原创 赵梦蕾等 南京林业大学学报

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基于i2SFCA的新乡市主城区公园绿地空间步行可达性分析

赵梦蕾，姚正阳，毛 达

河南科技学院园艺园林学院

城市公园绿地是开放空间的重要组成部分,是向公众开放,以游憩为主要功能,兼具生态、美化、防灾等作用的绿地,是城市公共服务的重要资源之一,如何正确衡量城市居民需求与公园绿地供给的关系,是当前城市绿地系统规划中亟需解决的问题。传统的绿地量化评估指标有绿地率、人均公园绿地面积、人均绿地面积、绿化覆盖率、公园绿地服务半径覆盖率等,其中公园绿地服务半径覆盖率虽可以反映城市公园绿地供给与需求的比例,但不能体现城市各公园绿地之间实际供给水平的差异。

可达性是一个空间概念,反映了起点与终点之间在空间上克服各种障碍进行交流的难易程度。通过可达性的分析计算,可以直接反映该设施的空间分布公平性问题,确定应该关注的缺乏公共设施的区域。可达性在各种公共设施的评价中应用较多,如商业、医疗、公园绿地、防灾避难设施等。可达性分析的方法主要有最小距离法、缓冲区分析法、网络分析法、引力模型法,两步移动搜寻法等。最小距离法以欧式距离作为评判标准,计算居民点到最近设施供应点的直线距离，距离越近,可达性越好,但没有考虑城市路网因素。缓冲区分析法计算居民点某一半径范围内公共设施的数量和面积或计算公共设施某一服务半径范围内的居民点数量、面积,同样忽略了城市路网因素。网络分析法以公共设施点为中心,计算沿着道路网络的基于某一时间或距离成本的服务范围,增加了对于城市路网的考虑,但没有考虑供需关系。引力模型法是考虑公共设施的可达性与居民点交通潜力、城市公园绿地吸引力成正比,与绿地到居民点之间的出行势能和时间的a次方成反比,但所需数据较为复杂,阻抗系数较难确定。在引力模型法的基础上,两步移动搜索法(two-step floatingcatchment area method ,2SFCA)是基于路网分别以设施供应点和居民需求点为中心移动搜寻两次,确定供需之间的便捷度,能够综合考虑城市公共设施的供给规模、需求规模和供需之间的距离关系,解释更为直观。但在随后对2SFCA 的研究中发现,该方法未考虑距离衰减,且同一搜索阈值内默认居民选择不同公园绿地的概率是相同的。为解决这些问题,出现了以2SFCA为基础的E2SFCA(enhanced two-step floating catchment area )、V2SFCA(variable 2SFCA)等。E2SFCA在两次移动搜寻中将时间阈值分为多个区间,并利用高斯函数赋予不同的权重,从而增加对于距离衰减的解释;V2SFCA不断拓展搜索的范围从而使得需求量和供需比达到一定的标准,而后计算可达性。但这些方法侧重于搜索阈值的确定,均未考虑因公园绿地的服务能力不同以及距离远近而产生的选择概率因素,而在实际的居民出行中是有选择性的,例如更近的、更大的公园绿地会更有吸引力。步行是城市交通的重要组成部分,2018年城市居住区规划设计标准中首次提出以步行生活圈来对居住区进行规模划分,随后,各城市均积极推进兼顾合理服务半径及人口规模的城市步行生活圈构建。因此,本期论文推荐的作者以河南省新乡市为例,在2SFCA的基础上,引入Huff模型,增加考虑城市公园绿地的服务能力和距离因素对居民点可达性的综合影响,提出改进的两步移动搜索法improved two-step floating catchment area method, i2SFCA),分别计算基于2SFCA和i2SFCA的城市公园绿地可达性,在此基础上进行对比,主要分析步行条件下的城市公园绿地空间可达性及其分布的空间格局,以期为未来城市规划发展与优化提供建议和参考。

