基于GIS的公共圖書館空間可達性分析

鐘抒慧，楊 巖*，佟賀豐，鄭 佳

（1.中國科學技術信息研究所，北京100038）

作為一種制度性的公益組織[1]，公共圖書館在保障公民基本文化權益方面發揮著重要作用[2]?！度珖矆D書館事業發展“十三五”規劃》中指出到2020 年[3]，我國公共圖書館建設的重要目標是完善設施網絡，推進服務均等化建設。均衡公平的公共圖書館布局能優化政府資源配置效率，更好地保障全體社會成員的基本權利?？蛇_性作為我國政府公共服務設施布局的重要原則[4]，能合理測度設施的公平性?；贕IS 的空間可達性方法是目前度量公共設施空間格局的有效工具[5-6]。相較于傳統的理論、定性研究方法，可達性評價方法具有定量化、直觀性、可操作性強等優點。

北京市作為文化中心，在全國的公共文化體系建設中發揮著示范引領作用[7]。北京市主城區作為首都文化實力最突出的區域，圖書館的建設具有很高的研究價值。本文以北京市主城區為例，利用高斯兩步移動搜尋法（Ga2SFCA）構建研究模型，對區內圖書館進行了可達性分析，以期能為相關決策部門提供數據支持。

1 相關研究

可達性是空間中由一點到達另一點方便程度的測量度[8]。作為GIS 研究的重要方向，可達性分析被廣泛應用于公園綠地[9-11]、商業中心[12-13]、醫療服務[14-15]等設施空間布局的相關研究中，常用方法包括兩步移動搜尋法（2SFCA）[14-16]、比例法[17]、最小鄰近距離法[10-11]和累計機會法[9,15]等。

對于公共圖書館領域空間可達性的研究開展較晚且數量不多，如Park S J[18]采用最小距離法對美國弗羅里達州萊克縣的公共圖書館空間布局進行了分析，重點關注可達性與人口特征的關系；Higgs G[19]等基于改進的2SFCA 算法，研究了英國的彭布魯克郡圖書館政策變化對其可達性的影響；潘勇卓[20]等利用Ga2SFCA算法對重慶市主城區公共圖書館的可達性進行了評價，顯示了該方法在圖書館可達性評價方面的優勢；GUO Y Q[17]等采用比例法和2SFCA 算法對香港的公共圖書館不同地理尺度的可達性進行了計算，得到更為穩健的研究結論。在上述方法中，2SFCA 算法是目前較成熟的方法，具有操作便捷、結果客觀的優點。

2 研究數據與算法

2.1 研究區概況與數據獲取

本文以北京市主城區為研究區，包括東城區、西城區、海淀區、朝陽區、豐臺區和石景山區（圖1）。研究區下轄131 個街道，1 171.6 萬人；公共圖書館14 座，藏書總量為5 482 余萬冊。北京市主城區有發達的路網結構和完備的公共交通設施，由于區域內經濟密度高、人口密度大，區內日常通勤壓力大，常有道路擁堵狀況發生。

需求力、服務力以及出行阻抗是影響公共圖書館可達性的主要因素[20]。本文以區內14 座公共圖書館為服務點，以館藏紙質書量表征服務力，各圖書館的藏書量源于官網；以居民小區為最小研究單位，以小區人口數量表征需求力。為了研究的方便，本文假設街道內各小區人口平均分布，各小區人口數據采用其所在街道人口總量與街道內小區總數量的比值近似替代，各街道人口數據源于第六次全國人口普查。14 座公共圖書館和各小區的空間位置取其入口點坐標，由百度地圖坐標拾取工具獲取并矢量化。

圖1 研究區概況

2.2 出行阻抗的計算

距離和時間是圖書館可達性研究中常用的出行阻抗，考慮居民多以時間消耗衡量出行成本的認知習慣，本文以實際出行時間為抗阻。出行時間通過調用百度地圖應用程序接口（API）獲得，包括自駕和公共交通出行時間。百度地圖API 是基于百度地圖服務的免費便捷的應用程序接口[21]，用戶可根據自己的需要通過Javascript 語言獲得百度地圖的路線規劃、公交方案等應用數據[22]。通過該方法獲取的自駕出行時間將出行過程中的紅綠燈等待時間、道路的實時擁堵時間等計算在內；獲取的公共交通出行時間是基于最優公交出行方案的最短時間，包括公交車、地鐵和兩種交通工具換乘的出行方式，對出行兩端的步行時間、不同交通工具的換乘時間等進行了合理的估算。與被廣泛采用的傳統GIS 基于二維歐式平面的路網分析方法相比，基于WebGIS 的百度地圖API 的時間計算結果能最大限度地接近實際出行時間，進一步提高可達性精度，也適用于其他領域的可達性研究。

