基于GIS的城市公园避雨设施可达性研究——以福州沙滩公园为例

戴忠炜

洪昕晨

潘明慧

李霄鹤

兰思仁*

城市公园是城市生态系统重要的组成部分[1]，它对保障一个可持续的城市生态环境，满足居民游憩、身心健康和锻炼等具有不可替代的功能[2]。城市公园已成为评价城市影响力和衡量市民生活水平的重要指标[3]。公园避雨设施如公园内的亭、楼、阁、廊等具有承载避雨功能的构筑物，是能够为游客在公园内游憩时提供避雨功能的基础设施。由于南方城市降雨较为频繁[4]，时常出现大暴雨和台风等天气，公园避雨设施对游客起着避雨停留、保障安全的重要作用。用可达性来评价公园避雨设施的服务能力，可以直观地反映它的分布格局与服务情况，得出的结果较为客观、准确。

可达性是指从空间中任意一点到达目的地的难易程度[5]，反映了人们到达目的地过程所克服的空间阻力大小，常用距离、时间和费用等指标来衡量。许多学者采用可穿行性与隔离程度来表述可达性，但更为普适性的概念是费用距离。例如俞孔坚等基于GIS的费用加权距离法，对中山市的不同土地利用类型设置阻力值，来分析其城市绿地系统总体可达性[6]；王振波等基于中国空间全覆盖的矩阵形式栅格数据，运用GIS的费用加权距离法，定量评价了渤海海峡跨海通道的修建对中国交通可达性的改进程度[7]；姜招彩等以扬州市为例，利用GIS的费用加权距离法来研究空间可达性对城市经济发展的影响作用[8]；潘竟虎运用GIS的费用加权距离法，计算中国A级旅游景点的空间可达性，并测算县域单元的整体可达性[9]；凌自苇等以深圳市宝安区2个不同级别的居住区为例，基于GIS的费用加权距离法，探索其公园的可达性[10]；鲁敏等以济南市为例，利用GIS的费用加权法，对整个城市的绿地可达性进行分析，并提出相应的建设方案[11]。以上显示了费用加权法在诸多领域可达性分析的应用，具有较优的普遍性和科学性。

该方法在市域空间为尺度的可达性分析中得到了广泛应用，但是以单位公园为尺度的相关研究，国内还未见报道。本次研究对公园内不可通行的障碍物、植被群落等区域进行精准识别，还原场地现状与通行路径。其次，通过实地测量青年人、中年人、老年人在公园不同路面材质上的行进时间成本，从而模拟行人在公园内真实的避雨过程。本文基于GIS的费用加权距离法对福州沙滩公园避雨设施的可达性进行定量分析与评价，以期为今后城市公园内部避雨设施的营建、格局优化和管理提供决策支持。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

福州沙滩公园位于福州市仓山区，公园面积为106 040m2，长度为933m，宽度为30～200m，西邻乌龙江，东有妙峰山。公园南北区域的现状条件不同，形成了不同的风格：北区域空间狭长，营建成植被丰富的生态区；而南区域较为空旷，由沙滩区、戏水区、休憩区组成，重点突出热带海滩的特色。公园内由阳光沙滩、戏水池、漫沙亭、真趣亭、戏沙听风、亲水平台、拾夕亭、柳树平台、水云亭等景观节点组成，集特色性、生态性、文化性为一体，成为联系乌龙江畔各分散地块的活力纽带。

研究区域的所在地福州，属典型的亚热带海洋性季风气候，温暖湿润，阳光充足，雨量充沛[12]。年平均日照数为1 700～1 980h，年平均降水量为900～2 100mm。据统计，福州市区内的年降水日数达到145d(1981—2010年的平均值)，占全年的39.73%，在全国城市中排名前列[13]。城市公园作为高密度人群聚集地，构建避雨设施对整个公园的服务体系具有重要的意义。

1.2 数据来源

图1 福州沙滩公园用地平面图

研究数据来源于2017年9月25日的Google Earth卫星影像，利用ArcGIS 10.2结合实地踏查提取沙滩公园的各个用地的信息，建立相应的数据库。数据库包括沙滩公园内部的用地类型和用地面积(图1，表1、2)。时间成本的数据通过实地测量志愿者在沙滩公园快速行走的速度，并在后期通过GIS转成栅格数据。

1.3 研究方法

1.3.1 时间成本的确定

根据联合国世界卫生组织的划定，把研究对象确定为青年人(18～44周岁)、中年人(45～59周岁)、老年人(60周岁以上)3个群体。由于儿童和少年(17周岁以下)的活动较缺乏独立性，所以不作为本次的研究对象。每个群体选取24位志愿者(男女各半，男身高1.7m左右，女身高1.6m左右)，用秒表分别统计他们在沙滩公园内8种路面材质快速行走10m(直线路径且较为平整)所花费的时间。最后统一取平均值，从而获得3个群体在沙滩公园不同路面材质上快速行走10m所花费的时间成本。在后期的GIS栅格网分析中，由于每个栅格的精度为1m×1m，所以统一折算为行进1m所需的时间成本。

