城市蔓延影响青少年体力活动研究的地理信息指标分析

何晓龙，陈佩杰，庄 洁，翁锡全，林文弢，全明辉

1 前言

1937年，城市规划学者Earle Draper最早使用“蔓延（sprawl）”一词，用来形容城市过度扩张对交通以及人们经济收入等的影响［52］。1958年，Whyte首次提出“城市蔓延（Urban sprawl）”一词，他对城市蔓延的定义侧重于城市的空间形态［61］。随着研究的深入，城市蔓延的定义也在不同时期被赋于了特定的含义。Gotmann［37］在1964年认为，蔓延是大城市边缘地区不断向乡村转化的过程，而Downs等［21］在1994年提出，城市蔓延是一种过度的郊区化现象。近年来，“城市蔓延”一词的定义强调了城市低密度扩张这一现象［56］。目前，许多研究将城市蔓延解释为城市的急速扩张导致的低密度郊区开发、居民日常出行过度依赖机动交通、土地利用无序分割与功能单一、蛙跳式开发以及中心区衰退等现象［22，48］。城市蔓延除带来一系列的生态、交通等问题，对城市居民的体力活动也存在诸多不利的影响。许多研究显示，蔓延度大的城市居民体力活动活跃的比例要低于紧凑型发展的城市［26－28］。对于青少年的研究也取得了相同的结论，如一份针对加拿大33个城市7 017名青少年的研究显示，城市蔓延指数 （Sprawl Index）与12～15岁青少年的积极性交通行为和日常中到大强度的体力活动显著相关［60］；另一份研究通过对799名青少年佩戴加速度计测量其体力活动量，同时，通过地理信息系统 （GIS）测定其居住地附近的土地利用特征，分析后发现，低密度的土地利用对青少年体力活动量存在显著的消极影响［53］。城市蔓延对青少年体力活动的影响是近年来刚刚兴起的领域，现有的研究很难对各项地理特征如何影响青少年体力活动进行系统分析，大多数研究只对其中的部分影响路径进行了探讨。针对当前的研究背景和发展趋势，需要对影响青少年体力活动的蔓延地理信息指标进行深入分析 ，使今后该领域的研究更为科学与合理。因此，本研究对国内、外有关城市蔓延定量测度、城市蔓延与青少年体力活动关系的研究文献进行归纳与分析，对影响青少年体力活动的地理信息指标进行系统分类，为今后该领域的研究提供适宜的借鉴和参考。

2 城市蔓延对青少年体力活动的影响

2.1 城市蔓延的地理特征

城市蔓延导致了一系列的社会问题，包括公平性问题、环境污染与公共健康问题、农业用地减少问题、景观生态 与 美学 问 题 、经 济 发 展 问 题 、交 通 问 题 等［14，43，54］。 不 同国家与地区的城市蔓延表现出的地理特征变迁不尽相同，因此，我们需要对城市蔓延的地理特征进行系统阐述与认知。不同国家与地区的城市蔓延的表现特征不尽相同，目前还没有绝对标准。不同的历史时期，人们对城市蔓延的特征描述也有所不同。早期对城市蔓延的理解为一种郊区向周边土地扩展的现象，并没有涉及人口、住宅和交通等，甚至没有过多地考虑城市的空间形态［21，49］。随着研究的深入，逐渐从城市空间形态如蛙跳式开发、城市形态轴向式发展，以及人口、居住密度等方面全面和系统地对城市蔓延特征进行了描述与分析［2］。近年来，随着人们对汽车使用的过度依赖以及许多城市出现的中心区衰退、商业的带状式开发等现象，目前对城市蔓延特征较为经典的表达为过度依赖机动交通、土地利用无序分割与功能单一、蛙跳式开发以及中心区衰退等方面［35，48］。结合当前有关城市蔓延地理特征研究，本研究将城市蔓延的地理特征类型进行了归纳，包括就业岗位分布、土地开发密度、土地利用特征与功能、城市扩张形态、城市道路布局、空间通达性、步行可及性以及景观格局等［5，10］。各类型的地理特征通过不同的关系路径都可能会不同程度地对青少年体力活动产生影响，现将经过归纳的8类城市蔓延的地理特征用字母A至H进行编码，各特征类型又对应地衍生出多个地理信息指标及其相对定义（表1）。

