基于互聯(lián)網(wǎng)地圖服務和Ga2SFCA 的天津市中心城區(qū)公園綠地可達性

郭 鵬，孫艷玲

（天津師范大學 地理與環(huán)境科學學院，天津300387）

黨的十八大提出要從維護最廣大人民根本利益的高度，加快健全基本公共服務體系，推動社會主義和諧社會建設.作為城市居民的主要休憩場所，公園綠地是城市公共服務體系的重要組成部分，它不僅發(fā)揮著重要的生態(tài)環(huán)境功能，同時具有重要的社會功能，對提升城市環(huán)境質量具有重要作用[1-2].因此，公園綠地空間布局是否合理備受社會的廣泛關注.可達性是評價公園綠地布局合理性的有效指標，能夠揭示人們利用公園綠地的便捷程度[3].

可達性指從空間任意一點到達目的地的難易程度，反映了人們到達目的地過程中所克服的空間阻力（spatial resistance）大小，通常用距離、時間和費用等指標來衡量[4]. 目前，可達性評價方法已受到國內(nèi)外廣泛關注，方法體系非常豐富[5-6]，并被廣泛應用于公園綠地[3-4]、醫(yī)療服務等城市公共服務設施分布合理性和服務公平性的研究中[7-14]. 其中，由Radke 等[15]提出，經(jīng)Luo 等[16]改進的兩步移動搜尋法（two-step floating catchment area method，2SFCA）在計算中將非空間屬性融入空間可達性研究中，考慮了供給點規(guī)模、需求點規(guī)模以及供給點和需求點間的相互作用，受到國內(nèi)外學者的認可，并出現(xiàn)了各種擴展形式[17].高斯型2SFCA（Gaussian 2SFCA，Ga2SFCA）方法由Dai[18-19]提出，是采用高斯函數(shù)作為2SFCA 搜尋半徑內(nèi)的距離衰減函數(shù)的一種方法，它在空間可達性評價過程中能夠體現(xiàn)出不同區(qū)域到達公共服務設施的空間差異性，評價結果較為可靠[20-21]. 同時，由于采用高斯函數(shù)作為距離衰減函數(shù)，其可達性隨距離衰減速度呈“S”型衰減，在較近和較遠的階段較慢，中間部分較快[22]，更加符合城市居民使用公園綠地的實際習慣.因此，本研究選擇Ga2SFCA 方法度量城市公園綠地的空間可達性.

在以往研究中，研究者主要通過構建路網(wǎng)和設定居民的平均步行速度計算可達時間和距離，容易發(fā)生因路網(wǎng)數(shù)據(jù)采集詳細程度不夠所導致的可達性分析結果誤差偏大問題.隨著空間感知及移動定位技術的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)地圖服務商提供的導航數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以精確到居住小區(qū)內(nèi)部的路網(wǎng)，從而更加準確地反映實際交通通行狀況[23].目前，可以通過高德和百度等互聯(lián)網(wǎng)地圖服務商提供的地圖服務接口，直接獲得通行時間數(shù)據(jù)，既節(jié)省了收集路網(wǎng)數(shù)據(jù)的工作量，同時避免因路網(wǎng)精度不夠引起的結果誤差[24].此外，還可以在這些互聯(lián)網(wǎng)地圖服務中抓取居住小區(qū)范圍及小區(qū)內(nèi)建筑信息，為細化研究主體、提高分析結果精度提供可能.基于此，本研究以天津市中心城區(qū)為例，利用互聯(lián)網(wǎng)地圖服務獲取公園綠地、居住小區(qū)、建筑及通行時間信息，以居住小區(qū)為評價單元，對研究區(qū)公園綠地的可達性進行定量分析評價，以期為解決城市公園綠地合理規(guī)劃配置和優(yōu)化提供參考.

1 數(shù)據(jù)與計算方法

1.1 研究區(qū)域

天津市是我國4 個直轄市之一，地處華北平原北部，環(huán)渤海灣中心，全市面積1.19 × 104km2，下轄16個區(qū)，截至2018 年末常住人口為1560 萬人.其中市內(nèi)六區(qū)（和平區(qū)、河西區(qū)、南開區(qū)、河東區(qū)、紅橋區(qū)）和環(huán)城四區(qū)（西青區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)、北辰區(qū)）的部分區(qū)域為天津市中心城區(qū)，如圖1 所示.截至2018 年末，天津市中心城區(qū)共有84 個街道，總面積433.69 km2，常住總人口658.17 萬人.本研究以天津市中心城區(qū)作為研究區(qū)域，從互聯(lián)網(wǎng)地圖服務中獲取3162 個居住小區(qū)，在居住小區(qū)尺度上對城市公園綠地可達性進行研究，研究區(qū)綠地的類型與分布如圖1 所示.

