社區(qū)級體育設(shè)施可達性評價和布局優(yōu)化

溫睿，肖鴻飛，薄嘉晨 （合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

從2016年國務(wù)院頒布《全民健身計劃(2016—2020)》以來，全面貫徹執(zhí)行國家全民體育健身行動計劃一直是我國當(dāng)前的重要經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略[1]。讓城市市民在工作、學(xué)習(xí)之余能夠參與到健身活動中來，不僅可以減輕他們的壓力和防止“亞健康”人口數(shù)量增加，而且可以促進我國體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展。然而隨著我國城市化進程不斷發(fā)展，城市建設(shè)用地越來越緊張，體育設(shè)施用地的規(guī)劃和布局就顯得尤為重要。社區(qū)級體育設(shè)施主要包括公共體育設(shè)施、健身房和體育休閑場所。它可以在一定居民生活圈的范圍內(nèi)滿足附近不同年齡段居民的健身需求。以合肥市包河區(qū)為例，研究社區(qū)體育設(shè)施的可達性可以有效地評價公共體育設(shè)施資源的公平性以及居民點與體育設(shè)施點的耦合性，根據(jù)計算結(jié)果進行規(guī)劃選址，提高公共體育設(shè)施的利用價值與效率。

空間可達性最初是由W.G.Hansen[2]提出，通常作為從起始點出發(fā)到目的地點難易程度的評價指標(biāo)。目前在空間可達性分析中常用的方法有最近距離法、引力模型、網(wǎng)絡(luò)分析法、緩沖區(qū)分析法等。隨著可達性理論的發(fā)展，國內(nèi)外研究關(guān)于空間可達性的評價方法較多樣，適用于公共服務(wù)設(shè)施空間可達性評價[3]。KwartnikPruc Anita[4]運用 GIS 分析波蘭克拉科夫市市政當(dāng)局在發(fā)展公共綠地方面采取的行動，以確定綠地可達性變化的動態(tài)。吳文龍等[5]在GIS平臺下利用潛能模型，對深圳市范圍內(nèi)的公共體育設(shè)施進行可達性分析與評價，確定了影響可達性因素。金銀日等[6]借助空間分析法對上海市公共體育設(shè)施空間可達性與公平性指數(shù)進行分析，說明了體育設(shè)施布局應(yīng)考慮服務(wù)面積和人口間的關(guān)系。仝德等[7]結(jié)合模型和改進傳統(tǒng)可達性計算數(shù)據(jù)源，計算深圳交通小區(qū)尺度公園可達性，剖析了區(qū)域差異化模式及原因。上述探討的內(nèi)容更多地集中于較大行政單元的可達性分析，單元尺度的細化將會進一步地縮小與現(xiàn)實生活的偏差。以街道、地塊等較小尺度區(qū)域作為研究單元更能體現(xiàn)其供需空間分異性[8]。因此，文章將研究范圍尺度縮小到包河區(qū)內(nèi)的街道、社區(qū)來分析小區(qū)體育設(shè)施可達性。

從目前現(xiàn)存的可達性評估分析的文獻來看，盡管有研究在對實驗區(qū)域進行可達性評價后對體育設(shè)施的選址提出了優(yōu)化的原則與策略，但是并沒有給出具體的優(yōu)化選點地址。因此本文研究重點在于，根據(jù)可達性分析后的量化結(jié)果進一步識別出包河區(qū)內(nèi)體育設(shè)施可達性較弱的小區(qū)，進行k-means聚類分析，最后結(jié)合粒子群優(yōu)算法得到新體育設(shè)施的選點地址并提出未來包河區(qū)體育設(shè)施建設(shè)的優(yōu)化建議，僅作為城市體育設(shè)施規(guī)劃增補配置的參考，期望能夠加快合肥市建設(shè)健康城市的步伐。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)域

