基于GIS的城市公共体育服务设施选址优化研究

胡精超，王 莉

党的十八大报告指出:加强社会建设，必须从维护最广大人民根本利益的高度，加快健全基本公共服务体系，加强和创新社会管理，推动社会主义和谐社会建设。城市体育服务设施作为基本公共服务的重要组成部分，也是体育社会化的产物，是城市精神文明建设的重要内容。《全民健身计划》要求:到2015年，城乡居民体育健身意识进一步增强，参加体育锻炼的人数显著增加，身体素质明显提高，形成覆盖城乡的、健全的全民健身公共服务体系。《全民健身计划》和《中华人民共和国体育法》等法规文件，都把社区体育发展作为群众体育的基础［1－3］。

改革开放以来，随着我国城市化进程加快、社会经济环境的发展、全民健身活动的广泛开展，城市公共体育取得了一定的发展。但是，随之而来的一些问题制约了城市公共体育的健康、快速发展。如:社区体育活动缺乏组织者和管理者，体育活动缺乏经费，法制建设欠缺，城市公共体育服务设施建设缺乏整体规划，体育服务设施不足、分布不均或相对闲置等等。有效解决体育服务设施的合理布局和分配，对于促进体育健康、快速发展，满足城市居民需要，提高城市的服务水平，满足城市福利最大化有重要的意义［4］。文章运用地理信息系统(GIS)和设施选址——分配功能对体育服务设施在城市中的空间布局位置进行优化，为体育服务设施选址方案提供新的方向，同时为决策者在对体育服务设施进行选址规划时提供一个可供参考的途径和方法。

1 体育服务设施选址理论

1.1 国内外研究现状

20世纪70年代以来，城市公共体育服务设施分布的区位—配置模型(Location Allocation Model，LA 模型)［5－6］、中值算法、最短路径算法［7］、多目标的空间优化配置模型［8］、蚁群算法［9］等引起众多国外学者的关注，相关研究主要涉及公共体育服务设施的配置模式、建设速度、规模、空间布局优化、规划决策支持和设施配置评价等方面。

近几年，我国对公共体育服务设施布局优化也进行了大量研究，主要集中于两个方面:一方面是对城市社区公共体育服务设施的建设标准和方式、分布范围和经营管理模式的探讨［10］，另一方面是基于几何因素或社会因素的公共服务设施的选址和空间布局优化分析。关于城市社区公共体育服务设施分布状况讨论包括:李山勇(2007年)以北京市大型体育服务设施为研究对象，分析了体育服务设施的空间分布差异［11］。王远飞(2009年)、钟广锐(2010年)等分别用实例分析了GIS 技术在公共服务设施布局优化的应用［12－13］。熊友明(2012年)利用GIS 空间分析方法对城市公共体育服务设施的规模、分布特征及布局优化进行了分析［14］。关于公共服务设施空间布局优化分析的包括:张龙等(2004年)使用一种基于Voronoi 图的最小覆盖圆探讨公共设施选址优化算法［15］。胡志毅(2002年)、朱枫(2003年)、陶伟(2006年)分别建立模型实现公共服务设施的选址和布局优化分析［16－18］。朱华华等(2008年)提出了一种构建虚拟边界点的改进的基于Voronoi 图的设施布局优化方法［19］。陈忠暖(2006年)使用区位分析模型实现公共设施布局的优化［20］。陈旸(2010年)利用GIS 进行社区体育服务设施选址和布局优化研究［21］。尽管我国对公共服务设施选址研究起步较晚，研究方法针对性较强，应用范围较为有限，还没有涉及到公共体育服务设施的布局优化方面。因此，应用GIS 和LA 模型分析城市公共体育服务设施选址与布局优化方法具有一定的实用价值。

1.2 定位－分配模型(LA 模型)

定位－分配模型是根据区位理论中的中心地理论，通过对供给点和需求点两者相互作用的分析，用数学模型计算设施选址范围。定位－分配置问题在城市规划中应用非常广泛，也是GIS 空间分析研究的热点之一。根据选址考虑的因素不同，商业设施选址涉及的LA 模型包括:最小化阻抗(P中位点)、最大化覆盖范围、最小化设施点、最大化人流量、最大化市场份额、目标市场份额等。

