基于GIS网络分析的公园绿地布局优化研究——以包头市建成区为例

文/中国城市规划设计研究院 代志宏

北京新航城智慧生态技术研究院 刘涛涛

中国城市规划设计研究院 吴海宽

0 引言

随着城市快速发展及城镇化水平提高，人们对绿色空间的需求不断提升，但城市绿色空间不断被城市建筑及水泥路面侵占。公园绿地是城市公共基础设施的重要组成部分，具有调节城市气候、维持绿色生态等功能，并可为城市居民提供日常休闲游憩活动及避灾场所[1]。CJJ/T 85—2017《城市绿地分类标准》将城市绿地类型分为公园绿地、防护绿地、广场用地、附属绿地、区域绿地，其中公园绿地与当地居民的日常休闲游憩活动较为密切。包头市处在高烈度地震区范围，公园绿地也能作为居民临时避灾场所，为当地居民提供双重功能。因此，对包头市建成区公园绿地进行布局优化具有重要的现实意义。

1 研究区域及研究对象

1.1 研究区域概况

包头市位于内蒙古自治区西部，属于干旱半干旱地区，年平均气温6.4℃，年降水量310mm，无霜期110～142d。包头市是内蒙古最大的工业城市，也是我国重要的工业基地之一，其市区包括昆都仑区、稀土高新区、青山区、东河区和九原区，城市建成区总面积约240km2。截至2020年11月，包头市常住人口数量为270.94万[2-4]。

改革开放以来，包头市不仅注重城市经济增长与城市开发，而且对生态环境保护也十分重视。截至2016年，其建成区的城市绿地面积高达78.01km2，绿地率高达39.8%，人均公共绿地面积13.00m2，与其他国家发达城市的绿地建设相比也毫不逊色。

1.2 研究对象

根据包头市发展状况及人口分布情况，本文的研究对象是包头市主要建成区，研究区域公园面积20.78km2，其占研究区总面积的8.66%。参照《城市绿地分类标准》，以包头市建成区遥感影像及2016年城市公园POI数据为主要基础资料，进行公园绿地现状数据统计，包头市建成区内有各类公园绿地共41处，其中包括6个综合公园，15个社区公园，13个专类公园，7个游园。

2 数据来源与研究方法

2.1 基础数据

本文基础数据来源于LSV软件（互联网三维数字地球）的遥感影像图，分辨率为0.6m/像素。其需经GIS高斯投影预处理，参数选择UTM zone 49N，转换成北京84投影坐标系，方便后期绘制图纸需要。

生活中影响公园绿地可达性的因素有很多，本文主要考虑道路交通网络、公园绿地本身情况、目标人群出行方式、集中居住用地分布四大影响因素。因此利用GIS构建现状道路交通网络、现状公园分布和居住片区分布矢量数据库，以此为核心，为后期研究作准备，如图1～4所示。

图1 包头市建成区遥感影像

图2 包头市建成区现状公园绿地分布

图3 包头市建成区现状道路交通网络

图4 包头市建成区现状居住区分布

2.2 研究方法

2.2.1 公园绿地可达性评价方法——网络分析法

对公园绿地的可达性评价使用率较高的研究方法有邻近距离法、引力模型法、缓冲分析法、行进成本法、网络分析法等。其中，前4种研究方法均采用直线距离分析可达范围，未考虑实际道路网络等影响因素，但现实道路交通对公园的可达性影响较大，因此本文选用网络分析法对其可达性进行评价。

网络分析法是利用GIS中网络分析模块，在道路交通网络数据基础上，进行矢量数据的相关计算，模拟研究中阻力可参考不同的交通出行方式求得可达性范围，其对反映目标设施的可达性方面具有明显优势[5]。网络包括中心、连接、节点、阻力四大基本构成要素。本文利用GIS网络分析模块对构建目标公园绿地矢量数据进行研究分析，得到的服务范围可用于衡量公园绿地布局优劣[6]。

2.2.2 公园绿地布局优化研究方法——GIS位置分配优化模型

位置分配又可称为选址或设施布点。良好的位置可帮助商业机构获得更大的人流，从而付出较低的成本；公共机构规划布局选址时，倘若选择良好的位置，就可高效与公平地服务于当地居民[7]。其基本原理是利用GIS网络分析模块，为满足请求设施点要求，在必选设施点上增加候选设施点位置，根据特定位置分配优化模型及设置相关阻力让系统从候选设施点位置进行挑选。

公园绿地布局是城市绿地系统规划的重要组成部分，属于设施布局非常重要的研究分支。本文认为可将位置分配优化模型应用于公园绿地布局优化中，从而得到科学、高效的布局方案。可根据包头市建成区公园绿地的布局优化需求，选择位置分配优化模型中的最小化设施点数优化模型。

