基于GIS的城市公園綠地可達(dá)性時(shí)空變化分析

劉正綱，李 玲

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

城市公園綠地是人們主要的室外游憩場(chǎng)所，具有重要的生態(tài)、社會(huì)文化功能，其可達(dá)性的強(qiáng)弱直接影響著綠地的使用頻率，進(jìn)而影響著人們的身體健康狀況[1-4]。可達(dá)性是指從空間中任意一點(diǎn)到該景觀(源)的相對(duì)難易程度[5]，綠地可達(dá)性就是指人們從居住位置到達(dá)綠地的便捷程度。早期研究主要關(guān)注綠地的質(zhì)量、特點(diǎn)以及綠地與居民地的距離，認(rèn)為人們的健康狀況與到達(dá)綠地的距離有很大關(guān)系[6]，是人們到綠地活動(dòng)的首要考慮因素。近年來(lái)，可達(dá)性分析更多的采用空間分析的方法，以地理信息系統(tǒng)(GIS)為主要工具對(duì)公園綠地可達(dá)性進(jìn)行評(píng)估，常見的方法有鄰近距離法、緩沖區(qū)分析法[7-9]、網(wǎng)絡(luò)分析法[7-13]、費(fèi)用加權(quán)距離法、兩步移動(dòng)搜尋法[14-16]等。如施拓等利用緩沖區(qū)分析和網(wǎng)絡(luò)分析法，結(jié)合沈陽(yáng)市的道路和人口數(shù)據(jù)對(duì)兩種分析方法的可達(dá)性結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[7]；楊俊等利用SPOT影像結(jié)合大連市沙河口區(qū)交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)綠地進(jìn)行緩沖區(qū)分析和網(wǎng)絡(luò)分析，計(jì)算各街道綠地服務(wù)面積比率與可達(dá)綠地面積大小并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析[8]；魏冶等利用高斯兩步移動(dòng)搜索法對(duì)沈陽(yáng)市綠地可達(dá)性進(jìn)行分析[15]；尹紅巖等利用網(wǎng)絡(luò)分析方法評(píng)價(jià)沈陽(yáng)市三環(huán)以內(nèi)公園綠地服務(wù)面積及其服務(wù)效率，并分析公園綠地服務(wù)面積及服務(wù)效率隨公園綠地面積、公園綠地形狀、路網(wǎng)密度的變化規(guī)律[10]。

綜上所述，以前的研究主要是采用不同方法針對(duì)城市某一特定時(shí)期的公園綠地可達(dá)性進(jìn)行分析，缺少時(shí)間動(dòng)態(tài)特征，很難反映公園可達(dá)性的變化與城市道路網(wǎng)和公園建設(shè)發(fā)展之間的關(guān)系。所以本文以沈陽(yáng)市為例，利用2006、2011和2016年的QuickBird影像提取的綠地和道路信息，采用網(wǎng)絡(luò)分析法，對(duì)該市三環(huán)以內(nèi)公園綠地可達(dá)性變化及其原因進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)域

沈陽(yáng)市位于北緯41.17°～43.03°，東經(jīng)122.41°～123.83°，是遼寧省的省會(huì)，因位于渾河(舊稱“沈水”)北岸，故稱沈陽(yáng)。沈陽(yáng)是中國(guó)東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)、文化、交通、金融和商業(yè)中心，也是中國(guó)重要的工業(yè)基地和歷史文化名城。屬于北溫帶受季風(fēng)影響的半濕潤(rùn)大陸性氣候，一年四季分明。曾先后獲得“國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市”、“國(guó)家森林城市”、“國(guó)家園林城市”稱號(hào)。全市總面積逾12 948 km2，市區(qū)面積3 495 km2，2015年常住人口829.1萬(wàn)人，戶籍人口730.4萬(wàn)人。

