新时期多维度协同视角下城市山地公园步道设计探究——以福州市金鸡山公园为例

郑 宇 成林莉 黄 硕 董建文 陈小燕

城市山地公园是优化人居环境和提高城市活力的重要载体之一，具有明显的山地地形地貌、水文条件、微气候特征，是兼有自然和人工复合系统的公园类型[1]，能够为城市居民提供生态、景观、康养等多维度服务[2-4]。当前，研究聚焦如何精准把握新时代的公园内涵，科学提高公园绩效水平，促进公园服务价值最大化并推动公园健康更新。以北京林业大学李雄教授团队为代表的突出以人为本、优化生态服务、在全国范围内深入探索促进公园健康更新的工作正在大力推进[5-7]。在此背景下，如何围绕“开放、人本、赋能、增值”4个核心特征进行城市山地公园综合效能提升成为亟待解决的问题。对于城市山地公园而言，游步道贯穿全园，是其交通动脉，在满足公园交通组织功能之外，还扮演着山地型公园景观轴线和空间分界线等角色，对于城市山地公园发挥其多元功能有着重要作用。目前，城市山地公园特别是山地区域的步道设计实践中，首先考虑修建本身的施工难度，其核心指标是所在区域的地质地貌情况。因此，既能满足公园生态系统服务价值又能满足游憩供需、景观质量，强化绿色人本服务能力的多维度协同视角下步道设计研究显得十分重要[8]。目前，有关城市山地公园步道设计的研究大多从公园步道选线生态适宜性评估、康养服务、景观偏好等进行考虑[9-15]，而科学提高公园综合绩效水平、促进公园服务价值最大化的多维度协同视角下综合成本最优的步道设计研究较少[16]。空间使用强度是通过网络大数据定量分析，利用微信热力图获取公园的使用人群密度情况，从而衡量各个空间的具体使用效率[7，17]，能够从宏观的角度反映游人对公园现有基础服务设施的偏好及使用情况，目前许多学者也使用该指标从宏观层面进行强化公园绿色人本服务能力的研究[18]。本研究以金鸡山公园为对象，尝试进行生态保护、景观视觉质量和基础设施服务情况等多维度协同视角下的综合分析，采用生态敏感度、景观视觉敏感度、空间使用强度三者叠加研究的方法，结合实地调查，分析城市山地公园步道路径位点分布，进行路网设置及优化设计研究。旨在以金鸡山公园为例，探究多维度协同视角下综合成本最优的城市山地公园步道路网设置及设计方法，从而促进城市山地公园服务价值最大化，并推动公园健康更新，也为其精细化设计和管理提供参考。

1 研究概况

1.1 研究区概况

福州市金鸡山是北岭山脉的支脉，呈东北-西南走向，位于福州盆地东北侧，纵卧于晋安河东岸。金鸡山公园属低山丘陵地貌，是福州市城区少有的由环城山脉嵌入的城市山地型公园(图1)。

图1 金鸡山公园空间区位[19]

1.2 金鸡山公园步道系统现状

金鸡山公园为位于福州市主城区的山地型公园，园内现有的道路系统均为步道系统(表1)。按景观园路等级进行分类，一级为主路，二级为支路，三级为游园小径(图2)。

图2 金鸡山公园现有步道分级导览(金鸡山公园管理处提供)

表1 金鸡山公园步道系统分级说明

1.3 研究方法及数据来源

1.3.1 数据来源

本研究通过中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台GDEMV230M分辨率数字高程数据和清华大学地球系统科学系数据库中的全球土地覆盖图等平台获取金鸡山遥感影像图、金鸡山公园DEM高程数据、金鸡山公园土地利用数据，通过百度热力图等大数据平台获取金鸡山公园热点等相关资料。通过ArcGIS 10.5、ENVI 5.3等软件对以上数据进行栅格量化、重分类、空间可视化等操作。

1.3.2 研究方法

1)空间使用强度分析方法。

运用Python语言爬取百度热力图上金鸡山公园实时的人口密度[17]，并使用Excel软件对爬取出来的热力数据进行清洗和筛选，得到游人对于金鸡山公园的空间使用强度分布。然后利用ArcGIS平台进行空间可视化分析，得到金鸡山公园空间使用强度分布等级图。