表1 城市蔓延影响青少年体力活动研究的相关地理信息指标一览表Table 1 Relative Geographic Information Indicators in Study of Urban Sprawl Influence Adolescent Physical Activity

续表1

2.2 城市蔓延对青少年体力活动影响的相关研究

城市蔓延对青少年体力活动影响的研究是在城市环境与青少年体力活动关系研究基础上的新起点。从现有研究看，虽然城市环境与青少年体力活动关系的研究所采用的研究方法很多，研究结果也不尽相同，但总体上看，都是基于环境行为学理论模型，探讨城市环境感知对青少年体 力活 动 的 影 响［18，39，42］。 如 较 早 前 Sallis［58］（1993）的 研 究发现，4岁儿童体力活动量以及户外活动时间与住所附近的康乐场所（运动场、公园、游乐场）的分布有关。又如近期Santos［59］（2009）对1 124名葡萄牙青少年进行体力 活动问卷调查以及邻里环境评价的研究发现，附近有小伙伴玩耍、附近有娱乐活动设施等能促进青少年体力活动量。城市蔓延强调城市发展中由于不合理的规划与发展过程，导致城市环境的不合理变迁对青少年体力活动所产生的负面影响。与之前的城市环境研究相比，一个突出的方面是对数据的要求更为全面与综合，许多研究中，衡量城市蔓延度的“城市蔓延指数”一般都由多项地理信息指标组成［25，60］。此外，在研究的设计上它强调城市空间不合理的动态演变对青少年体力活动的消极影响。如Ewing［25］等基于1997年至2003年的美国国家青少年纵向调查数据（NLSY）以及自然资源调查数据（NRI），选取总人口密度、街道可及性等6项指标组合成综合“蔓延指数”与青少年体力活动的关系进行了分析研究。而对于研究目的最终取向，则明确了应用规划设计手段来进行干预，营造出适宜青少年户外活动的城市空间的必要性，Krizek［46］等就针对城市蔓延对青少年体力活动所产生的消极影响，提出了一套系统的规划设计干预策略。目前，针对城市蔓延与青少年体力活动关系的研究多以综合的蔓延指数出现，为了更好地理解各项地理信息指标与青少年体力活动的关系，本研究列举了与各城市蔓延地理信息指标相匹配的城市环境与青少年体力活动关系的研究。表2显示，城市环境与青少年体力活动关系的研究是对城市蔓延影响青少年体力活动的各地理信息指标的论证，而城市蔓延与青少年体力活动研究是城市环境与青少年体力活动关系研究基础上的综合。

表2 与各地理信息指标匹配的城市环境与青少年体力活动关系的研究一览表Table 2 Relationship Studies between Built Environment and Adolescent Physical Activity Which Corresponding to Each Indicator of Geographic Information

续表2

续表2

3 城市蔓延的定量测量方法

3.1 传统测量法

城市蔓延对青少年体力活动影响研究的地理信息指标分析有赖于城市蔓延定量测量技术与方法的进步。“城市蔓延”一词源于西方城市规划学界对城市急速扩张导致的低密度郊区开发、居民出行过度依赖机动交通、土地利用无序分割与功能单一、蛙跳式开发以及中心区衰退等现象的描述［26，48］。在国内系统引进城市蔓延理论之前，部分学者使用一些城市空间形态定量测量方法来度量城市的急速扩张［3，7］。与城市空间形态定量测量相比，城市蔓延定量测量除考虑城市空间形态外，交通、人口、居住与就业等也是其衡量的重要方面［1，52，61］。此外，从城市街道布局、空间通达性和步行可及性等地理特征看，城市蔓延的研究还注重对居民出行影响的分析。目前，城市蔓延定量测量的方法大致包括传统测量法、单指标测量法和多指标综合测量法，其中，传统测量法包括分形维度测量、美学程度测量等［1，32］。分形维度测量理论认为，相比于蔓延度大的城市，紧凑型或经过精明增长管理的城市，其建成区外周周长与建成区面积之比必然较小（图1），度量公式见表3中的Z6。美学程度测量理论认为，紧凑型发展的城市建成区表面如道路、草坪、湖面混合分布，尤其是不同高度的建筑等非匀质化造成对阳光反照率的差异较大，而蔓延的城市空地多，土地利用多样性低等匀质化地表特征对阳光反照率的差异较小，利用航拍取得的数字照片进行计算，则可反映城市的蔓延程度，度量公式见表3中的Z7。此外，由表1可知，城市蔓延地理特征中，空间通达性包括学校通达性、公共空间通达性、体育设施通达性、地铁／公交站通达性等，而步行可及性则包括了学校步行可及性、体育设施可及性、地铁／公交站可及性和公共空间可及性。Handy［38］采用了重心度量和效率度量这两种可及性综合测量法对空间通达性和步行可及性以一个出行机会选择集概念进行了描述，本研究将Handy的出行机会选择集模型作为地理信息指标中街道可及性指标（E4）的定量表达方法（度量公式表5中的E4）。

