基于互联网地图服务和Ga2SFCA 的天津市中心城区公园绿地可达性

郭 鹏，孙艳玲

（天津师范大学 地理与环境科学学院，天津300387）

党的十八大提出要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，推动社会主义和谐社会建设.作为城市居民的主要休憩场所，公园绿地是城市公共服务体系的重要组成部分，它不仅发挥着重要的生态环境功能，同时具有重要的社会功能，对提升城市环境质量具有重要作用[1-2].因此，公园绿地空间布局是否合理备受社会的广泛关注.可达性是评价公园绿地布局合理性的有效指标，能够揭示人们利用公园绿地的便捷程度[3].

可达性指从空间任意一点到达目的地的难易程度，反映了人们到达目的地过程中所克服的空间阻力（spatial resistance）大小，通常用距离、时间和费用等指标来衡量[4]. 目前，可达性评价方法已受到国内外广泛关注，方法体系非常丰富[5-6]，并被广泛应用于公园绿地[3-4]、医疗服务等城市公共服务设施分布合理性和服务公平性的研究中[7-14]. 其中，由Radke 等[15]提出，经Luo 等[16]改进的两步移动搜寻法（two-step floating catchment area method，2SFCA）在计算中将非空间属性融入空间可达性研究中，考虑了供给点规模、需求点规模以及供给点和需求点间的相互作用，受到国内外学者的认可，并出现了各种扩展形式[17].高斯型2SFCA（Gaussian 2SFCA，Ga2SFCA）方法由Dai[18-19]提出，是采用高斯函数作为2SFCA 搜寻半径内的距离衰减函数的一种方法，它在空间可达性评价过程中能够体现出不同区域到达公共服务设施的空间差异性，评价结果较为可靠[20-21]. 同时，由于采用高斯函数作为距离衰减函数，其可达性随距离衰减速度呈“S”型衰减，在较近和较远的阶段较慢，中间部分较快[22]，更加符合城市居民使用公园绿地的实际习惯.因此，本研究选择Ga2SFCA 方法度量城市公园绿地的空间可达性.

在以往研究中，研究者主要通过构建路网和设定居民的平均步行速度计算可达时间和距离，容易发生因路网数据采集详细程度不够所导致的可达性分析结果误差偏大问题.随着空间感知及移动定位技术的快速发展，互联网地图服务商提供的导航数据产品可以精确到居住小区内部的路网，从而更加准确地反映实际交通通行状况[23].目前，可以通过高德和百度等互联网地图服务商提供的地图服务接口，直接获得通行时间数据，既节省了收集路网数据的工作量，同时避免因路网精度不够引起的结果误差[24].此外，还可以在这些互联网地图服务中抓取居住小区范围及小区内建筑信息，为细化研究主体、提高分析结果精度提供可能.基于此，本研究以天津市中心城区为例，利用互联网地图服务获取公园绿地、居住小区、建筑及通行时间信息，以居住小区为评价单元，对研究区公园绿地的可达性进行定量分析评价，以期为解决城市公园绿地合理规划配置和优化提供参考.

1 数据与计算方法

1.1 研究区域

天津市是我国4 个直辖市之一，地处华北平原北部，环渤海湾中心，全市面积1.19 × 104km2，下辖16个区，截至2018 年末常住人口为1560 万人.其中市内六区（和平区、河西区、南开区、河东区、红桥区）和环城四区（西青区、东丽区、津南区、北辰区）的部分区域为天津市中心城区，如图1 所示.截至2018 年末，天津市中心城区共有84 个街道，总面积433.69 km2，常住总人口658.17 万人.本研究以天津市中心城区作为研究区域，从互联网地图服务中获取3162 个居住小区，在居住小区尺度上对城市公园绿地可达性进行研究，研究区绿地的类型与分布如图1 所示.

图1 研究区公园绿地的类型与分布Fig.1 Type and distribution of public green space in study area

1.2 数据来源与处理

1.2.1 公园绿地数据

公园绿地指城市中向公众开放，以游憩功能为主，兼具有生态、美化和防灾等作用的绿地.根据2002 年我国发布的《城市绿地分类标准》，城市公园绿地按照功能、面积、用途和服务半径等可以划分为综合性公园、社区公园、专类公园、带状公园和街旁绿地[25].

