四個可持續發展實驗區綠地系統可達性比較研究

董仁才,張娜娜,2,李思遠,2,張永霖,2,王 韜,2,付 曉,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

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四個可持續發展實驗區綠地系統可達性比較研究

董仁才1,張娜娜1,2,李思遠1,2,張永霖1,2,王 韜1,2,付 曉1,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

我國可持續發展實驗區所在城市均十分重視綠地系統對其可持續發展的重要支撐作用。布局合理的城市綠地系統不但能提高城市生態空間容量,也能充分滿足不同位置城市居民的需求,這使得城市綠地與其被服務對象——城市居民之間的可達性成為評價城市綠地系統服務價值的重要指標。以高德公司生產的電子導航地圖中居民區點和綠地系統數據為基礎,采用GIS緩沖區分析法,分別探討了我國4個有代表性的國家可持續發展實驗區西城區、石景山區、紹興市和日照市這4個城市的城市綠地系統斑塊特征,以及<5, 5—15, 15—30min時間距離內所覆蓋城市居民點數量,對其綠地可達性及其服務能力進行比較分析和研究。研究結果表明：4個可持續發展實驗區內的綠地系統分布均比較合理,覆蓋面廣,尤其是30min時間距離內可達的綠地滿足了95%的住區；80%以上的住區居民可以在15min內到達周邊任意綠地,為城市綠地管理部門打造“一刻鐘生活圈”提供了良好的基礎。但同時也發現,提供服務的綠地斑塊面積比較細碎,大型綠地的配置率相對較低；而且多數綠地斑塊從屬于多個時間距離半徑內,承受較大人口壓力。最后,建議城市規劃過程中,注重綠地系統與住區從時間尺度上的協調分析。此外,嘗試性地采用日常生活中普遍使用的電子導航地圖開展城市綠地系統可達性分析,研究結果與城市居民的生產生活密切相關,對城市綠地系統規劃具有實際指導意義。

可持續發展實驗區; 可達性; 緩沖區分析; 綠地系統

可持續城市是具有保持和改善城市生態系統服務能力,并能夠為其居民提供可持續福利的城市。城市綠地作為城市生態環境的重要組成部分,是城市的綠色基礎設施,對改善城市生態環境,如保持水土、減輕城市熱島效應和維持生物多樣性,滿足居民游憩、緩解疲勞和壓力、鍛煉身體等需求具有不可替代的作用[1]。迄今為止有很多關于城市綠地的重要作用的相關研究,對于其可達性的研究更是層出不窮[2]。隨著人們的生活水平不斷提高,人們開始在置業、購房時更多地關注自己周圍綠地系統的配置。很多城市管理部門相關相繼提出“市民出門500m見綠,1000m可達大型綠地”等目標[3]。一些學者研究公園綠地的空間可達性時認為,公園綠地的可達與否是其布局與規劃是否合理的指標,并且隨著距離的增加,可達性減弱[4]。城市綠地相對于居住生活區的可達性成為衡量一個城市可持續發展能力的重要指標之一。

可達性的最初提出是在1959年,由Hansen提出并定義為交通網絡中各節點相互作用機會大小[5]。隨著時間的變化,它的定義的評價方法也在不斷更新,但是一般被理解為人們到達某一目的地的能力[6]。可達性分為主動和被動的可達兩種：前者指人的意愿產生的對某一目的地的選擇,后者指前往各地之間交通的便利程度[7]。可達性的理論和實踐應用研究中出現多種可達性的研究方法,從傳統的統計指標法,到緩沖區分析法,加權費用距離法,網絡分析法[8]。如宋秀華[9]等采用加權距離法對泰安市公園綠地現狀和規劃進行了可達性分析后認為泰安市綠地可達性在規劃后明顯提高。鄢進軍[10]等采用網絡分析法對重慶市主城中心區的居民在30min步行距離到最近的公園的可達性發現了不同城區間的差異性。李博等[11]應用GIS提出一種易操作和可驗證的綠地可達性指標定量評價模式,經過方法比較和案例驗證,這種模式的評價結果更適合作為城市公園綠地規劃的可達性指標。尹海偉[12]等認為可達性計算如果都在城市轄域范圍內進行,將有利于城市間的橫向比較。

