城市居住小區與公共服務設施空間布局優化

王振坡 劉璐

摘要：利用天津市POI大數據，采取核密度估計、最近鄰分析、Riley's K函數方法，刻畫天津市市內六區及環城四區居住小區與公共服務設施的空間格局與集聚特征。研究發現：（1）天津市市內六區與環城四區的居住小區與公共服務設施呈現出“中心-外圍”結構的空間格局特征，不同類型的公共服務設施分布存在差異。（2）居住小區與公共服務設施的空間分布具有顯著的集聚特征，但集聚規模與強度差異明顯，二者空間分布的協調性程度有待進一步提高。

關鍵詞：居住小區;公共服務設施;POI大數據;空間格局

中圖分類號：F299.24 文獻標識碼：A

文章編號：1001-9138-（2021）06-0024-31 收稿日期：2021-05-21

隨著我國經濟進入高質量發展階段，居民生活水平不斷提高，對城市居住小區與公共服務設施的訴求也日益豐富與多元。居住小區與公共服務設施的協調配置是提升居民生活質量的重要抓手，對消除社會隔離、維護社會和諧等具有重要影響，促進居住小區與公共服務設施空間的協調有助于優化城市空間結構、保證城市各功能高效運行。2016年，中共中央、國務院發布《中共中央關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》，要求堅持共享發展的理念，健全公共服務設施，完善配套中小學、幼兒園、超市、菜市場，以及社區養老、醫療衛生、文化服務等設施的建設，打造方便快捷的生活圈。2018年，住建部發布新版《城市居住區規劃設計標準》，在居住區分級控制中首次運用了生活圈概念。2019年，自然資源部提出“社區生活圈”是國土空間規劃關注的重要內容。因此，城市高質量發展要求下，如何對城市居住小區與公共服務設施進行空間布局成為城市規劃建設關注的焦點。從空間尺度刻畫居住小區與公共服務設施的布局特征，并在此基礎上探索二者間的協調關系，對于優化城市空間結構、維護城市空間公平正義、推動經濟高質量發展都具有重要的現實意義。

城市空間格局特征的研究在區域經濟學、城市地理學、城市規劃學等多學科領域均為重要的討論話題。其中，對居住空間的研究方面，學者們利用ESDA、緩沖區分析、地理加權回歸等方法對城市居住空間的價格分布、空間結構演變等方面展開研究。對公共服務設施配置的研究主要包含以下三個方面：一是公共設施配置的公平效率研究。如有學者從社會分異的視角進行設計，將南京市主城區作為案例，通過調查了解居民的需求差異來研究公共設施空間布局的公平效率。也有學者利用人口普查數據，以上海市奉城鎮為例，對教育設施、醫療設施空間分布的均等與公正進行測度，認為空間公正極具重要性，其能使公共服務空間配置達到地域平等。二是公共服務設施的空間布局研究。學者們運用Nearest Neighbor Analysis、多距離空間聚類等方法詳細分析公共服務設施的空間集聚特征，并在此基礎上從不同視角思考影響公共服務設施分布的因素，主要集中在外部影響、資源承載力、環境舒適度、居民需求、時空距離與可達性等方面。三是公共服務設施的可達性研究。學者們在研究中積累了豐富的測度可達性的方法，例如高斯2SFCA法、最短距離法、改進潛能模型法、引力模型法等，如有學者研究教育設施的空間分布差異，利用引力模型來測量中小學的可達性，并將構建可達性指數地圖化。還有學者以北京市為例，從供需角度測度教育、醫療等公共服務設施的可達性。

綜上，國內外學者主要從城市空間的結構與形態、格局與演變以及功能空間耦合關系等方面對城市居住空間與公共服務設施進行探討，研究逐漸深化也更加多元化，利用空間數理模型進行定量分析的研究逐漸增多，為本文提供了重要的理論與實踐指導。然而，在城市高質量發展背景下，探索居住小區與公共服務設施協調關系的案例研究還有待豐富。基于此，本文選擇天津市市內六區與環城四區作為研究對象，選取居住小區與公共服務設施的網點數據，探索居住小區與公共服務設施在空間上的布局特征與集聚程度，并觀察二者在空間上的協調度，以期為天津市空間結構優化與調整提供指導建議。本文主要的貢獻在于：（1）以城市功能空間協調關系為研究視角，利用Python技術挖掘詳實的空間網點數據，并引用多種數量模型刻畫了居住小區與公共服務設施的空間分布特征。（2）從空間尺度研究天津市公共服務設施與居住小區布局優化問題，為城市公共服務設施供給理論提供實證研究成果，同時對優化天津市公共服務設施空間布局與公共服務資源有效分配，推動城市高質量發展提供政策啟示。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域概況