下面跟学报君一探究竟！

作者简介

第一作者

赵梦蕾，女，1989年5月出生，河南科技学院园艺园林学院讲师，主要从事城市绿地系统布局优化的研究。

第二作者

姚正阳，男，1984年3月出生，河南科技学院园艺园林学院讲师，博士，主要从事城市绿地生态系统服务功能评价研究。

关键词：公园绿地；可达性；两步移动搜索法；空间格局；河南新乡

基金项目：国家自然科学基金项目(41901237);河南省重点研发与推广专项( 192102310485);河南省社会科学届联合会调研课题( SKL-2021-323)。

引文格式：赵梦蕾,姚正阳,毛达.基于i2SFCA的新乡市主城区公园绿地空间步行可达性分析[J].南京林业大学学报(自然科学版),2022,46(1):227- 232.ZHAO M L,YAO Z Y,MAO D.Spatial accessibility analysisof urban green space under walking condition in Xinxiang main urban area based on i2SFCA[J].Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition), 2022,46(1):227-232.DOI:10.12302/j.issn.1000-2006.202101002.

1目的

分析城市公园绿地空间的可达性,以有效衡量城市居民需求与公园绿地供给的关系,提高城市公共服务水平。

2方法

以两步移动搜索法(two-step floating catchment area method ,2SFCA)为基础,引入Huff模型，提出改进的两步移动搜索法(improved two-step floating catchment area method, i2SFCA) ,以河南新乡市主城区为研究区域,对比两种方法计算城市公园绿地步行条件下的空间可达性,并用CIS进行分析。

2.1 试验材料

新乡市位于河南省北部(113°23' ~115°01'E，34°53~35°50'N)。境内有国家级文保单位20处，A级旅游景区19个,是中原经济区及中原城市群核心区城市之一。本研究以人口较为密集的新乡市主城区环路以内片区为研究区域,分属红旗区(HQ)、卫滨区(WB)、牧野区(MY )和高新技术产业开发区(简称高新区,GXQ)4个区管辖,面积约150 k㎡,常住人口约91.6万人。

本研究中新乡市公园绿地数据、交通路网基础数据来源于《新乡市城市总体规划(20112020)(2017年修订)》,并结合2020年Google Eanth 卫星影像进行校验修正,而住区单元划分以及居住人口数据则采集于2019年12月上线的新乡市区划地名服务平台(http: //xinxiang.quhuadiming.cn/)最新数据。

区域内城市公园绿地含综合公园、社区公园、专类公园和沿河绿地等。为了使研究边界附近区域的可达性研究更为准确,将紧邻南环路的夏荷公园,以及一半位于研究区域外的联通苑绿地计入研究范围内绿地,共50个,公园绿地总面积达48.3万㎡,人均公园绿地面积约为5 ㎡。研究中采用各公园绿地的入口作为供给点,共提取104个点。

居住人口数据主要以街道为基本统计单元,但对于市辖区中各镇,如红旗区洪门镇、卫滨区平原镇、牧野区王村镇和牧野镇以及高新技术产业开发区,因其管辖区域面积较大,涵盖社区较多,为避免计算误差过大,研究单元具体到社区。研究共提取77个居住单元,并采用各街道社区的质心作为需求点,其中红旗区、牧野区、卫滨区以及高新技术产业开发区各分布有20、31、17、9个居住单元。

交通路网数据共提取道路194条,分为快速路、主干道、次干道、支路和村庄路。研究中因供给点为城市公园绿地,因此交通方式主要考虑步行。

2.2 研究方法

1)2SFCA。对每个公园绿地供给点j,搜索时间阈值(t0)范围内的住区质心需求点h,计算供需比(Rj)。

式中:Sj为公园绿地j的供给规模,用公园绿地面积表示;Pk为搜寻阈值内住区k(即tkj≤t0)的需求规模,用住区人口数表示;tkj为住区k到达绿地j的时间。一般情况下步行者出行的最大心理承受能力为30 min,因此本次研究中搜索阈值t0采用30 min。

