基于空間句法的路網結構特征與醫院空間布局研究＊

■ 王鉞 孫柏軒 潘海澤 周鵬輝

西南石油大學土木工程與測繪學院 成都 610500

0 引言

醫院是給居民提供醫療服務的專業機構，是一個地區各項功能正常運轉的重要支撐和保障。隨著社會經濟的發展和現代化進程的加快，城市圈的范圍隨之擴大，現有醫院的空間布局與城市發展失衡等問題日益顯露。早期醫院主要分布在城市中心區等人口密集區域，由于城市交通擁堵、就醫距離過長、醫院空間布局不合理等問題，致使非城市中心地區的居民在危急情況時很難得到及時的救治。武漢市是今年國內疫情的主要戰地，疫情期間不同地區的醫療資源空間分配不均衡等現象顯露出來，所以對武漢市醫療設施空間分布的研究具有重要意義[1]。

地理區位論是用來研究產業、城市與區域經濟活動的組織和優化的科學。Rahman 等率先提出區位配置模型研究對于確定發展中國家衛生服務區位的規劃具有很大的實用性[2]；Murad 等則利用ArcGIS 網絡分析和疊加分析，從醫院位置和道路網絡的行車時間出發對沙特吉達市中部和北部等交通不便地區的醫院分布進行分析，分析認為當地衛生部門應根據行車時間調整該地區醫療資源的分布[3]；Gina 等著眼于提高公共衛生服務的實用性在Dijkstra 算法的基礎上，通過向量分析對兩步浮動模型進行了改進，并采用不同阻抗函數和高斯權重對公共衛生服務的位置分配模型進行了整合研究[4]；Senvar 等以猶豫模糊集和理解相似性偏好技術相結合的方式，在不確定的條件下定義出一種多準則決策方法，并通過模擬患者的猶豫思維在伊斯坦布爾建立起組織有序、分布良好的醫院網絡[5]。而國內對醫院區位的研究主要集中在醫院的空間分布上，曾文等利用GIS 空間分析法得出南京市不同等級的醫院的可達性由城市中心向外圍衰減，并且其可達性還在空間上呈現出顯著的空間分異和空間集聚特征[6]；劉倩通過核密度估計法等空間分析模型發現長春市的綜合醫院空間集聚現象顯著，呈單核心分布，社區醫院呈現出多核心分布的均衡現象[7]；林丹淳等則在核密度分析法基礎上引入了最近鄰距離法綜合分析出廣州市的醫療機構集中分布在中心城區，遠郊區同時存在醫療資源不足和醫療資源浪費的現象，也進一步說明廣州市醫療空間分布的不合理性[8]。

醫院等服務設施在規劃時應考慮大多數人的健康需求，所以在對醫院的研究中，不僅要考慮其區位因素，還應從醫院自身服務范圍出發對其進行綜合分析。在國外，對醫院的服務范圍研究主要是指聚集某醫療機構的患者的地理范圍，如Vahidnia 等采用地理信息系統與模糊層次分析法相結合的多標準決策分析，并通過人口密度和出行時間的比率來評估新醫院候選站點的可使用性，從而確定出的新醫院最佳建設地點可改善6.5%的地理區域[9]；Ashraf 等則將醫院網絡細致的分為公立醫院、專科醫院、衛生單位、醫療中心、醫務室、綜合診所、紅十字會和急救中心8 種類型并對其服務區域進行5 分鐘、10分鐘、15分鐘的覆蓋范圍進行研究，結果發現穆納瓦拉超過60%的人群的健康需求無法得到滿足[10]；Sin‐thauli 等通過政府提供的新型冠狀病毒的陽性患者的空間分布，利用轉診醫院的服務區域和出發地的OD 成本矩陣，對印尼首都雅加達進行醫院服務能力的空間分析，研究表明在基于距離的服務區域下，有908例陽性感染病例所處區域的醫院轉診服務較差[11]。而在國內對醫院服務范圍的研究雖起步較晚，但取得的成果較多，如高琪等采取不同的距離模式分析了長沙某醫院的就診患者主要分布在東南—西北方向，并標明該醫院的服務范圍呈中心狀分布[12]；黃佳偉等基于GIS 技術得出宿遷市中心城區的綜合醫院覆蓋率達到了57.06%的較高水平[13]；孔歡則利用GIS 和AHP 結合的方法分析出長沙望城區醫院的服務范圍中心城區周邊鄉鎮逐漸增大，并且不同街道醫院的服務范圍相差較大[14]。