合肥市作為安徽省人口與經(jīng)濟第一的城市，同時也是一座具有2000年歷史的古城[9]，其緯度是 30°57′—32°32′N，經(jīng)度是116°41′—117°58′E。包河區(qū)位于合肥市的中部區(qū)域，與濱湖新區(qū)相接壤，因轄區(qū)內(nèi)的包河景區(qū)而得名，因北宋名臣包公故里而聞名，又因合肥濱湖新區(qū)建設(shè)而揚名[10]。根據(jù)包河區(qū)人民政府官網(wǎng)統(tǒng)計的時間節(jié)點，截至2021年3月份，包河區(qū)域內(nèi)包含9個街道、2個街道級社區(qū)和2個鎮(zhèn)、1個省級經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，它們分別為駱崗街道、常青街道、蕪湖路街道、包公街道、望湖街道、義城街道、煙墩街道、萬年埠街道、同安街道、包河經(jīng)開區(qū)、濱湖世紀(jì)社區(qū)、方興社區(qū)、濱湖功能區(qū)、淝河鎮(zhèn)、大圩鎮(zhèn)。包河區(qū)常住人口目前可達140多萬人，區(qū)域面積可達340km2。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

研究對象為包河區(qū)內(nèi)的社區(qū)級公共體育設(shè)施。社區(qū)級公共體育設(shè)施包括全民健身苑、社區(qū)體育俱樂部、籠式三人制籃球場、籠式多功能健身場、健身房和體育休閑場所[11]。居民人口的分布趨勢對體育設(shè)施的整體分布有一定的參考意義。根據(jù)官網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)進行搜集與整理后，賦值于街道行政區(qū)劃圖后可視化表達，得到包河區(qū)人口密度分布圖，如圖1所示。

圖1 包河區(qū)各街道和社區(qū)人口密度

公共體育設(shè)施數(shù)據(jù)由合肥市體育局提供，健身房和體育休閑場所數(shù)據(jù)通過百度地圖爬取并結(jié)合遙感影像進行相應(yīng)調(diào)整后獲得。居民小區(qū)數(shù)據(jù)通過安居客二手房網(wǎng)站上爬取獲得。包河區(qū)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)通過相關(guān)公眾號獲得后根據(jù)實際行政區(qū)劃進行了調(diào)整。文章對獲取poi、shp數(shù)據(jù)結(jié)合衛(wèi)星地圖進行修正后，包括205個體育設(shè)施的數(shù)據(jù)和702個居民小區(qū)數(shù)據(jù)、13個街道和社區(qū)數(shù)據(jù)、1個巢湖數(shù)據(jù)。包河區(qū)道路數(shù)據(jù)通過Openstreet Map網(wǎng)站下載后進行按掩膜提取，并進行路網(wǎng)打斷與拓?fù)錂z查分析等操作，初步完全處理完成后的結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究范圍及體育設(shè)施、小區(qū)等分布現(xiàn)狀

2 研究方法

2.1 基于高斯型兩步移動搜尋法的可達性評價

可達性評價能較客觀地反映空間分布情況，基于高斯型距離衰減的改進兩步移動搜索法[12-13]（2SFCA）的可達性評價同時考慮供給和需求2個方面因素，將高斯函數(shù)作為距離衰減函數(shù)，使得可達性衰減速率隨距離的增加先加快后減慢，可以較客觀地從使用者的視角衡量公園的可達性[14]。利用高斯型兩步移動搜尋法對體育設(shè)施可達性評價的過程主要包括兩步：

對每個體育設(shè)施點j，搜尋所有在其搜尋半徑（d0）范圍內(nèi)的每個小區(qū)的需求規(guī)模，即小區(qū)人口數(shù)，計算體育設(shè)施點的供需比Rj，見表1所列。

各街道部分社區(qū)級體育設(shè)施點的供需比 表1

式中：Pk是 j的空間作用域內(nèi)(dkj≤d0)街道k的人口數(shù)量；dkj是從街道k中心j中心的空間距離；Sj是j的容納能力，文中以的面積為代表；G(dkj,d0)是考慮到空間摩擦問題的高斯方程[15]，計算方法如公式(2)所示：

對每個住宅小區(qū)K搜索其搜索半徑范圍內(nèi)的體育設(shè)施j，將這些體育設(shè)施的供需比Rj加權(quán)得到每個小區(qū)的體育設(shè)施可達性Ai。

