呼吸道傳染病防控視角下城市功能空間結構優化研究

譚德明,蔣 娜,凌寧遠

(南華大學 松霖建筑與設計藝術學院,湖南 衡陽 42100)

1989年為防控傳染病現代城市規劃理論提出調整城市空間結構,2020年我國在全球防疫常態化下將健康城市理念融入國土空間規劃中,中國城市規劃學會則在2021年9月發揮專業優勢發布了《城市防疫專項規劃編制導則》(T/UPSC 0005—2021)迅速對一批疫情相關團體標準進行了立項,可以看出,對城市空間治理傳染病的防控影響重大?，F有針對傳染病的研究,主要圍繞在對城市空間影響[1]、大數據在疫情防控的應用[2-3]和及時準確的疫情風險評估[4-5]這三個方面,但是影響因素為學者根據經驗進行選取[6],科學性有待提高。王蘭等從三種空間尺度深入剖析了城市發展對傳染性疾病的影響途徑,針對具體防治環節提出空間干預措施[7],馬向明則通過梳理城市空間在防“疫”管控中的發展,建立了多級聯動的防疫體系[8]。專家學者也從時空行為[9]、災害鏈略[10]、免疫學[11]、交通數據①②等視角作出多種分析以期減緩傳染病傳播?，F實生活中許多傳染病的感染和發病過程都與性別因素相關,不同性別的感染率、恢復率和死亡率不同,考慮性別可以更準確地描述疾病感染和傳播過程。從傳播途徑和數據獲取難易程度出發,選取較強傳染性的肺結核[12]作為分析對象。據WHO《2021年全球結核病報告》可知,2020年,在30個結核病高負擔國家中我國發病數排第2位,新發結核病患者估算為84.2萬[13],嚴重危害公眾健康。已有學者研究結核病確診病例的空間分布[14]或制定影響因子[15]進行研究,總結空間變化規律從而得到具體措施和預防戰略。肺結核與COVID-19的主要傳播途徑均為呼吸道傳播,兩者是以細菌或病毒形式入侵人體,主要侵犯肺部從而引起病發,它屬于《中華人民共和國傳染病防治法》規定的乙類傳染病。我們將肺結核病例的研究進一步延展至COVID-19的空間防控,為今后健康生活營造提出參考建議。

優化城市功能空間結構有利于促進城市系統的健康發展。傳統的城市功能空間研究主要集中于定性研究:總結研究階段[16]、對內涵概念進行概括、進行多維空間角度的思考等[17]。近年來互聯網快速發展,已有論文從POI[18]、多源數據[19]、手機信令數據[20]、GPS運動軌跡[21]等方面總結了城市功能空間結構演變特征。城市功能空間結構會直接影響城市用地布局、交通布局,從而促使人口集聚、產業分布等發生變化,學者已從路網密度[22]、公共服務功能組織[23]、景觀生態[24]、工業空間[25]等視角制定城市功能空間優化政策。城市功能空間作為城市空間的整體外在表征,會對傳染病傳播產生重要影響,但是傳染病防控視角出發的城市功能空間結構優化仍有待補充。

綜上所述,從防控傳染病出發制定空間規劃已是必然,但現有研究多以部分空間因子或某特定空間為主,缺少從傳染病防治視角去系統優化城市功能空間結構的研究,也并未思考患者性別對空間所造成的差異性影響。本文將分別對患者和城市功能空間進行空間分布規律總結、將兩者進行定量分析,明確傳染病在功能分區中傳播的突出驅動因素及產生緣由,其后依據變量與患者性別進行分層分析,得到性別所帶來的異質性影響,最后提出抑制疾病傳播的建議,從而制定防范政策企盼得到新冠疫情防控的啟示,為促進和落實健康城市建設提供科學支撐。

一 數據與方法

(一)研究概況

綜合湖南省疫情防控統計,2021年肺結核確診人數高居全省傳染病患者人數第二。這表明防控肺結核形勢依舊嚴峻,研究傳染病具有較高價值。選定省內某中小城市的中心城區為研究區域,總計面積約354.65 km2。