圖1 研究區(qū)公園綠地的類型與分布Fig.1 Type and distribution of public green space in study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 公園綠地數(shù)據(jù)

公園綠地指城市中向公眾開放，以游憩功能為主，兼具有生態(tài)、美化和防災等作用的綠地.根據(jù)2002 年我國發(fā)布的《城市綠地分類標準》，城市公園綠地按照功能、面積、用途和服務半徑等可以劃分為綜合性公園、社區(qū)公園、專類公園、帶狀公園和街旁綠地[25].

本研究主要考慮公園綠地的休閑游憩功能，強調(diào)居民日常生活對公園的需求，參考《天津市公園名錄》，去除無法查詢的公園綠地，整理天津中心城區(qū)及其周邊一定范圍的公園綠地共109 個，其中綜合性公園31 個，社區(qū)公園71 個，大型帶狀公園綠地7 個.公園邊界由互聯(lián)網(wǎng)地圖服務獲得，并利用高精度衛(wèi)星影像進行比對修正.同時，為了保證計算精度，通過互聯(lián)網(wǎng)地圖影像和街景數(shù)據(jù)對公園的入口點位置坐標進行采集.公園綠地入口點采集分為2 種情況：第1 種是存在圍擋的公園綠地，直接采集公園入口點坐標；第2 種是不存在圍擋的公園綠地，則需采集多個入口點的坐標，各入口點間隔距離不超過50 m.

1.2.2 居住小區(qū)人口數(shù)據(jù)

公園綠地的空間可達性除了與公園綠地自身的等級、面積和區(qū)位屬性有關外，還與周邊人口數(shù)量有關.公園周邊的人口數(shù)量可代表對公園綠地的潛在需求. 由于直接獲取每個居住小區(qū)的人口數(shù)據(jù)難度較大，本研究以2018 年天津市各行政區(qū)統(tǒng)計年鑒中的街道（或鄉(xiāng)鎮(zhèn)）人口數(shù)量為基礎，以街道（或鄉(xiāng)鎮(zhèn)）內(nèi)各居住小區(qū)的建筑面積為權重計算每個居住小區(qū)的人口數(shù)

式（1）中：PRi為居住小區(qū)i 的人口數(shù)量（人）；PD 為街道的人口數(shù)（人）；SRi為居住小區(qū)i 的建筑面積（km2）；n 為街道內(nèi)居住小區(qū)的數(shù)量.其中，居住小區(qū)建筑面積通過互聯(lián)網(wǎng)地圖服務獲取的居住小區(qū)內(nèi)每棟建筑的外輪廓邊界和樓層計算得到，居住小區(qū)的人口分布如圖2 所示.

圖2 研究區(qū)內(nèi)居住小區(qū)的人口空間分布Fig.2 Spatial distribution of population in resident areas

1.2.3 通行時間數(shù)據(jù)

在理想無障礙的平面空間下，一般以起始點為中心，以一定時間內(nèi)的步行距離為半徑確定步行范圍.但在實際應用中，一定時間的步行范圍則與其所在的真實路網(wǎng)狀況直接相關，因此道路數(shù)據(jù)的精細程度會嚴重影響最終的步行范圍.與自行收集路網(wǎng)數(shù)據(jù)構建路網(wǎng)模型相比，互聯(lián)網(wǎng)地圖服務商提供的路網(wǎng)數(shù)據(jù)的準確性和現(xiàn)勢性更強.本研究基于高德地圖WebAPI提供的路徑規(guī)劃功能，將居住小區(qū)質心點作為起點，各公園入口點作為終點進行路徑規(guī)劃計算，得到居住小區(qū)到達各公園每個入口的時間，最后取最短時間作為該居住小區(qū)到達公園的通行時間.

