基于電子導航地圖POI的北京城區綠色空間服務半徑分析

董仁才,姜天祺,,李歡歡,,李思遠,,張永霖,,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

城市綠色空間作為城市生態系統的重要組成部分,具有凈化空氣、調節氣候、吸收噪音、維持生物多樣性與水土保持等多種功能,能為城市居民提供更多戶外活動場所,促進居民的身心健康。居住環境中的綠色空間比率對于居民的健康狀況有著積極的影響,具有改善情緒、緩解壓力的作用[1]。同時,城市綠色空間對于周邊經濟的發展也有促進作用,居民在選擇生活地點時有著“趨綠趨藍”傾向[2]。隨著人民生活水平的不斷提高,城市居民對于綠色空間的需求也日益增加[3]。城市綠色空間生態功能的供給水平不僅依賴于綠地總量,還與其空間配置密切相關[4- 5]。城市綠色空間能為周邊不同范圍的地區提供不同程度的生態服務,而城市居民生產生活密度不同的地區對城市綠色空間的需求也不同。因此,要正確地認識城市綠色空間規劃是否合理,就要求從空間視角去分析城市居民生產生活密度分布和綠色空間的布局[4,6]。

傳統上,相關研究過程中多采用人口普查數據建模分析來表征城市人口密度[7-9],或利用居住用地表征城市人口密度分布[4]。但數據獲取相對困難,處理過程也較為繁瑣,且不能很好地表征城市居民生產生活區的精細化程度。近年來,在城市地理與城市生態研究方面,電子導航地圖數據越來越受到重視,尤其是其興趣點POI數據。電子導航地圖POI數據是以一種代表真實地理實體的空間大數據,具有相關空間位置信息和屬性信息,在更新速度和獲取成本方面,較遙感和人口密度數據有一定的優越性[10]。POI數據涵蓋了城市各類設施的位置信息與屬性信息,在城市基礎設施數據庫中占有重要地位,利用城市空間分析方法研究這些數據點的地理分布特征,可以為城市規劃、決策以及向社會提供社會經濟、文化等統計數據分析服務方面發揮重要作用[11]。可以說,電子地圖的興趣點有效地表征了城市人居狀態。目前POI數據已應用于諸多與城市空間相關的研究,陳蔚珊等[12]基于POI數據對廣州市零售商業中心熱點進行識別和業態集聚特征分析；丁娟等[11]基于互聯網用戶共享數據,從地理興趣點(POI)的角度分析比較入境游客的景觀興趣偏好；許澤寧等則[10]基于電子地圖興趣點來識別城市建成區邊界。POI作為城市空間分析的基礎數據之一,直觀且有效地反映了各類城市要素的集聚狀況[8],其分布模式和分布密度在基礎設施規劃、城市空間分析中具有重要的意義[12- 14]。已有部分研究表明,對興趣點數據進行密度分析可以表征城市經濟熱點與城市人口分布情況[11,15]。

本研究試圖以北京市五環內地區為例,應用城市電子地圖興趣點(POI)數據分析城市居民生產生活熱度區,并分析探討城市綠色空間及周邊不同服務半徑內城市居民生產生活熱度區的分布情況,為城市綠色空間的研究提供新的方法和嘗試,為綠色空間未來的發展建設提供依據。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

從2014年北京市統計年鑒可知,北京市的綠地面積為6.84萬hm2,公園綠地面積為2.32萬hm2,建城區綠化覆蓋率為49.1%,人均公園綠地面積為15.94 m2/人。本文以北京市五環以內為研究對象,研究區處于北京市核心區域,多為平原區域。自20世紀80年代以來,北京市實施了一系列城市綠化建設,包括荒山綠化、綠化隔離帶修建、平原農田林網建設和城市公園建設等,旨在將北京市建設成集自然生態、遺產保護、文化教育和休閑游憩為一體的綜合性綠色生態城市[16]。北京目前已經形成了較為完整的城市綠色空間的宏觀布局,但依然存在綠地總量不足,配置不合理,生物棲息地破碎化、熱島效應突出等問題[17]。城市綠色空間是城市自然生態系統的重要組成部分,具有重要的生態服務功能。過去的城市建設追求單一的綠地面積,忽視綠地在空間上的配置。隨著社會的進步,對綠色空間生態系統服務功能的定量分析與評價已成為生態城市建設中重點關注的問題。