文章采用最小化阻抗(P 中位点)模型进行选址分析和最大化覆盖范围模型进行优化布局。

1.2.1 最小化阻抗(P 中位点)模型 从多个体育设施候选位置中选择几个为需求点服务的位置，使得从体育设施到需求点的加权成本(距离、时间或费用等)之和达到最小，模型可以表示为:

其中:xij为需求点权重;y 为确定的体育设施;i、n 为需求点的位置和数量;j、m 为候选体育设施的位置和数量;P 为需要确定的体育设施的数量;ωi为需求点i 的需求量;dij为到体育设施j 的距离。模型还需满足每个需求点仅接受一个体育设施，并且只有P 个体育设施。

1.2.2 最大化覆盖范围模型 最大化覆盖范围是确定一些体育设施点，尽可能多的将需求点分配给阻抗(时间、距离等)内的设施点。

设空间网络G =(V，E，C)，其中V 是网络结点的集合，E 是边的集合，C 是体育设施的集合。cω 是服务中心的阻抗值，ωij是边eij的费用，r 是结点到中心(vi，ve)的一条路径，ric是该路径的费用，则服务中心的最大覆盖范围应该是满足以下条件的集合F:

为确定该体育设施的最大服务范围，须求出到体育设施费用不超过中心最大阻抗值的路径，于是这些路径就构成该中心的服务范围。

2 体育服务设施布局优化分析

2.1 体育服务设施布局优化的意义

跟据《城市社区体育服务设施建设用地指标定额》所述，体育服务设施是指与人们的体育健身活动直接或间接相关的自然或人工实体集合，包括室内和室外的运动场所、体育场馆和配套设施等。城市体育服务设施的规模、结构布局都在一定程度上影响着人们的生活、工作和学习，所以，有必要对城市公共体育服务设施的选址布局进行优化分析。使城市公共体育服务设施能够满足不同居民在进行健身时行走的路程最短，政府花费最少的费用建设覆盖尽可能多的居民点的体育设施，同时满足不同年龄结构、性别的居民健身的需求，提高人们的社会幸福感和满意度，减少体育服务设施的重复建设成本［22］。

2.2 体育服务设施选址的目标和原则

体育服务设施是居民生活不可缺少的重要物质保障，是满足居民日常生活需要的设施，同时也是衡量一个城市公共服务设施发展水平的标准。通过分析城市建设规模、人口和经济增长趋势、现有体育设施状况，预测未来体育服务设施的需求量，确定体育服务设施的数量与选址位置。体育服务设施选址应达到以下目标:统一规划、布局合理科学，拆除和新建并存，即顾及社会效益又考虑经济效益，方便居民需求，完善配套设施。

体育服务设施的选址应该遵循的原则:

(1)符合国家行业相关规范的原则，遵循《中华人民共和国城乡规划法》、《体育法》和《全民健身计划》等。

(2)成本最低原则，在满足需要的情况下，降低体育服务设施的土地费用和建设成本，从费用角度来研究区位选择。

(3)满意度最大化原则，体育服务设施同其他的公共服务设施一样，需要满足大部分群众的健身需求，增加满意度。

(4)区域覆盖原则，体育服务设施的位置应该遵循区域覆盖原则，即尽可能多得覆盖区域内的所有居民。

(5)方便居民的原则，优化体育服务设施的网络布局，将体育服务设施建设的布局合理、科学管理和福利最大化的服务于居民，做到公平与效率兼顾。

2.3 数据准备

影响公共体育服务设施布局的因素包括城市的经济水平、居民的人口、年龄结构及空间距离、地价、交通、消费水平等因素，并且这些之间相互制约和补充。

根据体育服务设施选址的影响因素和原则以及建设规范，达到优化体育服务设施、合理布局的目的。文章采集的数据包括研究区域内的服务需求点(焦作市行政区划图和焦作市2011年的统计年鉴)、体育服务设施点(体育服务设施分布图)、居民情况数据表(统计年鉴)。在ArcMap 中对数据进行处理，并在ArcCatalog 中建立地理数据库，数据库内容如图1所示。