2.3 Ga2SFCA 算法

Ga2SFCA 算法由Radke J 于2000 年首次提出[23]。2SFCA 算法考慮了供給端與需求端之間的潛在相互作用，解決了人口跨越行政區劃獲取服務的實際問題。本文采用的Ga2SFCA 算法是在2SFCA 算法的基礎上，引入高斯函數為權重函數，克服了2SFCA 算法在搜索半徑內假設所有點獲取服務能力相同的不足，給予不同出行時間需求點不同的權重。Ga2SFCA 算法分為兩步：

1）以各服務點圖書館j為中心，定義一個時間閾值T0為搜索半徑，搜尋在該閾值內所有的需求點k。Sj為圖書館j的藏書量，代表了其服務能力；Pk為搜尋閾值內小區k的人口數。根據小區k與圖書館j之間的出行時間，通過高斯方程賦予不同的人口權重，即式（1）。服務力與所有需求規模加權求和之后，即可得到圖書館j的供需比Rj。

2）對于需求點i，以時間閾值T0為搜索半徑，搜尋在該閾值內所有的服務點j。根據需求點i與服務點j之間的出行時間，通過高斯方程賦予不同的人口權重，即式（1）。將搜尋半徑內所有服務規模加權后求和，即可得到居民點i的可達性A。

可達性是一個依賴搜尋半徑T0的指標[24]，過大或過小的半徑將平滑或增加測量值的差異。參照《公共圖書館建設標準》中大型圖書館應滿足的讀者公交出行60 min 最大出行時間的標準[25]，本文將60 min 作為居民到達圖書館的最大意愿出行時間。該計算過程通過ArcGIS10.2 軟件實現。

3 研究結果與分析

3.1 出行時間成本分析

本文以10 min 為間隔，對居民自駕和公共交通出行方式下由居民小區到達圖書館的最短時間進行分段，計算其頻數和累計頻率（圖2）。在自駕出行交通方式中，出行時間主要集中在0～10 min、10～20 min 和20 ～30 min 三個時間段，研究區內有92.86%的小區可在30 min 內獲得圖書館服務。在公共交通出行方式中，出行時間集中在20 ～30 min、30 ～40 min 和40～50 min；另有7.95%的小區獲取服務的時間超過60 min。就兩種出行方式而言，自駕和公共交通出行方式的平均最短時間分別為15.74 min 和37.74 min，前者的出行時間成本明顯較小。

圖2 兩種出行方式的出行時間成本分布

3.2 公共圖書館服務能力分析

北京市主城區平均84 萬人擁有一座公共圖書館，人均擁有紙質圖書4.68 冊。據第六次全國縣級以上公共圖書館評估定級結果，北京市主城區的14 座公共圖書館中有9 座公共圖書館被定級為一級圖書館[26]，在建筑面積、職工素養、藏書量等綜合因素方面獲得國家文化部的認可，說明研究區內圖書館的資源和服務能力較好。中國國家圖書館、首都圖書館、海淀區圖書館和朝陽區圖書館藏書量和供需比均遠大于其他圖書館，因此將這4 座圖書館與其他圖書館的數據分別統計，如圖3、4 所示。圖書館供需比越小，說明其剩余服務能力越弱，資源利用越充分。基于公共交通出行方式的各圖書館的供需比顯著大于自駕出行，說明自駕出行方式下居民能更便捷地獲取圖書館的服務。在60 min 的時間閾值下，各圖書館的供需比受其服務力影響顯著，且二者有一定的相關性。圖3 中藏書量超過100 萬冊的4 座圖書館供需比顯著高于其他圖書館，但交通的便利程度限制了這4 座圖書館提供服務的人口和范圍。通過對比發現，石景山區圖書館與石景山少兒圖書館公共交通出行方式與自駕出行方式的供需比遠大于其他圖書館，說明該區圖書館公共交通相對較不便利，在未來圖書館的公共交通規劃中應重點考慮。此外，研究區內的4 座青少年兒童圖書館中僅有西城區青少年兒童圖書館被定級為一級圖書館，且剩余服務能力均較弱，青少年兒童圖書館資源相對匱乏。青少年兒童圖書館作為少年兒童信息保障中心，是培養現代化人才的基地[27]，政府部門應高度重視對相應資源的建設和完善。

