城市数据实践：基于百度热力图的城市空间结构研究——以武汉市主城区为例
前言：本期数据实践栏目，来自城市数据研习社社员王梦的实践案例，学号A339。作者参加了由国匠城和城市数据团共同举办的《面向规划实践的数据能力增强计划》，以下为其参与数城工作营（点击查看）的研究成果。
基于百度热力图的城市空间结构研究
——以武汉市主城区为例
大家好，我是叫王梦，来自武汉市江夏区规划院。工作一年多，从学生时代到现在工作，听到关于大数据的讨论越来越多，看到数据的应用越来越广泛，也越发意识到数据对于规划的重要性，一直想学习大数据在城市规划应用的方法与技术。因此，当遇到城市数据研习社的时候，毫不犹豫的选择了加入其中。作为数据小白的我，本着对百度热力图的兴趣以及为了督促自己学习的初衷，参加了第二期的工作营。通过研习社的基础课程和老师们的耐心指导，终于完成了此次工作营的最终成果。
本次研究主要以百度热力图数据为基础，通过热力图反映的人口集聚度变化情况，考察和分析武汉市主城区人口聚集度随时间变化的情况，识别出人口高集聚区的空间位置及功能，并与现行规划（武汉市总体规划2010—2020年）的对比，分析现行规划空间结构合理性以及考察规划实施效果。
1、研究对象
研究范围为武汉市主城区，根据《武汉市城市总体规划（2010-2020）》，武汉市域城镇体系分为主城、新城（及新城组团）、中心镇、一般镇。其中，主城范围包括三环线以内区域和武钢、沌口、庙山等组团，是武汉市城镇体系的核心，是武汉市政治、经济、文化中心。规划至2020年，主城人口规模为502万，城市建设用地控制在450km2，人均建设用地不超过90m2。 根据现行规划，武汉市依托“两江交汇、三镇鼎立”的自然格局，构建三镇（汉口、武昌、汉阳）一体化发展的总体格局。规划中的主城区公共中心体系为： 一个中央活动区、一个东湖风景区、 十五个城市综合组团。
武汉市主城区范围图（红线范围内为主城区）
武汉市主城区规划结构图
2、数据选择及处理
2.1 数据选择
选取2016年12月23日——12月27日连续五天7:00——23：00点之间的武汉主城区范围内的百度热力图数据，截取时间间隔为1小时，作为本次研究的基础数据。
2016.12.23日部分时刻热力图数据
2.2 数据处理
采用热力度衡量热力图反映的密度情况，热力度越高代表人口越密集，热力度越低则代表人口越稀疏。对不同的色彩区域赋予1-5的热力度数值。将热力度为5的区域称为城市高热区，热力度为4的区域称为城市次热区。高热区和次热区在一定程度上分别代表了城市内人群高度集中的区域和较为集中的区域。它们的面积越大反映城市人群的集聚度越高，面积越小则说明城市人群的离散度越高。
赋值后的百度热力图数据（以12月23日16时为例）
3、周末数据分析
3.1 不同热力度区域面积随时间变化情况
以周日数据（12月25日）为样本，以当日7点至23点期间每个整点的高热区和次热区为基础开展详细分析。
周日次热区面积变化图
周日高热区面积变化图
从以上图表可以得出周末人口集聚大体呈现早上面积小，下午至晚上面积大的趋势。从具体时段来看，次热区在下午15点达到一个小峰值，随后基本维持不变，直到晚上23点达到最大峰值，形成大约持续8个小时的面积稳定期；高热区在下午15和19点前后形成较明显的波峰，最后在晚上23点达到最大峰值。从人群活动来看，周末人群早上活动强度远低于晚上的活动强度，城市人群的集聚度自午餐时间之后开始走向峰值，一直持续到晚上，意味着周末大部分人群很可能在家用完午餐后出门 44 34137 44 15231 0 0 954 0 0:00:35 0:00:15 0:00:20 2958向城市商业中心集中。
3.2 高热区的空间分布
为进一步发现人群在城市中分布的空间特征，对高热区的地理位置分布进行考察。识别方式为利用GIS工具将武汉主城区进行栅格单元划分，并对每个单元的整日数据进行平均值计算。
平均值计算公式：
其中：Hi：单元i的整日平均热力度；Hix：单元i在X点时刻的热力度；X=7、8、9、……、23（共17个小时）；i=1、2、3、……、n。
如下图所示，分析得出主城区连续高热区共有8处,基本都是商业休闲中心，如江汉路、光谷、街道口等。
周日（12月25日）7:00至23:00期间热力度平均值
