基于人口離散化和交通網(wǎng)絡(luò)分析的西安市城市公園綠地可達(dá)性研究與評價

黃曦濤，李懷恩，張瑜，謝露蓉

（1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，西安 710048；2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054；3.陜西省基礎(chǔ)地理信息中心，西安 710054；4.陜西測繪地理信息局，西安 710054）

1 引 言

20世紀(jì)60年代，國外專家首次提出城市綠地的概念，其是實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要空間保障，具有重要的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會文化功能［1］。城市公園綠地作為城市綠地的重要組成部分，主要表現(xiàn)為大面積綠地、水體或兩者結(jié)合的區(qū)域，能為市民提供日常晨練、休閑、休憩、娛樂等場所，在緩解城市居民工作壓力等方面具有不可替代的作用。

隨著遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，為城市公園綠地研究和建設(shè)提供了新的思路和方法。近年來許多學(xué)者結(jié)合以人為本的規(guī)劃思想和景觀生態(tài)學(xué)方法，從不同角度對綠地規(guī)劃指標(biāo)體系提出了修正意見，其中，以景觀可達(dá)性研究評價方法最具代表性［2－3］。目前，大部分可達(dá)性研究都基于道路和不同土地利用類型對運(yùn)動速度的影響，該方法雖然能夠較真實地反映交通成本，但對服務(wù)人口分布、公園綠地的入口、不同等級綠地吸引力考慮不足，較難全面反映某一區(qū)域居民獲得綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的機(jī)會，全面考慮這些因素進(jìn)行研究的文章還不多見。

本文以西安市城區(qū)為研究目標(biāo)，基于兩景不同分辨率的衛(wèi)星影像，通過提取西安市土地利用信息、NDVI指數(shù)、MNDWI指數(shù)，并創(chuàng)新性的將人口離散化處理和交通網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合，對西安市城市公園綠地的可達(dá)性進(jìn)行定量研究和評價，為西安市未來城市公園綠地的建設(shè)和長期發(fā)展提供合理化建議。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 衛(wèi)星影像預(yù)處理

利用2010年06月17日獲取的Landsat5TM遙感影像獲得研究區(qū)NDVI指數(shù)［4］和 MNDWI指數(shù)［5］分析結(jié)果，用于后續(xù)土地分類和人口離散數(shù)據(jù)提取，指數(shù)運(yùn)算結(jié)果值介于－1到1之間，值越小，影像的色調(diào)越暗，說明地表的植被和水體覆蓋率越低；反之，值越大，影像的色調(diào)越亮，說明地表的植被和水體覆蓋率越高，如圖1和圖2所示。

圖1 NDVI指數(shù)圖

圖2 MNDWI指數(shù)圖

2.2 城市公園綠地提取

采用ENVI4.2，利用面向?qū)ο蠓诸惙ㄌ崛⊙芯繀^(qū)內(nèi)公園綠地面積大于18000m2的斑塊，再參考NDVI指數(shù)圖中植被信息的分布特征，結(jié)合目視判讀，獲取本次實驗的城市公園綠地數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 西安市主城區(qū)綠地提取成果

3 研究方法

3.1 人口離散化

首先，城市公園綠地可達(dá)性評價所關(guān)注的休憩服務(wù)能力對超出服務(wù)范圍的人群不具備服務(wù)能力和良好的擴(kuò)散性；其次，常規(guī)的人口離散化方法通常認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和水資源豐富的地區(qū)人口密集，但存在基礎(chǔ)資料難獲取的問題，同時人口離散結(jié)果多以行政區(qū)劃為單位宏觀表示，粒度較大，不能直接與遙感數(shù)據(jù)掛接用于精細(xì)化統(tǒng)計分析。本文假設(shè)城市內(nèi)水體、裸地、植被覆蓋區(qū)域內(nèi)不分布人口的規(guī)則，將人口數(shù)據(jù)合理的離散到城市居民地區(qū)域，獲取細(xì)粒度人口數(shù)據(jù)的分布數(shù)據(jù)，作為后續(xù)可達(dá)性分析的數(shù)據(jù)源之一，使分析結(jié)果精度得到較大的提高。

通過分析發(fā)現(xiàn)MNDWI指數(shù)中水體（包括河流、大型湖泊、人工湖）為正值；道路為較大負(fù)值（－0.13至－0.18，其中－0.15左右居多）；片狀居民地為中等負(fù)值（－0.18至－0.35），其中，低層建筑負(fù)值相對較大，高層住宅居多的大型成熟社區(qū)因為綠化較好，陰影面積較大，因此負(fù)值較小，接近－0.35；高反射房頂（如使用金屬屋頂?shù)膫}庫和集裝箱貨運(yùn)站等地）為較小負(fù)值（－0.35左右）；城郊裸地與生產(chǎn)用地及農(nóng)業(yè)用地為更小負(fù)值（小于－0.35）。