天津市是中華人民共和國省級行政區、直轄市、國家中心城市、國務院批復確定的環渤海地區的經濟中心，行政區劃轄區16區，總面積11966.45平方千米，2020年末，常住人口1561.83萬人，城鎮人口1303.82萬人，城鎮化率為83.48%。考慮到數據的可獲得性和公共服務設施的功能屬性，本文以天津市市內六區（和平區、河東區、河西區、河北區、南開區、紅橋區）和環城四區（東麗區、津南區、西青區、北辰區）作為研究區域，探討居住小區與公共服務設施空間布局特征，如圖1所示。

1.2 數據來源與處理

本文的居住小區數據與公共服務設施網點POI數據均來源于高德地圖，筆者借助實時Python技術對其進行爬取與處理。首先對采集的POI數據進行篩選、去重與清洗，將與居民日常生活關聯性不強的設施剔除，最終選取22050條數據，其中居住小區點數據共4707條，公共服務設施數據共17343條，公共服務設施數據又細分為交通設施、教育設施、醫療設施、商業設施、文化設施5大類如表1所示。然后將所獲取網點數據導入ArcGIS10.6軟件，以點要素的形式標注于天津市行政區劃圖。

2 研究方法

2.1 核密度估計法

核密度估計法（KDE）在空間分析中被廣泛使用，能夠描述點要素的分布特征。核密度估計的原理主要是將要素點的位置作為中心，借助一個規則移動的單元格估計點要素的密度。可以反映出點要素在空間中的集聚程度，計算公式如下：

公式左邊的F（H）為核密度估計值，公式右邊的Jiw為POI點i與w的距離，D為帶寬，Q為空間權重函數，n是點要素到位置w的距離小于或等于D的要素點的數量。本文利用核密度函數探究城市居住小區和公共服務設施的空間格局特征，通過不同帶寬的模擬結果，最終選擇以1000m為帶寬來分析核密度的估計值，該帶寬能為清晰地識別天津市市內六區與環城四區中居住小區與公共服務設施點要素信息以及集中與分散的變化。

2.2 最近鄰分析法

最近鄰分析法以點的距離為基礎，測量點要素樣本的平均最近距離，并通過與平均距離的期望值相對比，判斷出點要素在空間上是集聚還是分散分布，計算公式如下：

公式中為觀測樣本最近鄰距離的平均值;為觀測樣本平均距離的期望值，M是區域面積，n為觀測樣本（點要素）的總數;NNI為標準化最近鄰距離指數。判斷空間集聚程度主要有三種情況：一是當NNI<1時，點要素的空間分布為集聚型;二是當NNI>1時，點要素的空間分布傾向于離散型;三是當NNI=1時，點要素為隨機型分布。

2.3 Rileys K函數分析

Rileys K函數能夠解決點要素在不同空間尺度下可能會改變分布特征的工具，是點要素分析的常用工具，其在根據一定的半徑距離搜索圓的范圍內統計點的數量，能確定不同空間尺度下點要素的不同集聚模式，計算公式如下：

式中：n為點地物的個數;Wij （t）為在距離t范圍內點i與點j之間的距離;M為研究區面積。L（t）>0，表示居住小區與公共服務設施點要素為集聚分布;L （t）<0，則為離散分布;L （t） = 0，為隨機分布。L （t）函數的顯著與否根據Monte Carlo方法進行檢驗后得出。L （t）的第一個峰值（偏離置信區間的最大值）可用于度量集聚程度，其所對應的t值用來度量集聚規模。