城市綠地各種服務功能的服務對象主要是城市居民,其可達性水平深刻地影響著城市貧困群體、老人、兒童以及殘疾人使用綠地等公共服務設施的頻次。因此,近年來的研究逐步考慮到公園綠地周圍的實際情況,以及使用者的數量和分布、土地使用類型以及開發密度等[12]。如Shen在研究城市時不但采用了可達性的理論,同時他把人和社會經濟活動基于可達性理論聯系在一起[13]；Xingyou Zhang[14]等人也采用加權距離和人口結合來研究公園可達性,研究尺度也常被選用在房屋或居住小區尺度。也就是說,關于城市綠地可達性研究指標越來越精細化,更加關注被服務對象的特點以及數據的更新頻率。因此,傳統的以選用行政區劃圖、人口普查數據和城市公園綠地數據等為主的分析方法[15],從時間尺度上、空間尺度上都不能達到這一要求。

本文在考慮到我國城市化進程加快、城市綠地系統變化較為劇烈的特點,選用了導航型電子地圖開展城市綠地系統可達性分析。這是因為隨著免費的Web端導航地圖快速發展,使得導航地圖成為一種必須的大眾消費品。導航地圖也從單一的導航平臺到綜合信息服務平臺和社交平臺,發生了巨大變化,功能也越加完善[16]。尤其是導航電子地圖中,有一類重要的數據——就是興趣點數據。興趣點是指人們查找有用或者感興趣的特殊位置點,即指一切可以抽象為點的地理實體尤其是和人們生活相關的基礎設施,如購物中心,車站,醫院,公司以及學校等[17]。興趣點數據是面向公眾服務最重要的地理信息,在城市居民生產生活中具有較大影響,常常被用于城市居民休閑用地選擇、綠地系統查詢等工作,目前在我國地理國情監測以及地理信息公共服務平臺中也應用廣泛[18]。興趣點是城市公眾地圖服務系統的核心,數據內容的豐富與否決定城市地圖服務系統建設的成敗[19]。隨著地理信息產業的發展以及人們的需求增長,興趣點的作用越來越突出,影響興趣點的生產與建設的主要因素是能否滿足公眾及相關部門對興趣點的查詢和應用需求。這給城市生態系統服務研究,尤其是城市綠地系統服務研究提供了新的數據來源,這也是本文探索的重點。

1 研究區概況

本文選擇“十二五”國家科技支撐計劃項目《城市可持續發展能力評估及信息管理關鍵技術研究與示范》所設定的北京市西城區、北京市石景山區、浙江省紹興市和山東省日照市4個國家可持續發展實驗區為研究對象。國家可持續發展實驗區自1986年創建以來,積極發揮科技示范引領作用,帶動地方經濟社會環境全面、協調、可持續發展。在體制機制創新、科技創新、城鎮建設、社區管理、生態環境保護、資源開發利用、城市轉型發展等方面積累了豐富的經驗,已成為地方政府實施可持續發展戰略、開展科技成果轉化應用的載體和平臺,示范和帶動作用明顯。同時實驗區也成為全球實施可持續發展戰略的重要組成部分和我國推動地方可持續發展戰略的對外窗口。這些可持續發展實驗區在人居環境改善、城市綠地系統建設方面投入了大量人力物力,相應的評估指標也與城市生態系統服務功能密切相關。

本文通過對這些國家可持續發展實驗區城市綠地系統的服務功能比較研究來分析其建設成效和可持續發展潛力。其中,紹興市和日照市地級市型可持續發展實驗區,北京市西城區和石景山區是城區型可持續發展實驗區。表1列出了這4個可持續發展實驗區的基本情況,從這些基本數據來看,這些研究對象之間具有相似性和可比性,尤其是北京市的兩個城區之間,以及國內兩個相對有特點的地級市之間。

表1 四個可持續發展實驗區的基本情況

2 研究方法

2.1 數據源選擇

高德軟件有限公司是國內一家重要的導航電子地圖供應商和位置服務提供商,所生產的導航電子地圖普及率高,更新能力快。本文所選用的數據是由高德公司生產、北京捷泰天域信息技術有限公司采用ArcGIS軟件平臺發行的2014年春季數據(2014Q1版),選用的投影為WGS 1984 Web-Mercator。選擇這套數據的主要優勢是與主流地理信息系統數據平臺兼容,便于統計分析。同時,也便于通過手機開展實地現場驗證工作。

2.2 數據預處理

2.2.1 建立綠地系統專題數據庫

依據我國《城市綠地分類標準》(2002年),綠地是指以自然植被和人工植被為主要存在形態的城市用地。它包含兩個層次：一是城市建設用地范圍內用于綠化的土地；二是城市建設用地之外,對城市生態、景觀和居民休閑生活具有積極作用、綠化環境較好的區域。研究區域的電子導航數據均采用ArcGIS軟件的FileGDB數據庫進行存儲,其中的數據子集“自然相關”中的“植被”圖層是本研究的主要對象。該圖層為面狀要素,主要描述研究區域內植被覆蓋斑塊的名稱和位置信息,包括公園、景區、綠地等多種類型。

