基于GIS的城市公園綠地可達性時空變化分析

劉正綱，李 玲

(遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

城市公園綠地是人們主要的室外游憩場所，具有重要的生態、社會文化功能，其可達性的強弱直接影響著綠地的使用頻率，進而影響著人們的身體健康狀況[1-4]。可達性是指從空間中任意一點到該景觀(源)的相對難易程度[5]，綠地可達性就是指人們從居住位置到達綠地的便捷程度。早期研究主要關注綠地的質量、特點以及綠地與居民地的距離，認為人們的健康狀況與到達綠地的距離有很大關系[6]，是人們到綠地活動的首要考慮因素。近年來，可達性分析更多的采用空間分析的方法，以地理信息系統(GIS)為主要工具對公園綠地可達性進行評估，常見的方法有鄰近距離法、緩沖區分析法[7-9]、網絡分析法[7-13]、費用加權距離法、兩步移動搜尋法[14-16]等。如施拓等利用緩沖區分析和網絡分析法，結合沈陽市的道路和人口數據對兩種分析方法的可達性結果進行對比分析[7]；楊俊等利用SPOT影像結合大連市沙河口區交通路網數據，對綠地進行緩沖區分析和網絡分析，計算各街道綠地服務面積比率與可達綠地面積大小并對其影響因素進行分析[8]；魏冶等利用高斯兩步移動搜索法對沈陽市綠地可達性進行分析[15]；尹紅巖等利用網絡分析方法評價沈陽市三環以內公園綠地服務面積及其服務效率，并分析公園綠地服務面積及服務效率隨公園綠地面積、公園綠地形狀、路網密度的變化規律[10]。

綜上所述，以前的研究主要是采用不同方法針對城市某一特定時期的公園綠地可達性進行分析，缺少時間動態特征，很難反映公園可達性的變化與城市道路網和公園建設發展之間的關系。所以本文以沈陽市為例，利用2006、2011和2016年的QuickBird影像提取的綠地和道路信息，采用網絡分析法，對該市三環以內公園綠地可達性變化及其原因進行分析。

1 研究區域

沈陽市位于北緯41.17°～43.03°，東經122.41°～123.83°，是遼寧省的省會，因位于渾河(舊稱“沈水”)北岸，故稱沈陽。沈陽是中國東北地區經濟、文化、交通、金融和商業中心，也是中國重要的工業基地和歷史文化名城。屬于北溫帶受季風影響的半濕潤大陸性氣候，一年四季分明。曾先后獲得“國家環境保護模范城市”、“國家森林城市”、“國家園林城市”稱號。全市總面積逾12 948 km2，市區面積3 495 km2，2015年常住人口829.1萬人，戶籍人口730.4萬人。

本文以沈陽三環內的城市公園綠地為研究對象。沈陽市三環(繞城高速)內是沈陽市的主城區，是城市居民的主要聚居區，總面積約819.8 km2，包括沈河區、鐵西區、渾南新區的全部以及和平區、皇姑區、大東區、于洪區的一部分。該區域能很好地反映沈陽市城市公園綠地的總體服務水平。

2 數據與方法

2.1 研究數據

本研究所使用的原始數據包括：①2006、2011和2016年三期QuickBird全色影像(空間分辨率為0.61 m)和多光譜影像(空間分辨率為2.44 m)；②城市公園出入口調查數據；③沈陽市城市總體規劃和城市發展相關資料。

2.2 研究方法

本文的數據處理過程主要分3個階段：公園和道路信息提取、公園可達性網絡構建和公園可達性變化分析，詳見圖1。第一階段主要利用QuickBird影像，經過校正、解譯和矢量化等，提取道路和公園入口點分布圖；第二階段用來構建公園可達性的網絡結構，便于后續的分析處理；第三階段通過網絡分析的方法，分析不同時期的城市公園可達性并作對比分析，簡析其變化原因，并得出結論。