2)层次分析法。

通过Yaahp软件构建层次结构模型，采用群体决策的方法对结构模型所列元素进行“两两比较”，并对每个指标进行赋值，满足一致性检验，得到最终各个元素的相对权重值[20]。

3)路径距离算法。

首先，在Yaahp、ArcGIS中完成综合成本计算，包括影响因子的筛选、层次模型构建、因子权重确定、单因子分析及因子叠加分析。其次，在成本路径运算阶段，步道节点与综合成本图作为参数输入，通过给定条件下的最短路径分析得出初级最优选线。最后，通过人机交互的方式剔除不合理的路径，得到最终的步道选线。

4)步道选线生态因子体系分析。

生态敏感度：影响步道选线的因素多且复杂，不同地域的情况各异，规划设计定位各不相同，对步道选线要求的侧重点不同，因而需要针对场所特点确定影响因子。参考袁旸洋、朱春旭等在公园步道选线设计的相关研究[4，16]，经专家筛选，选取地形地貌特征、水文条件、生物多样性等衡量生态环境质量的生态敏感度因子。

地形地貌：对于城市山地公园而言，特别是山地区域，首先需要考虑的是修建本身的施工难度，其核心指标是所在区域的地质地貌情况。因此，本文在生态因子体系指标选取及相对重要性确定时，经过专家筛选，选取了地形地貌因子，并确定了其权重(即相对重要性)，充分考虑城市山地公园步道设计中地质地貌因素的重要性。高程因子主要采用金鸡山公园DEM数据导入ArcGIS平台，采用TIN工具提取高程线，再通过TIN转栅格可视化。坡度、坡向主要通过ArcGIS中的空间分析工具直接生成金鸡山公园坡度图与坡向图。起伏度：主要将DEM数据导入ArcGIS平台中“空间分析工具”，利用“Focal函数”进行最大高程、最小高程计算，得到金鸡山公园起伏度图。

水文条件：自然汇流分析通过ArcGIS中“水文分析”工具对金鸡山公园DEM数据进行水网径流提取，根据径流进行缓冲区分析。根据公园现有叠石飞瀑和润丰泉，利用移动设备自带GPS定位系统及相关手机软件的辅助，对金鸡山公园现有2处人工瀑布进行定位并数字化为矢量数据，再对其进行缓冲分析，获得金鸡山面状水域因子的缓冲分析图。

生物多样性：根据城市山地公园的自然立地条件特点，选取植物覆盖度和鸟类栖息地缓冲2项目指标进行生物多样性分析。植被覆盖度：将金鸡山遥感影像图导入ArcGIS中的影像分析工具进行“NDVI值”计算，再运用ENVI软件进行VFC计算，得到金鸡山公园植被覆盖度图。鸟类栖息地缓冲：一是山脊线缓冲分析。根据实地调研，金鸡山公园鸟类常出现于山脊线左侧，因此通过DEM高程数据导入ArcGIS中提取金鸡山公园山脊线，并以鸟类对人为干扰的耐受距离[12]进行山脊线缓冲区分析。二是鸟类栖息活动潜在斑块分析。首先，根据金鸡山公园绿地作为鸟类觅食和栖息的主要场所，选择鸟类潜在斑块；其次，考虑到鸟类对人为干扰的耐受程度，潜在斑块需要与人类活动区的距离不能低于50m[12]；在此基础之上结合实地调研，采用ArcGIS对山脊线缓冲区再进行条件筛选，得出金鸡山公园鸟类栖息地缓冲图。

土地利用因子：主要通过清华大学地球系统科学系数据库中的全球土地覆盖图，根据土地利用类型分类[耕地、林地、草地、灌木、湿地、水域、冻土带、非渗透表面(建筑用地)、裸地(未利用地)及雪地]，导入ENVI中进行目视解译，生成金鸡山公园土地利用图。

5)景观视觉敏感度因子选取分析。

参考沈钦炜、莫美颖等在城市山地公园中景观视觉评价的相关研究[21-22]，选取视域、醒目度、出现概率、相对距离、相对坡度等能反映景观视觉质量的景观视觉敏感度因子。其中，视域因子通过金鸡山公园DEM数据结合观测点矢量数据导入ArcGIS视域分析中得到金鸡山公园视域分析图。醒目度根据前人研究成果，通过植被归一化指数来分析公园整体景观的醒目度分布。出现概率通过在ArcGIS中的道路数据作为观景线，在ArcGIS软件要素编辑高级工具中沿道路每隔100m设置观察点，将其作为输入数据与高程、坡度表面栅格数据一起进行分析。相对距离因子采用缓冲区分析的方法进行道路缓冲分析，从而得到金鸡山公园相对距离图。

