基于POI大數據的遼寧省公共衛生基礎設施空間格局及其服務能力評估

付 博，任婉俠，薛 冰*

(1.中國科學院沈陽應用生態研究所 污染生態與環境工程重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2.遼寧省環境計算與可持續發展重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

公共衛生基礎設施是城市設施體系的重要組成部分，也是社會民生和經濟發展的重要前提和必要保障[1].廣義的公共衛生設施主要包含醫療衛生設施、環衛設施以及市政排水設施[2].其中，醫療衛生設施和市政排水設施因其規模和環境衛生建設要求，在一定的時空范圍內其變化幅度一般甚微.環衛設施因其種類多、數量大成為公共衛生設施中與居民生活最貼近、更新變化最快的服務設施.其中，又以公廁為主要代表，是城市公共衛生服務評價的基礎對象[3].一般而言，城市公廁設施是指以提供城市居民和流動人口共同使用的廁所衛生設施的統稱.作為城市環境衛生設施的重要組成部分，公廁設施亦成為城市形象與城市文明的“窗口”[4-5].同時，作為使用頻率最高，服務人群最廣的城市基礎設施，公廁也成為城市化進程中城市基建與城市文明的重要體現[6].自2015年“廁所革命”以來，全國范圍內興起了大規模的廁所改造工程.諸多城市積極推進改造進程，新建大量公廁滿足居民的日常使用需求[7]，并在形式與種類上出現了可移動式公廁、家庭公廁、母嬰公廁以及豪華公廁、最美公廁、智能公廁等[8-9].然而，作為基本的衛生服務設施，公廁的本質屬性依然是服務性.因此，針對城市居民與流動人口，研究公廁在地理空間上的分布格局及其服務能力，是新時期推進城市建設的重要基礎工作.

傳統城市基礎設施評價研究多采用統計年鑒數據與實際調查數據，空間可視化程度低，位置信息不準確，數據更新困難[10-13].隨著信息技術特別是電子地圖技術的快速發展與普及應用，大數據驅動下的空間分析技術促進了城市設施動態監測與管理[14-16].以興趣點(Point of interest，POI)大數據為代表的新型數據源為更精確更實時認知與評價公共基礎設施的空間位置與數量提供了新的可能[17-19].當前，針對公廁空間位置分布的研究多集中于小尺度的城市公廁選址、空間可達性研究等方面[20-22]，對于公廁服務能力的評估尚未得到足夠重視與充分認識.服務能力涉及資源配置的均衡性與可達性[23].因此，本研究將融合POI新型大數據以及人口統計與路網等傳統數據，運用地理信息系統空間分析技術，對遼寧省14個地級市及其所轄縣域的公共廁所的空間分布、資源配置均衡性和可達性進行定量評估，以期為我國新型城鎮化建設過程中公共衛生服務設施的合理建設提供科學決策依據.

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

遼寧省總面積14.8萬km2，下轄12個地級市與2個副省級城市，共有59個市轄區、16個縣級市、17個縣、8個自治縣.2020年，遼寧省地區生產總值(GDP)2.51萬億，人口4 259萬，副省級城市沈陽和大連人口分別為907萬和745萬，占全省總人口的38.7%；遼寧省城鎮化率71.9%，比全國平均值高8個百分點，是我國工業化和城鎮化先行地區的典型代表.

目前，針對廁所革命遼寧省出臺了《遼寧省推進“廁所革命”實施方案(2018—2020年)》.方案中明確指出到2020年底，全省城鎮計劃新建改造公廁7 028座、新增內廁開放5 092座；新建改建旅游廁所2 764座；農村衛生廁所普及率達到85%左右，基本實現“數量充足、布局合理、管理規范、文明如廁”的目標.

1.2 數據來源

數據主要包括地理空間數據與統計年鑒數據.地理空間數據包括POI數據與路網數據.POI數據來源于高德地圖，通過Python語言爬取獲得，獲取時間為2018年.根據高德地圖API分類規則(A map open platform，2015)，獲取代碼為200300～200304，所屬類別為公共設施類別下的公共廁所數據.公廁POI數據中包含了名稱、經緯度、地址、所屬行政單元編碼等信息，經過坐標轉換、數據清洗、交叉檢驗等數據預處理工作，共獲取6 646條數據.路網數據來自OSM(Open street map)，選取了包含主干道、次干道、支道、高速、人行道、住宅街道、自行車道等要素在內的道路圖層.市級與縣域的人口數量及行政面積，來源為2020年各市統計年鑒及遼寧省第七次人口普查數據.

2 研究方法

空間格局采用核密度與格網分析對公廁的分布特征進行可視化.服務能力采用每萬人公廁擁有量來衡量資源配置的均衡性，融合鄰近分析的可達性表征公廁的整體服務能力.可達性分析以公廁數據作為點源信息，將道路數據作為目標層，查詢點源信息最近的目標道路并計算最鄰近道路的距離，以距離小于100 m公廁數作為衡量公廁可達性的指標.