本文以沈陽(yáng)三環(huán)內(nèi)的城市公園綠地為研究對(duì)象。沈陽(yáng)市三環(huán)(繞城高速)內(nèi)是沈陽(yáng)市的主城區(qū)，是城市居民的主要聚居區(qū)，總面積約819.8 km2，包括沈河區(qū)、鐵西區(qū)、渾南新區(qū)的全部以及和平區(qū)、皇姑區(qū)、大東區(qū)、于洪區(qū)的一部分。該區(qū)域能很好地反映沈陽(yáng)市城市公園綠地的總體服務(wù)水平。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究所使用的原始數(shù)據(jù)包括：①2006、2011和2016年三期QuickBird全色影像(空間分辨率為0.61 m)和多光譜影像(空間分辨率為2.44 m)；②城市公園出入口調(diào)查數(shù)據(jù)；③沈陽(yáng)市城市總體規(guī)劃和城市發(fā)展相關(guān)資料。

2.2 研究方法

本文的數(shù)據(jù)處理過程主要分3個(gè)階段：公園和道路信息提取、公園可達(dá)性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和公園可達(dá)性變化分析，詳見圖1。第一階段主要利用QuickBird影像，經(jīng)過校正、解譯和矢量化等，提取道路和公園入口點(diǎn)分布圖；第二階段用來(lái)構(gòu)建公園可達(dá)性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)的分析處理；第三階段通過網(wǎng)絡(luò)分析的方法，分析不同時(shí)期的城市公園可達(dá)性并作對(duì)比分析，簡(jiǎn)析其變化原因，并得出結(jié)論。

2.2.1 公園和道路信息提取

1)公園和道路分布信息提取。公園綠地是向公眾開放，以游憩為主要功能，兼具生態(tài)、美化、防災(zāi)等作用的綠地[17]。根據(jù)國(guó)家的城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)，本文選取綜合公園、全市性公園、區(qū)域性公園、動(dòng)物園、植物園、歷史名園、風(fēng)景名勝公園、游樂園、帶狀公園、街旁綠地為主要研究對(duì)象，不包含小區(qū)或社區(qū)型公園。首先，利用ENVI 5.1軟件平臺(tái)分別對(duì)2006、2011和2016年的QuickBird影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS84橫軸墨卡托投影。將全色與多光譜影像進(jìn)行融合，對(duì)融合后的影像進(jìn)行目視解譯，在ArcGIS中進(jìn)行矢量化，提取城市公園綠地分布矢量地圖。利用相同的方法分別提取2006、2011、2016年的沈陽(yáng)市三環(huán)內(nèi)城市道路矢量地圖，并提取道路的中心線，這里的道路不包括鐵路和居住小區(qū)內(nèi)部道路。

2)公園綠地入口點(diǎn)信息提取。城市公園可以分為有固定入口和無(wú)固定入口兩種，有固定入口的公園通常有2～5個(gè)大門，其余部分用護(hù)欄或圍墻與周邊隔離；而無(wú)固定入口的公園通常周圍與道路鄰接，沒有明確的大門入口，人們可以從多個(gè)方向直接進(jìn)入公園。本文認(rèn)為人們只要到達(dá)城市公園的入口即視為到達(dá)綠地，所以需要到實(shí)地進(jìn)行考察，以確定公園入口的位置。在調(diào)查中，對(duì)于有固定入口的公園，用手持GPS測(cè)量每個(gè)入口的位置，內(nèi)業(yè)處理時(shí)在地圖上以點(diǎn)的形式進(jìn)行標(biāo)記，保存為公園入口點(diǎn)圖層。對(duì)于無(wú)固定入口的公園，筆者通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，它們絕大多數(shù)屬于街旁綠地，邊界形狀比較規(guī)則，以四邊形為主，因此在內(nèi)業(yè)處理時(shí)，在有道路相連的邊界處取多邊形的頂點(diǎn)作為公園綠地的入口點(diǎn)。為分析方便，假設(shè)所有公園的入口在10年間保持不變。依據(jù)上述規(guī)則分別建立2006、2011和2016年的公園綠地入口點(diǎn)圖層。

圖1 本文技術(shù)路線示意圖

2.2.2 公園可達(dá)性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

城市道路交通網(wǎng)是影響公園可達(dá)性分析的重要因素，所以在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析之前需要對(duì)獲取的城市道路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先從公園的入口點(diǎn)向離它最近的道路中心做垂線，將所有城市公園的入口點(diǎn)都移至道路中心線上，形成一個(gè)完整的交通分析網(wǎng)絡(luò)。然后對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系檢查，修正編輯過程中可能出現(xiàn)的線段重疊、自相交、懸掛點(diǎn)等問題。最后參照遙感影像底圖，在平交路口處將相交的線打斷，立體交叉口處(如立交橋等)不打斷，保證各路段的連通性與真實(shí)情況相符。