式中：Ri表示街道i的空間作用域內(nèi)(dkj≤d0)體育設(shè)施j的供給比率。其他指標(biāo)說明同公式（2）。

2.2 體育設(shè)施可達性盲區(qū)聚類及優(yōu)化選址

研究以小區(qū)的體育設(shè)施可達性為基礎(chǔ)，提取弱可達性小區(qū)點，在小范圍內(nèi)將這些有一定距離的小區(qū)分成若干類，再設(shè)立最少數(shù)量的新體育設(shè)施服務(wù)這些小區(qū)。在此，選用的是Matlab里的K-means聚類分析和粒子群優(yōu)化算法。

K-means的原理在于根據(jù)給定n個樣本點和m個初始的類簇中心，根據(jù)樣本點與中心點之間的距離，把距離越近、差異越小的樣本點聚成一簇，最后形成m個簇。當(dāng)所有給定的可達性較弱的居民點歸類到相應(yīng)的類簇之內(nèi)后，將m個類簇內(nèi)新舊居民點重新進行分配類簇中心后完成一次中心點計算的過程。然后，利用Matlab程序多次計算可達性較弱的居民點與上一次計算后的類簇中心點的距離。當(dāng)出行類簇中心點的距離與居民點之間的距離達到最小值或者距離值不變和計算次數(shù)達到我們預(yù)先給定的一個最大計算數(shù)值的兩種情況之一的時候，得到的中心點即為該類簇的理想中心點。沿用這個思路，我們可以計算出最少可以建立幾個體育設(shè)施，就能基本滿足弱可達性小區(qū)的服務(wù)覆蓋要求。而粒子群算法用于組合優(yōu)化問題，在確定設(shè)立數(shù)量的基礎(chǔ)上，可以尋找到具體體育設(shè)施位置的組合優(yōu)化解。具體類簇中心計算原理如下：

預(yù)先輸入數(shù)據(jù)點X，該數(shù)據(jù)樣本中包含了n個樣本點對象X={X1,X2,X3,…,Xn},其中每個對象都具有m個維度的屬性。K-means算法的目標(biāo)是將n個對象依據(jù)對象間的相似性聚集到指定的k個類簇中，每個對象屬于且僅屬于一個其到類簇中心距離最小的類簇中。對于K-means，首先需要初始化k個聚類中心{C1,C2,C3,…,Ck},1＜I≤n然后通過計算每一個對象到每一個聚類中心的歐式距離，如下式所示

上式中,Xi表示第i個對象1≤I≤n,Cj表示第j個聚類中心的1≤j≤k,Xit表示第i個對象的第t個屬性，1 ≤ t≤ m,Cjt表示第j個聚類中心的第t個屬性。

依次比較每一個對象到每一個聚類中心的距離，將對象分配到距離最近的聚類中心的類簇中，得到k個類簇{S1,S2,S3,...,Sk}

K-means算法用中心定義了類簇的原型，類簇中心為m個類簇內(nèi)的所有樣本數(shù)據(jù)點在各個方向的距離最合理的最優(yōu)解，其計算公式如下:

上式中，Cl表示第l個聚類的中心，1≤l≤k，|S|表示第l個類簇中對象的個數(shù)，Xi表示第l個類簇中第i個對象，|1≤i≤|S1|。

3 結(jié)果與分析

結(jié)合日常的生活習(xí)慣，人們出行鍛煉的方式通常以方便為主。因此文章選擇步行、騎自行車和騎摩托車三種出行方式，并結(jié)合人們的日常出行習(xí)慣來對居民小區(qū)可達性進行分析。結(jié)合15分鐘生活圈的概念，將居民的出行時間閾值劃分為5分鐘、10分鐘和15分鐘共3個等級。在空間可達性分析中，步行、騎行和摩托出行的速度通常為4公里/小時、15公里/小時和20公里/小時，將具體速度轉(zhuǎn)換為出行距離見表2所列。將速度與時間相結(jié)合并利用ArcGIS進行網(wǎng)絡(luò)分析中的服務(wù)區(qū)分析功能，分別進行求解后得到基于道路網(wǎng)絡(luò)生成的3種出行方式下各時間閾值所對應(yīng)的小區(qū)點可達性范圍[16]。利用ArcGIS中的工具，將居民小區(qū)數(shù)據(jù)的屬性賦值給街道行政區(qū)劃數(shù)據(jù)中，最后將可達性結(jié)果進行可視化表達。