(二)肺結核患者數據

統計當地疾控中心提供的肺結核確診數據,將2010、2015、2020年累計的數據分別進行整理,共納入1 844個確診病例作為本次研究的樣本。從不同年份進行比對分析,增加研究結果可靠性。將多級空間影響因素分析作為特征值Y進行運算。用患者數據表示地區患病風險程度,用自然斷點法(Natural breaks)將肺結核感染人數依據100×100網格劃分等級,將感染人數分布在地區格網,劃分為4個等級:低風險(1～5)、中低風險(6～10人)、中等風險(11～15人)、中高風險(16人以上)。

(三)空間影響因素數據

學者分析后發現疫情擴散和其嚴重程度與人口的流動以及空間分布具有重要關聯[26],人口高度集聚與頻繁流動會使得風險加大[27],應相對展開對人類空間活動的研究[28]。本文使用100×100精度的人口數據,將人口密度納入輔助分析要素。路網對于人口的集聚影響也十分重大,本文收集了研究時間內的OSM路網,數據來源于OSM(Open Street Map,OSM)網站。

城市中的興趣點(points of interest,POI)是把生活中的地理實體用具有較高定位精度詳細的屬性點的信息在地圖上進行表示,這能夠真實地反映城市功能空間布局[29]。區別于傳統空間分析尺度所帶來的單一城市功能空間分區劃分,本文使用研究區域中心城區的高德地圖POIs數據,共315 458條,根據研究范圍以及影響因素初步篩選出51 372條。根據已有研究將與傳染病有關聯的POIs類型分成8大功能:公共管理、公用設施用地、休閑娛樂、出行保障、商業服務、金融商務、工業生產、公園綠地。根據高德POI分類將興趣點總結為歸納15大類[30]作為一級驅動因素,見表1。

表1 城市功能空間結構指標

(四)研究方法

1.核密度估計

為分析研究對象空間分布規律變化,我們利用核密度分析工具體現目標在空間上的集聚情況,呈現了要素在空間分布上的集聚分布狀態。其計算公式如下:

2.格網采樣法

為了實現全市區覆蓋分析,本文構建漁網實現市區空間化,但是收集數據尺度不統一,數據點之間確定地理坐標存在不一致,從而導致空間劃分存在一定問題。為減少誤差,便于整體數據分析,本文對構建規則格網進行重采樣。主要過程如下:構建100m×100m規則漁網將已知的行政統計單元進行劃分,共劃36 154個基本地塊單元對研究區域全覆蓋,再將屬性數據按位置關系賦予到每個單元,實現分析單位的統一。

3.隨機森林模型

為構建全市區的疫情感染風險評估模型,選用隨機森林(Random forest,RF),它是由許多決策樹組成的模型,相較于大部分機器學習方法,它具有靈活便于處理、能處理高維度數據、快速得到影響變量重要性排序等優點。將肺結核感染等級情況作為特征值Y,市域興趣點(POIs)數據、人口密度數據以及主要道路的路網數據作為影響變量Xi。本文通過隨機森林模型,探索影響變量之間的復雜相關性,計算得到每個影響變量的權重,其中考慮數據數量限制一級擬合問題等,設置100棵決策樹并且設定188個隨機種子數,引入隨機數的整個程序,在多次運行后得到確定的一致的結果。

其中Kappa系數是統計學中評估一致性的一種方法,計算公式如下:

影響因子的重要值計算方法。用隨機森林進行特征重要性評估就是根據每個特征在隨機森林中每棵樹上做出的貢獻量取平均值,最后比較特征之間的貢獻大小。貢獻大小通常使用基尼指數(Gini index)或者袋外數據(OOB)錯誤率作為評估指標來衡量。計算方式如下:

其中,D為數據的傳染病確診病例分級,pK是分級D中第K類樣本所占的比例(k=1,2,…,|Y|)。k的取值為k=(低風險、中低風險、中等風險、中高風險),Gini_index(D,a)是影響因子a的重要值,值越大說明影響變量DV越重要。