基于高德數據和城市綠地分類標準,借助ArcGIS軟件的分析提取工具。分別提取北京市西城區和石景山區、紹興市和日照市的綠地數據,這些綠地包括道路交通綠化地、休閑場所綠化地、默認綠地、高爾夫球場、森林公園以及園地。

2.2.2 建立住宅區專題數據庫

邊界與政區中的建成區數據,以及其興趣點中的第十二類中的商務住宅相關的住宅區數據。根據高德數據的興趣點的分類明細,其中的第12類商務住宅相關提取出的住宅區,這些就是點數據,是根據住宅區中心獲得的,比較便于計算,數據比較真實全面。基于高德數據,借助ArcGIS軟件的分析提取工具,獲得北京市西城區和石景山區的、紹興市以及日照市的住宅區數據。本文所需要的住宅區的數據是從上面所提到的高德數據的分類標準中的第12類商務住宅相關提取出的住宅區,代碼是120300、120301、120302、120303、120304。根據這些統計出這4個區的住宅區的數據。

2.3 用緩沖區方法分析可達性

緩沖區分析是地理信息系統重要的空間分析功能之一,是對一組或一類地圖要素(點,線或面)按設定的距離條件,圍繞這組要素而形成具有一定范圍的多邊形實體,從而實現數據在二維空間擴展的信息分析方法[20]。為開展4個國家可持續發展實驗區所在城市的比較分析,考慮到如果采用加權費用距離法或網絡分析法，不同城市的具體參數差異將會很大,不具有可比性,所以選擇緩沖區分析法來開展可達性空間分析。

(1)確定緩沖區的源：以綠地系統專題數據庫中所有空間面對象為源；

(2)確定緩沖區半徑：很多學術研究和城市管理部門調查表明,居民期望在步行500m的距離內到達公園綠地,而且能夠接受的最長步行時間為30min。依據居民這些意愿,本研究將步行達到綠地時間劃分為3個等級：第一級(I)小于5min；第二級(II)5—15min；第三級(III)15—30min。由于GIS平臺需要采用空間距離作為緩沖區,所以需要將出行時間換算為步行距離。這里以人步行速度5km/h計算,則其緩沖區半徑依次為420、1250、2500m；

(3)緩沖區的生成與應用：采用ArcGIS Desktop軟件空間分析工具分別建立4個實驗區上述3個綠地可達性等級的緩沖區圖層。為更好的表征各個緩沖區內覆蓋的住區分布情況,將緩沖區分析等級圖與居民點數據分布做空間疊置分析,得到每個實驗區內不同緩沖區范圍內的住宅區分布圖,然后進行下一步可比性指標的計算和分析。

2.4 可比性指標及其計算

為開展我國不同地區(南北方)、不同類型(城區型、地級市型)國家可持續發展實驗區綠地系統的服務能力比較分析。本研究在獲得綠地可達性緩沖區基礎上,對其服務區域內住宅區數量進行了提取與分析,并且構建了綠地服務面積比、服務區內住宅數量、建成區綠地率3個指標進行比較分析：

(1)綠地服務面積比

SA=GSA/A×100%

(1)

式中,SA表示服務面積比,GSA表示綠地提供的服務面積,單位(km2),A表示城市總面積(km2)。

(2)綠地服務住宅數量比

SR=GR/R×100%

(2)