2.2.1 公園和道路信息提取

1)公園和道路分布信息提取。公園綠地是向公眾開放，以游憩為主要功能，兼具生態、美化、防災等作用的綠地[17]。根據國家的城市綠地分類標準，本文選取綜合公園、全市性公園、區域性公園、動物園、植物園、歷史名園、風景名勝公園、游樂園、帶狀公園、街旁綠地為主要研究對象，不包含小區或社區型公園。首先，利用ENVI 5.1軟件平臺分別對2006、2011和2016年的QuickBird影像數據進行預處理，坐標系統采用WGS84橫軸墨卡托投影。將全色與多光譜影像進行融合，對融合后的影像進行目視解譯，在ArcGIS中進行矢量化，提取城市公園綠地分布矢量地圖。利用相同的方法分別提取2006、2011、2016年的沈陽市三環內城市道路矢量地圖，并提取道路的中心線，這里的道路不包括鐵路和居住小區內部道路。

2)公園綠地入口點信息提取。城市公園可以分為有固定入口和無固定入口兩種，有固定入口的公園通常有2～5個大門，其余部分用護欄或圍墻與周邊隔離；而無固定入口的公園通常周圍與道路鄰接，沒有明確的大門入口，人們可以從多個方向直接進入公園。本文認為人們只要到達城市公園的入口即視為到達綠地，所以需要到實地進行考察，以確定公園入口的位置。在調查中，對于有固定入口的公園，用手持GPS測量每個入口的位置，內業處理時在地圖上以點的形式進行標記，保存為公園入口點圖層。對于無固定入口的公園，筆者通過調查發現，它們絕大多數屬于街旁綠地，邊界形狀比較規則，以四邊形為主，因此在內業處理時，在有道路相連的邊界處取多邊形的頂點作為公園綠地的入口點。為分析方便，假設所有公園的入口在10年間保持不變。依據上述規則分別建立2006、2011和2016年的公園綠地入口點圖層。

圖1 本文技術路線示意圖

2.2.2 公園可達性網絡構建

城市道路交通網是影響公園可達性分析的重要因素，所以在進行網絡分析之前需要對獲取的城市道路網數據進行處理。首先從公園的入口點向離它最近的道路中心做垂線，將所有城市公園的入口點都移至道路中心線上，形成一個完整的交通分析網絡。然后對該網絡進行拓撲關系檢查，修正編輯過程中可能出現的線段重疊、自相交、懸掛點等問題。最后參照遙感影像底圖，在平交路口處將相交的線打斷，立體交叉口處(如立交橋等)不打斷，保證各路段的連通性與真實情況相符。

為了更好地計算自駕車可達性，需要設置交通道路網不同路段的權重，將所有道路路段對象賦予了成本、等級兩個屬性。成本是經過網絡元素不同路段時累積的某種屬性值，例如車行時間、路段長度等，文中設置為通行時間；等級指的是道路等級，將此屬性分別設置為：國道、省道為1，城市主干道、次干道為2，支路等為3，分別表示平均車速為80 km/h，60 km/h和40 km/h。

2.2.3 公園可達性變化分析

網絡分析是對地理網絡和城市基礎設施網絡等網狀事物及它們的相互關系和內在聯系進行地理分析和模型化，其理論基礎為圖論和運籌學，主要用于資源的最佳分配、 最短路徑查找等。 一個基本的網絡主要包括中心 (centers) 、 鏈(links) 、 節點(nodes) 和阻力(impedance) (見圖1)[11]。