為了更好地計(jì)算自駕車可達(dá)性，需要設(shè)置交通道路網(wǎng)不同路段的權(quán)重，將所有道路路段對(duì)象賦予了成本、等級(jí)兩個(gè)屬性。成本是經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)元素不同路段時(shí)累積的某種屬性值，例如車行時(shí)間、路段長(zhǎng)度等，文中設(shè)置為通行時(shí)間；等級(jí)指的是道路等級(jí)，將此屬性分別設(shè)置為：國(guó)道、省道為1，城市主干道、次干道為2，支路等為3，分別表示平均車速為80 km/h，60 km/h和40 km/h。

2.2.3 公園可達(dá)性變化分析

網(wǎng)絡(luò)分析是對(duì)地理網(wǎng)絡(luò)和城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)狀事物及它們的相互關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行地理分析和模型化，其理論基礎(chǔ)為圖論和運(yùn)籌學(xué)，主要用于資源的最佳分配、 最短路徑查找等。 一個(gè)基本的網(wǎng)絡(luò)主要包括中心 (centers) 、 鏈(links) 、 節(jié)點(diǎn)(nodes) 和阻力(impedance) (見圖1)[11]。

本文的網(wǎng)絡(luò)分析是以城市交通道路網(wǎng)為基礎(chǔ)，在一定阻抗范圍內(nèi)，以步行和自駕車的方式從所居住地點(diǎn)到達(dá)城市公園綠地的時(shí)間花費(fèi)。將所有的公園入口點(diǎn)作為公共服務(wù)設(shè)施布置點(diǎn)，設(shè)定可達(dá)時(shí)間分別0～5 min、5～10 min、10～15 min、15～30 min、>30 min 5個(gè)區(qū)間段。設(shè)定人的步行平均速度為60 m/min[11]，自駕車的平均行駛速度根據(jù)2.2.2中設(shè)定的道路等級(jí)屬性來(lái)確定。采用網(wǎng)絡(luò)分析中的服務(wù)區(qū)分析方法，利用ArcGIS的Network Analyst模塊，對(duì)城市公園綠地分別以步行和自駕車的出行方式進(jìn)行可達(dá)性研究，以可達(dá)性面積為主要指標(biāo)。以自駕車方式為例，可達(dá)性面積計(jì)算的基本原理和流程如下：①首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各路段的長(zhǎng)度和平均車速，得到各路段的時(shí)間耗費(fèi)，以分鐘計(jì)算；②以某個(gè)公園的一個(gè)出入口為起點(diǎn)，根據(jù)連通性原則，在交通網(wǎng)絡(luò)中查找時(shí)間總耗費(fèi)為5 min的道路點(diǎn)；③將②中所有的道路點(diǎn)連接成多邊形，并計(jì)算其面積；④利用上述方法求取該公園所有入口點(diǎn)的服務(wù)范圍，然后取并集；⑤用類似方法求出所有公園的可達(dá)范圍，然后取并集，即可求出5 min內(nèi)的公園綠地可達(dá)面積，記為A0-5；⑥利用上述①-⑤的方法分別求出10 min內(nèi)、15 min內(nèi)、30 min內(nèi)的公園綠地可達(dá)面積，分別記為A0-10、A0-15、A0-30；⑦研究區(qū)總面積記為A，分別計(jì)算自駕車5～10 min、10～15 min、15～30 min以及>30 min的可達(dá)面積為

A5-10= A0-10-A0-5；
A10-15= A0-15-A0-10；
A15-30= A0-30-A0-15；
A>30= A-A0-30。

依據(jù)上述方法，分別得到2006、2011和2016年不同出行方式的城市綠地可達(dá)性分布圖和可達(dá)面積，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 公園信息提取