1.3.2 可达性分析方法及过程

费用加权距离法是计算每个单元到距离最近、成本最低源的最少累加成本[14]。它不是计算到另一点的直线距离，而是根据每个单元到源的距离和穿越沿途的成本，来计算每一个单元到其最近源的累加通行成本[15]。本文采用基于GIS的费用加权距离法，通过赋予公园不同路面的时间成本，从而模拟游人到达避雨设施(图2)的真实路径。此方法通过把研究区域栅格化，计算每个栅格单元到“源”的最小累计成本，公式[16]为：

式中，Ci表示第i个单元的成本值，Ci+1是指沿运动方向上的第i+1个单元的成本值；n为栅格单元的总数。式中的上分式表示通过成本栅格表面垂直或平行方向上的费用加权计算；下分式表示通过成本栅格对角线方向的费用加权计算。

本次研究，基于费用加权距离法的城市公园避雨设施可达性的主要计算过程如下。

1)确定费用加权距离法的源。从沙滩公园土地类型利用图上提取出避雨设施有效区域确定为可达性分析的源，将其转换成1m×1m的栅格数据。

2)费用加权距离法的时间成本设定。将研究区域栅格化，每个栅格单元大小为1m×1m，根据已测量的青年人、中年人、老年人在公园不同路面上快速行走1m所需的时间成本，分别对公园不同路面材质的栅格单元上赋予行进1m所需要的时间成本。对于水面、植被群落、障碍物等设置为1 000s，即表示不能通过。

表1 福州沙滩公园用地类型概况

3)费用加权距离法的可达性计算。基于ArcGIS软件平台，使用ArcGIS中的Spatial Analyst工具模块中的Distance/Cost Weighted工具，进行公园避雨设施的可达性计算，生成研究区公园避雨设施可达性结果图，并将可达性结果转换为时间等级。

2 结果分析

2.1 人行速度的结果分析

青年人在公园单位路径的各种路面快速行走所花费的时间成本最小，中年人次之，老年人最大。由于青年人身体素质较好，身体各项机能处于最佳状态，快速行走的时间成本最小。而老年人的身体各项机能处于衰退的状态，运动能力远不如青年人、中年人。如表3所示，在相同10m路径的平整铺砖路面上快速行走，青年人平均所花费的时间成本为4.02s，中年人平均花费4.38s，而老年人平均花费的时间成本为5.61s。因此，在同一个地点，青年人可以最快到达离其最近的避雨设施，中年人次之，老年人则较慢。

2.2 避雨设施服务评价

福州沙滩公园的避雨设施占地面积为1 798m2，占整个公园面积的1.7%，有效避雨面积为3 861m2，占公园面积的3.64%。以市区级公园人均占有面积60m2来计算，福州沙滩公园的最大游人容量为1 767人。通过统计公园各个避雨设施的最大承载人数，可以得出公园避雨设施的总承载人数为1 584人，接近公园最大游人容量的90%，这足以表明福州沙滩公园的避雨设施承载力强。在避雨设施面积与数量分布上，公园南区明显胜过公园北区。公园南区的避雨设施数量高达15个，占地面积为1 577m2，有效避雨面积为3 718m2，而公园北区的避雨设施数量仅为7个，占地面积为217m2，有效避雨面积却只有143m2。这主要由于公园南区的整体区域比较狭长，最窄的位置只有30m宽，是以植物景观为主的生态区，适合布置体量较小的景观构筑物，所以仅有水云亭、拾夕亭等7个小面积的避雨设施；而公园北区的面积开阔，大部分区域的宽度都大于70m，最宽的位置达到200m。这个区域是整个公园的人群聚集地，集中了沙滩区、戏水区、休憩区，营建了戏沙听风观景台和公园管理处2个体量较大的避雨设施，以及分散布局的茅草凉亭等。在避雨设施承载人数上，公园南区的承载能力大大优于北区，公园南区为1 512人，而北区只有72人，归咎其中的原因，除了南区避雨设施构筑物数量多以外，还有因为戏沙听风、公园管理处、服务驿站这3个避雨设施都为双层结构，大大增加了避雨的有效面积和承载人数。