1)核密度分析.公共設施空間上的聚集與分散可以從一定層面上表達出空間分布的均衡性.本文以核密度估計(Kernel)來評估公廁在空間上的分布特征.Kernel常被用來反映點要素在空間分布的集中程度，借助規則移動樣方對空間點要素的聚集程度進行估計[24-25]，計算公式為

(1)

式中：f(x)為空間位置x處的Kernel函數；h為距離衰減閾值；k為空間權重函數；n為與位置x的距離小于或等于h的要素點數.

2)空間格網分析.針對公廁在空間上的數量分布統計，以行政區域為統計單元受到邊界的影響，在空間統計上不能客觀反映整體的分布特征.同時，行政邊界具有較大的空間尺度，在統計單元內部不能精細化反映局部的數量特征.城市公廁作為以人流和配套設施為依據的基礎公共服務設施，需要更為精細化的空間數量特征.采用Arcgis軟件劃分空間格網并統計格網內的公廁數量，考慮到空間尺度與可視化效果，本研究采用10 km邊長的單元網格.

3)萬人公廁擁有量.均衡測度不僅僅要考慮公廁自身的數量與空間分布，還應考慮公廁服務對象的數量，使其滿足空間上的均衡性以及人口需求的匹配性[26-27].基本公共設施的均等化，實質上是以人為本、以均為基的人均公共服務均等化.考慮到人口的流動性及城鎮化發展，鄉村地區也需要均等的公共服務設施，實行按常住人口“標準人”公式化分配，是完善服務均等化的科學選擇[28-30].因此，本研究將人口因素融合到公廁的均衡性測算中，以每1萬名常住人口公廁擁有量(Number of toilets per 10 000 population，NTP)評估公廁服務能力.計算公式為

(2)

式中：NTPi表示第i個研究單元內的每萬人口公廁數量；Ti表示第i個研究單元內的公廁數量；Pi表示第i個研究單元內的人口數(單位：萬人)；i=1，2，3，…，n，n為研究單元個數.

4)鄰近分析.可達性作為服務能力的體現，在公共服務基礎設施建設方面具有重要意義[31-32].鄰近分析是作用于2個集合要素之間，是計算分析對象與鄰近對象之間距離的空間分析方法.分析的對象與鄰近對象都為多個要素時，需要分析對象找出最鄰近的要素并保留相互距離.鄰近分析往往被組合到更復雜的空間分析過程中，作為基礎功能發揮作用[33].本文采用Arcgis鄰域分析工具對集中的鄰近分析進行計算.其中，將遼寧省公廁POI點位數據作為輸入點要素，OSM獲取的道路數據作為線要素，統一轉換投影坐標后，獲取公廁POI點位與最鄰近道路之間的最短直線距離.

3 結果與分析

3.1 公廁的空間格局分析

圖1(左圖)為遼寧省公廁數量空間分布，其核密度分析結果顯示公廁主要集中分布在沈陽和大連這2個副省級城市，其他城市則呈零星點狀分布，形成“兩核多點”的空間分布格局.疊加遼寧省2018年遙感影像和建設用地數據發現約85%的公廁點位數據分布在城市建成區內，農村及鄉鎮點位數據較少.整體上看，城市公廁均存在不同程度的聚集，只是沈陽和大連的公廁密度與其他城市相比存在顯著差異.其他地級市之間公廁密度差異性較小，城市核心區公廁數量差異不顯著，差異性主要體現在核心區的面積與規模上.

圖1 遼寧省公廁數量空間分布

圖2為遼寧省各市公廁數量核密度空間分布.該圖顯示各市公廁空間分布呈現一定的聚集性且多集中于城市主城區，鄉鎮地區密度較低.沈陽、大連、阜新、遼陽公廁呈現單核多點的分布模式.鞍山、營口、盤錦圍繞多中心聚集分布，呈現多核多點的分布模式.撫順、本溪、丹東、錦州、鐵嶺、朝陽、葫蘆島則分布零散，以小規模多點聚集或分散式分布為主，呈現多點式分布.

圖2 遼寧各市公廁核密度分布

從10 km空間格網分布來看(圖1右圖)，沈陽作為遼寧省會城市，公廁數量為1 933，高于省內均值474，中等及以上等級格網有8個，其中7個為接壤式分布.另外，高等級地區位于沈陽市和平區、沈河區、皇姑區和鐵西區的交匯處；較高等級地區有2處，一處為沈陽市渾南區、沈河區和大東區的交匯處，另一處為大連市的沙河口區、西崗區和中山區交匯處.多數地區被低等級與較低等級覆蓋，85%以上的地區公廁數量等級為低等級.其中，撫順、鐵嶺、朝陽、葫蘆島整體上屬于低與較低等級地區，公廁數量偏低.