本文的網絡分析是以城市交通道路網為基礎，在一定阻抗范圍內，以步行和自駕車的方式從所居住地點到達城市公園綠地的時間花費。將所有的公園入口點作為公共服務設施布置點，設定可達時間分別0～5 min、5～10 min、10～15 min、15～30 min、>30 min 5個區間段。設定人的步行平均速度為60 m/min[11]，自駕車的平均行駛速度根據2.2.2中設定的道路等級屬性來確定。采用網絡分析中的服務區分析方法，利用ArcGIS的Network Analyst模塊，對城市公園綠地分別以步行和自駕車的出行方式進行可達性研究，以可達性面積為主要指標。以自駕車方式為例，可達性面積計算的基本原理和流程如下：①首先根據網絡中各路段的長度和平均車速，得到各路段的時間耗費，以分鐘計算；②以某個公園的一個出入口為起點，根據連通性原則，在交通網絡中查找時間總耗費為5 min的道路點；③將②中所有的道路點連接成多邊形，并計算其面積；④利用上述方法求取該公園所有入口點的服務范圍，然后取并集；⑤用類似方法求出所有公園的可達范圍，然后取并集，即可求出5 min內的公園綠地可達面積，記為A0-5；⑥利用上述①-⑤的方法分別求出10 min內、15 min內、30 min內的公園綠地可達面積，分別記為A0-10、A0-15、A0-30；⑦研究區總面積記為A，分別計算自駕車5～10 min、10～15 min、15～30 min以及>30 min的可達面積為

A5-10= A0-10-A0-5；
A10-15= A0-15-A0-10；
A15-30= A0-30-A0-15；
A>30= A-A0-30。

依據上述方法，分別得到2006、2011和2016年不同出行方式的城市綠地可達性分布圖和可達面積，并對結果進行對比分析，總結變化特征。

3 結果與分析

3.1 公園信息提取

沈陽市2006、2011和2016年的公園綠地分布情況見圖2。10年間，沈陽市三環內的公園綠地從114塊增加到現在的136塊，增幅約19.3%，2011—2016年公園數量和分布沒有變化。3個時期城市公園的占地面積分別為58.86 km2、67.26 km2和67.33 km2，增加的公園綠地主要集中在渾河南北兩岸附近。從2016年的空間分布來看，大型公園主要集中在渾河及其支流的沿岸附近，例如五里河公園、南湖公園、青年公園、萬柳塘公園、北陵公園、丁香湖公園等，城市東北部公園數量偏少。

沈陽市2006、2011和2016年的公園綠地出入口分布情況見圖3。3個時期的入口點數量分別為433、555和555處，平均每個公園約4個入口點。2011和2016年的公園入口數沒有發生變化，是因為公園的數量和分布未發生改變，但是這5年間的城市道路網有局部變化，進而會影響公園的可達性。

圖2 2006、2011和2016年沈陽市公園綠地分布圖

圖3 2006、2011和2016年沈陽市公園綠地入口分布圖

3.2 城市道路網信息提取

沈陽市2006、2011和2016年的道路網分布情況如圖4所示。10年間，沈陽三環內城市道路網總里程從201.2 km提升至2016年的248.9 km，年均增加4.77 km。道路網密度也從0.245 km/km2提升至0.304 km/km2，增長了約24.1%。增加的道路主要集中在二環路與三環路之間，特別是渾南新區、西部的于洪新城和北部的白山路周邊地區，一環內道路幾乎沒有變化。

3.3 沈陽市公園綠地可達性變化分析

3.3.1 步行可達性變化分析

沈陽市公園綠地步行可達性分布見圖5，可達面積見表1。從可達面積看，2006—2016年沈陽三環以內城市公園綠地步行30 min內可達面積從278.20 km2增加到387.98 km2，增加了39.5%，其中2006—2011年間增長更加明顯；至2016年仍有超過50%的區域步行可達性超過30 min；各時間段內可達面積均有所增加，其中2006—2011年增加的更為顯著；10年間，步行15～30 min到達的面積最大，其余時間段比較接近。公園可達性提升比較大的區域是渾河南岸、西部于洪新城和北部白山路附近；城區一環內城市公園綠地可達性基本沒有變化。從2016年的現狀分布看，一環內步行可達性最好，一環與二環之間次之，二環與三環之間最差，尤其是城市的東北部和東南部可達性較差。

