基于GIS空間分析的公共服務設施空間布局特征研究
——以烏魯木齊市為例

付 笛 陳前利 程冬月 張志會

（新疆農業大學管理學院 烏魯木齊 830052）

1 引言

為居住者提供各類公共服務設施是城市的主要功能之一［1］。城市公共服務設施是社會服務的物質載體，是服務于廣大城市居民的教育、醫療、文體和商業等社會性基礎設施［2］。公共服務設施的質量、數量和布局不僅與城市居民的生活水平息息相關，還對城市的可持續發展有重要影響。研究城市公共服務設施空間布局為政府合理配置公共服務設施和城市空間治理提供參考依據，可以促進城市的高質量發展。

國外關于公共服務設施的早期研究主要集中在區位選址問題。1968年Teitz首次就公共服務設施提出區位論［3］。1970年Schultz在醫療設施區位選擇的研究中引入“中心地理論”［4］。Farhan設計了一種空間優化模型對哥倫布市車輛換乘站的選址進行了驗證［5］。除了區位選擇外，國外關于公共服務設施的研究還集中于可達性研究［6～7］、經濟效應研究［8～9］和空間公平研究［10］等方面。國內關于公共服務設施的研究起步較晚。在研究內容上，學術界圍繞著公共服務設施空間布局［11～12］、可達性［13～14］、優化布局［15～16］、社會分異［17］、區位選擇［18］等內容展開理論與實證研究，并取得了豐富的研究成果。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區域概況

本文以烏魯木齊市七區一縣為研究區域，即天山區、米東區、沙依巴克區、新市區、水磨溝區、頭屯河區、達坂城區和烏魯木齊縣。研究對象是根據《城市用地分類與規劃建設用地標準（GB50137-2011）》和《城市公共設施規劃規范（GB50442-2008）》，并借鑒了高軍波［2］和湛東升［12］等的研究，選取了對城市宜居程度和居民生活體驗影響較大的六類公共服務設施。

2.2 數據來源

1）公共服務設施數據來自2018年12月的百度POI數據，共提取烏魯木齊市六類公共服務設施共932個POI坐標點，其中29個交通設施點、628個教育設施點、64個醫療設施點、128個商業服務設施點、37個公園廣場、47個文體設施。2）人口數據來自《烏魯木齊統計年鑒2018》。3）研究區域底圖來源國家基礎地理信息中心http：//www.webmap.cn/。

2.3 研究方法

公共服務設施的空間布局特征在研究對象上應從兩方面著手，首先從總體上研究公共服務設施的布局規律，其次研究不同類型公共服務設施空間布局特征差異。在空間布局特征上可以從數量分布、布局方向及聚集中心三個方面去考慮，根據三個不同方面選取三種不同的空間分析方法。

2.3.1 自然斷點法

自然斷裂點分類法根據數據的內在聯系進行分組，從而使得各組間的差距最大化和組內相似值的最優化，最終表現出來各組之間的最大差異，從而避免主觀分類。本文利用Arc GIS中的自然間斷點功能進各區公共服務設施數量行分類，從而對比分析烏魯木齊市各個行政區域的公共服務設施分布情況。

2.3.2 標準差橢圓

標準差橢圓以中心、長軸、短軸、方位角為參數，定量描述空間要素分布特征的一種空間統計方法，其長軸與短軸的方向分別反映了要素在二維空間上分布的主要及次要方向，長軸與短軸的長度分別代表了地理要素分布在主要及次要方向上的離散程度，長短軸之間長度的比值反映地理要素在空間分布中的形態［12］，用來概括地理特征的空間特征：集中趨勢，離散度和方向趨勢。其計算公式為

2.3.3 核密度分析

核密度分析是根據點要素空間數據集計算出整個范圍的數據集聚情況，從而產生出的連續密度的表面。其方程定義為

3 烏魯木齊市公共服務設施空間布局特征分析

3.1 公共服務設施數量分布情況

在ArcGIS中，通過分區統計得出各區的公共服務設施數量，再利用自然段點法將各區的公共服務設施數量分為五個等級。如圖1所示，烏魯木齊市各區公共服務設施數量分布有差異，沙依巴克區、新市區、天山區、米東區公共服務設施數量最多，水磨溝區次之，頭屯河區、達坂城區和烏魯木齊縣相對較少。同時，將烏魯木齊市人口與公共服務設置的比值用自然段法分為五個等級。由圖2可知：頭屯河區公共服務設施數量最為緊張，平均每處服務于3469人以上，天山區和新市區次之，平均每處服務于2862～3468人；水磨溝區與沙依巴克區，平均每處服務于5050～2861人；米東區、達坂城區與烏魯木齊縣公共服務設施雖然公共服務設施數量較少，但是人口數量也較少，故平均每處服務的人數少于2049人。兩幅圖對比可知，頭屯河區的公共服務設施數量為中等層級，但其數量與人口數不匹配，導致人口/公共服務設施數量的比值較大。