2.3 避雨设施可达性评价

2.3.1 公园避雨设施的可达性评价

据上述方法，计算出每个网格的可达性指数，将结果分为13个等级，最后得出福州沙滩公园避雨设施的可达性空间分布情况(图3～5)。

福州沙滩公园避雨设施可达性较好，从图6～8可以看出公园大部分区域的避雨设施可达性指数在30s之内，最快的区域在10s内就能到达。沙滩公园南区有大面积的沙滩和硬质铺装路面，交通较为通畅，集中了观景台、公共管理处、服务驿站、茅草亭等避雨设施(表4)。因此，这一区域的避雨设施可达性指数较高，一般在30s以内。沙滩公园北区植被群落密集，路网密度虽大，但是避雨设施相对较少，所以可达性相对公园南区低，一般在60s以内，其中最弱的地方达到120s。进一步分析得福州沙滩公园避雨设施空间可达性分布面积和频率见表5。

通过表5可以看出，青年人、中年人、老年人在0～30s能到达避雨设施的区域面积占公园可行走面积比例分别为86.86%、84.27%和75.61%，占公园可行走面积的绝大部分。游人在30s内能到达就近的避雨设施，可以保证被大雨淋湿的伤害减到最轻，达到优良的避雨体验。游人到达就近避雨设施的时间若大于60s，则被雨水淋湿的伤害较大，体验不佳。各个时间等级在空间上的分布频率中，10～20s这个时间段分布最广，0～10、20～30s次之。从分布面积的走势来看，分布面积随时间等级的增长呈现先上升后下降的趋势，且下降比较平缓。

表2 福州沙滩公园避雨设施基本情况

表3 青年人、中年人、老年人行进10m时间成本

2.3.2 不同群体可达性比较

通过表5可以看出，青年人总体可达性最好，中年人次之，老年人的可达性较差。在时间分布上，青年人在0～30s到达避雨设施的区域占总面积的49.16%，略高于中年人的47.69%和老年人的42.79%。对其时间段的分布频率中，在0～10s可以达到避雨设施的区域中，青年人对应的比例为17.71%，高于中年人的16.17%和老年人的12.8%；青年人、中年人和老年人在10～20s这个时间段分布最广，分别为21.09%、19.83%和16.44%。在到达避雨设施的时间需要60s以上的区域，青年人、中年人、老年人分别占总面积的比例为0.55%、0.92%和1.72%，可见青年人的可达性指数最佳。究其原因，青年人在沙滩公园不同路面上行走的速度快于中年人和老年人，所以到达就近避雨设施的时间成本较小。

3 结论

避雨设施作为城市公园内部重要的基础设施，对公园服务体系的构建与提升具有重要的意义。本次研究以福州沙滩公园为例，对避雨设施可达性进行分析计算，得出的主要结论如下。

1)实践证明，所采用的费用加权距离法可以实现空间可达性概念从定性描述转向定量计算的精确转换，尤其此方法可以精准识别公园内不可通行的障碍区域和可通行的真实路径，从而模拟游人快速行走到达距离最近的避雨源。且通过实地测量青、中、老年群体快速行走的时间成本，让可达性分析得出的结果更加准确、可靠。

2)避雨设施的可达性是衡量城市公园服务能力的重要指标。快速到达就近的避雨设施，可以给游人及时提供避雨，减轻被大雨淋湿的风险。城市公园人流量大，在突发降雨情况下，要保证行人在30s内快速行走到达就近避雨设施的面积占公园可行走面积的60%以上；要保证行人在60s内快速行走到达就近避雨设施的面积占公园可行走面积的80%以上。

3)在公园避雨设施营建与布局优化上，要依据公园最大游人容量和不同区域的人群密集程度。在避雨设施的营建上，公园内避雨设施的总承载力要达到最大游人容量的50%以上；在避雨设施布局上，针对人群密集区，放置承载力较大的避雨设施，且避雨设施的分布密度在此区域较大；针对人群稀疏区，则放置承载力较小的避雨设施，零星分布即可。

图2 福州沙滩公园避雨设施实景

图3 福州沙滩公园避雨设施可达性(青年人)

图4 福州沙滩公园避雨设施可达性(中年人)

图5 福州沙滩公园避雨设施可达性(老年人)

表4 福州沙滩公园的避雨设施服务情况

表5 福州沙滩公园避雨设施空间可达性分布面积和频率

本文论及的公园避雨设施空间可达性研究，提出了公园避雨设施的可达性服务指标与布局优化建议，但仍存在一定欠缺。首先，测量青年、中年、老年人在公园不同路面材质上快速行走的时间成本，由于样本量的局限会导致误差，对可达性的分析结果会有影响；其次，没有讨论栅格划分的精度对结果的影响；最后，由于游人在寻求就近避雨设施的过程会有盲目性和随机性，本研究没有考虑地势起伏、视线遮挡等因素对游人选择就近避雨点的影响，导致分析结果存在一定不足，后续研究将继续深入探讨。

注：文中图片均由作者绘制。