之后,分别对每个住区i,搜索其出行时间阈值(t0)内的所有公园绿地j,将其供需比Rj求和即得到住区i的可达性Ai。

式中:Ai为住区需求点i对公园绿地的空间可达性,值越大表明住区的绿地可达性越好;Rj为住区i搜索阈值(tij≤t0)内公园绿地供给点j的供需比。

2) i2SFCA。Huff模型常用于研究城市商圈的服务规模和医院等公用设施的服务范围,它的概念化与多选择逻辑模型有关,消费者在位置i面对同类设施l( =1 ,2n) ,选择某一特定设施j的概率(Pij)为其设施的吸引力(U)与同类所有设施吸引力之和的比值,与设施的面积(S)成正比，与它到消费者的距离(d)呈幂函数反比。

式中:dij为位置i到达设施j的距离;β为距离摩擦系数,且β>0,β值越大,距离越远,衰减越快,则选择概率越小,通常的取值范围为1.0~3.0。

i2SFCA方法以2SFCA为基础,在可达性计算时叠加了公园绿地服务能力和距离因子,引入Pij，即住区i面对不同绿地j的出行概率,对公园绿地供给点j时间阈值内的需求规模(Pk)以及住区i时间阈值内的各绿地供给比(Rj)赋予选择概率(Pij)权重,因此,供给比及可达性(Ai)计算方法为:

对于城市公园绿地的选择而言,一些距离远但规模较大的公园绿地也可能会被居民选择,因此衰减系数β不会过大,研究中将分别计算β取值为1.0和2.0时的可达性。

3结果

i2SFCA 比2SFCA方法更具适应性和灵活性,尤其是在边界区域的绿地可达性计算中表现更为明显;新乡市主城区中公园绿地分布不够均衡,各片区之间空间可达性分布差距较大,呈西低东高的格局;主城区人口与公园绿地可达性的空间分布不够协调,亟须改善高人口密度而低可达性片区。未来城市公园绿地建设中,应进一步平衡绿地的分布格局,增加小型街头绿地,完善带状绿地,提高绿地的服务质量。

3.1 城市公园绿地步行可达性计算数值分析

研究分别采用2SFCA与i2SFCA 方法对研究区域内步行条件下的城市公园绿地可达性进行分析,得到77个居住单元的可达性:以2SFCA法得到可达性最大数值为43.80,最小值为0,平均值为7.03;以i2SFCA 法得到可达性最大数值为38.72(β=1.0)和 39.79(β=2.0) ,平均值分别为7.26和7.58,最小值均为0。i2SFCA方法与2SFCA计算结果相比,可达性最大值减小,平均值增大,最小值均为0,且数量都共有18个,表明有18个住区单元在步行30 min范围内无法到达区域内任一处绿地,占比23.4%。

观察以不同方法得到的可达性数值散点图(图1)可以看到,可达性数值多分布在15以下,可达性数值位于25以上的区域主要为定国湖公园附近住区,如牧野区定国湖社区、理想社区等,因绿地服务面积较大,时间阈值内住区人口较少而获得了较高的可达性。结合不同计算方法的可达性分位数数值(表1)进行分析,当可达性数值位于70百分位数以内时,相比i2SFCA方法,以2SFCA方法得到的可达性被低估了,而随着距离摩擦系数β的增大,低值区间的差距有所减少,高值区可达性差距则变大,原因在于几个研究区域边界的住区(卫滨区平原镇八里铺村等)可达性在2SFCA计算中被严重低估了,关于这点在可达性分级分析中会进一步说明。

▲图1 公园绿地步行可达性数值散点图

▼表1 可达性百分位数值统计

3.2 城市公园绿地步行可达性分级分析

采用反距离权重法(inverse distance weighted)对研究区域内77个居住单元的公园绿地步行可达性进行插值分析,并分级显示(图2)。研究区域内现状人均公园绿地面积约为5 ㎡,《新乡市城市总体规划(20112020) (2017年修订)》中确定规划期末的城市人均公园绿地面积为8.98 ㎡。另外GB/T 505632010《城市园林绿化评价标准》中对于人均建设用地80~100 ㎡的城市,规定人均公园绿地面积指标的Ⅰ级、Ⅱ级评价标准分别为10、8 ㎡。根据以上数据,在对可达性结果进行分级时,共分为6个级别,分别为:极差(<1.0)、差(≥1.0~3.0)、较差(≥3.0~5.0)、一般(≥5.0~8.0),好(≥8.0~10.0)、极好(≥10.0)。