3.2 单指标测量法

分行维度测量、美学程度测量以及城市可及性测量大都从城市空间形态测量发展而来，但许多学者认为，适宜定量测量城市蔓延的指标应具备独立性、客观性、利于推广的特点，一些简便易行的单指标测量法随之被提出并得到了应用［8，48］。早期的城市蔓延的单指标定量测量法一般基于人口或居住密度特征，如1998年Sierra Club推出的城市蔓延指数表达方法就以一段时间内中心区的居住密度变化值与该时期内郊区居住密度变化值之比来表达［62］。1999年，Pendall用一段时期内某城市（区域）的人口增加量与同时期该城市（区域）新增土地面积的比值来衡量城市蔓延度［56］。USA Today在2001年应用自己的测量方法对美国一些城市或地区进行了蔓延程度的测量与评价［51］。Kahn［45］在2001年用城市蔓延水平建立城市住房消费力的回归方程中，对城市蔓延水平以城市中心区10mi.范围外的工作岗位百分比进行测量。本研究将Kahn的测量方法作为地理信息指标中居住－就业平衡性（A1）这一指标的定量表达方法（表5）。Lopez等［48］在2000年对全美176个城市和地区的蔓延度测评研究中，本着指标的便于测量、可应用、客观性、不受规模影响的原则，借鉴Coulter等于1989年提出的城市蔓延指数应可定义、解释和简便性原则，利用城市或地区高、低密度居住区域人口比例的差异，提出了著名的“城市蔓延指数”，随后被许多研究所应用。此外，Bertau［11］1999年在对世界35个城市的人口分布特征的研究中提出了“紧凑指数”（Compactness Index）这一概念，指从每个居住地到城市中央商务区（CBD）的平均距离和具有同等面积、人口分布均匀的圆柱形理想化城市模型平均距离之比。此外，Yu－Hsin Tsai［65］2005年则依据城市区域的人口密度和区域数量提出了相对熵的概念。

图1 分形维度理论模型示意图Figure 1. Theory Model of Fractal Dimension（引自 Frankhauser［32］，2004）（from Frankhauser［32］，2004）

3.3 多指标综合测量法

单指标的城市蔓延定量测量方法有其局限性，为此，许多研究城市蔓延的学者提出了更为客观与全面的多指标综合测量法。目前，在城市蔓延领域的多指标综合测量方法较著名的有 Galster法（2001）［35］、Ewing法（2002）［26］、Yan Song法 （2004）［64］以 及 Frenkel法 （2004）［33］等。2001年，Galster和 Hanson等人使用密度（Density）、延续性（Continuity）、居住与就业密度（Concentration）、集中度（Centrality）、集群度（Clustering）、成核度（Nuclearity）、混合性（Mixed Use）和接近度（Proximity）共8项维度的总分对美国13个城市和地区进行了蔓延度的评价与排序［35］。与Galster法未对各指标进行有效性和权重分析这一局限性相比，Ewing等人做出了较大的改进。受美国“精明增长”组织的委托，Ewing［26］和他团队对美国95个城市蔓延度的测量中，首先，对前人研究城市蔓延所涉及的地理信息指标进行综合，罗列出22项指标，通过主成分分析从22项因素（指标）中提取出4个主因子，归纳为密度因子（7项因素）、土地混合利用因子（6项因素）、中心因子（6项因素）和街道可及性因子（3项因素）；随后，对4个主因子的各因素进行独立测量，各因素测量分数相加得到主因子总分，对95个城市的4个主因子总分依据该地区的人口量进行表准化处理后为该主因子的得分，接着对4个主因子标准化后的得分相加后再次进行人口量的标准化处理，最后得到该城市的蔓延指数。Ewing等人在研究中认为，各指标并不存在指标权重大小的问题，但应该考虑指标测量中的各相同面积测量区域人口数量的差异问题，使用标准化处理差异即可。而Frenkel［33］的研究则将主成分分析中载荷量（loadings）作为人口密度、城区不规则度、碎裂度以及土地利用特征等13项指标的权重加权处理得到各城市蔓延综合得分。目前，城市定量测量研究除上述方法外，许多学者还根据特定的研究目的提出了特定的定量测量方法，如Davis［19］关注蔓延中绿地变化的测量法以及Yan Song［64］关注街道设计布局和道路系统的测量方法等。