图1 城市公共体育服务设施选址数据库图

2.4 体育服务设施布局优化流程

GIS 技术为公共设施选址分配理论和分析处理提供基本分析工具，逐渐成为简单直观的方法，成为商业领域公共设施选址的基本工具［23］。文章采用的方法是在ArcGIS10 的软件的网络分析模块下执行Location－Allocation 分析模型，采用的网络分析模型有最小化阻抗模型(P 中位点)和最大覆盖范围模型。最小化阻抗模型使用最小数量的体育服务设施去覆盖所有的居民点，使得市民到体育设施的距离之和最小，提高体育设施的可达性;最大覆盖范围模型是在给定数量的体育服务设施下，从政府角度通过优化布局，使现有的体育服务设施能够覆盖尽可能多的居民，以满足市民健身的需求。

整个选址优化过程有三个阶段，分析流程(见图2):

图2 设施选址优化流程图

(1)数据整理:收集要进行布局优化城市的地图、居民情况以及体育服务设施的数据，建立数据库和网络数据集，建立拓扑关系，检查数据质量。

(2)通过网络分析功能分析体育服务设施及查找最佳设施位置，对已存在的体育服务设施布局进行评价。

(3)对布局不合理的体育服务设施，进行体育服务设施选址优化。

3 研究实例分析

以河南北部某市区(以下简称A 市)作为研究对象，根据体育服务设施选址布局原则，在原有体育服务设施布局的基础上，通过评价分析，找出现有公共体育服务设施布局中存在的问题，然后对其空间布局进行分析评价，以期达到该市体育服务设施空间布局合理化。

3.1 A 市体育服务设施现状

A 市群众体育活动多样化，截止2012年，A 市区拥有6 座大型体育文化广场，还包括体育辅导站、晨晚练活动站、体育活动中心、社区文体健身广场、文化大院和戏曲、健身、球类文化体育活动站点等体育服务设施，极大地满足了群众参加体育健身的需求。2014年A 市将举办河南省第十二届运动会，以此为契机，A 市不断加快城市体育设施建设，坚持以政府投资为主，积极鼓励社会各界资金投入，建设既满足经济社会发展，又满足群众健身需求，适应和谐社会的体育场馆设施。A 市2013年底将在城区建设成多个集运动、健身、休闲于一体的多功能的体育场馆设施，修建场馆场地8 个，新建、续建场馆场地15 个。

经数据收集、资料研究与实地考察，A 市市区的体育服务设施的地理位置分布如图3(a)所示:

图3 A 市体育服务设施现状图及优化后设施图

3.2 A 市体育服务设施选址及评价

按照体育服务设施布局优化的步骤，对输入数据进行运算，得到A 市市区基于最小化阻抗模型的体育服务设施结果，如图3(b)所示。从图中可以看出，有18 处体育服务设施分布合理，其余的7处分布不合理，需要搬迁调整其位置。用最大覆盖区域模型优化方法，对研究区域内25 处体育服务设施进行优化，对其进行评价分析，分析结果如图3(c)所示。从图中可以看出，有5 处体育服务设施分布不合理，需要调整位置，其余体育服务设施分布合理。

参照以上优化结果和A 市市区的实际情况，对A 市市区体育服务设施布局进行了部分优化。文章的结论可以作为辅助决策，针对市区体育服务设施布局分布不均匀、覆盖率低等情况，政府决策者和规划部门应该根据相关体育服务设施规划等文件对体育服务设施进行搬迁或者新增调整。随着城市的发展以及人民生活水平的不断提高，新增体育服务设施才能满足社区居民不断增长的需求。

4 结语

文章探索了一种城市公共体育服务设施的空间分布模式，通过体育服务设施服务区的覆盖率，来评价A 市市区体育服务设施布局的合理性，通过查找最近体育服务设施模型，来验证优化后的体育服务设施布局的目的。文章建立了A 市体育服务设施布局选址的评价准则以及选址影响因素，引入GIS 技术、网络分析功能、LA 模型，通过建立空间数据库，以地图的形式直观、清晰的表达体育服务设施分布以及优化方案。

分析结果表明:优化方案可以在一定程度上改善A 市市区体育服务设施空间布局，能够在一定程度上满足市民休闲健身的需求。同时，文章的优化方案为城市体育服务设施管理者提供了一个更加科学化的方法，为决策和规划者提供了良好的决策支持。但是在实际工作中，公共体育设施的选址要考虑的因素是多方面的，文章考虑的因素还不够全面，如健身器材数量、健身人员年龄结构等也是修建体育设施应该考虑的问题，选址分析模型还将不断完善。

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