空間句法（Space Syntax）理論由Hiller 和Hanson 等人在20世紀80年代提出，它以分析不同尺度范圍空間對社會經濟行為影響的量化描述，揭示空間組織與人類活動的內在聯系[15]。空間句法在城市形態方面建立了比較系統的空間形態變量，并利用其深度、整合度和選擇度等方法對城市形態進行可視化分析。20世紀90年代，國外很多的學者開始將空間句法廣泛應用于倫敦、亞特蘭大、威尼斯和東京等城市的交通網絡形態研究中，進一步研究路網和社會經濟活動之間的聯系，隨后較多學者開始將空間句法運用城市犯罪熱點分析[16]、土地利用與交通關系[17]、歷史街區保護[18]等相關研究中。最近幾年，許多學者利用GIS 強大的空間分析功能和可視化表達與空間句法結合分研究城市空間組構關系。唐波、陶偉等將GIS 與空間句法結合研究道路與酒店分布之間的關系[19-20]；楊賢房、樊文平等也將上述兩者結合研究路網對城市商業布局所造成的影響[21-22]。

總體來看，以往對醫院空間布局的研究主要有以下不足之處：（1）研究內容上：雖然有很多文獻就某一個影響因素對醫院空間布局進行研究，但從路網形態出發去研究醫院布局的較少；（2）研究方法上：大多采用定量分析和多指標模型分析等單一的分析方法對醫院的區位以及影響范圍進行評價，評價指標和度量方法也較為固定，未對數據模型與人的感受結合進行研究，從空間拓撲結構出發研究的相對較少；（3）研究數據上，現有研究大多采用直接抽樣調查等統計方法獲取數據，缺少對大數據的內在研究。基于此本文主要以空間句法理論和GIS 空間分析工具，從路網形態角度研究武漢市三環內醫院的空間分布特征。本文將主要從城市路網形態分析、等級醫院空間分布特征、路網形態與醫院空間分布的相關性分析這3個角度出發研究分析區域內醫院的空間布局特征，以期對現有醫院交通環境的改善以及未來醫院的空間布局和形態機制的研究提供借鑒。

1 研究內容和研究方法

1.1 研究范圍及數據處理

武漢城區面積較大，區域較多，本文只選取武漢市三環內部作為研究區域，區域周長約為91km，區域面積約為684km2。選定依據：（1）區域為武漢老城區，醫院分布較多；（2）區域內為武漢市中心地段，人口分布密集，對醫院的需求相對較大；（3）區域在空間上呈連續性。路網數據根據BigMap截取14級別以上的內部區域道路圖，在ArcGIS 中進行矢量化操作并進行拓撲打斷，建立道路空間數據庫。

醫院數據來源于高德最新POI 數據庫，在GIS 中進行投影變換及坐標校正后，經篩選后得出有效數據共有等級醫院172 家。考慮到數據分類及分析的便利性，按照《醫院分級管理標準》，再將醫院劃分為三個等級，一級醫院是直接為社區提供醫療服務的基層醫院，共73家；二級醫院是跨社區提供醫療衛生服務的地區性醫院，共39家；三級醫院（包括分院）是跨省、市以及向全國范圍提供醫療衛生服務的醫院，共60家[23]。（圖1）

圖1 研究區域區位及標準差橢圓計算結果

1.2 空間句法模型

空間句法的基本原理是對空間進行尺度和空間的劃分并試圖分析城市中復雜的組構關系。本文選用空間句法中的軸線法進行繪圖，使用長度最長，數量最少的的軸線代表城市路網，并采用其中整合度和可理解度等參數量化軸線，對武漢三環內的道路進行句法分析。

