基于空间句法的路网结构特征与医院空间布局研究＊

■ 王钺 孙柏轩 潘海泽 周鹏辉

西南石油大学土木工程与测绘学院 成都 610500

0 引言

医院是给居民提供医疗服务的专业机构，是一个地区各项功能正常运转的重要支撑和保障。随着社会经济的发展和现代化进程的加快，城市圈的范围随之扩大，现有医院的空间布局与城市发展失衡等问题日益显露。早期医院主要分布在城市中心区等人口密集区域，由于城市交通拥堵、就医距离过长、医院空间布局不合理等问题，致使非城市中心地区的居民在危急情况时很难得到及时的救治。武汉市是今年国内疫情的主要战地，疫情期间不同地区的医疗资源空间分配不均衡等现象显露出来，所以对武汉市医疗设施空间分布的研究具有重要意义[1]。

地理区位论是用来研究产业、城市与区域经济活动的组织和优化的科学。Rahman 等率先提出区位配置模型研究对于确定发展中国家卫生服务区位的规划具有很大的实用性[2]；Murad 等则利用ArcGIS 网络分析和叠加分析，从医院位置和道路网络的行车时间出发对沙特吉达市中部和北部等交通不便地区的医院分布进行分析，分析认为当地卫生部门应根据行车时间调整该地区医疗资源的分布[3]；Gina 等着眼于提高公共卫生服务的实用性在Dijkstra 算法的基础上，通过向量分析对两步浮动模型进行了改进，并采用不同阻抗函数和高斯权重对公共卫生服务的位置分配模型进行了整合研究[4]；Senvar 等以犹豫模糊集和理解相似性偏好技术相结合的方式，在不确定的条件下定义出一种多准则决策方法，并通过模拟患者的犹豫思维在伊斯坦布尔建立起组织有序、分布良好的医院网络[5]。而国内对医院区位的研究主要集中在医院的空间分布上，曾文等利用GIS 空间分析法得出南京市不同等级的医院的可达性由城市中心向外围衰减，并且其可达性还在空间上呈现出显著的空间分异和空间集聚特征[6]；刘倩通过核密度估计法等空间分析模型发现长春市的综合医院空间集聚现象显著，呈单核心分布，社区医院呈现出多核心分布的均衡现象[7]；林丹淳等则在核密度分析法基础上引入了最近邻距离法综合分析出广州市的医疗机构集中分布在中心城区，远郊区同时存在医疗资源不足和医疗资源浪费的现象，也进一步说明广州市医疗空间分布的不合理性[8]。

医院等服务设施在规划时应考虑大多数人的健康需求，所以在对医院的研究中，不仅要考虑其区位因素，还应从医院自身服务范围出发对其进行综合分析。在国外，对医院的服务范围研究主要是指聚集某医疗机构的患者的地理范围，如Vahidnia 等采用地理信息系统与模糊层次分析法相结合的多标准决策分析，并通过人口密度和出行时间的比率来评估新医院候选站点的可使用性，从而确定出的新医院最佳建设地点可改善6.5%的地理区域[9]；Ashraf 等则将医院网络细致的分为公立医院、专科医院、卫生单位、医疗中心、医务室、综合诊所、红十字会和急救中心8 种类型并对其服务区域进行5 分钟、10分钟、15分钟的覆盖范围进行研究，结果发现穆纳瓦拉超过60%的人群的健康需求无法得到满足[10]；Sin‐thauli 等通过政府提供的新型冠状病毒的阳性患者的空间分布，利用转诊医院的服务区域和出发地的OD 成本矩阵，对印尼首都雅加达进行医院服务能力的空间分析，研究表明在基于距离的服务区域下，有908例阳性感染病例所处区域的医院转诊服务较差[11]。而在国内对医院服务范围的研究虽起步较晚，但取得的成果较多，如高琪等采取不同的距离模式分析了长沙某医院的就诊患者主要分布在东南—西北方向，并标明该医院的服务范围呈中心状分布[12]；黄佳伟等基于GIS 技术得出宿迁市中心城区的综合医院覆盖率达到了57.06%的较高水平[13]；孔欢则利用GIS 和AHP 结合的方法分析出长沙望城区医院的服务范围中心城区周边乡镇逐渐增大，并且不同街道医院的服务范围相差较大[14]。