3 包头市建成区公园绿地可达性评价

以道路交通网络为基础，利用ArcGIS的网络分析模块构建交通网络数据集（见图5），为研究公园绿地可达性分析做基础准备。

图5 构建的道路交通网络

公园可达性评价是基于实际道路交通系统进行模拟，其阻力分为时间成本与距离成本，其中时间成本仅考虑步行方式所影响的时间。

3.1 基于距离成本的公园绿地可达性分析

随着城市快速发展及“生态城市”“园林城市”等新理念的提出，一些城市相应提出“市民出门500m见绿，1000m可达大型公共绿地”等目标，其体现的便是公园绿地的服务范围。因此，将居民片区到公园绿地的距离以500，1000，2000m为界线，划分公园绿地可达性等级，将可达性水平分为4个等级[8]，如表1所示。

表1 研究区各可达性等级

研究区域内公园绿地在行政区间分布不均，在昆都仑区、稀土高新区数量较多，但面积不大。青山区公园面积最大，为9.40km2。九原区、东河区公园绿地数量较少且面积较小，相对缺乏。基于距离成本的包头市建成区内公园绿地可达性分析结果如图6所示，分别计算不同距离公园绿地覆盖面积占总覆盖面积的百分比，从而得到基于距离成本公园绿地的可达性级别分布比率，研究区域内公园绿地5000m服务范围未覆盖建成区，发现仍有部分居民片区未被服务到。公园可达性良好的范围为1000m以内，而1000m以内可覆盖20.1%的区域，区域面积仅为4833.32hm2。从图6可看出，昆都仑区现状公园绿地布局较集中，区内北部及南部有大片居住小区未被覆盖。

图6 基于距离成本的包头市建成区公园绿地可达性分析

3.2 基于时间成本的公园绿地可达性分析

研究表明，中心城区市民到公共服务设施大多会选择步行方式。因此基于时间成本的公园绿地可达性分析主要分析步行交通出行方式[9]。本文采用步行出行速度为100m/min，红绿灯等待时间为30s，正常情况下步行者能承受的最大出行时间为30min，因此本文步行可达性评价中定义为步行20min以内公园可达性良好，步行21～30min公园可达性差。由图7可看出，研究区域内公园绿地步行30min可覆盖45.62%的区域，步行20min覆盖36.97%的区域，未覆盖的区域与上述范围基本一致。由于公园绿地既是日常休闲游憩空间又是重要的避灾场地，因此公园绿地日常休闲游憩的服务范围覆盖量也存在不足的问题。

图7 基于时间成本的公园绿地可达性分析

4 包头市建成区公园绿地布局优化

通过对研究区域内公园绿地可达性的评价分析得知，公园绿地布局存在服务盲区且覆盖范围有待提高，需进一步对公园绿地系统进行优化，因此本文以包头市建成区公园绿地为例，主要解决公园绿地数量不足及布局不合理的问题，选择位置分配优化模型中的最小设施点数模型对研究区域的公园绿地布局进行模拟优化。

首先创建交通网络数据集进行公园绿地模型模拟优化。在GIS的网络分析模块中新建位置分配，在模型中将已存在的公园绿地作为必选设施点导入模型，并将创建研究区域范围内500m×500m的渔网点作为候选设施点导入设施点中，同时将居住小区作为请求点。然后在位置分配图层属性的“分析设置”中阻抗设置为“出行时间”，“高级设置”中问题类型选择最小化设施点数，同时将阻抗中断设置为20min与30min两种。

最小化设施点模型要求设施点覆盖范围最大，并要求设施点数量最小[10]。阻抗设置为20min时公园布局可达性均为良好，覆盖全建成区居住片区，可便于当地居民日常休闲游憩；根据优化模型分析，研究区域为满足可达性需求最少要新建24个公园绿地，即昆都仑区6个，青山区4个，九原区4个，东河区10个，如图8a所示。考虑近期公园绿地优化布置，阻抗为20min的情况下，新建公园绿地数量大，较难实现，因此可将阻抗减低为30min，可有利于公园绿地近期布局优化，此时公园绿地覆盖全建成区居住片区，为当地居民服务，但可达性一般，如图8b所示。此时建议包头市新建14处公园绿地，分布是昆都仑区3个，青山区、稀土高新区及九原区各1个，东河区8个，以为当地居民提供休闲游憩服务。

图8 位置分配优化模型

5 结语

随着城市迅速发展，包头市建成区现状公园绿地布局存在位置分布不合理和覆盖率不足的问题[11]。本文采用GIS网络分析法，结合现状道路交通网络，从距离成本与时间成本2个方面分析包头市建成区公园绿地可达性的问题。随后利用位置分配优化模型中的最小化设施点数，从阻抗30min及阻抗20min分别考虑公园绿地布局优化方案，可分别为近远期公园绿地布局优化建设提供参考。

本文通过定量方式获得的数据化成果，可使城市公园绿地空间发展更加科学、客观和有据可依，希望对包头市建成区公园绿地规划具有指导意义，同时为其他城市绿色空间建设提供借鉴价值。