基于多出行模式兩步移動搜索法的廣州多尺度綠地可達性與公平性研究

楊文越,李 昕,陳慧靈,曹小曙

1 華南農業大學林學與風景園林學院, 廣州 510642 2 湖南工商大學旅游管理學院, 長沙 410205 3 陜西師范大學全球區域與城市研究院, 西安 710119

城市綠地作為城市建成環境和生態系統的重要組成部分,既可以改善城市空氣質量,緩解熱島效應,又可以促進人們身體活動,增加社會交往和緩解壓力[1-4],對城市健康、可持續發展和居民生活質量的提高起著關鍵作用。提高城市綠地可達性,保障城市不同地域空間和社會群體擁有接觸、使用綠地的公平權利,使其環境、社會和健康效益最大化,是國土空間規劃以及相關政策的重要目標。在過去五至十年里,國家層面在多個政策文件中都重點強調居民健康、福祉和公平性問題。《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中提出“把增進人民福祉、促進人的全面發展作為發展的出發點和落腳點,發展人民民主,維護社會公平正義”。《“健康中國2030”規劃綱要》也明確指出,要“形成有利于健康的、公平可及的生產生活環境”。然而,綠地資源空間分布及其可達性在城市中是不均衡的,存在不同程度的空間供需分配不公平現象[5-7]。優化城市綠地空間配置,減少綠地可達性和公平性空間差異,是提升城市綠地效益和服務水平,解決城市環境不公平的重要途徑[8]。

已有城市綠地研究大多關注于綠地空間格局、可達性和環境、社會及健康效益等方面[9-14]。宏觀層面的研究主要基于遙感衛星影像數據和ArcGIS技術對各城市、區域和國家尺度的綠地空間格局進行分析[15-17]。中觀層面的研究較多通過構建多類綠地指標測度城市綠地的可達性、供需配置情況和社會服務效益[18-20]。微觀層面基于問卷調查或人口普查數據重點探討居民綠地可達性、公平性及其與公眾健康之間的關系[21-25]。國外有較多研究關注了不同社會群體的綠地可達性和公平性差異。基于美國公眾綜合調查數據的研究發現,大都市地區的居民比鄉村地區的居民更容易到達國家公園,且綠地使用存在種族/族裔不平等情況[26]。大多研究也證實了少數種族/民族和社會經濟地位較低的人獲取綠地的機會較差[27-28]。還有學者考慮綠地與使用者偏好、不同社會經濟屬性人群需求之間的匹配情況,以此探究綠地可達性和公平性[29-30]。不同等級類型的綠地存在顯著的可達性和空間公平差異。有研究證實,大型城市公園的訪問量較大[31],且空間分布比一般綠地(混合植被和木本植被)更公平[32]。而規模等級較小的綠地不公平現象更嚴重[33]。還有研究探究了綠地質量、規模和數量等對綠地可達性和公平性的影響[34-35]。在國內,研究主要關注于綠地可達性和公平性的指標和測度方法,如基于ArcGIS的緩沖區分析、網絡分析法和兩步移動搜索法等[36-38],但大多研究對象為規模等級較大的城市公園綠地,而對規模等級較小、分布范圍更廣泛、與居民日常生活聯系更緊密的社區公園綠地和一般城市綠地的關注較少[39-40]。此外,雖然已有關于綠地可達性的研究已取得不少具有價值和意義的結論,但這些研究多采用傳統的ArcGIS網絡分析方法對單一出行方式(例如小汽車或步行)的綠地可達性進行估算,較少同時考慮和測度不同出行模式的綠地可達性,且不同人群對出行模式的選擇是存在差異的[13,41-43]。很有必要探索考慮多種出行模式的綠地可達性測度方法,為更全面地研究城市綠地資源空間分布合理性、可達性和公平性提供科學依據。

為此,本文結合出行O-D點智能查詢系統(Travel O-D point Intelligent Query System, TIQS)的開發應用,構建基于多出行模式兩步移動搜索法對廣州多尺度城市綠地可達性和公平性進行研究,試圖回答以下問題：第一,考慮了不同尺度和多種出行模式后,廣州多尺度綠地可達性具有怎樣的空間特征與差異？第二,基于多出行模式兩步移動搜索法和多尺度綠地可達性的廣州綠地公平性如何？研究結論將為進一步優化公平可達的廣州城市綠地資源布局和構建綠色、健康、可持續的國土空間提供科學依據。