3.3 与规划空间结构的对比
将周末热力度平均值示意图与武汉主城区现行规划对照，如下图所示：
通过对照可发现上述8个高热区中5个均为现行总体规划中确定的市级综合服务中心（汉口中心商业区、滨江活动区等）或者市级副中心（光谷片区）。另外三处高热区所在区域均有较大型商业设施或交通枢纽（新世界百货、万达广场、武昌火车站等）
在现行规划中，王家墩商务中心作为现行规划确定的市级综合服务中心之一，定位为武汉中央商务区。其周末集聚度远低于其他中心地段，这与该地区目前正在逐步完善建设部分功能还未正式启用的现状符合。武昌临江区域在现行规划中确定为滨江活动区，其周末集聚度远低于对面汉口临江区域，显示出虽然武昌临近片区有司门口、积玉桥、户部巷、昙华林等高人气商业区，其人口聚集能力依然弱于江汉路、汉正街等传统商业片区。
4、工作日数据分析
4.1 不同热力度区域面积随时间变化情况
以周五（12月23日）为样本，以当日7点至23点期间每个整点的高热区和次热区为基础开展详细分析。
周五次热区面积变化图
周五高热区面积变化
从以上图表可以得出工作日人口集聚呈现上午快速增长，随后面积持续稳定在较高阶段至晚上有所下降的总体趋势。从具体时段来看，高热区与次热区的面积大约自10点起达到一天中的第一个高峰，一直持续大约9个小时，至下午18点左右达到一天中最低阶段。
从人群活动来看，可推测在工作日，受到工作时间的影响，人群集聚度稳定在高水平的时段明显较长。
4.2 高热区的空间分布
利用GIS工具将武汉主城区进行栅格单元划分，并对每个单元的整日数据进行平均值计算，得出主城区连续高热区共有11处,以商业休闲中心、行政办公、大型交通枢纽为主。如下图所示，与周末数据相比，相一致的是商业休闲中心和大型交通枢纽依然是人口集聚高热区，如江汉路区域、光谷广场、汉口火车站等，同时工作日呈现出较多的集聚点，多出来的大多为行政办公、商务办公地块，如洪山广场区域集聚大量行政办公地块，光谷国际总部、金融港等均为大型商务办公片区。
将工作日热力度平均值示意图与武汉主城区现行规划对照，如下图所示：
通过对照可发现工作日高热区与周日大体一致，基本在现行规划中有所体现。
其中，商务办公区域相对周日更突出一些，如洪山广场片区（行政办公集聚区）、金融港、坐标城等。同时，一方面商务功能比重高的区域在工作日依然为高热区，如中南路街道口片区、武昌汉口武汉火车站等；另一方面传统的商业中心依然是最主要的人群集聚中心如江汉路、汉正街等，很大程度上是由于传统商业中心的商务功能也很强。
5、总结
通过将上述周末和工作日时间的数据分析结果进行比较可以发现，周末和工作日武汉主城区的人群分布和空间使用具有以下特点：
（1）无论是周末还是工作日，城市人群的分布在早上总是较为均质化，在下午和晚上呈现较高的集聚度；
（2）在工作日人群集聚度维持在较高水准的时段要长于周末；
（3）周末城市人群集聚的峰值出现在午后和夜间，而工作日城市人群集聚的峰值出现在晚餐时间及随后的时间段。
（4）周末期间人群倾向于向少数几个中心高强度集聚，而在工作日人群倾向于向较多中心集聚，但集聚的强度相对低一些；
（5）周末期间城市商业中心的使用强度远高于其他地区，而在工作日商务中心与商业中心有着大致相同的使用强度。
6、工作营总结
非常感谢大鹏老师和小智老师课后的耐心指导和解答，以及小伙伴们在群里的热情讨论，让初次接触热力图相关知识的我顺利完成了此次成果。尽管本次成果在研究方法和对大数据的处理上存在诸多不成熟之处，但是作为自己初次运用大数据尝试进行的城市分析和探索，在完成整个成果的过程中，加深了自己对课程内容的进一步理解；通过具体案例的实际运用，更助于对于GIS软件及分析过程的深入掌握。也更加期待后续更多的工作营内容，希望通过不断的学习和各种尝试，在大数据技术方面收获更多，走的更远。
王梦，已参加由国匠城和城市数据团共同举办的《面向规划实践的数据能力增强计划》，具备城市数据综合分析能力，特此颁发认证，以资鼓励。
证书查询网址：www.caup.net/cert
往期回顾：
【优秀学员丨郭 翰】北京主城区人口聚集与街道拥堵分析
【优秀学员丨梁家俊】基于百度热力中山市中心城区结构分析
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