本研究主要考虑公园绿地的休闲游憩功能，强调居民日常生活对公园的需求，参考《天津市公园名录》，去除无法查询的公园绿地，整理天津中心城区及其周边一定范围的公园绿地共109 个，其中综合性公园31 个，社区公园71 个，大型带状公园绿地7 个.公园边界由互联网地图服务获得，并利用高精度卫星影像进行比对修正.同时，为了保证计算精度，通过互联网地图影像和街景数据对公园的入口点位置坐标进行采集.公园绿地入口点采集分为2 种情况：第1 种是存在围挡的公园绿地，直接采集公园入口点坐标；第2 种是不存在围挡的公园绿地，则需采集多个入口点的坐标，各入口点间隔距离不超过50 m.

1.2.2 居住小区人口数据

公园绿地的空间可达性除了与公园绿地自身的等级、面积和区位属性有关外，还与周边人口数量有关.公园周边的人口数量可代表对公园绿地的潜在需求. 由于直接获取每个居住小区的人口数据难度较大，本研究以2018 年天津市各行政区统计年鉴中的街道（或乡镇）人口数量为基础，以街道（或乡镇）内各居住小区的建筑面积为权重计算每个居住小区的人口数

式（1）中：PRi为居住小区i 的人口数量（人）；PD 为街道的人口数（人）；SRi为居住小区i 的建筑面积（km2）；n 为街道内居住小区的数量.其中，居住小区建筑面积通过互联网地图服务获取的居住小区内每栋建筑的外轮廓边界和楼层计算得到，居住小区的人口分布如图2 所示.

图2 研究区内居住小区的人口空间分布Fig.2 Spatial distribution of population in resident areas

1.2.3 通行时间数据

在理想无障碍的平面空间下，一般以起始点为中心，以一定时间内的步行距离为半径确定步行范围.但在实际应用中，一定时间的步行范围则与其所在的真实路网状况直接相关，因此道路数据的精细程度会严重影响最终的步行范围.与自行收集路网数据构建路网模型相比，互联网地图服务商提供的路网数据的准确性和现势性更强.本研究基于高德地图WebAPI提供的路径规划功能，将居住小区质心点作为起点，各公园入口点作为终点进行路径规划计算，得到居住小区到达各公园每个入口的时间，最后取最短时间作为该居住小区到达公园的通行时间.

1.3 高斯两步移动搜索法

本研究利用高斯两步移动搜索法，以公园绿地作为供给地，居住小区作为需求地，第1 步计算公园绿地的供需比，第2 步计算居住小区的可达性.具体计算步骤为：

第1 步：取每个公园绿地j 的出入口作为出发点，给定搜索距离d0，计算小于该距离的每个居住小区i的居民人数，利用高斯方程赋予权重并将其累加，得到公园绿地j 的潜在需求者数，再用公园绿地j 的面积除以其潜在需求者即居民总数，计算得到供需比

式（2）中：供需比Rj为潜在人均公园绿地面积（m2/人）；i 为居住小区；j 为公园绿地；Sj为公园绿地的服务能力，用公园绿地面积表示（m2）；Di为居住小区的规模，用居住小区的人口数表达（人）；k 为搜索半径内居住小区的数量；dij为居住小区i 与公园绿地j 间的距离，采用通行时间表示（min）；d0为搜索半径（m）；G 为距离衰减函数，采用高斯方程计算得到

第2 步：对每一个居住小区i，给定搜索距离d0，将小于d0的公园绿地j 的供需比Rj利用高斯方程赋予权重，然后将加权后的比率进行加和，得到居住小区i 的空间可达性

式（4）中：Ai为每个居住小区的可达性值；m 为落入以i 为圆心、半径小于搜索距离d0区域内的公园绿地的数量.

高斯两步移动搜索法计算出的空间可达性可解释为研究单元内人均享有的公共服务设施的数量，本研究中可解释为人均公园绿地面积.目前，城市公园绿地可达性研究多以综合型公园为研究目标，以满足高质量休闲游憩为目的，搜索距离设置为30 min.本研究着重分析居民日常生活中的休闲和健身活动，研究对象包括了综合公园、社区公园等多种类型公园，因此将搜索半径设置为15 min.参考有关学者关于空间可达性敏感性的研究，选取最优半径的1～2 倍距离对公园绿地的均衡性进行敏感性分析，本研究选取20、25 和30 min 作为搜索半径进行敏感性分析.