沈陽(yáng)市2006、2011和2016年的公園綠地分布情況見圖2。10年間，沈陽(yáng)市三環(huán)內(nèi)的公園綠地從114塊增加到現(xiàn)在的136塊，增幅約19.3%，2011—2016年公園數(shù)量和分布沒有變化。3個(gè)時(shí)期城市公園的占地面積分別為58.86 km2、67.26 km2和67.33 km2，增加的公園綠地主要集中在渾河南北兩岸附近。從2016年的空間分布來(lái)看，大型公園主要集中在渾河及其支流的沿岸附近，例如五里河公園、南湖公園、青年公園、萬(wàn)柳塘公園、北陵公園、丁香湖公園等，城市東北部公園數(shù)量偏少。

沈陽(yáng)市2006、2011和2016年的公園綠地出入口分布情況見圖3。3個(gè)時(shí)期的入口點(diǎn)數(shù)量分別為433、555和555處，平均每個(gè)公園約4個(gè)入口點(diǎn)。2011和2016年的公園入口數(shù)沒有發(fā)生變化，是因?yàn)楣珗@的數(shù)量和分布未發(fā)生改變，但是這5年間的城市道路網(wǎng)有局部變化，進(jìn)而會(huì)影響公園的可達(dá)性。

圖2 2006、2011和2016年沈陽(yáng)市公園綠地分布圖

圖3 2006、2011和2016年沈陽(yáng)市公園綠地入口分布圖

3.2 城市道路網(wǎng)信息提取

沈陽(yáng)市2006、2011和2016年的道路網(wǎng)分布情況如圖4所示。10年間，沈陽(yáng)三環(huán)內(nèi)城市道路網(wǎng)總里程從201.2 km提升至2016年的248.9 km，年均增加4.77 km。道路網(wǎng)密度也從0.245 km/km2提升至0.304 km/km2，增長(zhǎng)了約24.1%。增加的道路主要集中在二環(huán)路與三環(huán)路之間，特別是渾南新區(qū)、西部的于洪新城和北部的白山路周邊地區(qū)，一環(huán)內(nèi)道路幾乎沒有變化。

3.3 沈陽(yáng)市公園綠地可達(dá)性變化分析

3.3.1 步行可達(dá)性變化分析

沈陽(yáng)市公園綠地步行可達(dá)性分布見圖5，可達(dá)面積見表1。從可達(dá)面積看，2006—2016年沈陽(yáng)三環(huán)以內(nèi)城市公園綠地步行30 min內(nèi)可達(dá)面積從278.20 km2增加到387.98 km2，增加了39.5%，其中2006—2011年間增長(zhǎng)更加明顯；至2016年仍有超過50%的區(qū)域步行可達(dá)性超過30 min；各時(shí)間段內(nèi)可達(dá)面積均有所增加，其中2006—2011年增加的更為顯著；10年間，步行15～30 min到達(dá)的面積最大，其余時(shí)間段比較接近。公園可達(dá)性提升比較大的區(qū)域是渾河南岸、西部于洪新城和北部白山路附近；城區(qū)一環(huán)內(nèi)城市公園綠地可達(dá)性基本沒有變化。從2016年的現(xiàn)狀分布看，一環(huán)內(nèi)步行可達(dá)性最好，一環(huán)與二環(huán)之間次之，二環(huán)與三環(huán)之間最差，尤其是城市的東北部和東南部可達(dá)性較差。

圖4 2006、2011和2016年沈陽(yáng)市城市道路網(wǎng)分布圖

圖5 2006、2011和2016年沈陽(yáng)市三環(huán)以內(nèi)城市公園綠地步行可達(dá)性分布圖

3.3.2 自駕車可達(dá)性變化分析

沈陽(yáng)市公園綠地自駕車可達(dá)性分布見圖6，可達(dá)面積見表1。從可達(dá)面積看，2006—2016年沈陽(yáng)三環(huán)以內(nèi)城市公園綠地自駕車30 min內(nèi)可達(dá)面積從507.24 km2增加至563.99 km2，提升了約11.2%，2006—2011年間提升更為顯著，2011—2016年略有增長(zhǎng)；至2016年仍有約31.2%的區(qū)域自駕車可達(dá)性超過30 min；從時(shí)間段分布看，3個(gè)時(shí)期都是0～5 min到達(dá)的面積最大，其余的依次是5～10 min，15～30 min和10～15 min。公園可達(dá)性提升較大的區(qū)域集中在西南部、北部和東南部；東北部地區(qū)仍有一定的提升空間。