空间句法（Space Syntax）理论由Hiller 和Hanson 等人在20世纪80年代提出，它以分析不同尺度范围空间对社会经济行为影响的量化描述，揭示空间组织与人类活动的内在联系[15]。空间句法在城市形态方面建立了比较系统的空间形态变量，并利用其深度、整合度和选择度等方法对城市形态进行可视化分析。20世纪90年代，国外很多的学者开始将空间句法广泛应用于伦敦、亚特兰大、威尼斯和东京等城市的交通网络形态研究中，进一步研究路网和社会经济活动之间的联系，随后较多学者开始将空间句法运用城市犯罪热点分析[16]、土地利用与交通关系[17]、历史街区保护[18]等相关研究中。最近几年，许多学者利用GIS 强大的空间分析功能和可视化表达与空间句法结合分研究城市空间组构关系。唐波、陶伟等将GIS 与空间句法结合研究道路与酒店分布之间的关系[19-20]；杨贤房、樊文平等也将上述两者结合研究路网对城市商业布局所造成的影响[21-22]。

总体来看，以往对医院空间布局的研究主要有以下不足之处：（1）研究内容上：虽然有很多文献就某一个影响因素对医院空间布局进行研究，但从路网形态出发去研究医院布局的较少；（2）研究方法上：大多采用定量分析和多指标模型分析等单一的分析方法对医院的区位以及影响范围进行评价，评价指标和度量方法也较为固定，未对数据模型与人的感受结合进行研究，从空间拓扑结构出发研究的相对较少；（3）研究数据上，现有研究大多采用直接抽样调查等统计方法获取数据，缺少对大数据的内在研究。基于此本文主要以空间句法理论和GIS 空间分析工具，从路网形态角度研究武汉市三环内医院的空间分布特征。本文将主要从城市路网形态分析、等级医院空间分布特征、路网形态与医院空间分布的相关性分析这3个角度出发研究分析区域内医院的空间布局特征，以期对现有医院交通环境的改善以及未来医院的空间布局和形态机制的研究提供借鉴。

1 研究内容和研究方法

1.1 研究范围及数据处理

武汉城区面积较大，区域较多，本文只选取武汉市三环内部作为研究区域，区域周长约为91km，区域面积约为684km²。选定依据：（1）区域为武汉老城区，医院分布较多；（2）区域内为武汉市中心地段，人口分布密集，对医院的需求相对较大；（3）区域在空间上呈连续性。路网数据根据BigMap截取14级别以上的内部区域道路图，在ArcGIS 中进行矢量化操作并进行拓扑打断，建立道路空间数据库。

医院数据来源于高德最新POI 数据库，在GIS 中进行投影变换及坐标校正后，经筛选后得出有效数据共有等级医院172 家。考虑到数据分类及分析的便利性，按照《医院分级管理标准》，再将医院划分为三个等级，一级医院是直接为社区提供医疗服务的基层医院，共73家；二级医院是跨社区提供医疗卫生服务的地区性医院，共39家；三级医院（包括分院）是跨省、市以及向全国范围提供医疗卫生服务的医院，共60家[23]。（图1）

图1 研究区域区位及标准差椭圆计算结果

1.2 空间句法模型

空间句法的基本原理是对空间进行尺度和空间的划分并试图分析城市中复杂的组构关系。本文选用空间句法中的轴线法进行绘图，使用长度最长，数量最少的的轴线代表城市路网，并采用其中整合度和可理解度等参数量化轴线，对武汉三环内的道路进行句法分析。