1.4 空间自相关分析

本研究采用双变量Moran′s I 作为空间自相关指标分析公园绿地可达性值与人口密度的空间自相关关系.全局双变量Moran′s I 可测量研究区域内公园绿地可达性和人口密度是否存在空间关联及其关联程度的大小.双变量全局空间相关指数

式（5）中：Iap为双变量全局空间相关指数；N 为空间单元的总数（这里为街道总数）；Wij为空间权重矩阵；zia为第i 个街道公园绿地可达性的标准化值；zjp为第j 个街道人口密度的标准化值.全局Moran′s I 的取值范围为[-1，1].Moran′s I 值大于0 表示公园绿地可达性和人口密度有正向的空间相关性，值越大，相关性越强，通常大于等于0.2 为高度聚类；Moran′s I 值小于0 则表示有负向的相关性.局部双变量Moran′s I 反映地理单元内的局部空间相关性，可通过LISA 图来探讨研究区域内的空间异质性. 在一定的显著性水平上，LISA 图可说明给定位置的公园绿地可达性值与邻近位置人口密度平均值间的4 类关系，包括两类正向空间相关聚类（高-高聚类和低-低聚类）和两类负向空间相关聚类（低-高聚类和高-低聚类）.

2 结果与分析

2.1 公园绿地总体特征

天津市中心城区公园绿地面积共计10.32 km2，占研究区总面积的2.38%，人均公园绿地面积为1.57 m2/人，各区绿地情况如表1 所示.由表1 可以看出，天津市中心城区人均绿地面积与我国《国家园林城市系列标准》中人均8 m2/人的标准相差甚远.在研究区范围内，各行政区内公园绿地面积百分比和人均公园绿地面积均存在较大差异. 南开区公园绿地面积百分比最高，达到6.87%，其次是西青区、河西区和红桥区，最低的北辰区和津南区仅为0.23%和0.37%.从人均公园绿地面积统计结果看，人均公园绿地面积最大的是西青区，为5.23 m2/人，这主要是因为中心城区内西青区人口少而公园面积较大所致；其次是南开区和东丽区，分别为2.26 m2/人和2.24 m2/人，这些区均高于研究区人均公园绿地面积的均值；和平区、津南区、北辰区、河北区和河东区人均公园绿地面积均低于1 m2/人.

表1 天津市中心城区公园绿地分区统计Tab.1 Statistics of public green space of Tianjin central districts

2.2 公园绿地可达性特征

可达性值可用人均享有的公园绿地面积表示，可达性值越高代表享受到的公园绿地服务能力越强.为全面分析研究区范围内公园绿地空间可达性，以居住小区为研究单元，运用高斯两步移动搜索法，分别计算天津市中心城区各居住小区在15、20、25 和30 min 步行搜索半径下公园绿地的空间可达性分值，并基于自然断点法将15 min 搜索半径的可达性分值分为高、较高、一般、较低和低5 个级别进行空间可视化，结果如图3 所示.

由图3 可以看出，不同居住小区的公园绿地可达性水平差异较大.经统计，河西区富顺里、北辰区绿泊庭院和东丽区昆俞家园等共计314 个居住小区的可达性值为0，说明这些居住小区在15 min 内不能抵达公园绿地，居住在这些小区的居民占中心城区人口的14.45%.可达性高的居住小区主要集中在面积较大的公园附近，如水西公园、水上公园、梅江风景区以及宁园附近的242 个居住小区，这些居住小区内的居民数量占中心城区的6.45%.

图3 天津市中心城区15 min 搜索半径的公园绿地可达性分级图Fig.3 Public green space accessibility in 15 min of Tianjin central districts

同时，对不同时间各可达性级别的居住小区数量及服务人口数量进行量化统计，结果如表2 所示.

表2 天津市中心城区公园绿地可达性分级统计Tab.2 Classification of public green space accessibility of the studied area

由表2 可知，天津市中心城区大部分居住小区的公园绿地服务可达性水平较低. 搜索半径为15 min时，可达性水平处于较低水平以下的居住小区数量占比超过60%，而在这些居住小区内的人口数量占中心城区总人口的70%左右，即70%左右的居民享有的公园绿地服务能力较差.可达性水平较高以上的居住小区数量占比为16%，居民数量占比约为13%，即只有13%左右的居民享有公园绿地服务较好.随着搜索半径的加大，居住小区的公园绿地服务可达性水平整体有所提高，但即使步行搜索半径为30 min 时，仍有30%左右的居住小区的公园绿地可达性水平处于低至较低水平，34%的居民享有的公园绿地服务能力较差.同时，通过对比分析不同可达性等级的居住小区数量和人口数量百分比可以发现，可达性低和较低的居住小区数量百分比要低于居住人口数量百分比，而可达性等级在一般以上的居住小区数量百分比高于居住人口百分比，这说明在公园绿地服务方面存在一定的公平性失衡情况.

2.3 敏感性分析

（1）随着搜索半径的增大，无法抵达公园绿地的居住小区数量减少，公园绿地服务的整体可达性随之变好.当搜索半径为15、20、25 和30 min 时，可达性处于低和较低等级的居住小区比例分别为64.17%、56.36%、43.55%和30.55%，比例依次下降.可达性的变化程度说明公园绿地可达性值对不同的搜索半径具有较强的敏感性.