1 研究數據與方法

1.1 研究區域和數據

廣州是國家重要中心城市和粵港澳大灣區的核心城市,多年來一直致力于城市綠地建設,并取得了顯著成效,作為國家園林城市和國家森林城市,選其為研究對象具有一定的典型性和借鑒意義。本文研究范圍是除增城和從化以外的廣州9個市轄區,包括越秀區、海珠區、荔灣區、天河區、白云區、黃埔區、花都區、番禺區和南沙區。研究數據包括：①廣州社區(村)行政區劃及人口數據(第六次人口普查數據),共包含2055個社區(村),總面積為3647.43 km2。②廣州綠地面狀圖層數據(2018年開放街道地圖(Open Street Map)數據)。選取研究區域內面積大于500 m2的綠地,共有1551塊圖斑,總面積為693.58 km2,占研究區域總面積的19.02%,其空間分布如圖1。

圖1 廣州綠地空間分布

本文主要依據《廣州市城市綠地系統規劃(2010—2020)修編》和相關綠地研究文獻[12],對廣州綠地進行篩選并劃分為社區級綠地、街道級綠地、區級綠地和市級綠地四個等級。同時參考《城市居住區規劃設計標準》(GB 50180—2018)提出的“十分鐘/十五分鐘生活圈居住區的公共綠地”標準來設定各等級綠地的可達時間閾值(t0),即居民到達該類綠地可接受的最長時間成本(表1)。

表1 廣州多尺度綠地分類統計表

已有綠地可達性研究大多僅考慮規模大于5000 m2的綠地[13,44],但由于廣州是一個典型的高密度城市,土地開發強度較大,人口、建筑和路網密集[45],社區尺度面積規模較小的綠地亦發揮著重要的生態、健康和社交等功能。為此,本文將面積500 m2以上的綠地也納入到研究當中,進一步提高對多尺度綠地可達性進行測度的精度和科學性。

1.2 研究方法

1.2.1社區-綠地出行O-D矩陣的構建和計算

首先,基于ArcGIS網絡分析工具分別以廣州2055個社區和1551塊綠地作為出發地和目的地構建社區-綠地出行O-D(Origin-Destination)矩陣,由此生成3187305對O-D點以及相應的經緯度坐標。其后,將這些O-D點批量導入TIQS。TIQS將基于百度地圖后臺的交通路網、公共交通運營信息和實時路況數據,根據經緯度坐標對這些O-D點分別采用3種不同出行模式(步行、公共交通和小汽車)的出行時間、出行距離等詳細出行信息進行查詢計算,并最終將結果存儲至關系數據庫中。

1.2.2多出行模式兩步移動搜索法(Multi-mode Two-step Floating Catchment Area Method, M2SFCA)

兩步移動搜索法用于從綠地供應和人口需求視角評價綠地可達性,即社區居民可享用的綠地越多,其綠地可達性水平越高[46-47]。但基于ArcGIS網絡分析的兩步移動搜索法并不能反映多種出行模式下的綠地可達性,尤其是難以模擬計算通過公共交通方式的可達性,且不能反映實時、客觀的路網狀況[43-44]。為此,本文在傳統兩步移動搜索法的基礎上結合TIQS的應用構建了多出行模式兩步移動搜索法(M2SFCA),對考慮了步行、公共交通和小汽車3種出行模式下的廣州多尺度綠地可達性進行測度。具體計算流程如下：

首先,計算在步行(M1)、公共交通(M2)和小汽車(M3)3種出行模式下到達第c類等級綠地j的出行時間和社區人口。其中,設定居民選擇出行模式的優先等級分別為步行、公共交通和小汽車[48]。即,若居民在預定時間閾值內能夠通過步行到達該類綠地,則僅計算步行模式下到達綠地的出行時間和社區人口；否則,進而計算通過公共交通出行到達該類綠地的出行時間和社區人口；最后才是計算通過小汽車出行到達該類綠地的出行時間和社區人口。其計算過程如下：