1.2.1 整合度

指起始空間到其他所有空間的緊密程度，常用來描述起始空間與其他空間的聚集和離散程度。一般而言，整合度的值越大，則表示該空間在系統中的便攜程度也越高，公共性越強，可達性越好，越容易形成聚集現象。整合度又分為局部整合度和全局整合度，其中局部整合度又稱為“半徑——3整合度”，指計算3個拓撲單位內的道路，全局整合度指空間與系統中所有節點聯系的緊密程度。其計算公式為：

式中MDi為系統中某一節點到其他節點的最短距離的平均值，dij表示i和j兩點的最短拓撲數，n為節點個數。

1.2.2 可理解度

指與某條軸線直接相連的軸線數量，進而判斷軸線在整個系統中的重要程度，在句法中用局部整合度和全局整合度的比值來表示，其值越高說明越容易被理解，較高的可理解度可以從局部空間推論出整體空間[24]。其計算公式為：

式中Ci為連接值，指和第i個空間相交的其他空間的個數;Cˉ為所有空間連接值的均值;Iˉ為所有空間全局集成度的均值。

1.3 核密度估計法

核密度估計是處理空間句法結果運用最廣泛的方法，通過計算空間所有要素的聚集和離散程度，并生成一個連續密度表面的方法。通過合適的半徑和格網大小，統計區域內點的個數，然后結合區域內的面積，計算出相應地密度值。利用核密度估計法來分析區域內不同等級的醫院空間分布狀況，其計算公式為：

1.4 最近鄰距離法

最近鄰距離法是指計算最鄰近要素與其他要素之間的平均距離，再結合理論上的最鄰近距離得到最鄰近指數R。其計算公式為：

式中為最近點的距離，si為研究樣本點，E(dmin)為理想中的平均最鄰近距離。當R＜1，表現為聚集，當R＞1，表現為離散。采用最鄰近距離法可以對比不同等級的醫院的離散程度。

1.5 標準差橢圓法

是指用于確定一組點要素的分布中心和分布方向。該方法是計算平均中心起點對x、y坐標的標準差，從而確定橢圓的軸[25]。其計算公式為：

式中xi和yi為i點的坐標，為點的平均中心，n為點的個數，SEDx和SEDy為橢圓方差。

2 研究結果

2.1 路網形態分析

2.1.1 全局整合度

由圖2 可知，武漢市三環內道路的全局整合度總的來看由中心向四周逐漸降低，其中整合度最大值為1.28，最小值為0.47，均值為0.89，說明武漢三環內道路整合度總體較好。其中高值區主要分布在中心城區，并以長江為界分為東西兩部分，西部主要分布在中山大道、京漢大道及建設大道附近，構成了良好的交通區位。通過二七長江大橋，武漢長江二橋，武漢長江隧道連接長江東部的高整合度區域，主要集中在沙湖公園四周的楚漢路，中北路，團結大道和友誼大道上。這些整合度高的道路網絡承載著主城區大多數的交通流量，為城市內部的連接起了很大作用，是城市內部主要的交通干道。而這些道路整合度高值區域附近也正好分布著城區內部的大型商圈，同時也從側面論證了空間句法理論模型的客觀性。

圖2 全局整合度

2.1.2 局部整合度

由圖3 可知武漢三環內道路的局部整合度總體較好，居民短距離出行方便。高值區主要分布在研究區域中部，并且在西部、西南部、東部、東北部以及東南部形成了多個局部整合度較高的連片區，便于居民在3 個拓撲單位范圍內到達更多的道路。局部整合度最大值為3.56，最小值為0.33，平均值為1.89，說明武漢市三環內道路雖然局部整合度較高但道路內部間差異較大。

圖3 局部整合度

2.1.3 可理解度

由圖4 可以看出武漢市三環內道路可理解度的R2=0.54，y=0.184865x+0.534491，R2大于0.5，說明武漢市三環內區域道路的可理解度較高，交通網絡分布合理，居民對于道路的認知程度會比較好，有助于居民從局部道路的分布情況去理解道路網的整體分布情況，并且局部道路的中心性比較容易融入全局道路結構中，產生經濟和社會活動的乘數效應[26]。