3種出行方式下對應(yīng)3種時間內(nèi)的出行閾值 表2

3.1 步行出行可達性分析

在實際生活中，居民常在居住地與體育設(shè)施間發(fā)生關(guān)系，尤其城區(qū)內(nèi)居民會選擇前往離居住點較近的體育設(shè)施。所以從使用者的角度討論體育設(shè)施的可達性有助于進一步補充及優(yōu)化城市體育設(shè)施體系的布局。為了進一步確定體育設(shè)施可達性，研究以居民居住小區(qū)為出發(fā)點，建立300m、500m、1000m范圍內(nèi)的每個住宅小區(qū)與體育設(shè)施的OD矩陣，通過高斯兩步移動搜尋法計算出以步行為出行方式的情況下體育設(shè)施供需比，進一步得出街道層級的每個小區(qū)的體育設(shè)施可達性，進而識別出體育設(shè)施可達性較弱的小區(qū)。

根據(jù)計算結(jié)果，研究范圍內(nèi)小區(qū)和街道體育設(shè)施可達性差距明顯，小區(qū)可達性最低是0，最高是2.22,街道可達性最低是0，最高是53.04。小區(qū)平均可達性為0.237，街道平均可達性是12.79，可達性高于平均可達性的小區(qū)占31.48%，可達性高于平均可達性的街道占23.08%。在此，我們按照自然等級分隔法，將可達性高低程度可視化，并提取出可達性位于前三級（可達性值≤30.00）的小區(qū)點如圖3所示，視其為弱可達性小區(qū)。

圖3 步行狀態(tài)下各街道可達性

在步行為出行模式下，蕪湖路街道、同安街道、包公街道的可達性值均超過20，街道可達性較高，其中包公街道的可達性值最高，達到53.04，緊跟其后的依次為同安街道和蕪湖路街道。可達性中等的街道按照數(shù)值排序為駱崗街道、常青街道、煙墩街道、望湖街道、濱湖世紀(jì)社區(qū)、方興社區(qū)、萬年埠街道和淝河鎮(zhèn)，它們的可達性數(shù)值介于3～10之間。因文章是基于小區(qū)點進行空間可達性分析，大圩鎮(zhèn)和義城街道內(nèi)的小區(qū)點數(shù)量較少，最終導(dǎo)致它們的可達性數(shù)值也較低。

3.2 騎行出行可達性分析

包河區(qū)小區(qū)和街道體育設(shè)施可達性差距明顯，小區(qū)可達性最低是0，最高是6.09，街道可達性最低是0.19，最高是53.04。小區(qū)平均可達性為1.35，街道平均可達性是73.00，可達性高于平均可達性的小區(qū)占40.02%，可達性高于平均可達性的街道占23.08%。在此，我們按照自然等級分隔法，將可達性高低程度可視化，提取出可達性位于前三級（可達性值≤30.00）的小區(qū)點如圖4所示，視其為弱可達性小區(qū)。

圖4 騎行狀態(tài)下各街道可達性

從整體上來看，在騎行模式下的街道可達性變化比較明顯的街道有包公街道、蕪湖路街道和同安街道，它們的體育設(shè)施空間分布較其他街道更為理想。包公街道的可達性值最高，達到273.41。可達性中等的街道按照數(shù)值排序為常青街道、望湖街道、煙墩街道、方興社區(qū)、駱崗街道、濱湖世紀(jì)社區(qū)、萬年埠街道和淝河鎮(zhèn)，它們的可達性數(shù)值介于10～60之間。大圩鎮(zhèn)和義城街道的可達性數(shù)值較低，其中最低的依然為義城街道。

3.3 摩托出行可達性分析

研究范圍內(nèi)小區(qū)和街道體育設(shè)施可達性差距明顯，小區(qū)可達性最低是0，最高是7.71，街道可達性最低是0.49，最高是397.82。小區(qū)平均可達性是2.11，街道平均可達性是12.79，可達性高于平均可達性的小區(qū)占56.70%，可達性高于平均可達性的街道占23.08%。在此，我們按照自然等級分隔法，將可達性高低程度可視化，并提取出可達性位于前三級（可達性值≤30.00）的小區(qū)點如圖5所示，視其為弱可達性小區(qū)。