3 實證結果與分析

3.1 空間格局特征

根據核密度估計結果如圖2所示。公共服務設施和居住小區在研究范圍內的分布形態不僅具有差異性，同時也具有相關性。居住小區與公共服務設施的核密度分布差異明顯，但分布特征大體呈現出“中心-外圍”的格局。其中，居住小區的空間結構表現為在市內六區較為集中，在環城四區逐漸分散，而公共服務設施則表現出多個集聚中心的格局，且不同類型的公共服務設施空間分布的密度差異性較為顯著。具體來看：（1）交通設施呈現大分散、小集聚態勢，分布較為均衡，但中心城區的集聚程度明顯高于其他區域，東麗區、西青區等區域的密度值較低，可能是受到地鐵線路和公交站點分布的影響明顯。（2）教育設施的分布模式為“中心集聚-外圍分散”，在和平區、河北區、河東區、南開區、西青區及津南區有明顯的集聚特征，其中西青區、津南區雖有高密度的聚集區，但整體空間分布形態分散。（3）醫療設施高密度聚集區主要位于和平區與南開區，醫療設施呈現整體集聚和局部分散的特征。（4）商業設施分布呈現出以“圈層”分布，以核心社區為中心成圈層式擴散，設施分布的相對集中區主要以中心城區為主，并在環城四區出現了少量高密度的商業設施分布。（5）文化設施分布整體呈現中間多而集聚、邊緣少而分散態勢，具有明顯的空間偏向，區際差異大，聚集區主要以南開區、紅橋區、和平區、河西區為集聚核心，呈點狀向外圍圈層暈染，等級明顯。

3.2 空間集聚特征

最近鄰距離指數結果如表2所示。在研究范圍內，居住小區與各類公共服務設施樣本的NNI值都小于1，且置信水平達到99%，二者的空間分布特征表現為顯著的集聚，但集聚程度存在一定差異。其中，在天津市市內六區與環城四區中，整體空間布局中集聚性最強的是醫療設施，NNI為0.311;集聚程度最弱的是交通設施，NNI為0.572;商業設施、教育設施的NNI分別為0.369、0.403，居住小區的NNI是0.489，文化設施的NNI為0.536。按照空間集聚程度的大小進行排列，可得出“醫療設施>商業設施>教育設施>居住小區>文化設施>交通設施”。究其原因，醫療設施的規模與強度較大，可能是天津市早年為滿足城鄉居民的需求，政府建立了較多公立性質的醫療機構。根據資料顯示，天津市在新醫改提出后鼓勵興辦民營醫療機構，并吸引社會力量參與，促使了多元化辦醫格局形成，推動了天津市醫療與衛生服務體系的發展。而交通設施集聚程度略低于其他設施可能是由于公共交通設施的集聚程度與交通的便利度相關，受政府規劃調控的影響較多，天津市政府在2000年組織編制了《天津市城市綜合交通規劃（2003-2020年）》，提出構建“快捷、高效、安全、綠色”的現代化綜合交通運輸體系，之后天津市優先發展公共交通，加強交通樞紐建設，也成為我國第二個開通地鐵的城市，在外圍區域也有一定數量的交通設施分布，居民出行便利。

3.3 Ripleys K函數結果

為進一步探索居住小區與公共服務設施的集聚強度與規模，借助Arc GIS Pro2.5軟件中的Ripleys K函數工具繼續分析空間分布特征的差異，為檢驗顯著性，利用蒙特卡羅方法隨機模擬100次，生產置信區間的峰值。根據圖3顯示的L（t）曲線來看，居住小區與各類公共服務設施的L （t）曲線為“倒U型”，在不同空間尺度下，研究樣本的L （t）曲線都大于對應的最大置信區間，空間集聚性顯著，并且在99%的置信度下全部通過檢驗。

