基于GIS網絡分析的公園綠地布局優化研究
——以包頭市建成區為例

文/中國城市規劃設計研究院 代志宏

北京新航城智慧生態技術研究院 劉濤濤

中國城市規劃設計研究院 吳海寬

0 引言

隨著城市快速發展及城鎮化水平提高，人們對綠色空間的需求不斷提升，但城市綠色空間不斷被城市建筑及水泥路面侵占。公園綠地是城市公共基礎設施的重要組成部分，具有調節城市氣候、維持綠色生態等功能，并可為城市居民提供日常休閑游憩活動及避災場所[1]。CJJ/T 85—2017《城市綠地分類標準》將城市綠地類型分為公園綠地、防護綠地、廣場用地、附屬綠地、區域綠地，其中公園綠地與當地居民的日常休閑游憩活動較為密切。包頭市處在高烈度地震區范圍，公園綠地也能作為居民臨時避災場所，為當地居民提供雙重功能。因此，對包頭市建成區公園綠地進行布局優化具有重要的現實意義。

1 研究區域及研究對象

1.1 研究區域概況

包頭市位于內蒙古自治區西部，屬于干旱半干旱地區，年平均氣溫6.4℃，年降水量310mm，無霜期110～142d。包頭市是內蒙古最大的工業城市，也是我國重要的工業基地之一，其市區包括昆都侖區、稀土高新區、青山區、東河區和九原區，城市建成區總面積約240km2。截至2020年11月，包頭市常住人口數量為270.94萬[2-4]。

改革開放以來，包頭市不僅注重城市經濟增長與城市開發，而且對生態環境保護也十分重視。截至2016年，其建成區的城市綠地面積高達78.01km2，綠地率高達39.8%，人均公共綠地面積13.00m2，與其他國家發達城市的綠地建設相比也毫不遜色。

1.2 研究對象

根據包頭市發展狀況及人口分布情況，本文的研究對象是包頭市主要建成區，研究區域公園面積20.78km2，其占研究區總面積的8.66%。參照《城市綠地分類標準》，以包頭市建成區遙感影像及2016年城市公園POI數據為主要基礎資料，進行公園綠地現狀數據統計，包頭市建成區內有各類公園綠地共41處，其中包括6個綜合公園，15個社區公園，13個專類公園，7個游園。

2 數據來源與研究方法

2.1 基礎數據

本文基礎數據來源于LSV軟件（互聯網三維數字地球）的遙感影像圖，分辨率為0.6m/像素。其需經GIS高斯投影預處理，參數選擇UTM zone 49N，轉換成北京84投影坐標系，方便后期繪制圖紙需要。

生活中影響公園綠地可達性的因素有很多，本文主要考慮道路交通網絡、公園綠地本身情況、目標人群出行方式、集中居住用地分布四大影響因素。因此利用GIS構建現狀道路交通網絡、現狀公園分布和居住片區分布矢量數據庫，以此為核心，為后期研究作準備，如圖1～4所示。

圖1 包頭市建成區遙感影像

圖2 包頭市建成區現狀公園綠地分布

圖3 包頭市建成區現狀道路交通網絡

圖4 包頭市建成區現狀居住區分布

2.2 研究方法

2.2.1 公園綠地可達性評價方法——網絡分析法

對公園綠地的可達性評價使用率較高的研究方法有鄰近距離法、引力模型法、緩沖分析法、行進成本法、網絡分析法等。其中，前4種研究方法均采用直線距離分析可達范圍，未考慮實際道路網絡等影響因素，但現實道路交通對公園的可達性影響較大，因此本文選用網絡分析法對其可達性進行評價。

網絡分析法是利用GIS中網絡分析模塊，在道路交通網絡數據基礎上，進行矢量數據的相關計算，模擬研究中阻力可參考不同的交通出行方式求得可達性范圍，其對反映目標設施的可達性方面具有明顯優勢[5]。網絡包括中心、連接、節點、阻力四大基本構成要素。本文利用GIS網絡分析模塊對構建目標公園綠地矢量數據進行研究分析，得到的服務范圍可用于衡量公園綠地布局優劣[6]。

2.2.2 公園綠地布局優化研究方法——GIS位置分配優化模型

位置分配又可稱為選址或設施布點。良好的位置可幫助商業機構獲得更大的人流，從而付出較低的成本；公共機構規劃布局選址時，倘若選擇良好的位置，就可高效與公平地服務于當地居民[7]。其基本原理是利用GIS網絡分析模塊，為滿足請求設施點要求，在必選設施點上增加候選設施點位置，根據特定位置分配優化模型及設置相關阻力讓系統從候選設施點位置進行挑選。

公園綠地布局是城市綠地系統規劃的重要組成部分，屬于設施布局非常重要的研究分支。本文認為可將位置分配優化模型應用于公園綠地布局優化中，從而得到科學、高效的布局方案。可根據包頭市建成區公園綠地的布局優化需求，選擇位置分配優化模型中的最小化設施點數優化模型。