1.3 高斯兩步移動搜索法

本研究利用高斯兩步移動搜索法，以公園綠地作為供給地，居住小區(qū)作為需求地，第1 步計算公園綠地的供需比，第2 步計算居住小區(qū)的可達性.具體計算步驟為：

第1 步：取每個公園綠地j 的出入口作為出發(fā)點，給定搜索距離d0，計算小于該距離的每個居住小區(qū)i的居民人數(shù)，利用高斯方程賦予權重并將其累加，得到公園綠地j 的潛在需求者數(shù)，再用公園綠地j 的面積除以其潛在需求者即居民總數(shù)，計算得到供需比

式（2）中：供需比Rj為潛在人均公園綠地面積（m2/人）；i 為居住小區(qū)；j 為公園綠地；Sj為公園綠地的服務能力，用公園綠地面積表示（m2）；Di為居住小區(qū)的規(guī)模，用居住小區(qū)的人口數(shù)表達（人）；k 為搜索半徑內(nèi)居住小區(qū)的數(shù)量；dij為居住小區(qū)i 與公園綠地j 間的距離，采用通行時間表示（min）；d0為搜索半徑（m）；G 為距離衰減函數(shù)，采用高斯方程計算得到

第2 步：對每一個居住小區(qū)i，給定搜索距離d0，將小于d0的公園綠地j 的供需比Rj利用高斯方程賦予權重，然后將加權后的比率進行加和，得到居住小區(qū)i 的空間可達性

式（4）中：Ai為每個居住小區(qū)的可達性值；m 為落入以i 為圓心、半徑小于搜索距離d0區(qū)域內(nèi)的公園綠地的數(shù)量.

高斯兩步移動搜索法計算出的空間可達性可解釋為研究單元內(nèi)人均享有的公共服務設施的數(shù)量，本研究中可解釋為人均公園綠地面積.目前，城市公園綠地可達性研究多以綜合型公園為研究目標，以滿足高質量休閑游憩為目的，搜索距離設置為30 min.本研究著重分析居民日常生活中的休閑和健身活動，研究對象包括了綜合公園、社區(qū)公園等多種類型公園，因此將搜索半徑設置為15 min.參考有關學者關于空間可達性敏感性的研究，選取最優(yōu)半徑的1～2 倍距離對公園綠地的均衡性進行敏感性分析，本研究選取20、25 和30 min 作為搜索半徑進行敏感性分析.

1.4 空間自相關分析

本研究采用雙變量Moran′s I 作為空間自相關指標分析公園綠地可達性值與人口密度的空間自相關關系.全局雙變量Moran′s I 可測量研究區(qū)域內(nèi)公園綠地可達性和人口密度是否存在空間關聯(lián)及其關聯(lián)程度的大小.雙變量全局空間相關指數(shù)

式（5）中：Iap為雙變量全局空間相關指數(shù)；N 為空間單元的總數(shù)（這里為街道總數(shù)）；Wij為空間權重矩陣；zia為第i 個街道公園綠地可達性的標準化值；zjp為第j 個街道人口密度的標準化值.全局Moran′s I 的取值范圍為[-1，1].Moran′s I 值大于0 表示公園綠地可達性和人口密度有正向的空間相關性，值越大，相關性越強，通常大于等于0.2 為高度聚類；Moran′s I 值小于0 則表示有負向的相關性.局部雙變量Moran′s I 反映地理單元內(nèi)的局部空間相關性，可通過LISA 圖來探討研究區(qū)域內(nèi)的空間異質性. 在一定的顯著性水平上，LISA 圖可說明給定位置的公園綠地可達性值與鄰近位置人口密度平均值間的4 類關系，包括兩類正向空間相關聚類（高-高聚類和低-低聚類）和兩類負向空間相關聚類（低-高聚類和高-低聚類）.

2 結果與分析

2.1 公園綠地總體特征

天津市中心城區(qū)公園綠地面積共計10.32 km2，占研究區(qū)總面積的2.38%，人均公園綠地面積為1.57 m2/人，各區(qū)綠地情況如表1 所示.由表1 可以看出，天津市中心城區(qū)人均綠地面積與我國《國家園林城市系列標準》中人均8 m2/人的標準相差甚遠.在研究區(qū)范圍內(nèi)，各行政區(qū)內(nèi)公園綠地面積百分比和人均公園綠地面積均存在較大差異. 南開區(qū)公園綠地面積百分比最高，達到6.87%，其次是西青區(qū)、河西區(qū)和紅橋區(qū)，最低的北辰區(qū)和津南區(qū)僅為0.23%和0.37%.從人均公園綠地面積統(tǒng)計結果看，人均公園綠地面積最大的是西青區(qū)，為5.23 m2/人，這主要是因為中心城區(qū)內(nèi)西青區(qū)人口少而公園面積較大所致；其次是南開區(qū)和東麗區(qū)，分別為2.26 m2/人和2.24 m2/人，這些區(qū)均高于研究區(qū)人均公園綠地面積的均值；和平區(qū)、津南區(qū)、北辰區(qū)、河北區(qū)和河東區(qū)人均公園綠地面積均低于1 m2/人.