除沈陽、大連、營口外，其他城市低等級地區覆蓋了90%以上的面積(表1).營口作為地級市中唯一低等級地區覆蓋率小于90%的城市，其低等級與較低等級覆蓋率分別為85.19%和11.11%，是遼寧省內低等級與較低等級地區覆蓋率最低的城市，中等級地區覆蓋率3.70%，僅次于沈陽的4.62%.但是，營口的較高等級與高等級地區覆蓋率為0，表明營口在公廁密度覆蓋方面與沈陽和大連2個副省級城市存在一定的差距，但與其他地級市相比公廁密度覆蓋具有一定優勢.

表1 遼寧省各市格網公廁數量百分比

3.2 公廁均衡性分析

根據國家統計局2018年的調查結果和城鎮人口統計信息計算，全國每萬人常住人口公廁擁有量為1.78，遼寧省為1.41.但此部分公廁數量未能充分包含附屬公廁，因此在統計數值上存在偏小的情況.本文依據附屬公廁的占比數量，將萬人擁有量大于2的地區確認為基本滿足人口需求.圖3為遼寧省各市域(左圖)及所轄縣域(右圖)每萬人常住人口公廁擁有量分布，并按照自然間斷法分為5類等級.左圖顯示萬人公廁擁有量最大的城市為本溪，值為2.41，最小值為錦州0.96.沈陽與大連保持較高以上等級的公廁均衡性分布，但沒有呈現出雙核模式.本溪與營口因人口基數較小，人均公廁擁有量等級顯著提升.整體上，低等級集中于遼中地區，較低等級分布在遼西地區，遼東地區除撫順市外人均擁有量等級較高，但滿足人口需求的地區僅有沈陽與本溪.右圖顯示，萬人公廁擁有量最高值4.84，為營口市老邊區，最低值0.01為阜新市清河門區.高等級地區共有8處，主要原因包括以下2種.其一部分地區人口稀少導致人均擁有量提升，如鞍山市千山區.其二部分地區位于城市中心區，基礎設施完善導致人均擁有量較高，如大連市中山區.第一種原因是影響人均公廁擁有量的主要原因，說明城市中心城區公廁數量的優勢難以滿足較大的人口基數，使其在人均公廁擁有量方面表現不如部分人口稀少公廁配套相對欠缺的非中心城區.空間上低等級地區主要分布在遼寧省西部與中部少數地區，遼東南沿海地區在公廁數量與人均擁有量兩方面具有一定的優勢.在100個縣級行政單元中，滿足人口需求的行政單元僅有26個，占比26%.

圖3 遼寧省市域(左圖)與縣域(右圖)每萬人公廁數量變化

圖4為遼寧省各市每萬人公廁數量分布格局.研究發現，沈陽、大連、丹東和鐵嶺城市面積較大，屬于較高等級和高等級的分布范圍.阜新、本溪、盤錦和營口在人口與面積兩方面小于省內城市的平均水平，但是在人均公廁擁有量方面則處于中等以上水平.撫順、葫蘆島、錦州和鞍山在面積尺度與省內均值水平接近，但是在人均公廁擁有量方面則呈現出較低等級與低等級水平.面積最大的朝陽和人口數較少的遼陽則表現出較低等級和低等級.省內城市整體上呈現出大規模城市表現為較高等級，小規模城市呈現中等及以上水平，中等規模城市呈現出中等及以下水平.縣域尺度下(如圖5，阜新市清河門區因數值較小未能標注)，部分城市在縣域尺度內部呈現出一區獨大的現象，如營口市老邊區、鞍山市千山區、盤錦市雙臺子區等.這些區域人均公廁擁有量顯著優于同一城市的其他地區，形成城市內部分布不均衡的現象.

圖4 遼寧省各市每萬人公廁數量分布格局

圖5 遼寧省縣域每萬人公廁數量分布格局

在萬人公廁擁有量尺度下，考慮到公廁不僅服務于該地區的常住人口，同樣服務于流動人口.在流動人口中，旅游人口成為其重要的組成部分，因此用統計年鑒中旅游人次作為衡量流動人口指標，計算每萬人次旅游人數擁有的公廁數量衡量流動人口的公廁服務性.此外，在空間分布測度下，原野、村鎮等區域占據了整體面積的絕大部分區域.然而，85%的公廁分布在城市建成區且流動人口也聚集在建成區內，以建成區面積作為空間測度指標，計算每萬km2建成區內的公廁數衡量公廁空間服務能力(如圖6).遼寧省14個城市在建成區面積與旅游人次2個測度下整體趨勢保持一致.本溪與丹東2市在單位建成區公廁數量和單位旅游人次公廁數量2個測度指標上存在差異，主要因為2市是遼寧省旅游資源相對豐富的城市，年旅游人次明顯高于其他城市，使其單位旅游人次公廁數量顯著低于單位建成區面積公廁數量.