4 城市蔓延地理信息指标选取的一些准则

科学合理地进行城市蔓延影响青少年体力活动研究的地理信息指标选取是研究城市蔓延与青少年体力活动关系的前提，因此，需遵循一定的选取原则和方法。Jaeger［44］（2010）认为，适宜作为城市蔓延的定量测量指标应遵循以下原则：1）数学模型简单；2）直观易懂；3）温和的数据要求；4）对城市小斑块的低灵敏度（针对传统测量法与单指标等量法）；5）不同规模城市应用的一致性；6）不同距离的两斑块规模分析的一致性；7）不同区域、地点分析的独立性；8）重点区域的与整体区域分析的一致性；9）区域的可添加性等。Jaeger给出的指标选取原则是一种较理想的模式，实际应用中，多数研究未能做到此类标准。根据当前的一些研究，本研究列出了5条城市蔓延与青少年体力活动关系研究中地理信息指标选取的准则：

1.对于从整体分析城市蔓延对青少年体力活动影响（如不同城市或地区横向、纵向对比）的研究，定量测量指标可从传统测量法与单指标测量法中选取（Z1－Z7）。

2.如数据和研究条件允许，尽可能选取多项地理信息指标进行定量测量（根据表1的各项地理信息指标，对适宜作为指标定量表达的方法进行了匹配，表5）。

3.选取的多项地理信息指标，尽可能分布在各类型地理特征中，其中，密度、土地利用、形态和道路是主要特征。

4.研究青少年不同体力活动类型，指标选取应有选择性和侧重点，如分析出行方式、交通体力活动时，可及性、道路布局等是重要指标，而分析闲暇时间体力活动，居住密度、通达性和景观格局是重要的指标。可能与各地理信息指标联系较大的体力活动类型见表4。

5.根据不同研究目的，可灵活选取指标，如研究邻里环境、交通环境（不考虑城市扩张或蔓延）对青少年体力活动的影响，可选取相匹配的指标进行应用。

表3 城市蔓延的部分传统、单指标定量测量方法汇总一览表Table 3 Part Methods of Traditional and Single－Indicator Quantitative Measurement

表4 可能与各地理信息指标联系较大的体力活动类型一览表Table 4 . Physical Activity Types that Have Certain Degree Correlate to Each Indicator of Sprawl Characteristics

表5 适宜作为各地理信息指标定量表达的方法汇总一览表Table 5 Summary on Suitable Quantitative Expression Methods for Each Geographic Information Indicators

续表5

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5 小结

城市蔓延中许多不合理的城市环境变迁会不同程度地影响青少年体力活动。城市蔓延主要从就业分布、土地开发密度、土地利用特征、城市扩张形态、道路布局、空间通达性、步行可及性以及景观格局这8类地理特征对青少年的体力活动产生影响。从城市环境影响青少年体力活动研究已涉及这8类地理特征看，对城市蔓延影响青少年体力活动研究的地理信息指标进行归纳与演绎具有一定的可行性。地理信息指标的选取应参照多指标综合测量为主、各项地理特征均匀分布、不同体力活动类型有所侧重以及不同研究目的灵活应用等准则。

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