6)因子筛选及权重(即相对重要值)确定方法。

层次分析法(AHP)在绿道选线上的运用已经非常成熟，考虑多目标已成为选线类规划研究的主流方法。因子筛选及权重(即相对重要值)确定运用层次分析法，权重(即相对重要值)的赋值运用了专家法[12]，邀请福建农林大学、闽江学院从事相关领域研究的多学科专家30名参与评分过程，最大限度规避了打分可能存在的偏差问题。具体因子及权重(即相对重要值)如表2所示。

表2 步道选线因子选取表

2 结果与分析

2.1 基于空间使用强度的金鸡山公园步道现有基础设施分布及使用情况分析

由图3-1可知，金鸡山公园空间使用强度呈现双核状及点状分布趋势，分析现有基础设施使用情况，使用率按照使用强度等级由低到高划分为一～五级使用强度分区。经实地调查，一级使用强度区域包含望龙亭，位于公园北部，但由于该地块管理不当，导致环境较为杂乱，且可达性较差，游客较少使用该场地。二级使用强度区主要包括望城亭、银杏广场、樱花坡、双龙寺、红叶台、大成亭、双樟台、栖霞台。其中，双龙寺主要进行朝圣礼佛等活动，但由于场地可达性较差，导致空间使用率较低；银杏广场、樱花坡位于金鸡山揽城栈道之下，场地竖向高程较低，银杏广场三面被山体包围，导致景观视觉面较差，并且场地由于栈道的遮挡使得整体空间通透性和光线较差；红叶台、双樟台、大成亭、栖霞台主要分布于金鸡山公园登山步道两侧，场地周边植被丰富度较高但景观色彩丰富欠缺、植物杂乱，并且场地地形形态较为单一，导致游人对其使用率较低。三级使用强度区包括梅园、魏杰故居、樱花林、虎跳台、晋安台、观晋台、茉莉花台、森林舞台。其中，虎跳台、晋安台、观晋台、茉莉花台整体视觉景观良好，且服务设施较为完善；森林舞台的周边基础设施较为完善，且空间较为开敞，人们经常在此进行羽毛球等健身活动；梅园、魏杰故居、樱花林场地空间面积较大，文化内涵较为丰富，但基础服务设施欠缺，导致游人使用率不太高。四级使用强度区包括揽城栈道、观月亭、照天君宫、揽城栈道。其中，揽城栈道、观月亭整体高程较高，景观视觉开阔且揽城栈道步道较长，人们可以在此进行慢步、跑步等康体活动；照天君宫整体空间面积占比较大，文化气息较为浓厚，满足人们日常朝拜礼佛等需求，从而导致使用率较高。五级使用强度区主要包括叠石飞瀑、金鸡广场。首先，由于空间亲水性较强，景观视觉敏感度高；其次，周边环境的植被覆盖度较高，且基础设施较为完善，空间较为开敞，人们经常在此进行羽毛球等健身活动，因此使用率较高。

图3 金鸡山公园步道选线分析

2.2 基于生态敏感度的步道选线生态因子分析

由图3-2可知，金鸡山公园生态敏感度整体呈现中高敏感度，公园东南部及北部边缘呈现低敏感度与较低敏感度。其中，中高敏感区主要分布大成亭、栖霞台、梅园、晋安台、樱花坡等景点空间；较低敏感区、低敏感区主要分布魏杰故居、观晋台、叠石飞瀑、森林舞台、金鸡广场、照天君宫等景点空间。

2.3 基于景观视觉敏感度的步道选线景观视觉质量因子分析

由图3-3可知，金鸡山公园景观视觉敏感度整体呈现中高敏感度，公园北部、南部及边缘处呈现较低敏感度和低敏感度。其中，中高敏感区主要分布叠石飞瀑、金鸡广场、森林舞台、茉莉花台、银杏广场、鹤林台等空间；较低敏感区主要分布梅园、虎跳台等空间；低敏感区主要分布、休憩平台等空间。