式中,SR表示服務住宅區比,GR表示綠地提供服務的住宅區的數量(個),R表示城市總住宅區的數量(個)。

3 結果與分析

3.1 城區型和地級市型可持續發展實驗區城市綠地系統差異明顯

經過空間分析和制圖,所研究的4個國家級可持續發展實驗區分別以數據庫和地圖形式展現。圖1展示了北京市西城區和石景山區這兩個城區型可持續發展實驗區的住區綠地系統可達性關系圖。從圖中可以看出,由于北京市西城區屬于高度城市化區域,沒有任何自然生態系統的組分存在,綠地斑塊的分布表現為規則的南北走向。從以城市主干道附屬街頭綠地向兩側居民生活區呈階梯狀排列,表現出規則布局的特點。而石景山區住宅區分布呈現出集中在其東南部和中部地區,其西部因北京西山森林生態系統、自然保護區而使住區數量較少,而西城區的住宅區分布則呈現出區域內均勻分布的特征。如西城區的綠地雖然要比石景山區的面積大且分布均勻,但在對其居民的服務水平上沒有石景山區的高,尤其是是缺乏30 min內可達的大型綠地(表2)。考慮到石景山區的經濟沒有西城區的發達,人口也沒有西城區的密集,在石景山區今后的發展規劃中,應該結合其居民點進行適宜的綠地規劃,滿足居民的綠地需求,更進一步提高綠地的服務水平,以吸引西城區等中心城區的人口。圖2展示了紹興市和日照市兩個地級市型可持續發展實驗區內的住區與綠地系統可達性關系布局。從圖中可以看出,地級市型城市住區與城市綠地系統均被廣大的農田和森林等自然生態系統所環繞,與大城市中心城區相比,城市綠地系統承受壓力相對較輕。也就是說,地級市型城市的建成區由多個分散城市建成區域組成,住宅區域也相對分解為不同子區域,降低了對中心城區綠地的需求壓力。

圖1 石景山區和西城區的不同緩沖區內住宅區分布Fig.1 The residential areas distribution in the different buffer zone in the districts of Shijingshan and Xicheng

3.2 城市綠地斑塊面積等級分布趨勢相似

表2統計表明,西城區的綠地系統主要由<0.1 km2斑塊組成,占到所有斑塊的94%,其內部沒有任何大于0.5 km2以上的大型綠地斑塊。這與大城市中心城區的綠地斑塊多采用“見縫插針”式規劃為主相關。而地處北京西山腳下的石景山區則有多個大于0.5 km2以上的綠地斑塊,其不同等級斑塊的數量與面積同步增加。在未來城市發展中應該繼續保留適度面積規模的城市綠地。由于大量水系的地理切割作用,紹興市的I級綠地斑塊占比達到了95.6%,綠地斑塊的面積在0.1—0.5 km2時,紹興市綠地斑塊面積的大小相對其整個研究區的面積是最大的,而西城區也是最小的；綠地斑塊的面積為在大于0.5 km2時,日照的綠地斑塊面積相對其整個研究區的面積是最大的,而西城區依然是最小的。紹興市的綠地斑塊相對其整個研究區域總體比日照市、西城區以及石景山區的要多。

3.3 不同時間距離內綠地斑塊分布差異明顯

城區型可持續發展實驗區和地級市型可持續發展實驗區依然有明顯差異,在5—15 min以及小于5 min的緩沖區范圍,西城區可達性是最高的,日照市是最低的；石景山區的綠地緩沖區服務范圍次于西城區,在15—30 min的緩沖區服務范圍,石景山區是最高的,日照市是最低的(表3)。

圖2 紹興市和日照市的不同緩沖區內住宅區分布Fig.2 The residential areas distribution in the different buffers in the city of Shaoxing and Rizhao

綠地斑塊面積等級/km2Greenpatchesarealevel西城區比例/%Xichengratio石景山比例/%Shijingshanratio紹興比例/%Shaoxingratio日照比例/%Rizhaoratio<0.1947595.687.10.1—0.56223.49.20.5—1010.12.5>1020.91.2

表3 不同時間距離范圍內綠地斑塊面積及比例

由于研究區域內綠地系統并不限制其他區域居民進入,也就是說,研究區域內的綠地斑塊相對于研究區域外是可達的。為分析其所承受外界壓力的能力,表4統計了不同可持續發展實驗區不同時間距離內對外住區提供服務綠地面積。由表4可以看出,石景山區和西城區均有大量城市綠地系統被周邊地區“共享”。如西城區總面積86.11 km2,有高達61.06 km2,約占70.9%可為其他城區提供服務。從這個角度來講,大城市中心城區的綠地斑塊承受更多的壓力；反之,比較偏遠的城市,如日照市城市綠地系統被外界共同可達的可能性就比較小。

在5 min內可達的住區數量中紹興市最高,達到紹興市住宅區總數量的47%,而日照市和西城區相對較低,僅為32%；在5—15 min時間距離內,北京的西城區、石景山區、日照市均處在50%左右的水平,應該說是北方城市的一個特點,表現為街道寬闊,住區面積大(表5)。