对比图2a 、2b、2c可以看到,以2SFCA 和i2SFCA 两种计算方法得到的住区可达性较为相似,从西到东递增趋势明显,而极差的可达性住区主要分布在西侧靠近中心城区的村庄,如牧野区王村镇马庄、西王村等。分析原因主要是由于西部牧野区和卫滨区绿地分布较少、服务水平不高,另外道路的连通性不高,因此绿地的可达性较低。整体可达性变化趋势与新乡市向南、向东的发展方向相吻合。在进一步对两种计算方法进行分析时发现，i2SFCA方法因为考虑了公园服务能力以及距离衰减因素,更具有合理性。如图中D区域(卫滨区平原镇八里铺村附近)和E区域(高新技术产业开发区东抬头村附近),两区域均处于研究区域边界，但分别靠近夏荷公园和联通苑绿地,在图2b、2c中展示出更好的可达性,较为符合实际,说明对于边界区域, i2SFCA计算方法有更好的适配性;而在H区域(红旗区渠东街道附近),人口数量较为集中，周边绿地有人民公园、牧野公园等,但可到达的时间均在25 min 以上,综合距离衰减因素后,图2b、2c中可达性计算结果比图2a低,更符合实际。

以研究现状城市公园绿地服务水平为参考,将区域内住区绿地可达性数值<5.0的住区作为绿地资源缺乏区域进行统计,分析区域整体水平,结果(表2)可知,以2SFCA计算方法得到的绿地资源缺乏区域面积偏大,而绿地资源缺乏区域人口数量偏少,以i2SFCA方法计算得到的绿地资源缺乏区域面积分别占47% 、46% ,因此城市公园绿地可达性整体水平不高，亟待提升。

▲图2 城市公园绿地步行可达性结果

▼表2 基于不同计算方法的绿地资源缺乏情况统计

3.3 城市公园绿地步行可达性分布与人口密度叠加分析

以i2SFCA(β=1.0)计算结果为例,对研究区域各分区内不同级别步行可达性的住区单元数量进行统计，综合比对(表3)发现:红旗区(HQ)中极好可达性住区占比最多,较差可达性住区占比其次,因此整体绿地可达性较好,并具有较大的提升潜力;牧野区(MY)因其区域内西北村落较多,极差可达性住区占比最多,因此还有较大的差距;卫滨区(WB)与牧野区情况相似，但极好可达性占比更多,因此还需要继续建设;而高新技术产业开发区住区(GXQ)分布相对数量较少，又处于发展中，整体可达性分布较为均衡,表现良好。

▼表3 各片区不同级别可达性的住区单元数量占比统计

各住区单元的公园绿地可达性可以反映住区人口数量与公园绿地面积的供需关系,但从供需平衡的角度来看,人口密度高的区域人口活跃度更高,公园绿地的可达性对其影响更大。因此,为了更好地了解城市绿地供给与住区人口的需求空间关系,合理分配绿地资源,将可达性分布与人口密度进行叠加分析。首先对研究区域住区单元的相对人口数量进行Z-score标准化计算,其次叠加i2SFCA(β=1.0)方法下计算的公园绿地可达性结果进行分析,分析结果分为4类:高人口密度高可达性,高人口密度低可达性、低人口密度高可达性以及低人口密度低可达性(图3)。

从图3可以看到,低人口密度高可达性区域占比最多(45.1%),其次为高人口密度低可达性区域,而高人口密度高可达性区域主要位于中心区，呈带状分布,低人口密度低可达性区域则多分布于西、北边界。4种类别中亟须改善的为高人口密度低可达性区域,共17个住区单元,多为城中发展老区。

▲图3 城市公园绿地步行可达性与人口密度叠加分析

4结论

通过两种计算空间可达性方法的实验对比得出, i2SFCA方法更有优势,可明确城市中公园绿地资源缺乏区域,为提高城市社会服务水平提供数据基础。

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