2.4 基于生态敏感度和景观视觉敏感度步道选线综合分析

通过ArcGIS平台景观生态敏感度等级图和景观视觉敏感度等级图进行图层叠加，生成金鸡山公园生态敏感度和景观视觉敏感度的综合分区图(图3-4)。步道设计在考虑场地生态敏感度的同时，加强景观视觉敏感度的应用。如图3-4所示，金鸡山公园整体A、B、C级生态敏感区所占面积比例较大，共89.8%，说明金鸡山公园整体处于生态与保护并重的阶段，属于生态涵养及修复的区域，主要分布望城亭、叠石瀑布、大成亭、银杏广场等景点空间；D、E级的生态敏感区所占面积比重极少，共10.2%，分布在公园边缘，能够承受最大的开发力度，但是在步道选线过程中，无法呈现较好的景观视觉效果，故后期步道选线可剔除此类区域。

2.5 基于空间使用强度、生态敏感度和景观视觉敏感度的步道选线综合成本分析

在生态因子和景观视觉质量因子综合分析的基础上，充分考虑空间使用强度对于城市山地公园步道选线和路网设置的影响，进行基于生态保护(生态敏感度)、景观视觉质量(景观视觉敏感度)和公园基础设施使用情况(空间使用强度)的多维度协同综合因子分析，能够使公园步道设计更加合理化。将金鸡山公园生态敏感度和景观视觉敏感度综合分区图与金鸡山空间使用强度等级图进行加权叠加计算(表3)，形成了步道选线综合因子成本图(图3-5)。

表3 金鸡山公园步道选线因子指标权重

如图3-5所示，金鸡山公园的步道选线综合因子成本处于中等偏高水平，其中较低成本、低成本区域主要分布在公园南部及边缘处，占整个公园面积的9.4%。主要分布魏杰故居、揽城栈道等空间，其中，揽城栈道整体高程和景观视觉敏感度较高，说明在步道设计路网设置时，该区域可根据需要增加步道路径设置，打造多样的视觉景观步道；魏杰故居场地基础服务设施较少，但文化氛围较浓，在后期步道选线路网设置中可适当增加相应路径。中成本区域主要分布在公园中部及边缘处，共占16.7%，主要分布望成亭、飞虹桥、虎跳台、双龙寺等空间。此类区域场地周边植被丰富度较高，但景观色彩丰富度欠缺、植物杂乱，如双龙寺整体基础服务设施较低且硬质化严重，植被覆盖度较差。因此，在步道设计路网设置时，可在现状道路的基础上，适当增加或减少相关路径设置。较高成本、高成本区域占公园面积的73.9%，主要分布照天君宫、金鸡广场、叠石瀑布、森林舞台、茉莉花台等空间。场地周边环境的植被覆盖度较高、景观视觉质量良好，且基础设施较为完善，游人使用率较高，从而导致游人承载容量压力较大，造成空间拥挤等现象。在后期人际交互过程中，以上空间可适当减少相关的路径设置。

2.6 步道选线节点选择

综合上述分析，结合现场调研，选取步道重要节点进行分析，此处排除了沿原有步道设计而修建的休息点或观景平台，具体空间位置分布如图3-6所示。

2.7 “1+N”多点多次选线路网生成

在“1+N”多点多次选线中，“1”为步道的起始点，“N”为各个终点，根据路径距离算法，多点多次的选线结果可以使步道形成能够通环的网状结构路网。一般公园存在不止一个出入口，以主入口作为“起始点”参与第一次选线之后，其余出入口同样需要与区域内节点相连，故而这些出入口便能够成为“N”个“起点”参与选线运算。金鸡山公园具备1个主入口和6个次出入口，为保证每个出入口与园内景点具有联系性，并使园内道路拥有环状特性，需分别以金鸡山公园的各个出入口为起始点，进行7次选线并叠加以获得初步选线结果。

如图4-1所示，7次不同起始点的步道选线运算及叠加形成了网状结构的公园路网，但也出现了诸多问题。如沁园路口、西出入口、杨真君宫口、双溪庵口、登云水库口及其附近区域由于高成本的限制，运算过程中为降低损耗，经由此处的不同起始点的路径基本相同，无法成环，且直出的路径结果折点过于杂乱，明显影响了步道设置合理性及有效性；另外，选线出现相似路径、过多分叉点及部分步道无法成环，明显影响路网的可达性。考虑到空间使用强度问题，对于现有基础服务设施，以上存在的不足仍需通过人工考察进行以下优化：需通过路径的属性表进行判断选择，保留成本指数值最低，即能兼顾生态保护、景观视觉质量、基础设施使用的路径设计，从而有效避免高成本路径选取；可适当增加路径成本以获得新路径构成环形路网，解决无法成环问题，从而提升路网合理性。