表4 不同時間距離內對外住區提供服務綠地面積

表5 不同時間距離內住區統計分析

在所研究的4個可持續發展實驗區,有95%以上的住區居民步行30 min即可到達任意綠地,尤其是石景山區的住區居民實現了30 min內到達綠地的需求的全覆蓋；也可以看到,80%以上的住區居民可以在15 min內到達周邊任意綠地,這給近年來城市管理部門打造“一刻鐘生活圈”提供了良好的基礎；相比之下,4個研究的國家級可持續發展實驗區內僅有3成左右的住區居民可以實現5 min到達城市各類綠地(表6)。

表6 可達不同時間距離內的住區統計

4 結論與建議

通過對4個不同類型國家級可持續發展實驗區所在城市的綠地可達性指標進行比較分析表明,這些可持續發展實驗區內的綠地系統整體上分布比較均勻,綠地斑塊與住區匹配度高,滿足了區域內不同空間分布住區居民的需求。尤其是步行30min即可到達綠地的比率比較高,能夠覆蓋了95%以上的住區。這充分體現了我國可持續發展實驗區的建設工作對城市人居環境的重視,實現了綠地布局的合理性,以及對不同街道居民對其利用的公平性要求。但是,也因注意到可達性高的城市綠地斑塊,其服務人口多,負載重,不利于城市綠地系統可持續建設；而那些可達性低的綠地斑塊,服務效率過低,資源浪費,建議相關部門在未來的城市規劃中適度進行均衡。尤其是要在考慮綠地規劃時,不僅要考慮到綠地的所在位置,還要把綠地的規模大小,內部基礎設施以及娛樂設施都要考慮在內,達到滿足居民需求的目的。同時,在城市規劃過程中應當注重一邊新建住區一邊配置綠地系統,做到有住區就有綠地。

本文創新性地嘗試采用電子導航地圖中的綠地和住宅區數據分析城市綠地系統可達性,這些數據與城市居民的生產生活密切相關,是現代生活中居民越來越普遍使用的手機用導航地圖數據。根據這些數據分析得到的結果對可持續發展實驗區的未來綠地規劃布局具有重要的參考意義,對其城市的綠地系統規劃具有實際參考價值。在本研究過程中,雖然采用緩沖區分析法簡單地分析了可達性,沒有考慮實際前往綠地斑塊內部的實際可達過程路徑,但是從可見性,也就是指視野內可見綠色的空間分析來說,也還是有一定的參考意義的。

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A comparative study of green system accessibility in four sustainable development experimental zones

DONG Rencai1, ZHANG Nana1,2, LI Siyuan1,2, ZHANG Yonglin1,2, WANG Tao1,2, FU Xiao1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Cities located in sustainable development experimental districts value the vital supporting role played by their corresponding green space systems. A rational layout of an urban green space system can increase the urban ecological space capacity and meet the various demands of populations in different locations. Citizens are an important indicator for evaluating the success of an urban green space system. This study used residential points and green space systems in electronic navigation maps produced by and the GIS buffer analysis method to analyze the patch characteristics of urban green space systems in the four representative national sustainable development experimental districts. These were-Xicheng district, Shijingshan district, Shaoxing City, and Rizhao City. In addition, a comparative analysis of the amount of people within different time distances from green spaces (<5 min, 5—15 min, and 15—30 min) in urban residential districts was used to assess green space accessibility and service ability. The results showed that the distributions of the green space systems in the four sustainable development experimental districts were reasonable and that they were widely accessible, especially with regards to people who lived within 30 min of green space, which covered 95% of the local residents. More than 80% of the residents could reach any nearby green space within 15 min, which provided a good foundation on which the urban green space management department could build "a quarter of an hour life circle." However, at the same time, we found that the green spaces providing services were dispersed and small and that large green space areas were limited. Most of the green areas within the different time/distance radii were subject to higher population pressures. The results from this investigation suggest that urban planning processes should consider the time/distance factor for residents when planning a green space system. In addition, this study used electronic navigation maps, which are widely available, to analyze urban green space system accessibility. The results of this study are relevant to areas where urban residents were living and working, which will have practical significance when planning an urban green space system.

sustainable development experimental district; accessibility; buffer analysis; green space system

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2013BAJ04B03); 城市與區域生態國家重點實驗室自主項目(SKLURE2013- 1-05)

2016- 02- 12; 網絡出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201602120271

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xiaofu@rcees.ac.cn

董仁才,張娜娜,李思遠,張永霖,王韜,付曉.四個可持續發展實驗區綠地系統可達性比較研究.生態學報,2017,37(10):3256- 3263.

Dong R C, Zhang N N, Li S Y, Zhang Y L, Wang T, Fu X.A comparative study of green system accessibility in four sustainable development experimental zones.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3256- 3263.