（2）随着搜索半径的增大，公园绿地可达性值的变化幅度降低.由表2 可以看出，随着搜索半径的增大，同一等级内的空间可达性区间差值减小.这是由于随着搜索半径变大，公园绿地服务范围可以扩展到更多的居住小区，影响范围变大.

（3）对于周边分布公园绿地比较多且面积较大的居住小区，随着搜索半径的变大，其可达性增强，如在水上公园和梅江风景区附近的佛山里、德才里、卫华里、梧桐公寓和龙水园等居住小区.这主要是由于随着搜索半径的增大，居住小区可抵达的绿地公园数量增多，可提高可达性值.对于周边公园绿地分布较少的居住小区，随着搜索半径的变大，其可达性反而会下降，这主要是因为搜索半径增大导致公园绿地的供需比降低，而居住小区可抵达的公园数量并未增加，造成其可达性值降低.

2.4 空间自相关分析

用GeoDa 1.14 软件中Bivariate Local Moran′s I 方法进行局部莫兰指数分析，探讨各街道公园绿地空间可达性与人口密度的相关性，结果可分为高-高、低-低、低-高、高-低和不显著5 种.根据计算，全局双变量Moran′s I 为0.046，即天津市中心城区公园绿地可达性与人口密度间正向的空间关系不显著.图4 为街道人口密度与公园绿地可达性的局部双变量LISA 图.

图4 街道人口密度与公园绿地相关性的LISA 聚类图Fig.4 LISA diagram of the correlation between spatial accessibility and population density

由图4 可知：①6 个街道公园绿地空间可达性与人口密度的相关性属于高-高聚类，这些街道人口密度大，但公园绿地设施供给充足，可达性和匹配性较好，主要集中在南开区的华苑、王顶堤街道，西青区的西营门街道以及河西区的桃园、越秀路和友谊路街道；②低-低聚类街道主要位于中心城区中北部，这些街道虽然人口密度低，公园绿地需求量不大，但公园绿地的供给仍存在一定缺口；③河东区北部的王串场、月牙河和江都路街道，河北区的望海楼和鸿顺里街道，红桥区咸阳北路街道以及北辰区双环村街道为高人口密度-低可达性聚类街道，这8 个街道的公园绿地可达性与人口密度不匹配，公园绿地服务供应缺乏；④尖山街道、梅江街道、体育中心街道和天塔街道等6 个街道为低人口密度-高可达性聚类，这些街道人们密度低，公园绿地可达性好，供给充足情况好.

3 结论

本研究以互联网地图服务数据为支撑，基于公园绿地、人口、居住小区和建筑等数据，利用高斯型2SFCA方法从公园绿地提供的服务和居民的需求出发，以居住小区为单元对天津市中心城区公园绿地服务的可达性进行分析，结果表明：

（1）研究区范围内公园绿地的服务可达性整体水平较低，公园绿地资源的空间布局不均衡，不同居住小区间差别较大，分析结果与住房和城乡建设部发布《关于促进城市园林绿化事业健康发展的指导意见》中“300 m 见绿，500 m 见园”的要求相差较远，需要相关部门加快各类公园绿地建设.按照15 min 作为公园绿地最佳服务半径，天津市中心城区70%左右的居民享有公园绿地服务能力处于较差及以下水平，将服务半径扩展到30 min，该比例降为34.6%.

（2）分析不同步行搜索半径下研究区公园绿地可达性的敏感性可知，随着搜索半径的增大，公园绿地的可达性有变好的趋势；搜索半径越大，可达性值域的变化幅度越小，公园绿地服务的可达性差异越小；对于公园绿地资源较丰富的地区，出行时间的增加对周围居住小区的可达性影响更大.

（3）对街道人口密度和公园绿地可达性的双变量空间自相关分析表明，中心城区北部聚集了大部分高-低和低-低聚类区域，公园绿地供给情况较差；而南部则聚集了低-高和高-高聚类区域，公园绿地的供给情况较好.

（4）与传统的通过收集路网数据构建路网模型相比，本研究基于互联网地图服务提供的实际交通通行时间可以更准确地反映实际通行状况，使可达性评价的结果更为客观.

在开展公园绿地可达性分析时，本研究仅考虑了以步行方式抵达公园绿地，但在走访调查过程中发现，存在一部分游客是通过公交或驾车等其他方式抵达一些大型公园的情况.因此，需要进一步研究多模式交通方式（步行、自行车、公交车和驾车）下公园绿地的可达性分析，使评价结果更为客观准确.