第一步,計算綠地的供需比,即綠地的服務能力：

(1)

式中,Rj是綠地j的服務能力；Sj是綠地j的面積；riM1、riM2和riM3分別是在時間閾值內通過步行、公共交通和小汽車到達綠地j的社區i的人口數量；tij(M1)、tij(M2)和tij(M3)分別是在步行、公共交通和小汽車出行模式下從社區i到綠地j的出行時間；t0(c)是第c類等級綠地的時間閾值(表1)；G是基于高斯函數的時間衰減系數,在步行模式(M1)下其計算公式如下：

(2)

對于公共交通和小汽車出行模式的時間衰減系數其計算公式同上。

第二步,計算時間閾值內各社區可到達綠地的供需比之和,即社區i的綠地可達性：

Ai=∑j∈tij(M1)≤t0(c)Rj×G(tij(M1),t0(c))+∑j∈tij(M2)≤t0(c)Rj×G(tij(M2),t0(c))+∑j∈tij(M3)≤t0(c)Rj×G(tij(M3),t0(c))

(3)

式中,Ai是社區i的綠地可達性,其數值越大,表示該社區的綠地可達性水平越高。

1.2.3綠地公平性測度模型

基尼系數和洛倫茲曲線分析法常作為社會公平績效評價的定量指標,其最初是由美國統計學家洛倫茲提出用于探究收入的分配公平問題[49-50],而基于社會公平內涵的收入分配與公共資源分配在本質上具有相似性,近年來該方法在環境公平領域被廣泛運用[51-52]。為反映廣州城市綠地資源分布的公平性格局,本文基于基尼系數構建綠地公平性模型,分別對各區和街道(鎮)內的綠地可達性差異進行測度,并對其空間格局進行可視化和分析。模型的計算公式如下：

(4)

(5)

式中,GEu為地理單元u(區或街道)的綠地公平性指數；n為地理單元u內的社區總數；k為社區的綠地可達性按照從小到大進行排序后的第k個社區,k=1,2…n；Ai為社區i的綠地可達性值；ri為社區i的人口；Ck是從社區1到社區k的綠地可達性與社區人口乘積的累積比例,C0=0,Cn=1；Pk為從社區1到社區k的社區人口累積比例,P0=0,Pn=1。根據基尼系數的數學含義,當GE≤0.2,表明綠地資源空間分配是高度平均的；當0.20.5,意味著綠地資源的空間分配差距懸殊,存在嚴重的不公平現象。

2 結果與分析

2.1 多尺度綠地可達性空間格局

通過幾何分類間隔法(Geometrical Interval)對廣州多尺度綠地可達性進行空間可視化。由圖2—6可見,不同區域的多尺度綠地可達性具有較大空間差異。其中,可達性較低的區域主要位于荔灣區、海珠區西部和越秀區西部等中心城區,并在荔灣區達到最低值(1.03),這很可能是因為中心城區社區人口密度較高,而社區可獲得的綠地以小規模的社區級和街道級綠地為主,因而社區享有的人均綠地資源無法滿足高密度的人口需求,導致社區整體綠地可達性較差。相反,對于花都區、白云區東北部、黃埔區北部和南沙區等人口較少的外圍城區而言,其多尺度綠地可達性值普遍較高,且遠大于中心區域。其中,區級綠地和市級綠地可達性的空間格局與天鹿湖公園、帽峰山、王子山等大型公園綠地在空間分布上具有一致性,表明這些區域可獲得的大規模綠地較多。且從市級綠地可達性分布可見(圖5),高可達性值的區域面積占比遠大于其他類型綠地,表明市級綠地在其服務范圍內基本可以滿足市內大部分居民的需求。