圖4 可理解度分析圖

2.2 醫院分布格局分析

通過ArcGIS10.2 軟件，使用標準差橢圓法，最近鄰距離法和核密度估計法分析武漢市三環內部區域醫院的空間布局。在使用核密度估計法計算時，設置150m×150m 為像元大小，并以所選區域內全體醫院數據為樣本選擇分析半徑，經對比得出當半徑為2km 時可以清晰看出醫院分布的密度中心，并反映出不同等級的點核密度差異變化。

通過標準差橢圓以一個標準差大小分析武漢市三環內的不同等級醫院和路網的分布中心與分布方向，由圖1可知，醫院分布中心與路網的分布中心基本吻合，位于武漢關碼頭附近。其中一級醫院分布中心主要在孫中山先生之附近的民權路和民族路上；二級醫院分布中

心主要由武漢長江隧道連接的長江兩岸附近；三級醫院分布中心主要在漢江與長江的交匯處的嘴江灘公園和龍王廟附近。而從分布方向上來看，3 類不同等級醫院的分布方向一致，呈“西北—東南”走向，正好與路網的分布方向一致，在一定程度上也反映出兩者之間存在的聯系。

分析最鄰近距離指數可以得到醫院總體的最鄰近指數為0.75，一級、二級和三級醫院的最鄰近指數分別為0.85、0.83、0.71。最鄰近距離指數均位于（0，1）內，說明區域內的醫院無論從總體上來看還是從各等級來看均呈集聚分布，并且隨著醫院等級增加，其集聚程度就越強，也進一步說明高等級醫院在醫療資源共享能力和空間聯系程度上比低等級醫院強。

分析核密度估計法計算結果可以看出醫院呈多核心分布，分布密度大致由中部地區向四周逐漸降低，其中最大的集聚核心位于人口密集的水塔街漢口站和中山公園等附近地區。分析3個不同等級醫院核密度圖可以發現，各等級醫院均有一個大致的核密度核心位于漢口站附近，但不同等級的醫院核心區在空間布局上不一致，主要表現在核密度中心上的差異：（1）一級醫院分布的大核心主要在中部的武勝路和利濟北路附近，此外，在漢口站和武昌站附近還分布著兩個小核心；（2）二級醫院的聚集核心主要在常青公園、武漢理工大學（余家頭校區、南湖校區南岸）附近，小核心分布的區域較多；（3）三級醫院分布核心主要在地鐵黃浦路至硚口路沿線和東南部的紫陽公園附近，這些地方道路交通網絡較為便利，與面向全國提供醫療服務的三級醫院服務范圍相匹配。

2.3 路網形態與醫院空間分布的相關性分析

2.3.1 醫院空間分布與路網整合度相關性分析

空間句法中的路網整合度參數高的道路多為城市主干道，交通便利，人口密度較大且容易形成城市的中心地帶。醫院在社會中承擔著救死扶傷的重要任務，應在最大程度上滿足居民的需求，當在執行緊急救援任務、處置突發公共衛生事件上的時候，對高整合度道路的要求就凸顯出來。為了更好地證實醫院與路網整合度兩者之間的關系，從路網角度出發，分析醫院附近200米緩沖區影響范圍內的道路集成度，去探究醫院分布與道路集成度之間的關系。從表1可以看出，（1）全部醫院在緩沖區半徑內的道路平均整合度參數值為0.96，處于較高水平，說明武漢市早期對醫院的規劃較為合理；（3）各等級醫院由于服務技術、服務范圍的不同，其最大整合度和最小整合度均隨著醫院等級遞增；（2）不同等級醫院對路網整合度的要求不一樣，各等級醫院的平均整合度參數值位于0.94～0.99 之間，并且醫院等級越高其平均整合度參數值就越高，反映出高等級的醫院在空間布局上對高整合度道路的趨向性明顯。

