架，通过识别各个市政用水用户的社会经济类型，利用信息熵衡量土地利用混合度，来描述和分析混合的土地利用模式时空动态。结果表明，常熟市的城市化经历了空间扩展和集约化发展，近年来发展速度呈下降趋势。除了市中心，还出现了两个子中心用于工业发展。土地使用混合的程度随着城市的增长而增加，这表明城市化的成熟过程。证明了市政用水数据集可以在精细的空间分辨率下揭示土地利用模式和动态并评估城市规划和管理，且具有人口覆盖范围广泛和时间跨度长的优势。

图文：关庆峰团队

编辑：莫祎凡

审核：宋超

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