3 包頭市建成區公園綠地可達性評價

以道路交通網絡為基礎，利用ArcGIS的網絡分析模塊構建交通網絡數據集（見圖5），為研究公園綠地可達性分析做基礎準備。

圖5 構建的道路交通網絡

公園可達性評價是基于實際道路交通系統進行模擬，其阻力分為時間成本與距離成本，其中時間成本僅考慮步行方式所影響的時間。

3.1 基于距離成本的公園綠地可達性分析

隨著城市快速發展及“生態城市”“園林城市”等新理念的提出，一些城市相應提出“市民出門500m見綠，1000m可達大型公共綠地”等目標，其體現的便是公園綠地的服務范圍。因此，將居民片區到公園綠地的距離以500，1000，2000m為界線，劃分公園綠地可達性等級，將可達性水平分為4個等級[8]，如表1所示。

表1 研究區各可達性等級

研究區域內公園綠地在行政區間分布不均，在昆都侖區、稀土高新區數量較多，但面積不大。青山區公園面積最大，為9.40km2。九原區、東河區公園綠地數量較少且面積較小，相對缺乏。基于距離成本的包頭市建成區內公園綠地可達性分析結果如圖6所示，分別計算不同距離公園綠地覆蓋面積占總覆蓋面積的百分比，從而得到基于距離成本公園綠地的可達性級別分布比率，研究區域內公園綠地5000m服務范圍未覆蓋建成區，發現仍有部分居民片區未被服務到。公園可達性良好的范圍為1000m以內，而1000m以內可覆蓋20.1%的區域，區域面積僅為4833.32hm2。從圖6可看出，昆都侖區現狀公園綠地布局較集中，區內北部及南部有大片居住小區未被覆蓋。

圖6 基于距離成本的包頭市建成區公園綠地可達性分析

3.2 基于時間成本的公園綠地可達性分析

研究表明，中心城區市民到公共服務設施大多會選擇步行方式。因此基于時間成本的公園綠地可達性分析主要分析步行交通出行方式[9]。本文采用步行出行速度為100m/min，紅綠燈等待時間為30s，正常情況下步行者能承受的最大出行時間為30min，因此本文步行可達性評價中定義為步行20min以內公園可達性良好，步行21～30min公園可達性差。由圖7可看出，研究區域內公園綠地步行30min可覆蓋45.62%的區域，步行20min覆蓋36.97%的區域，未覆蓋的區域與上述范圍基本一致。由于公園綠地既是日常休閑游憩空間又是重要的避災場地，因此公園綠地日常休閑游憩的服務范圍覆蓋量也存在不足的問題。

圖7 基于時間成本的公園綠地可達性分析

4 包頭市建成區公園綠地布局優化

通過對研究區域內公園綠地可達性的評價分析得知，公園綠地布局存在服務盲區且覆蓋范圍有待提高，需進一步對公園綠地系統進行優化，因此本文以包頭市建成區公園綠地為例，主要解決公園綠地數量不足及布局不合理的問題，選擇位置分配優化模型中的最小設施點數模型對研究區域的公園綠地布局進行模擬優化。

首先創建交通網絡數據集進行公園綠地模型模擬優化。在GIS的網絡分析模塊中新建位置分配，在模型中將已存在的公園綠地作為必選設施點導入模型，并將創建研究區域范圍內500m×500m的漁網點作為候選設施點導入設施點中，同時將居住小區作為請求點。然后在位置分配圖層屬性的“分析設置”中阻抗設置為“出行時間”，“高級設置”中問題類型選擇最小化設施點數，同時將阻抗中斷設置為20min與30min兩種。

最小化設施點模型要求設施點覆蓋范圍最大，并要求設施點數量最小[10]。阻抗設置為20min時公園布局可達性均為良好，覆蓋全建成區居住片區，可便于當地居民日常休閑游憩；根據優化模型分析，研究區域為滿足可達性需求最少要新建24個公園綠地，即昆都侖區6個，青山區4個，九原區4個，東河區10個，如圖8a所示。考慮近期公園綠地優化布置，阻抗為20min的情況下，新建公園綠地數量大，較難實現，因此可將阻抗減低為30min，可有利于公園綠地近期布局優化，此時公園綠地覆蓋全建成區居住片區，為當地居民服務，但可達性一般，如圖8b所示。此時建議包頭市新建14處公園綠地，分布是昆都侖區3個，青山區、稀土高新區及九原區各1個，東河區8個，以為當地居民提供休閑游憩服務。

圖8 位置分配優化模型

5 結語

隨著城市迅速發展，包頭市建成區現狀公園綠地布局存在位置分布不合理和覆蓋率不足的問題[11]。本文采用GIS網絡分析法，結合現狀道路交通網絡，從距離成本與時間成本2個方面分析包頭市建成區公園綠地可達性的問題。隨后利用位置分配優化模型中的最小化設施點數，從阻抗30min及阻抗20min分別考慮公園綠地布局優化方案，可分別為近遠期公園綠地布局優化建設提供參考。

本文通過定量方式獲得的數據化成果，可使城市公園綠地空間發展更加科學、客觀和有據可依，希望對包頭市建成區公園綠地規劃具有指導意義，同時為其他城市綠色空間建設提供借鑒價值。