1.2.1 整合度

指起始空间到其他所有空间的紧密程度，常用来描述起始空间与其他空间的聚集和离散程度。一般而言，整合度的值越大，则表示该空间在系统中的便携程度也越高，公共性越强，可达性越好，越容易形成聚集现象。整合度又分为局部整合度和全局整合度，其中局部整合度又称为“半径——3整合度”，指计算3个拓扑单位内的道路，全局整合度指空间与系统中所有节点联系的紧密程度。其计算公式为：

式中MDi为系统中某一节点到其他节点的最短距离的平均值，dij表示i和j两点的最短拓扑数，n为节点个数。

1.2.2 可理解度

指与某条轴线直接相连的轴线数量，进而判断轴线在整个系统中的重要程度，在句法中用局部整合度和全局整合度的比值来表示，其值越高说明越容易被理解，较高的可理解度可以从局部空间推论出整体空间[24]。其计算公式为：

式中Ci为连接值，指和第i个空间相交的其他空间的个数;Cˉ为所有空间连接值的均值;Iˉ为所有空间全局集成度的均值。

1.3 核密度估计法

核密度估计是处理空间句法结果运用最广泛的方法，通过计算空间所有要素的聚集和离散程度，并生成一个连续密度表面的方法。通过合适的半径和格网大小，统计区域内点的个数，然后结合区域内的面积，计算出相应地密度值。利用核密度估计法来分析区域内不同等级的医院空间分布状况，其计算公式为：

1.4 最近邻距离法

最近邻距离法是指计算最邻近要素与其他要素之间的平均距离，再结合理论上的最邻近距离得到最邻近指数R。其计算公式为：

式中为最近点的距离，si为研究样本点，E(dmin)为理想中的平均最邻近距离。当R＜1，表现为聚集，当R＞1，表现为离散。采用最邻近距离法可以对比不同等级的医院的离散程度。

1.5 标准差椭圆法

是指用于确定一组点要素的分布中心和分布方向。该方法是计算平均中心起点对x、y坐标的标准差，从而确定椭圆的轴[25]。其计算公式为：

式中xi和yi为i点的坐标，为点的平均中心，n为点的个数，SEDx和SEDy为椭圆方差。

2 研究结果

2.1 路网形态分析

2.1.1 全局整合度

由图2 可知，武汉市三环内道路的全局整合度总的来看由中心向四周逐渐降低，其中整合度最大值为1.28，最小值为0.47，均值为0.89，说明武汉三环内道路整合度总体较好。其中高值区主要分布在中心城区，并以长江为界分为东西两部分，西部主要分布在中山大道、京汉大道及建设大道附近，构成了良好的交通区位。通过二七长江大桥，武汉长江二桥，武汉长江隧道连接长江东部的高整合度区域，主要集中在沙湖公园四周的楚汉路，中北路，团结大道和友谊大道上。这些整合度高的道路网络承载着主城区大多数的交通流量，为城市内部的连接起了很大作用，是城市内部主要的交通干道。而这些道路整合度高值区域附近也正好分布着城区内部的大型商圈，同时也从侧面论证了空间句法理论模型的客观性。

图2 全局整合度

2.1.2 局部整合度

由图3 可知武汉三环内道路的局部整合度总体较好，居民短距离出行方便。高值区主要分布在研究区域中部，并且在西部、西南部、东部、东北部以及东南部形成了多个局部整合度较高的连片区，便于居民在3 个拓扑单位范围内到达更多的道路。局部整合度最大值为3.56，最小值为0.33，平均值为1.89，说明武汉市三环内道路虽然局部整合度较高但道路内部间差异较大。

图3 局部整合度

2.1.3 可理解度

由图4 可以看出武汉市三环内道路可理解度的R2=0.54，y=0.184865x+0.534491，R²大于0.5，说明武汉市三环内区域道路的可理解度较高，交通网络分布合理，居民对于道路的认知程度会比较好，有助于居民从局部道路的分布情况去理解道路网的整体分布情况，并且局部道路的中心性比较容易融入全局道路结构中，产生经济和社会活动的乘数效应[26]。