二 研究結果

首先將收集到的數據落實到空間上,總結對比不同年份空間分布規律,用核密度以及局部空間自相關進行展示;分析城市功能空間結構特征對肺結核傳播的驅動因素,得到影響主要特征;依據構成不同場所傳播風險權重的高低,采用柱狀圖與雷達圖等形式展示。然后,基于已有框架進行風險評估模型構建,對模型展開性能評估,針對城市中心區域范圍進行風險等級劃分,最終實現疫情風險評估空間化。

(一)空間分布規律探究

將各個年份的城市POIs數據和確診病例的點數據在空間上進行可視化展示,從熱力分布到街道尺度的局部空間進行自相關分析,展現兩者空間分布相關規律,總結兩者分布規律,對比發現兩者之間的關系。

第一,使用核密度方法對聚集程度進行估計。經過比較,本文將核半徑設為500 m,在能夠保留到點數據的足夠細節信息基礎上,又能較好地體現空間分布以及兩者之間的關聯性。從肺結核確診病例分析(圖1),它集中分布在城市中心地區,從最高密度可以看出2015年集聚度最高。2010年呈分散分布且從中心向外減輕,2015年逐步出現分區傳播,到2020年集聚程度緩解,但也是呈分區分布。從城市POIs數據分析(圖2),利用城市興趣點反映城市功能空間結構變化,顯示隨著時間推移,收集的有效數據量明顯增加,城市功能空間結構也發生了較為顯著的變化。從最高密度也可以看出,2010年市區為單中心結構,2015年出現雙中心分布雛形,且從中心向外拓展;到2020年城市雙中心已成形,且城市各功能集聚呈圈層式擴散。

圖1 肺結核分布熱力圖分析

圖2 POIs分布熱力圖分析

第二,利用聚類和異常值工具將點數據在街道尺度上進行空間分布異質處理,顯示患者病例2010年在某一街道呈現出高高集聚,其后一直主要以低高集聚特征為主,且出現集聚情況的街道發生變化,見圖3。城市POIs的集聚程度隨著時間變化高高集聚情況的街道增加,且相關街道的集聚狀況從低高集聚或低低集聚轉變成高高集聚,見圖4。

圖3 肺結核局部自相關分析

圖4 POIs局部自相關分析

(二)多級空間驅動因素分析

為明晰城市功能空間結構特征與肺結核確診病例集聚的關聯,基于隨機森林算法中各決策樹劃分情況及其結點的權重分布,本文經過計算得到每個獨立單元的特征影響,從而總結出影響各單元風險等級的驅動因素?？偨Y功能空間結構影響特征,再細分為一級驅動因子、二級驅動因子,分別根據模型計算進行對比分析或增添具體權重數值實現直觀呈現結果。

1.功能空間結構特征影響分析

通過城市功能分區影響分析,從圖5可得知突出影響的是商業服務功能,它三年的影響因素分別為:0.421 7、0.269 3、0.364 7。其他功能區按排序高低為公共管理、金融商務、公用設施、出行保障、休閑娛樂、工業生產、公園綠地。其中公共管理、休閑娛樂和出行保障占比逐年增長,公用設施則相反;而商業服務影響先降后升,余下功能區都恰好相反。具體情況見圖5。

圖5 城市功能分區影響分析

2.一級驅動因子分析

圖6以雷達圖形式展示了15類一級興趣點變量對疫情傳播影響程度的高低,可以明顯發現三年中影響最為嚴重的是購物服務類(0.277 3、0.197 9、0.288 3)。2010年到2015年醫療服務類的比重從0.090 2到0.166 1,有了較大的增長。而教育科研、公用設施、娛樂康體以及道路附屬等比重在三年中逐年增長,其余則發生不規律的變化,其中教育科研增長較為明顯。

3.二級驅動變量分析

利用算法得到獨立單元疾病風險等級所組成的參數權重具體值。從圖7可以看出各單元肺結核傳染風險等級影響變量變化,并可明顯看出對疾病傳播能力有較大影響的驅動變量。分別從每年的權重排序和年份不同所帶來的結果進行對比,得到主要影響場所以及城市功能空間結構變化所帶來的影響。