圖5 摩托狀態(tài)下各街道可達性

小區(qū)可達性與出行速度有著密切的關(guān)系，并在駕駛摩托車為出行模式下達到最大值。蕪湖路街道、同安街道、包公街道的可達性值均破百，街道可達性較高，其中包公街道的可達性值最高，達到273.41，緊跟其后的依次為同安街道和蕪湖路街道。可達性在10～60之間的街道按照大小排序為常青街道、望湖街道、煙墩街道、方興社區(qū)、駱崗街道、濱湖世紀(jì)社區(qū)、萬年埠街道和淝河鎮(zhèn)。大圩鎮(zhèn)和義城街道的可達性數(shù)值仍然較低。

3.4 k-means聚類分析結(jié)果與優(yōu)化

我國城市的建設(shè)已進入提升城市質(zhì)量的階段，尤其是在疫情影響之后，城市的供給和需求量顯著提高。現(xiàn)有的體育設(shè)施規(guī)劃方案都是考慮在一定統(tǒng)計范圍內(nèi)保證量的平衡，而且規(guī)劃的圈層都比較大，而越大越容易平衡。因此，我們現(xiàn)在需要進入更精細的下級規(guī)劃視野考慮體育設(shè)施的新配置問題，街道層面的供需分配差異更能反映實際的不公平性問題。另外，體育設(shè)施的規(guī)劃需要與新增的城市居民居住地建設(shè)相適應(yīng)，當(dāng)新增的小區(qū)大于體育設(shè)施的服務(wù)荷載后，在新的規(guī)劃設(shè)計中要把實際的需求列入?yún)⒖挤秶瑑?yōu)先考慮體育設(shè)施可達性較弱的小區(qū)，優(yōu)先滿足并提高這些區(qū)域的體育設(shè)施服務(wù)性。

K-means聚類后將弱可達性的居民小區(qū)分成五簇，可以考慮優(yōu)先建設(shè)五個公共體育設(shè)施，這時可以基本將每個小區(qū)與指定的五個體育設(shè)施點進行匹配如圖6所示。按照擬建五個公共體育設(shè)施的目標(biāo)，進行粒子群優(yōu)化算法求解，將迭代后的結(jié)果坐標(biāo)展示在ArcGIS10.2中，得到優(yōu)化后的社區(qū)級公共體育設(shè)施建議點，如圖7所示。加公共體育設(shè)施的成本較高且建設(shè)困難的盲區(qū)，如包公街道，增加面積較小、靈活性強且能夠廣泛分布的綜合性公共體育設(shè)施或街頭來提高區(qū)域的整體環(huán)境[17]。對于包河區(qū)中部和東南部區(qū)域，適當(dāng)利用城市公共開放空間，因地制宜，結(jié)合構(gòu)建開放性街頭公共體育設(shè)施，或者延伸開放社區(qū)的空間，改建成小型公共體育設(shè)施，高效地利用未規(guī)劃的空間。

圖6 k=5聚類結(jié)果

圖7 包河區(qū)新建體育設(shè)施選址

針對包河區(qū)內(nèi)的體育設(shè)施現(xiàn)有可達性及優(yōu)化選址結(jié)果，應(yīng)優(yōu)先在小區(qū)可達性較弱的街道建設(shè)五個體育設(shè)施點，建立起社區(qū)級公共體育設(shè)施與居住小區(qū)的聯(lián)系。其中常青街道、方興社區(qū)內(nèi)分別建議增加一個公共體育設(shè)施點。萬年埠街道內(nèi)的金斗公園建議增加一個公共體育設(shè)施點，駱崗街道內(nèi)建議增加兩個公共體育設(shè)施點。對于包河區(qū)核心地區(qū)增