图4 可理解度分析图

2.2 医院分布格局分析

通过ArcGIS10.2 软件，使用标准差椭圆法，最近邻距离法和核密度估计法分析武汉市三环内部区域医院的空间布局。在使用核密度估计法计算时，设置150m×150m 为像元大小，并以所选区域内全体医院数据为样本选择分析半径，经对比得出当半径为2km 时可以清晰看出医院分布的密度中心，并反映出不同等级的点核密度差异变化。

通过标准差椭圆以一个标准差大小分析武汉市三环内的不同等级医院和路网的分布中心与分布方向，由图1可知，医院分布中心与路网的分布中心基本吻合，位于武汉关码头附近。其中一级医院分布中心主要在孙中山先生之附近的民权路和民族路上；二级医院分布中

心主要由武汉长江隧道连接的长江两岸附近；三级医院分布中心主要在汉江与长江的交汇处的嘴江滩公园和龙王庙附近。而从分布方向上来看，3 类不同等级医院的分布方向一致，呈“西北—东南”走向，正好与路网的分布方向一致，在一定程度上也反映出两者之间存在的联系。

分析最邻近距离指数可以得到医院总体的最邻近指数为0.75，一级、二级和三级医院的最邻近指数分别为0.85、0.83、0.71。最邻近距离指数均位于（0，1）内，说明区域内的医院无论从总体上来看还是从各等级来看均呈集聚分布，并且随着医院等级增加，其集聚程度就越强，也进一步说明高等级医院在医疗资源共享能力和空间联系程度上比低等级医院强。

分析核密度估计法计算结果可以看出医院呈多核心分布，分布密度大致由中部地区向四周逐渐降低，其中最大的集聚核心位于人口密集的水塔街汉口站和中山公园等附近地区。分析3个不同等级医院核密度图可以发现，各等级医院均有一个大致的核密度核心位于汉口站附近，但不同等级的医院核心区在空间布局上不一致，主要表现在核密度中心上的差异：（1）一级医院分布的大核心主要在中部的武胜路和利济北路附近，此外，在汉口站和武昌站附近还分布着两个小核心；（2）二级医院的聚集核心主要在常青公园、武汉理工大学（余家头校区、南湖校区南岸）附近，小核心分布的区域较多；（3）三级医院分布核心主要在地铁黄浦路至硚口路沿线和东南部的紫阳公园附近，这些地方道路交通网络较为便利，与面向全国提供医疗服务的三级医院服务范围相匹配。

2.3 路网形态与医院空间分布的相关性分析

2.3.1 医院空间分布与路网整合度相关性分析

空间句法中的路网整合度参数高的道路多为城市主干道，交通便利，人口密度较大且容易形成城市的中心地带。医院在社会中承担着救死扶伤的重要任务，应在最大程度上满足居民的需求，当在执行紧急救援任务、处置突发公共卫生事件上的时候，对高整合度道路的要求就凸显出来。为了更好地证实医院与路网整合度两者之间的关系，从路网角度出发，分析医院附近200米缓冲区影响范围内的道路集成度，去探究医院分布与道路集成度之间的关系。从表1可以看出，（1）全部医院在缓冲区半径内的道路平均整合度参数值为0.96，处于较高水平，说明武汉市早期对医院的规划较为合理；（3）各等级医院由于服务技术、服务范围的不同，其最大整合度和最小整合度均随着医院等级递增；（2）不同等级医院对路网整合度的要求不一样，各等级医院的平均整合度参数值位于0.94～0.99 之间，并且医院等级越高其平均整合度参数值就越高，反映出高等级的医院在空间布局上对高整合度道路的趋向性明显。