圖7 二級驅動變量具體分析

從場所角度看,三年里造成最大影響的因素都是店鋪(0.180 5、0.109 7、0.192 6)。2010年影響次之的為商場(0.108 2),2015年為公司(0.090 5),其中綜合醫院(0.085 9)也占據重要影響,2020年游戲場所(0.015 2)、保險(0.011 5)等場所影響明顯升高。三年內社區醫院(0.021 7、0.030 6、0.046 5)、成人教育(0.007 3、0.012 0、0.291 0)、快餐(0.017 4、0.012 0、0.033 0)等占比逐年增長,而公園綠地(0.011 8、0.010 2、0.003 8)、商場(0.108 2、0.063 5、0.011 0)占比逐年減少。

總而言之,從功能空間分區分析,可得知商業服務業功能區和公共管理功能區明顯高于其他變量,都有為居民生活提供日常服務、人口集聚特征明顯、區域人員復雜等特點。從興趣點分類變量分析,所占權重較大的是人口流動較大且較為集聚的區域,如購物服務類和餐飲服務類等,也有醫療衛生類帶來的影響。興趣點驅動變量中,主要集中在超市、市場、店鋪等,這些場所影響占比相較于其他明顯突出,可知肺結核傳播與人們日?；顒佑幸欢ǖ穆撓?。從最低影響因素之間的比較中可發現,城市主要功能區的建設,使得相關興趣點缺少,從而導致其影響性的減弱。

(三)分層分析

為研究傳染病患者的性別對各功能區所造成的異質性影響,本文對患者性別進行空間自相關。數據顯示,男女患者空間性相關性存在逐年增強的現象,男性患者對比女性患者的空間相關性更顯著。利用OLS與地理加權回歸模型(圖8—圖10)將男性患者與城市各功能區進行相關性分析,對比不同模型的性能,可發現地理加權回歸更能科學地體現結果。五類功能區與男性患者空間性相關性結果為:不同功能區影響的主要地理區域不一樣,出行保障功能在2015年和2020年呈現負相關性,2010年與公共管理呈負相關。對比整個患者群體與功能區的影響關系發現,公園綠地功能比商業服務三年中與男性患者相關性更強,公共管理三年對男性患者的影響逐步增強。

圖8 2010年功能區與患者性別空間相關性分析

圖9 2015年功能區與患者性別空間相關性分析

圖10 2020年功能區與患者性別空間相關性分析

三 城市中心城區功能空間結構優化策略

第一,以疏散人流為導向,構建科學合理的城市功能空間結構體系。研究區域現有中心城區規模不斷擴大,雖已在西南與東北處有新中心雛形出現,但城市整體仍然表現為典型的單中心城市結構,進而促使人流向中心大量匯集,容易形成感染加劇。要加強新城區和郊區建設,提供更豐富的產業分布以滿足居民不斷變化的需求,吸引更多人流分散到新城區和城鎮以減少中心區人口壓力以及疾病的傳播。要提高多尺度的城市功能復合利用程度,結合居民需求進行科學化配套,優化衛生醫療資源儲備結構,增加社區醫院和醫療服務等配套設施。

第二,以防疫為抓手,進行功能區精細化規劃設計,將各功能區劃分為開敞空間與建筑空間兩個部分。開敞空間防疫設計緊緊圍繞優化交通系統和植物搭配展開。城市功能空間結構的形成與聯系勢必要依賴于便捷的交通網絡,路網的密度應該在合理范圍之內,保證出行便捷且有利于形成城市通風廊道而減少病毒的傳播;公園則考慮灌木和喬木合理搭配,運用不同尺度的植物組合配置營造不同的空間,要重視樹木的間距,控制適當的社交距離達到人群之間減少接觸感染的可能。室內的建筑公共空間具有人流量大、人群復雜以及環境衛生品質存在隱患等特點,則需按不同類型制定衛生規范,在衛生治理上保證定期消毒,加強衛生質量檢測工作。