1.2 研究數據

本研究以高德公司生產的2013年Q3版的北京市電子導航地圖數據為主要數據源。該數據為可編輯處理的矢量數據,采用WGS 1984 Web-Mercator投影。該數據采集方式包括了車輛采集、步行采集、收集企業用戶信息、互聯網信息、航空攝影測量及衛星影像等[18-19]。數據內容包含了交通相關、興趣點、境界與政界、自然相關4個數據集,4個數據集下中共包含22個圖層(表1)。

表1 數據集與圖層

自然相關數據集下的植被圖層被用于表示城市中各類綠色植被信息,包含要素名稱、要素類型、要素周長和要素面積等字段。植被要素類型被劃分為六類：休閑場所內綠化地、道路交通綠化地、高爾夫球場、森林公園、園地和默認綠地。經統計,北京市五環內綠地數量共計2524塊,類型主要有道路交通綠化地、高爾夫球場、默認綠地(未開發)、森林公園、休閑場所內綠化地和園地。

興趣點數據集包含興趣點和內部興趣點兩個圖層,本研究只采用其中的興趣點圖層。興趣點圖層中的字段包括要素名稱、要素類型、要素地址電話等。在要素類型的分類方法上,興趣點被分為餐飲、住宿、醫療、景點、商務、購物等19個大類。經統計,北京市五環內興趣點數量為206635個,類別包含餐飲、住宿、醫療、景點、商務、購物等。

1.3 研究方法

興趣點涵蓋了與城市所有生產生活相關設施的位置與屬性信息,可以為城市規劃、管理提供決策服務,從宏觀上獲取城市設施、事件的空間分布特征[11]。一般來說,興趣點的聚集程度越高,則該區域生產生活活動越密集,反之亦然。在興趣點空間特征的表達上,相比于樣方密度、Voronoi圖密度等方法,核密度法更有優勢[12]。故本文使用核密度分析方法,對五環內興趣點熱力圖進行模擬。具體計算公式為：

(1)

式中,f(s)代表空間位置s處的核密度計算函數；h為距離衰減閾值；n為與位置s的距離小于或等于h的要素點的個數；k函數則表示空間權重函數。這一公式的幾何意義是密度值在每個核心要素ci處最大,并且在遠離ci的過程中不斷降低,直至與ci的距離達到閾值h時核密度值降為0[11]。

本研究中以ArcGIS 10.2為操作平臺,運用空間分析中的核密度分析工具對北京市興趣點進行分析。在實際操作中,搜索半徑(與距離衰減閾值相關)的設置對結果的影響較為重要,本研究中根據北京市街區特征,將搜索半徑設置為1260 m。

為科學地在宏觀上反映地區生產生活熱度,研究采用自然分級法,將研究區域內興趣點核密度值按由高到底,劃分為極高密度、高密度、中密度、較低密度和低密度5個等級。接著與綠色空間實體進行空間疊置,初步分析五環內綠色空間與POI密集區的空間分布情況。

一般來說,中大型綠地能為周邊500 m(步行時間小于15 min)范圍內生活的居民提供良好的生態服務功能,為500—750 m(步行時間約15—25 min)范圍內生活的居民提供較好的生態服務功能,為750—1000 m(步行時間約20—30 min)范圍內生活的居民提供一般的生態服務功能,而1000 m之外的地區所能享受到的生態功能較少。因此,本研究在簡單分析了綠色空間實體和POI熱度區的空間分布特征之后,對綠色空間做500、750、1000 m 3種不同半徑的緩沖區,與POI熱力圖進行耦合分析。從綠色空間生態服務供給和POI熱度區生態服務需求的角度,進行有關討論。

2 結果與分析

2.1 五環內綠色空間分布基本特征

圖1 北京市五環內綠色空間分布圖Fig.1 The spatial distribution of green space

從圖1看出,北京市五環內綠色空間斑塊較為破碎,且綠色斑塊的數量呈現由內環向外環逐漸增加的趨勢。在舊城區(二環以內),綠色空間斑塊數量少,單體面積大,分布相對集中,均為由知名的文物古跡、私家園林和宅院演變而來的城市公園綠地。在三環和四環,綠色斑塊數量較多,單個綠色空間面積小而分布相對分散,呈現帶狀、環狀和放射狀。從方位上看,北京市五環內的綠色空間整體呈現北多南少、西多東少的特征。在研究區域的西部和北部,有大量綠色空間集中分布在四環至五環間,在城市南部和東部,綠色空間數量較少且分布較為分散。城市交通主干道的道路綠化明顯,分別為城市由中心向外的高速路和城市環路。幾個大面積的開放綠色空間分別位于二環南部地區,五環北部地區和五環西北地區。準確地呈現了北京市對中心城區綠地系統結構規劃“兩軸、三環、十楔、多園”的基本結構[20]。