圖6 遼寧省各市單位面積建成區和單位旅游人次公廁數量

3.3 公廁可達性分析

公廁的可達性是衡量公廁衛生設施服務能力的重要依據[34].表2為依據鄰近分析方法核算的遼寧省公廁最鄰近道路距離統計.該表顯示，距離道路在10 m到100 m之間的公廁占公廁數量的70%以上，100 m到500 m之間次之.距離道路500 m以上的公廁占比不足5%.這在一定程度上反映出公廁作為基礎衛生服務設施與道路位置信息具有較強的相關性，一定程度上滿足公廁可達性需求.考慮到公廁之間的距離和行人的步行速度，把距離道路100 m以內的公廁作為可達性最高的公廁，發現大連與沈陽100 m以內的公廁數量占比最高，但優勢不明顯.鐵嶺100 m內的公廁具有一定優勢，而本溪、阜新、遼陽、盤錦、營口100 m內公廁數量占比低于80%，可達性水平較低.

表2 公廁最鄰近道路距離統計表

4 討論

電子地圖的發展與應用普及，伴隨產生了POI點狀社會經濟地理實體大數據.相比于傳統的統計與調查數據，POI數據提供了各類公共衛生設施的空間位置信息，不僅具備更精細化的分類體系和特征標簽，同時在數量信息的基礎上包含了點位坐標，為數據的分布可視化與空間統計分析提供了基礎.小規模點狀地理實體因種類繁雜、數量多常伴隨著數據更新頻繁的問題.POI數據快速更替及獲取為公廁等地理實體的更新提供了有效途徑.融合多源數據補充POI數據的屬性信息及POI數據準確性的檢驗仍需進一步的研究.

基于POI大數據豐富的信息源，本文在省級層面對公共衛生服務設施進行了分析，彌補了在大尺度上案例研究的欠缺.以往研究多集中于單個城市與城市核心地區，缺少大尺度與精細尺度下衛生設施的空間分布與服務性整體評估.依據評估結果，本文充分印證了沈陽與大連作為副省級城市在公共衛生方面具有一定的優勢.小規模城市的公廁設施因人口基數小，服務能力等級處于中等以上.但中等規模城市在公廁設施數量上不具有顯著優勢，其一定規模的人口與廣域的城市面積降低了衛生設施服務等級.人口信息中流動人口占據了一定的比例，如何利用大數據方法將流動人口信息融合到公共衛生設施的評估需要更深入的討論.

公共衛生服務設施與人民群眾的生活息息相關，但是資源配置和服務能力方面存在短板.公廁設施的配置不僅僅是衛生生理需求的配置，也是城市文明、商業、旅游等方面的重要體現[35].但是目前以公廁為代表的衛生服務設施等地理空間實體仍然聚集于城市核心地區，在村莊與鄉鎮地區數量稀少且分布零散.同時，POI數據的采集在偏遠地區也存在漏采、少采等現象，造成數據信息的缺失.隨著休閑農業、鄉村旅游的大力發展[36]，鄉村地區的公共衛生設施具有巨大的需求.縮小城鄉之間、區域之間公共衛生設施的差距，對促進城鄉一體化與城鄉的空間規劃具有重要意義.

5 結論

本研究基于POI數據，從空間格局、均衡性、可達性3個視角，涉及市級、縣域、10 km空間格網等尺度，對遼寧省內公廁設施的空間格局和服務能力進行了評估，并得到以下3點結論：

1)在空間格局方面，省級層面公廁以沈陽和大連為熱點地區呈現雙核多點式分布.市級尺度下，不同城市呈現出單核多點、多核多點及多點式分布特征.縣域尺度下，城市內部數量特征的空間分布存在差異，城市區域數量多，聚集現象明顯，鄉村地區數量少，分布零散.10 km格網尺度下，85%的格網公廁數量為低等級.

2)在資源均衡性方面，人口與空間測度的融合可以更準確反映公廁的資源配置均衡性，用萬人公廁擁有量以代表人口均衡性.市級與縣域尺度下，沈陽、本溪以及26%的縣級行政單元滿足人口需求，公廁的服務能力有待提高.同時，豐富的旅游資源帶來的流動人口削弱了公廁的服務水平.

3)在可達性方面，整體滿足行人與居民的基本需求.以距離道路100 m以內的公廁數量占比來衡量公廁的可達性，遼陽等小規模城市低于80%，沈陽與大連占比最高，印證了沈陽與大連作為遼寧“雙子星”公廁服務能力在省內具有較高水平.