圖4 2006、2011和2016年沈陽市城市道路網分布圖

圖5 2006、2011和2016年沈陽市三環以內城市公園綠地步行可達性分布圖

3.3.2 自駕車可達性變化分析

沈陽市公園綠地自駕車可達性分布見圖6，可達面積見表1。從可達面積看，2006—2016年沈陽三環以內城市公園綠地自駕車30 min內可達面積從507.24 km2增加至563.99 km2，提升了約11.2%，2006—2011年間提升更為顯著，2011—2016年略有增長；至2016年仍有約31.2%的區域自駕車可達性超過30 min；從時間段分布看，3個時期都是0～5 min到達的面積最大，其余的依次是5～10 min，15～30 min和10～15 min。公園可達性提升較大的區域集中在西南部、北部和東南部；東北部地區仍有一定的提升空間。

3.3.3 不同交通方式的可達性對比

兩種出行方式公園可達性都具有一定程度的提升，2006—2011年間提升較大，2011—2016年間變化較小。0～30 min內自駕車的可達總面積遠遠高于步行方式，這主要源于自駕車的速度優勢。自駕車方式可達面積最大的發生在0～5 min內，而步行方式則出現在15～30 min。

圖6 2006、2011和2016年沈陽市三環以內城市公園綠地自駕車可達性分布圖

時間/min出行方式可達面積/km22006201120160～5步行51.1275.2076.585～10步行56.3481.8983.4210～15步行54.3465.5073.2815～30步行116.40141.64154.70合計步行278.20364.23387.980～5自駕車239.38346.46337.485～10自駕車130.22104.58108.7710～15自駕車64.7543.2747.0015～30自駕車72.8969.1270.74合計自駕車507.24563.43563.99

3.4 綠地可達性變化原因分析

10年間，沈陽市公園綠地可達性提升的直接原因在于公園數量和城市道路網密度的增加。2006—2011年，公園數量和道路網密度快速增長，公園可達性顯著增加；2011—2016年，公園數量沒有變化，但道路網密度仍有少量增長，總體上也提高了可達性。

10年間，沈陽市先后經歷第3輪城市總體規劃(1996—2010)和第4輪城市總體規劃(2011—2020)。第3輪總體規劃“制定了由5條東西向道路、7條南北向道路和3條環路構成的道路網主骨架”[19]。由于城市的發展、擴建，導致三環附近的道路網密度加大，三環周邊區域可達性有所改善，渾南新區的道路網密度明顯加大。沈陽市城市總體規劃(2011—2020)中強調“加快建設快速路，全面改善干路節點，充分發揮支路微循環，逐步加密過河通道，構筑立體化的暢通城市”，這些政策措施已經取得了初步成效，2011—2016年間城市主城區道路網密度進一步加大，未來二環與三環之間的道路和公園綠地建設還有一定的提升空間。

4 結 論

本文通過遙感數據處理、公園綠地信息提取、道路網提取、ArcGIS網絡分析等手段對2006—2016年沈陽市城市公園綠地的可達性進行分析。結果表明，沈陽市城市公園綠地可達性有了較大程度的改善，尤其是2006—2011年間；位于城市中心位置的一環內發展空間比較小，可達性變化不明顯；30 min內，自駕車的可達性遠遠好于步行交通；城市公園步行可達性面積最大的時段集中在15～30 min，而自駕車則是0～5 min。沈陽市城市公園綠地可達性的提升，其直接原因是道路網密度和公園數量的增加，特別是渾南地區，這得益于10年來沈陽城市規劃和基礎設施建設的發展。未來城市公園可達性提升主要的地域集中在二環路和三環路之間，特別是東北部、東南部等地區。這些成果將為沈陽市未來城市道路交通建設和綠色生態環境打造等提供有益的決策支持。