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

城市內(nèi)公共體育設(shè)施的動態(tài)發(fā)展與城市人口需求的變化息息相關(guān)。研究以合肥市包河區(qū)內(nèi)的居民小區(qū)為研究對象，使用高斯型兩步移動搜索法，先計算出體育設(shè)施服務(wù)距離內(nèi)的供需比，再根據(jù)衰減函數(shù)依次計算出居民小區(qū)點在三種出行方式下的空間可達性并采取可視化表達。結(jié)果表明街道層面小區(qū)體育設(shè)施可達性不平均，差距明顯。包河區(qū)北部地區(qū)總體可達性較高，南部地區(qū)可達性中等偏下。將計算結(jié)果結(jié)合包河區(qū)內(nèi)的布局現(xiàn)狀，提取出弱可達性的小區(qū)，運用粒子群優(yōu)算法進行k-means聚類分析，得到包河區(qū)的5個新體育設(shè)施建議點，并綜合相關(guān)方面列出包河區(qū)在體育設(shè)施建設(shè)的優(yōu)化建議，對未來落實全民健身的目標(biāo)提供建議方案，也為加快包河區(qū)體育設(shè)施建設(shè)提供想法與思路。

4.2 建議

①合理加大體育設(shè)施建設(shè)。在義城街道和大圩鎮(zhèn)這兩個地區(qū)，建議適當(dāng)增加公共體育設(shè)施。在濱湖國家森林公園適宜區(qū)域內(nèi)充分利用巢湖景觀來建立體育鍛煉設(shè)施，滿足附近居民的娛樂與鍛煉需求。根據(jù)濱湖森林公園內(nèi)的實際情況可以適當(dāng)增加公園的出入口方便居民進入或者離開公園，從而提高體育設(shè)施的利用效率與可達性。

②提高服務(wù)管理水平。在針對弱可達性地區(qū)的社區(qū)級體育設(shè)施建設(shè)的同時，我們也要做好已有設(shè)施的保護工作。當(dāng)前包河區(qū)大部分的社區(qū)級公共體育設(shè)施器材存在不同程度的損壞和安全隱患，器材管理制度不完善等問題。對于上述問題，應(yīng)該將不同區(qū)域內(nèi)的體育設(shè)施管理與維護的工作落實到個人，納入年底責(zé)任考核制度中。在管理者要求方面，要提升他們的服務(wù)意識與服務(wù)水平，嚴(yán)格審核器材供應(yīng)商的資質(zhì)并對投入使用的器材質(zhì)量做到嚴(yán)格把控，同時也要更新陳舊教條式的管理模式，做到與時俱進。

③豐富全民體育活動。無論是加大體育設(shè)施項目的建設(shè)還是提升服務(wù)質(zhì)量，最終的目的始終還是全民健身。近年來合肥市也舉辦了合肥市馬拉松、巢湖騎行比賽等競技體育活動，也是為了提高市民的參與度，加強他們體育鍛煉的意識，因此在體育設(shè)施項目建造不充分的情況下，社區(qū)和街道單位可以積極組織開展體育活動，多開展體育活動也能夠滿足居民的需求。

④因地制宜。體育設(shè)施建設(shè)應(yīng)考慮非主城與邊緣城區(qū)，街道單元也要城市化匹配。文章并未針對市、區(qū)級單元討論體育設(shè)施的服務(wù)水平和可達性，而是選擇基于社區(qū)的街道單元，更精細地考慮配置情況，有助于未來社區(qū)體育生活圈的建設(shè)。對于城市街道的建設(shè)存在差異，建設(shè)存在空缺的地方可以配置適當(dāng)數(shù)量的運動器材。另外，體育設(shè)施選址的優(yōu)化框架局限在小區(qū)樣本，考慮實際的設(shè)施布置后會有差異，以后需要把優(yōu)化思路與實際結(jié)合進行改進。

⑤加快城市路網(wǎng)的管理建設(shè)。道路的大力建設(shè)對于降低居民出行成本，提升出行便捷性大有幫助。觀察包河區(qū)的道路網(wǎng)可以發(fā)現(xiàn)北邊地區(qū)路網(wǎng)比南邊地區(qū)更為發(fā)達，因此要更加注重包公街道、同安街道和蕪湖路街道的交通管理，保證居民出行鍛煉的人身安全性。而對于駱崗街道、方興社區(qū)等行政區(qū)，更加注重的是道路的建設(shè)，避免造成交通堵塞，給附近居民增加出行成本，帶來生活上的不便。