圖3 公共圖書館供需比和藏書量統計（藏書量超100 萬冊）

圖4 公共圖書館供需比和藏書量統計（藏書量未達100 萬冊）

3.3 可達性空間特征分析

借助ArcMap 軟件空間分析工具，對兩種出行方式下的結果分別進行普通克里金插值計算，生成的可達性空間分布結果如圖5、6 所示。

在公共交通出行方式下，研究區可達性平均值為0.47，空間分布差異大。可達性的空間分布規律與環狀的北京市主城區道路網絡格局相似，由城中心向四周輻射遞減。其主要原因為公共圖書館大多處于或靠近城中心的東城區和西城區，同時北京三環線內發達的公共交通尤其是密集的地鐵線分布大大提高了居民獲取資源的便利程度。僅19.55%的居民區能較便捷地獲取圖書館服務（圖5 中紅色和橘色區域），包括海淀區西南角的北下關街道、甘家口街道、北太平莊街道等，朝陽區西部的和平街街道、呼家樓街道等，東城區和西城區的絕大部分街道；7.72%的居民區可達性值為0（圖5 中深綠色區域），集中在海淀區西北角的蘇家坨地區，豐臺區西部的長辛店鎮以及朝陽區東北角的崔各莊和金盞地區，這些區域分布在研究區外圍，距離圖書館較遠，同時公交站和地鐵站密度較低。具體而言，可達性值前三的小區是呼家樓街道的嘉里公寓（10.93）、紫竹院街道的西三環北路23 號院（10.304）和牛街街道的牛街春風社區（10.040）；可達性值為0 的小區包括長辛店鎮的二七車輛社區、張郭莊南路40 號院，奧運村街道的天月園、萬達大湖公園等。

在自駕出行方式下，研究區可達性平均值為0.73，所有居民可在60 min 內獲得服務。與公共交通出行方式分布規律不同，可達性最好的區域（圖6 中紅色區域）零星分布，說明與圖書館的距離不再是影響可達性最主要的因素。海淀區東角的西三旗街道人口密度大、距離圖書館遠，其可達性佳的主要原因是交通十分便捷——該區臨近京藏高速、京新高速，S216 省道過境，道路等級高，大大降低了出行的時間成本。通過分析發現，可達性受人口密度影響較明顯，可達性較好的區域大多具有人口密度較低且距圖書館不太遠的特征。具體而言，可達性值較低的包括蘇家坨鎮的鳳凰小區（0.016）、鳳凰嶺公寓（0.019），奧運村街道的天翠園（0.010）等；可達性值最高的包括廣安門外街道的歐園北歐印象（8.018）、太平橋街道的華源一里八號院（7.844）等。

兩種出行方式的可達性標準差分別為0.35 和0.60，自駕出行方式的可達性顯著優于公交出行，其均衡性也更好。海淀區、豐臺區、朝陽區和石景山區4 個外圍區公共圖書館的可達性自駕出行方式明顯優于公共交通出行方式，說明這些區域內自駕出行方式的綜合出行能力更強。與之相反，東城區和西城區在公共交通出行方式下的可達性更好，其原因為這些區域主要為行政辦公區，是北京市的中心城區，人流量較大，自駕出行常遇行駛緩慢或堵車狀況，因此對于到達首都核心區內需獲取圖書館資源的居民而言，公共交通出行反而是更優的選擇。

圖5 公共交通出行方式下的可達性空間分布

圖6 自駕出行方式下的可達性空間分布

4 結 語

本文以北京市主城區為例，采用Ga2SFCA 算法對兩種出行方式下的公共圖書館的空間可達性進行了探討，并通過調用百度地圖API 的方法提高了所得出行時間的精度。研究結果表明，北京市主城區公共圖書館資源相對充足，整體可達性較好；距離圖書館較遠的區域，其交通便利程度對可達性的影響更顯著；距離圖書館較近的區域，人口密度對可達性的影響更顯著。自駕出行方式下的圖書館可達性顯著優于公共交通出行方式，但對于東城區和西城區的居民而言，公共交通出行方式卻是較優的選擇。為了使每個居民獲取圖書資源更加高效和便捷，針對研究結果本文提出兩點建議：

1）鑒于北京市主城區內緊張的用地現狀，新建大型圖書館并不符合實際。參照香港、倫敦等較發達城市行之有效的案例，可在區域內可達性差的地區增設流動圖書館（即巡回書庫），以保障所有居民的圖書資源可獲得性。此外，研究區內高校云集，可將高校圖書館合理的面向大眾開放。

2）適當提高道路等級，完善公共交通建設。對于因距離公共交通站點遠而致可達性低的圖書館（如石景山區圖書館），相關部門應重點考慮，適當增加相應的公交車和地鐵站點接駁設施。