表1 醫院緩沖區內道路真整合度匯總表

2.3.2 醫院的集聚等級與路網的選擇度和整合度的關系

圖5 空間句法參數核密度結果

根據醫院的數量與空間分布，并把所有醫院的核密度與路網整合度進行疊加，得到醫院的兩大集聚圈，其等級由高到低分別為1 漢口——月湖集聚圈（由兩個小圈層相連成一個大的集聚圈）、2 首義集聚圈。由圖6 可以看出，有較多高整合度的道路穿過集聚圈，醫院由于其職能的要求通常布置在城市中交通可達性較好的路段，所以密集的道路網絡可以在一定程度上對醫院的空間布局起著重要的影響作用。

圖6 醫院集聚圈層與道路集成度分布圖

通過對各集聚圈內醫院的句法參數值進行分析，由表2 可以發現，醫院的集聚等級與路網的相關性較高。平均整合度和平均選擇度與醫院集聚等級成正相關，均隨著醫院集聚等級的升高而增加，這表明集聚圈內部與區域內部路網的聯系程度較為緊密，該集聚圈在區域內便捷程度越高，被穿過的概率越大，可達性越好。同時，醫院集聚等級與平均深度參數成成負相關，集聚等級越高其平均深度值也就越低，其空間到達難度也就越低；從醫院的平均連接值上可以發現漢口——月湖集聚圈內道路的空間滲透性和對周圍道路的影響強于首義集聚圈；而在比較平均控制值上，發現首義集聚圈遠遠高于漢口—月湖集聚圈，這是由于首義附近路網的規則式布局所帶來的結果。

表2 醫院集聚圈層的道路空間句法數值分析表

3 結論

本文運用空間句法理論結合GIS技術對武漢市三環區域內的醫院空間分布格局與路網形態進行深入分析，并對路網形態與醫院空間分布的相關性進行研究，結果表明：

（1）研究區域內路網的全局整合度和局部整合度參數值總體較高，但內部間的差異明顯，全局整合度的高值區主要分布在長江兩岸，局部整合度呈現出多個高值區且分布較廣。可理解度的參數值較高，提升居民對整體路網的感知度，有助于居民遠距離出行。

（2）3 類不同等級的醫院分布方向與路網的分布方向總體一致，呈“西北—東南”走向，且醫院分布中心與路網分布中心基本吻合；醫院呈聚集分布，并且醫院等級越高，其集聚程度就越強；醫院分布密度由城市中心向城市外圍逐漸降低，呈多核心分布，且不同等級醫院的分布密度不一致。

（3）武漢市三環區域內道路網的特征與醫院的空間分布有較大的相關性，醫院等級越高對道路整合度的要求就越高，醫院空間布局對高整合度道路的趨向性明顯。醫院總體進行核密度分析后呈現出漢口——月湖和首義兩大不同等級集聚圈，集聚圈的等級與道路平均整合度、平均選擇度和平均連接值呈正相關，與平均深度呈負相關，高等級的醫院集聚圈對道路的依賴性較強。

建議：對于政府，要完善城市內部道路網絡，增加道路的整合度高值區，提升道路的可理解度參數；要優化醫院周邊的路網狀況，促使高等級醫院分布在道路全局整合度的中心，低等級醫院分布在道路局部整合度的中心；要提升醫院集聚程度并改進不同等級醫院的空間布局，在城市外圍也應適當增加高等級醫院數量，以保障不同區域患者的搶救時效性。對于醫院自身，要結合自身醫療技術與服務范圍，并且以考慮大多數人為原則選擇合適的分布位置；另外，不同等級醫院對道路的要求不同，高等級的醫院在注重道路全局整合度的前提下，還應提升道路局部整合度，以滿足不同距離模式患者的需求；較低等級的醫院在注重道路局部整合度的前提下，也應注重完善全局性的道路網絡，以便接收高等級醫院的轉診患者并盡可能地發揮其服務能力；要加強不同等級醫院之間的空間聯系，使各醫院資源共享，互幫互助。

本研究著眼于從空間維度分析路網形態與醫院空間布局的相關性，并從不同尺度出發對不同等級的醫院進行了細致分析，加強了醫院布局特征的內在對比。另外，本研究并未考慮各轉診醫院之間的空間分布，這也是本研究的不足之處。今后，可進一步從可達性角度出發橫向分析各轉診醫院之間的路網分布狀況，并結合社會經濟發展理論再進行更為深入的研究。