2.2 五環內POI熱度分布基本特征

通過對北京市五環內POI進行核密度分析,得到北京市五環內POI核密度分布圖如圖2所示。從圖上觀察,整體上北京市五環內的興趣點主要分布在城市中心地帶,越靠近城市中心,興趣點密度越高。在城市三環以內區域,興趣點密度普遍較高。在城市三環以外地區,興趣點密度隨著與城市中心距離的增加而逐漸降低,在四環以外地區興趣點密度普遍較低。從方位上看,整體上北部地區興趣點密度高于南部地區,東部地區高于西部地區。另一方面,城市南部和北部相比,北部興趣點分布相對較為聚集,南部較為分散；城市東部和西部相比,東部興趣點分布相對較為聚集,西部較為分散。城市作為一個社會經濟綜合體,其集聚效應和規模效益是其最基本的特征,這一特點可以通過POI核密度特征較好地反映。

2.3 結合POI熱力圖的五環內綠色空間不同服務半徑分析

圖2的POI核密度分級分布圖與綠色空間實體進行空間疊置情況如圖3所示。

圖2 北京市五環內POI核密度分布圖Fig.2 The spatial distribution of POI kernel density

圖3 北京五環內綠色空間與基于POI密度分析的生產生活熱度分布圖Fig.3 Distribution of green space overlapped by production and living density based on POI

圖4 不同POI密度等級下綠色空間面積占比Fig.4 Green space area ratio with different heat of citizen activities

由圖3可以看出,五環內居民生產生活極高密度區和高密度區主要分布在海淀區的中關村-雙榆樹-五道口商圈和公主墳/萬壽路商圈、西城區的阜成門-金融街-西單商圈、東城區的東直門-王府井-朝陽門商圈、朝陽區的朝外-建外大街-國貿商圈以及亞運村商圈和望京商圈、豐臺區的方莊商圈。同時,也存在什剎海、玉淵潭和中南海等綠色空間占據優勢的興趣點熱度較低區域。在熱度區中面積占比29.15%的極高密度區、高密度區和中密度區中,城市綠色空間面積僅有4.67 km2,占綠色空間總面積的6.49%；而面積占比44.75%的低密度區中,城市綠色空間面積有56.27 km2,占綠色空間總面積的78.16%,表現出五環內綠色空間分布區與興趣點高熱度呈現兩極分化的現象。不同POI密度等級下的綠色空間面積占比統計見圖4。

城市綠地空間與居民生產生活密集區在空間上的交錯分布是必然的,但是城市綠色空間應能盡量發揮其有效的服務半徑。因此通過進一步對城市綠色空間進行不同半徑緩沖區分析(圖5),得到研究區域內綠色空間500、750 m和1000 m半徑范圍緩沖區域對POI熱度區的覆蓋情況,并對不同級別熱度區所能享受到的綠地服務面積進行統計(表2)。

POI熱度區類型Classes of POI heat areas總面積Total area 500 m生態服務區500-meter ecological service area 750 m生態服務區750-meter ecological service area 1000 m生態服務區1000-meter ecological service area 非生態服務區 Non-ecological service area極高密度區Extremely high density area11.796.048.7610.631.16高密度區High density area67.9537.2251.6460.927.03中密度區Medium density area115.1476.23100.91111.913.23較低密度區Lower density area174.47134.29159.87170.284.19低密度區Lowest density area299.18267.60290.85297.831.35總計Total668.53521.38612.03651.5716.96

由表2可知,當綠色空間的服務半徑為500、750 m和1000 m時,綠色空間生態服務區面積能夠達到521.38、612.03 km2和651.57 km2,分別實現了對總面積77.99%、91.55%和97.46%的覆蓋。從綠色空間的服務供給角度看,其空間分布格局相對均勻。同時,在綠色空間500 m服務半徑內,僅覆蓋了POI熱力圖中的極高密度區中51.19%的地區,高密度區中54.78%的地區,中密度區中66.21%的區域,從服務需求角度則表現出綠色空間分布格局的不均衡。

圖6 不同半徑服務區外POI熱度區及主要商圈分布圖 Fig.6 Distribution of different radius service areas and major commercial districts

此外,通過對數據進一步分析,發現各個服務區外均有超過一半的地區是城市生產生活熱度較高的地區(含極高密度區、高密度區和中密度區),而這些地區與北京市主要商圈分布位置大致吻合(圖6)。