圖2 廣州社區級綠地可達性空間格局

圖4 廣州區級綠地可達性空間格局

圖5 廣州市級綠地可達性空間格局

2.2 多尺度綠地可達性空間集聚差異

莫蘭指數(Moran′sI)常用于衡量變量的空間自相關性,以揭示其空間聚類模式。其中,全局莫蘭指數(Global Moran′sI)反映了空間自相關的總體水平,局部莫蘭指數(Anselin Local Moran′sI)則測度了單個變量與其周邊區域的關聯強度[53-54]。為探究廣州多尺度綠地可達性是否存在空間自相關現象,本文首先采用莫蘭指數(Moran′sI)對其空間集聚情況進行測度。結果顯示,Moran′sI指數為0.25,Z得分為89.41,P值小于0.001,表明廣州多尺度-多出行模式綠地可達性指數具有顯著的空間集聚和空間自相關現象。通過局域自相關工具分析不同區域的空間集聚特征。結果顯示,綠地可達性低的社區(低-低)集聚于荔灣區、越秀區、海珠區西部和白云區南部等中心城區,而綠地可達性高的社區(高-高)集中在花都區、黃埔區和白云區東部(圖7)。從空間相關程度來看(圖8,圖9),低-低值聚類中空間相關性較高的區域主要位于越秀區和海珠區西部,而高-高值聚類空間聚集程度在花都區達到最高,其次是白云區東部。此外,55.09%的社區在統計上無意義,即不存在明顯的空間聚集/異常情況。

圖6 廣州多尺度綠地可達性空間格局

圖7 廣州多尺度綠地可達性聚類空間格局

圖8 廣州多尺度綠地可達性局部莫蘭指數空間格局

圖9 廣州多尺度綠地可達性Z值空間格局

總體上,廣州多尺度-多出行模式綠地可達性呈現明顯的“城郊兩極化”空間差異。外圍城區花都區、白云區和黃埔區因人口密度較低且周邊的綠地資源分布較多、規模較大,因此其綠地可達性較高、居民較容易接觸和使用綠地資源。而大多中心城區社區居民在一定出行時間閾值內能獲取的綠地資源與機會較少,綠地資源供給不能滿足人口使用需求,導致其綠地資源處于“供不應求”的不公平分配狀態。鑒于城市綠地資源的有限性和環境公平性,需要進一步探究綠地公平性的空間差異,從而合理安排各類綠地配置,縮小區域間綠地使用差異。

2.3 綠地公平性空間分配差異

整體而言,廣州市域綠地資源空間分布處于嚴重不公平狀態(綠地公平性指數為0.58)。通過洛倫茲曲線分析廣州多尺度-多出行模式綠地可達性在區域間的分配情況(圖10),曲線彎曲程度越大說明綠地資源空間分配越不公平。對于綠地資源較少的社區居民而言,前10%的居民僅享有約0.63%的綠地資源,前20%的居民僅享有約1.93%的綠地資源；就綠地資源較多的社區居民而言,前10%的居民約享有44.56%的綠地資源,前20%的居民享有高達61.78%的綠地資源。這說明廣州社區居民間的綠地資源存在較大的分配差異。

圖10 廣州多尺度綠地資源分配洛倫茲曲線圖

廣州各行政區之間綠地公平性也存在一定差距。南沙區(0.13)綠地公平性最好,其綠地資源空間分配處于高度平均水平；其次是天河區(0.30)和花都區(0.31),其綠地資源空間分配相對公平；而其他行政區綠地資源空間分配則存在不同程度的不公平性,其中白云區和黃埔區的不公平程度最嚴重,綠地公平性指數分別高達0.55和0.56。這主要是因為受自然環境和山體地勢的影響,有數量較多、規模較大的綠地資源集中分布在白云區和黃埔區的部分區域,而這些區域正好是生態控制和限制開發的區域,社區人口數量相對較少,由此導致這些社區較少人口卻享有較多綠地資源的緣故,呈現出綠地空間不公平現象。

2.4 綠地公平性空間格局

本文進一步以鎮街為分析單元,通過計算鎮街的綠地公平性指數以對廣州綠地公平性空間特征和區域差異進行研究,其空間格局如圖11。其中,綠地公平性值小于0.2的鎮街最多(占鎮街總量的73.29%),在中心城區和花都區、南沙區等外圍區域均有分布,反映出廣州較多鎮街內綠地資源空間分配處于高度平均水平,其社區間的綠地可達性差距較小,具有較好的綠地公平性。綠地公平性值大于0.4的鎮街主要分布于白云區東部和黃埔區,但所占鎮街數量不多(占鎮街總量的3.42%),其中白云區太和鎮綠地公平性值最高,為0.69,表明這些鎮街內社區的綠地可達性存在較大差異。