表1 医院缓冲区内道路真整合度汇总表

2.3.2 医院的集聚等级与路网的选择度和整合度的关系

图5 空间句法参数核密度结果

根据医院的数量与空间分布，并把所有医院的核密度与路网整合度进行叠加，得到医院的两大集聚圈，其等级由高到低分别为1 汉口——月湖集聚圈（由两个小圈层相连成一个大的集聚圈）、2 首义集聚圈。由图6 可以看出，有较多高整合度的道路穿过集聚圈，医院由于其职能的要求通常布置在城市中交通可达性较好的路段，所以密集的道路网络可以在一定程度上对医院的空间布局起着重要的影响作用。

图6 医院集聚圈层与道路集成度分布图

通过对各集聚圈内医院的句法参数值进行分析，由表2 可以发现，医院的集聚等级与路网的相关性较高。平均整合度和平均选择度与医院集聚等级成正相关，均随着医院集聚等级的升高而增加，这表明集聚圈内部与区域内部路网的联系程度较为紧密，该集聚圈在区域内便捷程度越高，被穿过的概率越大，可达性越好。同时，医院集聚等级与平均深度参数成成负相关，集聚等级越高其平均深度值也就越低，其空间到达难度也就越低；从医院的平均连接值上可以发现汉口——月湖集聚圈内道路的空间渗透性和对周围道路的影响强于首义集聚圈；而在比较平均控制值上，发现首义集聚圈远远高于汉口—月湖集聚圈，这是由于首义附近路网的规则式布局所带来的结果。

表2 医院集聚圈层的道路空间句法数值分析表

3 结论

本文运用空间句法理论结合GIS技术对武汉市三环区域内的医院空间分布格局与路网形态进行深入分析，并对路网形态与医院空间分布的相关性进行研究，结果表明：

（1）研究区域内路网的全局整合度和局部整合度参数值总体较高，但内部间的差异明显，全局整合度的高值区主要分布在长江两岸，局部整合度呈现出多个高值区且分布较广。可理解度的参数值较高，提升居民对整体路网的感知度，有助于居民远距离出行。

（2）3 类不同等级的医院分布方向与路网的分布方向总体一致，呈“西北—东南”走向，且医院分布中心与路网分布中心基本吻合；医院呈聚集分布，并且医院等级越高，其集聚程度就越强；医院分布密度由城市中心向城市外围逐渐降低，呈多核心分布，且不同等级医院的分布密度不一致。

（3）武汉市三环区域内道路网的特征与医院的空间分布有较大的相关性，医院等级越高对道路整合度的要求就越高，医院空间布局对高整合度道路的趋向性明显。医院总体进行核密度分析后呈现出汉口——月湖和首义两大不同等级集聚圈，集聚圈的等级与道路平均整合度、平均选择度和平均连接值呈正相关，与平均深度呈负相关，高等级的医院集聚圈对道路的依赖性较强。

建议：对于政府，要完善城市内部道路网络，增加道路的整合度高值区，提升道路的可理解度参数；要优化医院周边的路网状况，促使高等级医院分布在道路全局整合度的中心，低等级医院分布在道路局部整合度的中心；要提升医院集聚程度并改进不同等级医院的空间布局，在城市外围也应适当增加高等级医院数量，以保障不同区域患者的抢救时效性。对于医院自身，要结合自身医疗技术与服务范围，并且以考虑大多数人为原则选择合适的分布位置；另外，不同等级医院对道路的要求不同，高等级的医院在注重道路全局整合度的前提下，还应提升道路局部整合度，以满足不同距离模式患者的需求；较低等级的医院在注重道路局部整合度的前提下，也应注重完善全局性的道路网络，以便接收高等级医院的转诊患者并尽可能地发挥其服务能力；要加强不同等级医院之间的空间联系，使各医院资源共享，互帮互助。

本研究着眼于从空间维度分析路网形态与医院空间布局的相关性，并从不同尺度出发对不同等级的医院进行了细致分析，加强了医院布局特征的内在对比。另外，本研究并未考虑各转诊医院之间的空间分布，这也是本研究的不足之处。今后，可进一步从可达性角度出发横向分析各转诊医院之间的路网分布状况，并结合社会经济发展理论再进行更为深入的研究。