3.3.3 不同交通方式的可達(dá)性對(duì)比

兩種出行方式公園可達(dá)性都具有一定程度的提升，2006—2011年間提升較大，2011—2016年間變化較小。0～30 min內(nèi)自駕車的可達(dá)總面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于步行方式，這主要源于自駕車的速度優(yōu)勢(shì)。自駕車方式可達(dá)面積最大的發(fā)生在0～5 min內(nèi)，而步行方式則出現(xiàn)在15～30 min。

圖6 2006、2011和2016年沈陽(yáng)市三環(huán)以內(nèi)城市公園綠地自駕車可達(dá)性分布圖

時(shí)間/min出行方式可達(dá)面積/km22006201120160～5步行51.1275.2076.585～10步行56.3481.8983.4210～15步行54.3465.5073.2815～30步行116.40141.64154.70合計(jì)步行278.20364.23387.980～5自駕車239.38346.46337.485～10自駕車130.22104.58108.7710～15自駕車64.7543.2747.0015～30自駕車72.8969.1270.74合計(jì)自駕車507.24563.43563.99

3.4 綠地可達(dá)性變化原因分析

10年間，沈陽(yáng)市公園綠地可達(dá)性提升的直接原因在于公園數(shù)量和城市道路網(wǎng)密度的增加。2006—2011年，公園數(shù)量和道路網(wǎng)密度快速增長(zhǎng)，公園可達(dá)性顯著增加；2011—2016年，公園數(shù)量沒有變化，但道路網(wǎng)密度仍有少量增長(zhǎng)，總體上也提高了可達(dá)性。

10年間，沈陽(yáng)市先后經(jīng)歷第3輪城市總體規(guī)劃(1996—2010)和第4輪城市總體規(guī)劃(2011—2020)。第3輪總體規(guī)劃“制定了由5條東西向道路、7條南北向道路和3條環(huán)路構(gòu)成的道路網(wǎng)主骨架”[19]。由于城市的發(fā)展、擴(kuò)建，導(dǎo)致三環(huán)附近的道路網(wǎng)密度加大，三環(huán)周邊區(qū)域可達(dá)性有所改善，渾南新區(qū)的道路網(wǎng)密度明顯加大。沈陽(yáng)市城市總體規(guī)劃(2011—2020)中強(qiáng)調(diào)“加快建設(shè)快速路，全面改善干路節(jié)點(diǎn)，充分發(fā)揮支路微循環(huán)，逐步加密過河通道，構(gòu)筑立體化的暢通城市”，這些政策措施已經(jīng)取得了初步成效，2011—2016年間城市主城區(qū)道路網(wǎng)密度進(jìn)一步加大，未來(lái)二環(huán)與三環(huán)之間的道路和公園綠地建設(shè)還有一定的提升空間。

4 結(jié) 論

本文通過遙感數(shù)據(jù)處理、公園綠地信息提取、道路網(wǎng)提取、ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析等手段對(duì)2006—2016年沈陽(yáng)市城市公園綠地的可達(dá)性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，沈陽(yáng)市城市公園綠地可達(dá)性有了較大程度的改善，尤其是2006—2011年間；位于城市中心位置的一環(huán)內(nèi)發(fā)展空間比較小，可達(dá)性變化不明顯；30 min內(nèi)，自駕車的可達(dá)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于步行交通；城市公園步行可達(dá)性面積最大的時(shí)段集中在15～30 min，而自駕車則是0～5 min。沈陽(yáng)市城市公園綠地可達(dá)性的提升，其直接原因是道路網(wǎng)密度和公園數(shù)量的增加，特別是渾南地區(qū)，這得益于10年來(lái)沈陽(yáng)城市規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展。未來(lái)城市公園可達(dá)性提升主要的地域集中在二環(huán)路和三環(huán)路之間，特別是東北部、東南部等地區(qū)。這些成果將為沈陽(yáng)市未來(lái)城市道路交通建設(shè)和綠色生態(tài)環(huán)境打造等提供有益的決策支持。