表1 天津市中心城區(qū)公園綠地分區(qū)統(tǒng)計Tab.1 Statistics of public green space of Tianjin central districts

2.2 公園綠地可達性特征

可達性值可用人均享有的公園綠地面積表示，可達性值越高代表享受到的公園綠地服務能力越強.為全面分析研究區(qū)范圍內(nèi)公園綠地空間可達性，以居住小區(qū)為研究單元，運用高斯兩步移動搜索法，分別計算天津市中心城區(qū)各居住小區(qū)在15、20、25 和30 min 步行搜索半徑下公園綠地的空間可達性分值，并基于自然斷點法將15 min 搜索半徑的可達性分值分為高、較高、一般、較低和低5 個級別進行空間可視化，結果如圖3 所示.

由圖3 可以看出，不同居住小區(qū)的公園綠地可達性水平差異較大.經(jīng)統(tǒng)計，河西區(qū)富順里、北辰區(qū)綠泊庭院和東麗區(qū)昆俞家園等共計314 個居住小區(qū)的可達性值為0，說明這些居住小區(qū)在15 min 內(nèi)不能抵達公園綠地，居住在這些小區(qū)的居民占中心城區(qū)人口的14.45%.可達性高的居住小區(qū)主要集中在面積較大的公園附近，如水西公園、水上公園、梅江風景區(qū)以及寧園附近的242 個居住小區(qū)，這些居住小區(qū)內(nèi)的居民數(shù)量占中心城區(qū)的6.45%.

圖3 天津市中心城區(qū)15 min 搜索半徑的公園綠地可達性分級圖Fig.3 Public green space accessibility in 15 min of Tianjin central districts

同時，對不同時間各可達性級別的居住小區(qū)數(shù)量及服務人口數(shù)量進行量化統(tǒng)計，結果如表2 所示.

表2 天津市中心城區(qū)公園綠地可達性分級統(tǒng)計Tab.2 Classification of public green space accessibility of the studied area

由表2 可知，天津市中心城區(qū)大部分居住小區(qū)的公園綠地服務可達性水平較低. 搜索半徑為15 min時，可達性水平處于較低水平以下的居住小區(qū)數(shù)量占比超過60%，而在這些居住小區(qū)內(nèi)的人口數(shù)量占中心城區(qū)總人口的70%左右，即70%左右的居民享有的公園綠地服務能力較差.可達性水平較高以上的居住小區(qū)數(shù)量占比為16%，居民數(shù)量占比約為13%，即只有13%左右的居民享有公園綠地服務較好.隨著搜索半徑的加大，居住小區(qū)的公園綠地服務可達性水平整體有所提高，但即使步行搜索半徑為30 min 時，仍有30%左右的居住小區(qū)的公園綠地可達性水平處于低至較低水平，34%的居民享有的公園綠地服務能力較差.同時，通過對比分析不同可達性等級的居住小區(qū)數(shù)量和人口數(shù)量百分比可以發(fā)現(xiàn)，可達性低和較低的居住小區(qū)數(shù)量百分比要低于居住人口數(shù)量百分比，而可達性等級在一般以上的居住小區(qū)數(shù)量百分比高于居住人口百分比，這說明在公園綠地服務方面存在一定的公平性失衡情況.

2.3 敏感性分析

（1）隨著搜索半徑的增大，無法抵達公園綠地的居住小區(qū)數(shù)量減少，公園綠地服務的整體可達性隨之變好.當搜索半徑為15、20、25 和30 min 時，可達性處于低和較低等級的居住小區(qū)比例分別為64.17%、56.36%、43.55%和30.55%，比例依次下降.可達性的變化程度說明公園綠地可達性值對不同的搜索半徑具有較強的敏感性.

（2）隨著搜索半徑的增大，公園綠地可達性值的變化幅度降低.由表2 可以看出，隨著搜索半徑的增大，同一等級內(nèi)的空間可達性區(qū)間差值減小.這是由于隨著搜索半徑變大，公園綠地服務范圍可以擴展到更多的居住小區(qū)，影響范圍變大.