圖4 河流、居民地、高反射地物和裸地的MNDWI指數(shù)對比圖

因此，先利用NDVI先將城市中植被剔除，再通過MNDWI將城市水體、道路、高反射廠房、和城市裸地（MNDWI指數(shù)值小于－0.35且大于－0.18）從人口分布區(qū)域中剔除，對剩余居民地類型對應(yīng)的像素進(jìn)行賦值。通過以上分析，人口數(shù)量與MNDWI負(fù)值存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即高層建筑比多層建筑MNDWI負(fù)值小，則承載的人口數(shù)量多，反之亦然。因此，以MNDWI指數(shù)的大小為調(diào)節(jié)權(quán)重，直接將人口數(shù)據(jù)分配至每個像素，可準(zhǔn)確快捷的實現(xiàn)人口離散：

其中，NumDN為西安市各區(qū)居民地柵格對應(yīng)的人口數(shù)，DNMNDWI為居民地柵格的 MNDWI值，∑DNMNDWI為西安市各區(qū)居民地柵格的MNDWI值總和，NumAll為西安市各區(qū)人口總數(shù)（數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局2011年04月28日對外公布的西安市第六次全國人口普查數(shù)據(jù)，西安市灞橋區(qū)595124人、未央?yún)^(qū)806811人、新城區(qū)589739人、長安區(qū)1083285人、蓮湖區(qū)698513人、碑林區(qū)614710人、雁塔區(qū)1178529人），計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 人口離散成果柵格圖

3.2 基于交通網(wǎng)絡(luò)的公園綠地可達(dá)范圍提取

首先，城市公園綠地可達(dá)性和綠地入口位置有密切關(guān)系［6－7］。城市居民出行，都習(xí)慣于沿著道路軌跡運(yùn)動。另外，公園綠地實際情況大多是存在封閉或半封閉的圍墻，當(dāng)人們需要進(jìn)入時，必須通過道路到達(dá)目的地入口才能順利進(jìn)入（圖6），因此，城市公園綠地可達(dá)性研究的核心要素應(yīng)包括城市交通網(wǎng)絡(luò)和公園綠地入口信息。本文在提取公園綠地基礎(chǔ)上，結(jié)合路網(wǎng)數(shù)據(jù)補(bǔ)充采集綠地的入口信息（圖7），作為后續(xù)交通網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性的Facilities（資源）。

圖6 交通、街區(qū)格局和綠地入口對可達(dá)性的影響

圖7 公園綠地入口采集結(jié)果示意圖

其次，結(jié)合已獲取的入口信息資源，根據(jù)居民在城市中的運(yùn)動習(xí)慣、街區(qū)格局，本文假設(shè)居民通過道路步行前往公園綠地的速度為50m／min，分別按照7min、20min和30min的容忍限度，調(diào)入路網(wǎng)數(shù)據(jù)集，采用ArcGIS 9.2軟件的Network Analyst分析模塊得到不同公園綠地的服務(wù)范圍（圖8）。

圖8 公園綠地入口服務(wù)可達(dá)性實驗結(jié)果示意圖

最后，將服務(wù)區(qū)范圍分組導(dǎo)出并和人口離散數(shù)據(jù)相交，通過程序可以獲得西安市公園綠地的服務(wù)面積和服務(wù)人口數(shù)據(jù)（表1），用于后續(xù)分析。

表1 西安市城市公園綠地服務(wù)人口和服務(wù)面積統(tǒng)計表

4 結(jié)果分析

4.1 數(shù)量與空間分布特點(diǎn)

本文共提取了西安市三環(huán)以內(nèi)面積大于18000m2的城市公園綠地26塊，總面積為9723606m2，占研究區(qū)總面積的0.4633%，人均城市公園面積約為1.75m2。步行7min的情況下，服務(wù)總面積為21110551m2，服務(wù)總?cè)丝跒?62566人；步行20min的情況下服務(wù)總面積為79595889m2，服務(wù)總?cè)丝跒?059201人；步行30min的情況下服務(wù)總面積為152940056m2，服務(wù)總?cè)丝跒?991586人。西安城市公園綠地整體分布不均，主要分布在研究區(qū)的西部、南部、西南，呈“L”和“口”字型，城區(qū)中部、西北部、東部城市公園綠地較為缺乏。