图4 金鸡山公园步道选线设计

2.8 步道系统对比与优化

结合现状步道分布图对金鸡山公园的步道进行优化，与现有步道系统进行比对及分析，如图4-2、4-3所示。

可以看出，优化后的步道路网系统与现有步道设置相比存在一定差异，表现在以下几个方面。首先是路网分布的差异。现有步道沿山脊线进行规划设计，具有较清晰的中心路径轴线，以及沿中心轴线走向成环的外环路和连接中心轴线的辅路，具有一定的系统性。优化后的步道设计基于生态敏感度、景观视觉敏感度的导向，加入能反映游人对现有基础服务设施偏好和使用率的空间使用强度这一主观能动因子，其步道分布的网状结构更具有侧重点。

其次，与现有步道系统相比，二者之间的成本代价存在差异。优化后的步道选线及路网设置方案对于成本因子较高区域的避让会更胜一筹，更注重节约路径成本。因此，以综合成本最优为目标，除非必经点所在地区位于高成本区，一般选择较低的区域进行绕行。

再者，优化后的步道选线除了生态因子和景观视觉质量因子的综合考虑外，还增加了能反映基础服务设施使用情况的空间使用强度指标，更能增强步道的多元服务功能，从而提升公园综合服务效能。如图4-4中的A区，优化后的步道选线减少了不必要的步道穿行。

总体而言，基于生态敏感度、景观视觉敏感度、空间使用强度多维度协同视角下的综合因子分析而形成的城市山地公园步道选线及路网设计方案，能科学提高公园综合绩效水平，从而促进公园服务价值最大化。

3 结论

1)对于城市山地公园的步道选线而言，各因子的权重(即相对重要值)大小为：公园使用人群密度＞醒目度＞视域＞相对距离＞生物多样性＞出现概率＞地形地貌＞相对坡度＞水文条件＞用地现状，其中公园使用人群密度(0.250 1)、醒目度(0.125 9)、视域(0.111 7)影响较大。

2)基于生态保护(生态敏感度)、景观视觉质量(景观视觉敏感度)和公园基础设施使用情况(空间使用强度)的多维度协同视角下综合因子分析而形成的步道选线方案，与原有步道设置相比，在路网分布、成本代价方面存在差异。优化后的步道设计及路网设置，其分布的网状结构更具有侧重点，且对于成本因子较高区域的避让会更胜一筹，更注重节约路径成本，更能选择保留成本指数值最低，即能兼顾生态保护、景观视觉质量、基础设施使用的最优路径，从而达到科学提高公园综合绩效水平、促进公园服务价值最大化的公园更新目标。

4 金鸡山公园步道设计优化建议

1)对于沁园路口、西出入口、杨真君宫口、双溪庵口、登云水库口及其附近区域，如金鸡广场、叠石飞瀑、飞虹桥、红星台等区域综合成本较高，后期可进行绕行处理以降低损耗(图3-5)。

2)沁园路口、西出入口、杨真君宫口、双溪庵口、登云水库口到各必经点选线存在相似路径及过多分叉点，后期可结合基础设施使用情况对金鸡广场、照天君宫、茉莉花台、双龙寺、虎跳台、揽城栈道等路径进行保留，栖霞台、望龙亭、大成亭、樱花坡等路径可以减少(图4-1)。

3)沁园路口、杨真君宫口定量步道选线路径存在过多直线及分叉点，如到茉莉花台、栖霞台、双樟台、观峰台、松林台、银杏广场等景点的路径，后期可结合场地竖向设计进行环状绕行处理以避免对生态环境的干扰(图4-1)。

本研究从多维度协同视角出发，进行基于生态保护(生态敏感度)、景观视觉质量(景观视觉敏感度)和基础设施使用情况(空间使用强度)综合因子分析的城市山地公园步道设计的初步研究，但影响城市山地公园步道选线还有许多其他方面的因素，如何面对新时代人居环境高质量发展的转变，突出以人为本，优化生态服务，深入探索能促进城市山地公园综合效能提升的科学合理的步道设计途径，有待今后进一步深入研究。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。