從集聚規模尺度來看，依次為“醫療設施（17.369km）>交通設施（17.249km）>居住小區（16.984km）>教育設施（16.616km）>商業設施（16.219km）>文化設施（11.956km）”，集聚規模差異明顯，其中醫療設施最大，文化設施最小。從集聚強度來看，各類設施的L （t）峰值依次為醫療設施（15.333km）>交通設施（15.256km）>居住小區（14.973km）>教育設施（14.804km）>商業設施（14.331km）>文化設施（11.184km）。從整體來分析，天津市居住小區與各類公共服務設施的集聚強度的差異較為顯著，協調性還需進一步提高，其中醫療設施與交通設施的集聚強度均明顯大于各類服務設施網點，與居住小區的協同程度較高，其他幾類公共服務設施的集聚規模與強度均小于居住小區，尤其是文化設施的空間集聚規模和集聚強度均小，這也與核密度估計結果、最近鄰域分析結果一致。究其原因，可能是天津市城市化發展進程中住房需求不斷增加，城市進行增量開發，向外圍地區拓展了居住用地，但除醫療、交通設施以外的公共服務設施的配套速度與居住小區相比較為滯后，導致集聚規模與強度均滯后于居住小區。

4 研究結論與對策建議

4.1 研究結論

（1）天津市居住小區與公共服務設施的空間格局均具有集聚特征。樣本的NNI值均小于1.0，在空間上的集聚特征均較強。不同類型的設施集聚程度順序為醫療設施>商業設施>教育設施>居住小區>文化設施>交通設施。市內六區的居住小區與公共服務設施集聚密度大，而交通設施作為公平導向較強的設施，具有“大分散-小集聚”的空間格局特征。

（2）天津市居住小區與公共服務設施空間集聚性特征具有顯著的差異。各類網點的最近鄰指數值均小于0，但從Ripleys K函數結果來看，其集聚的規模與強度不同，從集聚規模與強度來看，依次為“醫療設施>交通設施>居住小區>教育設施>商業設施>文化設施”，文化設施的空間集聚規模與強度較小，空間選擇范圍為有限。從整體來看，公共服務設施的集聚強度與規模滯后于居住小區，二者在空間上的協調水平仍有待提高。

4.2 對策建議

根據以上結論，圍繞合理優化公共服務空間布局，提升公共服務設施配置公平與效率，助力城市高質量發展，提出以下幾點對策建議：

（1）引入社區規劃理念，合理優化城市公共服務設施布局。公共服務設施具有正外部性，其配置的完備對于提升居民生活質量具有重要的意義。一方面，應遵循以人為本原則，引入社區規劃理念，依據居民的多方面需求打造15分鐘社區生活圈，提高豐富公共服務質量與類型，如在居住小區周圍打造便民功能網點，提升社區的便利度，從微觀層面破解空間的失配問題。另一方面，應加強在居住小區供給充足的城市外圍區域公共服務設施的建設與配置，促進形成社區生活圈與居住郊區化進程、城市發展相協調的網絡化公共服務體系，不斷提升社區生活品質。

（2）探索新型公共服務配置模式，提升公共服務設施配置公平與效率。一方面，從公共服務供給主體層面，構建“政府-社會-市場”多元主體協同供給的公共服務設施配置模式，政府應積極引導社會資本投入，在市場機制主導下促進公共服務產業化模式形成，提高公共服務設施配置的效率。另一方面，在多元主體框架下，發揮公共服務設施對空間布局的引導作用，倡導以公共服務設施優化引導居住小區的更新改造，以微改造的方式進行更新，提升城市的公共效益。尤其要注重居民參與公共服務配置的權利，在公共服務設施建設時，為居民參與渠道，通過聽取其意見保障公正性，倡導城市空間的公平正義。

（3）優化城市空間結構，助力城市高質量發展。一方面，合理引導人口遷移，居住小區分布集聚會增加對公共服務設施的競爭，應制定相關政策，引導疏解中心區域的居民，優化城市空間結構。另一方面，應加強文化設施等數量較少、集聚較分散的短板設施供給，強化交通、商業、醫療等公共服務設施供給，通過公共服務設施的不斷優化為產業集聚創造基礎條件，進而吸引人才擬流入集聚，煥發城市活力，實現城市高質量發展。

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作者簡介：王振坡，天津城建大學經濟與管理學院教授。

劉璐，天津城建大學經濟與管理學院碩士研究生。

基金項目：天津市教委2019年度天津市研究生科研創新項目“居住分異視角下天津市公共服務設施空間布局研究”（2019YJSS010）。