4.2 城市公園綠地可達(dá)性量化分析

（1）公園比較

從表1可以看出，公園綠地面積與服務(wù)人口和服務(wù)面積不成正比，綠地水體面積大的可達(dá)性反而低。無論從服務(wù)面積和服務(wù)人口來講，環(huán)城公園、兒童公園等面積較小的可達(dá)性都很高，這是因為環(huán)城公園依西安城墻而建，地理位置優(yōu)越，靠近密集居民區(qū)、路網(wǎng)發(fā)達(dá)、人流量大，且為條帶狀環(huán)形，無論城墻內(nèi)外或是東西南北都有多個入口可以進(jìn)入，因此，服務(wù)效率較高，但承載量和服務(wù)壓力大，對日常管理維護(hù)要求相對較高；未央湖公園等這類大型公園由于入口少、較為封閉，且主要分布在城區(qū)外圍，地理位置較偏遠(yuǎn)、周邊人口密度小、路網(wǎng)欠發(fā)達(dá)，因此可達(dá)性結(jié)果較差，服務(wù)效率較低。可見，公園綠地的可達(dá)性與地理位置、入口數(shù)量、交通情況、公園形狀等因素都息息相關(guān)，與面積大小沒有直接的關(guān)系。

（2）行政區(qū)比較

根據(jù)不同行走時間下各個區(qū)的服務(wù)面積、服務(wù)人口，利用服務(wù)面積比和服務(wù)人口比的計算公式如式（2）和式（3）所示：

其中，KArea、KPop、AreaServer、AreaReg、PopServer、PopReg分別代表服務(wù)面積比、服務(wù)人口比、公園綠地行政區(qū)劃內(nèi)服務(wù)總面積和總?cè)丝谝约靶姓^(qū)劃總面積和總?cè)丝冢y(tǒng)計各個行政區(qū)劃內(nèi)公園綠地的服務(wù)效率比值，結(jié)果如表2所示。

通過表2可見，西安市6城區(qū)相比較，各種條件下，碑林區(qū)的城市公園綠地服務(wù)比最優(yōu)，長安區(qū)最差。這是由于碑林區(qū)面積較小，人口密度大而城市公園綠地數(shù)量較多，服務(wù)面積較大，而長安區(qū)卻相反。這也符合西安市的實際情況。

表2 西安市分區(qū)服務(wù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

本文所采用的人口離散方法比傳統(tǒng)方法（基于土地利用分類、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)）更加便捷，僅通過TM影像就可以獲得；從理論上精度更高，因為對空間上明顯不應(yīng)存在人口分布的地物（植被、水、路、裸地等）不分配人口的同時，也考慮了不同建筑類型（低矮房屋和高層）人口承載量的不同，更加合理，易于實現(xiàn)；改進(jìn)了常規(guī)離散方法在人口劃分中的錯分現(xiàn)象以及粒度較大的問題，更易與遙感數(shù)據(jù)掛接用于精細(xì)化統(tǒng)計分析。同時，以真實的城市公園入口作為必要條件，創(chuàng)新性的將人口離散化與交通網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)相結(jié)合，充分考慮到居民出行習(xí)慣等主客觀因素，研究結(jié)果能夠精確量化，可信度更高。基于本次研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：西安市公園綠地的可達(dá)性與地理位置、入口數(shù)量、交通情況、公園形狀等因素都息息相關(guān)，與面積大小沒有直接的關(guān)系，可達(dá)性高的城市公園綠地負(fù)載重，不利于可持續(xù)發(fā)展，可達(dá)性低得城市公園綠地服務(wù)效率過低，資源浪費(fèi)。希望有關(guān)部門能夠在未來的城市規(guī)劃工作中，充分參考可達(dá)性指標(biāo)，改善目前西安市城市公園綠地在數(shù)量和分布上的不平衡，提高城市公園綠地服務(wù)效率和水平以改善城市居民日常生活在文化、休憩方面的需求。最后，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車已進(jìn)入尋常百姓家庭，將擴(kuò)展人們出行的空間范圍，但駕車出行的可達(dá)性研究更為復(fù)雜，還需要考慮公園綠地對人們服務(wù)吸引力大小等相關(guān)因素，與簡單的休閑、休憩有所不同，這可以作為今后深入研究的一個方向；另外，本文在進(jìn)行人口離散權(quán)重分配計算時，沒有考慮建筑物使用類型（居民住宅或商業(yè)地產(chǎn)）因素的影響，也是今后研究需要補(bǔ)足的問題。

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