（3）對于周邊分布公園綠地比較多且面積較大的居住小區(qū)，隨著搜索半徑的變大，其可達性增強，如在水上公園和梅江風景區(qū)附近的佛山里、德才里、衛(wèi)華里、梧桐公寓和龍水園等居住小區(qū).這主要是由于隨著搜索半徑的增大，居住小區(qū)可抵達的綠地公園數(shù)量增多，可提高可達性值.對于周邊公園綠地分布較少的居住小區(qū)，隨著搜索半徑的變大，其可達性反而會下降，這主要是因為搜索半徑增大導致公園綠地的供需比降低，而居住小區(qū)可抵達的公園數(shù)量并未增加，造成其可達性值降低.

2.4 空間自相關分析

用GeoDa 1.14 軟件中Bivariate Local Moran′s I 方法進行局部莫蘭指數(shù)分析，探討各街道公園綠地空間可達性與人口密度的相關性，結果可分為高-高、低-低、低-高、高-低和不顯著5 種.根據(jù)計算，全局雙變量Moran′s I 為0.046，即天津市中心城區(qū)公園綠地可達性與人口密度間正向的空間關系不顯著.圖4 為街道人口密度與公園綠地可達性的局部雙變量LISA 圖.

圖4 街道人口密度與公園綠地相關性的LISA 聚類圖Fig.4 LISA diagram of the correlation between spatial accessibility and population density

由圖4 可知：①6 個街道公園綠地空間可達性與人口密度的相關性屬于高-高聚類，這些街道人口密度大，但公園綠地設施供給充足，可達性和匹配性較好，主要集中在南開區(qū)的華苑、王頂?shù)探值?，西青區(qū)的西營門街道以及河西區(qū)的桃園、越秀路和友誼路街道；②低-低聚類街道主要位于中心城區(qū)中北部，這些街道雖然人口密度低，公園綠地需求量不大，但公園綠地的供給仍存在一定缺口；③河東區(qū)北部的王串場、月牙河和江都路街道，河北區(qū)的望海樓和鴻順里街道，紅橋區(qū)咸陽北路街道以及北辰區(qū)雙環(huán)村街道為高人口密度-低可達性聚類街道，這8 個街道的公園綠地可達性與人口密度不匹配，公園綠地服務供應缺乏；④尖山街道、梅江街道、體育中心街道和天塔街道等6 個街道為低人口密度-高可達性聚類，這些街道人們密度低，公園綠地可達性好，供給充足情況好.

3 結論

本研究以互聯(lián)網(wǎng)地圖服務數(shù)據(jù)為支撐，基于公園綠地、人口、居住小區(qū)和建筑等數(shù)據(jù)，利用高斯型2SFCA方法從公園綠地提供的服務和居民的需求出發(fā)，以居住小區(qū)為單元對天津市中心城區(qū)公園綠地服務的可達性進行分析，結果表明：

（1）研究區(qū)范圍內(nèi)公園綠地的服務可達性整體水平較低，公園綠地資源的空間布局不均衡，不同居住小區(qū)間差別較大，分析結果與住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《關于促進城市園林綠化事業(yè)健康發(fā)展的指導意見》中“300 m 見綠，500 m 見園”的要求相差較遠，需要相關部門加快各類公園綠地建設.按照15 min 作為公園綠地最佳服務半徑，天津市中心城區(qū)70%左右的居民享有公園綠地服務能力處于較差及以下水平，將服務半徑擴展到30 min，該比例降為34.6%.

（2）分析不同步行搜索半徑下研究區(qū)公園綠地可達性的敏感性可知，隨著搜索半徑的增大，公園綠地的可達性有變好的趨勢；搜索半徑越大，可達性值域的變化幅度越小，公園綠地服務的可達性差異越?。粚τ诠珗@綠地資源較豐富的地區(qū)，出行時間的增加對周圍居住小區(qū)的可達性影響更大.

（3）對街道人口密度和公園綠地可達性的雙變量空間自相關分析表明，中心城區(qū)北部聚集了大部分高-低和低-低聚類區(qū)域，公園綠地供給情況較差；而南部則聚集了低-高和高-高聚類區(qū)域，公園綠地的供給情況較好.

（4）與傳統(tǒng)的通過收集路網(wǎng)數(shù)據(jù)構建路網(wǎng)模型相比，本研究基于互聯(lián)網(wǎng)地圖服務提供的實際交通通行時間可以更準確地反映實際通行狀況，使可達性評價的結果更為客觀.

在開展公園綠地可達性分析時，本研究僅考慮了以步行方式抵達公園綠地，但在走訪調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，存在一部分游客是通過公交或駕車等其他方式抵達一些大型公園的情況.因此，需要進一步研究多模式交通方式（步行、自行車、公交車和駕車）下公園綠地的可達性分析，使評價結果更為客觀準確.