圖1 烏魯木齊市各區公共服務設數量分布圖

圖2 烏魯木齊市各區人口與公共服務設施比

3.2 空間布局形態特征分析

3.2.1 各類設施布局形態

圖3為烏魯木齊市各類公共服務設施標準差橢圓，表1為相關參數，分布趨勢及離散程度有以下特征：1）商業服務設施和教育設施標準差橢圓的X軸長度與Y軸長度相差小于0.1，即分布形態近似圓，說明教育設施及商業服務設施在各個方向分布均衡；2）公園廣場、醫療設施及交通設施的標準差橢圓的方位角皆大于90，說明這五類設施的布局方向為西北-東南方向，其中公園廣場、醫療設施及交通設施的X軸與Y軸之差大于0.1，說明這三類設施沿西北-東南方向軸帶式布局；3）文體設施X軸與Y軸之差為-0.11，Y軸方向為長軸，標準差橢圓的方位角小于90，說明布局形態為東北-西南方向軸帶式布局。

圖3 烏魯木齊市各類公共服務設施標準差橢圓

表1 標準差橢圓結果數據

3.2.2 空間聚集中心分析

為了更加直觀地反映烏魯木齊市各類公共服務設施的空間配置形態特征，本文使用Arc GIS中Kernel Density工具分別對六類公共服務設施進行分析。

圖4～圖9為各類公共服務設施的核密度分析結果。

圖4 文體設施核密度圖

圖5 公園廣場核密度圖

圖6 醫療設施核密度圖

圖7 教育設施核密度圖

圖8 商業服務設施核密度圖

圖9 交通設施核密度圖

1）文體設施有一大一小兩個聚集中心，大中心位于沙依巴克區、水磨溝區、天山區、新市區交界處，并且沿會展中心方向蔓延；烏魯木齊縣由于其特有的地理位置與氣候條件，建有多個不同規模的滑雪場，故形成一個小聚集中心。

2）醫療、教育、和商業服務設施都為單聚集中心，主要集中布局在老城區和米東區的西南部。老城區發展歷史悠久，人口數量多，相應的醫療設施、教育設施和商業服務設施都較為完善；隨著會展中心的快速發展，帶動了周邊房地產項目及人口不斷增加，也使其周邊的配套設施數量增加。

3）交通設施和公園廣場的聚集程度較低，除老城區的主要聚集中心外，城市外圍分布有多個小聚集中心。城市中心人口流量較大，交通設施及公園廣場較為聚集。此外，對外交通設施是連接烏魯木齊市與周邊城市的重要樞紐，故在城市外圍形成多個小聚集中心。公園廣場的大聚集中心從城市中部往西延伸，中聚集中心位于頭屯河區與烏魯木齊縣的交界處，周邊圍繞多個小聚集中心，主要用作烏魯木齊市民短期出游。

4 結語

4.1 結論

本文基于烏魯木齊市公共服務設施的POI坐標點，采用自然斷點法、標準差橢圓和核密度分析方法，從數量分布、形態特征和聚集程度三個角度上研究了烏魯木齊市公共服務設施的空間布局特征，為優化城市空間布局提供一定的參考依據。烏魯木齊市公共服務設施空間布局特征如下：1）公共服務設施在總體上分布不均衡，主要集中在發展歷史較長、人口較多且經濟發展水平較高的天山區、沙依巴克區和新市區。2）各類公共服務設施布局的方向及形態各異。3）不同類型公共服務設施聚集中心的數量存在差異，但聚集中心均在城市中心圈層。主城區外圍的頭屯河區和米東區也擁有多個次要聚集中心。

4.2 討論

受烏魯木齊市獨特的地理條件及城市規劃戰略的影響，各類公共服務設施多為軸帶式布局。烏魯木齊城市形態為布袋形，南部烏魯木齊縣和達坂城區海拔較高，地勢復雜，施工難度較大，故公共服務設施數量較少；中部為主城區，地勢相對平坦適宜建設各類設施，且主城區發展歷史悠久，基礎建設最成熟；北部地勢平緩，配套的公共服務設施也相對齊全。因此，烏魯木齊市大力發展城北及城西，公共服務設施圈層布局形態也明顯向北及向西延伸。根據烏魯木齊市公共服務設施的布局特征，從政府的視角提出如下建議：其一，城市擴張的同時加快基礎設施建設。完善城北及城西新開發房地產項目周邊的公共服務設施建設。其二，優化公共服務設施均衡性布局。公共服務設施布局規劃應當考慮周邊居住區數量、交通條件和現有公共服務設施的數量，防止出現因公共服務設施分布過度集中，衍生出交通及環境問題。其三，將各類公共服務設施分等級布局。將教育設施、醫療設施、文體設施等各類設施劃分為不同的等級，按照不同等級進行布局。防止出現優質教育、醫療、文化等設施過度聚集中導致的分配不均現象。