圖11 廣州綠地公平性的空間格局

為了更好地研究廣州綠地可達性和公平性的空間差異,本文進一步將綠地可達性以平均值(68.54)為分界點進行分類,大于平均值社區的定義為高可達性,反之則為低可達性。其中,高可達性社區和低可達性社區占比分別為28.86%和71.14%。同理,基于綠地公平性值的平均值(0.19),將綠地公平性值小于0.19的劃分為公平類型(占社區總量的55.76%),大于0.19的為不公平類型(占社區總量的44.23%)。由此,可將綠地可達性和公平性劃分為：高可達性-公平、低可達性-公平、高可達性-不公平和低可達性-不公平四種類型。其空間格局如圖12所示。

圖12 廣州綠地可達性-公平性的空間格局

低可達性-公平類型的社區數量最多(占社區總量的39.85%),其分布區域主要包含海珠區、荔灣區、越秀區和番禺區北部。其次是低可達性-不公平類型,社區數量占比為31.29%,主要分布在番禺區中部及南部、南沙區北部和白云區西部。高可達性類型的社區分布最少,其中,有15.91%的社區屬于高可達性-公平類型,12.94%的社區屬于高可達性-不公平類型。結合前文綠地可達性空間自相關分析結果可知,高可達性-不公平類型的空間格局與綠地可達性值的高-高值聚類分布較為相似。表明這些地區的高可達性社區集聚程度較高,社區間綠地可達性值分布差異較大,因而顯示出較差的綠地公平性。這也說明了若僅關注綠地可達性的差異,很可能會錯誤地估計綠地公平性情況,從而誤導以此為依據的綠地優化政策制定。

3 結論與討論

在傳統兩步移動搜索法和基尼系數的基礎上,綜合考慮多種交通方式(步行、公共交通和小汽車),計算了包含小規模等級城市綠地在內的多尺度綠地可達性空間特征,并從可達性的角度測度城市綠地資源分配差異,對廣州城市綠地可達性和公平性的空間格局與差異進行了研究,主要得出以下結論：(1)廣州多尺度綠地可達性存在明顯的“城郊兩極化”空間差異,且空間集聚特征顯著。綠地可達性較低的社區主要分布在人口密度較高的中心城區,這些社區的綠地資源普遍規模較小,無法滿足大量居住人口的使用需求,導致社區整體綠地可達性較差。而花都區、白云區東北部、黃埔區北部等外圍城區由于綠地資源充足、規模普遍較大、且社區人口相對較少,其綠地可達性普遍較高；(2)整體上,廣州市域綠地資源空間分布處于嚴重不公平狀態(綠地公平性指數為0.58),表明綠地資源在社區居民間存在較大分配差距。各行政區間綠地公平性也具有顯著差異,僅南沙區、天河區和花都區顯示出較為合理的綠地資源空間分配,而其他行政區則呈現出不同程度的綠地空間不公平態勢;(3)在鎮街層面,有73.29%的鎮街綠地資源空間分配處于高度平均水平(綠地公平性指數≤0.2)；在社區層面,低可達性-公平類型的社區數量最多(占社區總量的39.85%),高可達性類型的社區分布最少。其中,有15.91%的社區屬于高可達性-公平類型,有12.94%的社區屬于高可達性-不公平類型。

在公眾健康問題的挑戰下,綠地對城市居民的健康效益日趨得到重視。以上研究結論具有如下政策啟示：(1)提高城市整體綠地可達性應注重減小中心城區與外圍城區之間的差異,在進一步優化外圍城區綠地供需結構基礎上,應將重點投入到增加中心城區綠地數量和規模方面；(2)提升綠地可達性的同時還應注意縮小區域間綠地資源空間分配差距,結合考慮居民綠地使用需求,在綠地數量和空間分配上實現“供需平衡”關系；(3)高可達性-不公平類型的社區應以優化其綠地空間布局為主；低可達性-公平類型的社區應考慮增加其綠地分布規模；低可達性-不公平類型的社區應作為需要重點關注和改善優化的對象。研究不僅有助于優化城市綠地系統結構,也為構建合理、有序、人與自然和諧共生的國土空間格局和公平、健康和可持續的城市發展環境提供科學理論依據。