第三,以性別分析為基礎,建立以異質性影響出發的評價機制?？紤]到傳染病在不同人群中所產生的差異影響,對城市功能空間結構優化需正確認識城市復雜、動態、人地相互作用強烈的巨系統。要進一步利用數字化技術手段,構建網格化智慧管理體系,如用手機信令、公交刷卡、出租車OD等統計各功能區內不同性別人群活動強度,總結其出行習慣,利用各軟件點評、發帖等網絡輿情數據,分析居民防控需求,參考居民對城市建設的想法與建議,形成多元城市建設與治理主體。

四 結論與啟示

(一)結論

城市空間結構與傳染病的空間分布規律、兩者之間的影響關系以及患者性別所帶來的異質性影響,證實城市功能空間的繁復會導致人口集聚以及人口流動性的增強,會造成傳染病更為密集的傳播;城市中心變化的數量影響確診病例出現分片區集中情況;病例集聚的街道與興趣點集聚變化有一定聯系,與街道自身承擔的功能有一定關聯。突出影響因素可能是大量人群聚集的公共空間,容易造成感染人數的集聚,其中商業服務業功能、公共管理功能為代表。一級驅動因素中隨著社會經濟提升,政府對公用設施加大投入以及人們生活品質的追求,公用設施、娛樂康體等影響明顯增強。在二級驅動因素中綜合醫院的影響明顯強于社區等其他醫療設施,符合中小城市醫療主要依靠綜合醫院現狀,綜合醫院具有診療全面、設施健全、有權威性等特點,但是會讓各類病患集中進而使得病毒在空間交叉影響,增加感染可能性。為減少交叉感染概率,實現健康社區建設,要細化社會單元并完善社區醫院的診療條件,及時科普社區醫院的優點,這在往后制定中小城市規劃策略中是不可忽略的。橫向對比三年的變化:功能分區影響值自身的變化與城市建設重心變化相關;2010年到2015年,城市逐漸進行商業升級,至2020年,城市發展加速使得商業服務業先降后升、金融商務功能先升后降;一級驅動因素變化可知興趣點歸類最終決定對傳染病的影響高低,同一級驅動因素中所包含的場所影響值也具有高低之分,與居民的日常行為和城市性質相關;對比最高與最低影響功能,公園綠地功能從2010年到2020年影響占比逐年減少,公園綠地影響城市通風,在防范傳染病和加強居民健康方面都有一定作用,研究區域雖然具有較大面積的綠色空間,但是影響占比仍呈下降趨勢,這可能與城市整體綠色空間布局有較大聯系。與之相反,出行保障功能則呈現逐年影響權重上升的趨勢,此情況主要在于居民出行次數、出行方式等的改變,而此功能區建設量的增加也為傳播肺結核提供更多條件。發現男性患者的空間相關性明顯強于女性患者。將男性患者與各功能區進行比對,研究發現男性患者對比所有患者與各功能區的空間分布關系有較大差異性,可能與男性患者日?；顒訄鏊托袨榱晳T密不可分;各功能區對研究區域造成影響的分布也不相同,側面輔證了城市不同建設重心將對傳染病傳播產生影響。

(二)啟示

肺結核是一種古老的傳染病,曾在全世界范圍內流行,奪去了數億人生命。以城市功能空間結構為分析對象是因為城市功能空間結構影響著城市的方方面面,從而研究兩者關系能為優化城市建設、防控傳染病提供指導。本文創新之處在于運用多源數據和地理信息技術從呼吸道傳染病防控視角系統思考優化城市功能空間結構,強調了數據空間屬性,克服了以往數據中忽視空間特征等不足。希望本文的研究方法及結論,可為未來利用地理信息技術的疾病研究以及優化城市功能空間結構提供借鑒與參考。但在數據分析以及邏輯關系構建上,本文仍存在一定的局限性,例如未考慮城市社會經濟、自然環境等對傳播肺結核的影響,缺乏對病例的針對性分析。

注釋：

①YUAN H, HOSSAIN M P, TSEGAYE M, et al. Estimating the Risk on Outbreak Spreading of 2019-nCoV in China Using Transportation Data in medRxiv, 2020.

②AI S, ZHU G, TIAN F, et al. Population Movement, City Closure and Spatial Transmission of the 2019-nCoV Infection in China in medRxiv, 2020.