3 討論

3.1 北京城區綠色空間與POI密集區分布現狀及問題

電子導航地圖興趣點的聚集程度可以較好的表征城市居民生產生活的熱度,采用POI數據并結合核密度分析,能夠精細刻畫城市居民生產生活熱度在空間上的分布。如興趣點密度值較高的中關村、五道口、國貿、王府井等主要商圈和旅游熱點的形態和輪廓極易辨識。分析表明,北京市五環內興趣點主要分布在城市中心地帶,越靠近城市中心,興趣點密度越高。而綠色空間的分布正好相反,中心城區數量較少,單個綠色空間面積較大且分布相對集中,城市外圍數量較多,單個綠色空間面積小而分布相對分散。五環內綠色空間實體的500、750 m和1000 m服務區的面積比例基本隨著居民生產生活熱度的降低而升高。總體而言,綠色空間服務區與生產生活熱度區在空間上呈現此消彼長的態勢。

通過進一步對北京城區綠色空間生態服務范圍的分析,發現在生態服務區之外的地區主要為生產生活熱度較高的地區(極高密度區、高密度區和中密度區),而這些地區與北京市主要商圈分布位置大致吻合。大型商業用地周邊綠地較為缺乏,體現了傳統城市規劃對城市生產生活布局和城市綠地規劃缺乏科學的認識。傳統的城市綠色空間規劃主要體現在對綠地總量達標和對住宅區的供需平衡上[4],而大型商業用地由于對居民消費的吸引力較大,其周邊的土地經濟價值較高,在規劃過程中多建設為住宅區。但是由于這些地區生產生活建筑群密集,人口活動熱度高,更需要綠色空間的降溫降噪、固碳釋氧、凈化空氣等生態服務功能。

3.2 運用POI數據分析城市綠色空間的優缺點分析

運用POI數據對城市綠色空間服務半徑分析相比于傳統方法有多種優點。首先,從數據源的角度來說,電子導航地圖的興趣點POI數據是一類重要的地理空間大數據,其在更新速度和獲取成本方面具有一定的優越性。在城市生態領域的研究中可以不斷嘗試使用新的數據類型,全方位多角度觀察城市這一復雜的生態系統。隨著現代城市信息化建設的普及,越來越多表征城市人居環境狀態的數據可以被獲取和利用。其次,通過POI核密度法可以獲得城市居民生產生活熱度區,進而分析探討城市綠色空間及周邊不同服務半徑內城市居民生產生活熱度區的分布情況,可以更加精細化地表征城市綠色空間實體所服務對象的空間分布特點,以此提高了對城市綠地系統規劃的科學性,為城市綠色空間的研究提供新的方法和嘗試,為綠色空間未來的發展建設提供依據。該方法仍存在一定的不足,如不同面積大小的綠地的服務半徑的差異性未得到較為充分的研究,在往后的研究中還有待深入。

4 結論與展望

目前,在我國城市用地越來越緊張的情況下,要充分認識綠色空間與城市居民生產生活區的分布特征,科學合理地規劃城市綠色空間的分布,才能使城市綠色空間的生態效益最大化,讓每一塊綠地都能充分發揮其生態服務功能,每一個地區的居民都能享受到周邊城市綠地的生態服務。有眾多學者指出,將城市綠色空間規劃納入城市空間規劃有利于城市合理、科學、高效、可持續的發展[21- 23]。同時,目前已有城市提出將景觀可達性作為城市指標,并且在規劃中加入居民可感知的生態環境指標。如上海在新一輪的城市規劃中在指標上擬增加了“居民出門500米,步行10分鐘,就有一塊3000平方米以上的公共綠地”的指標,悉尼提出了“市民在3分鐘內能到達通往公園的步道上”,紐約提出“確保所有紐約人居住在公園的10分鐘步行圈內”,這些都體現了未來以人為本的規劃理念[24]。因此在未來的城市綠地規劃過程中,應首先科學地認識地區生產生活熱度區的具體分布情況,分析已有城市綠地的不同半徑生態服務范圍,優先在缺乏綠色空間且居民生活熱度較高的區域增加綠化,提高綠化質量,使綠色空間可以為更多的市民提供更好的生態服務。將城市綠色空間規劃納入城市規劃體系,并且在綠色空間的規劃與建設時充分考慮城市綠色空間與居民生產生活區域的分布特征,將是未來城市綠色空間發展的重要途徑。