基于GIS 技術(shù)的濟(jì)南市公園綠地空間可達(dá)性研究

魯敏，劉國恒，劉振芳

(1.山東建筑大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南250101;2.山東建筑大學(xué)齊魯建筑文化與景觀藝術(shù)研究基地，山東濟(jì)南250101;3.山東世聯(lián)怡高物業(yè)顧問有限公司，山東 濟(jì)南250014)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化加驟導(dǎo)致城市環(huán)境生態(tài)問題日益嚴(yán)重，大量以自然為基底的景觀迅速被建筑和硬質(zhì)鋪裝的城市景觀所替代，生物多樣性銳減，景觀破碎化加劇，區(qū)域生態(tài)安全面臨嚴(yán)重威脅，生態(tài)問題正逐漸成為全球化的問題［1－2］?！吧鷳B(tài)城市”、“森林城市”的提出與建設(shè)對改善生態(tài)環(huán)境和提高人民生活質(zhì)量意義深遠(yuǎn)而重大［3］。城市綠地是城市中唯一執(zhí)行自然“納污吐新”負(fù)反饋機(jī)制的子系統(tǒng)，對改善城市生態(tài)環(huán)境、維持城市生態(tài)平衡起著無可替代的重要作用［4］。公園綠地是城市綠地的主體及核心，公園綠地的服務(wù)效率是評價城市影響力和衡量市民生活水平的重要指標(biāo)，而空間可達(dá)性是公園綠地服務(wù)效率指標(biāo)的核心內(nèi)容［5］。許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，有利用景觀可達(dá)性方法分析城市公共綠地的可達(dá)性［6］;有基于網(wǎng)格分析方法研究城市公共綠地可達(dá)性的空間分布特點(diǎn)［7］。但以往的公園綠地可達(dá)性研究存在著一定的局限性，有的只是考慮距離公園的直線距離，沒有涉及市民到公園的實(shí)際路線;有的考慮到了實(shí)際路線，但沒有考慮到公園綠地周圍的實(shí)際情況，如使用者的數(shù)量和分布、土地使用類型以及開發(fā)密度等，這難以在空間上描述城市公園綠地的布局，也很難真正反映公園綠地對城市居民服務(wù)的有效性［8－10］。鑒于以往可達(dá)性研究存在的局限性，本研究應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)的理論，以RS和GIS技術(shù)為支撐，通過對濟(jì)南市中心城區(qū)的城市公園綠地現(xiàn)狀資源的調(diào)查和公園綠地景觀空間布局上的分析，建立了濟(jì)南市中心城區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)庫，采用成本加權(quán)距離方法，綜合考慮人口密度，對濟(jì)南中心城區(qū)公園綠地的可達(dá)性進(jìn)行分析研究，提出相應(yīng)的公園綠地建設(shè)方案，從而為濟(jì)南城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃及森林城市的建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

濟(jì)南，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢南高北低。地形復(fù)雜多樣，大體可分為三帶;北部臨黃帶，中部山前平原帶，南部丘陵山區(qū)帶。

本文研究對象為濟(jì)南市中心城區(qū)，即二環(huán)以內(nèi)的區(qū)域，是濟(jì)南市文化、政治、經(jīng)濟(jì)和教育發(fā)展的心臟，其中包括槐蔭區(qū)、歷下區(qū)、市中區(qū)、天橋區(qū)、歷城區(qū)，而二環(huán)以內(nèi)，作為濟(jì)南市的老城區(qū)，又是五個區(qū)的主要政治文化中心。濟(jì)南市市級公園大部分在此范圍內(nèi)，再加上部分區(qū)域性公園，共同為人們提供休閑娛樂的場所。濟(jì)南市目前正在創(chuàng)建國家森林城市，要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)尚且需要進(jìn)一步的努力完善。其中綠地建設(shè)中最主要的問題就是公園綠地分布不均衡［11］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)庫的建立

通過對濟(jì)南市SPOT影像圖解譯得到研究所需數(shù)據(jù)。利用ERDAS8.7對圖像進(jìn)行幾何校正等處理并創(chuàng)建墨卡托投影坐標(biāo)系統(tǒng);在ArcGIS中，參考地形圖結(jié)合實(shí)地踏查提取濟(jì)南市公園和道路信息以及用地性質(zhì)分類，建立濟(jì)南中心城區(qū)土地利用數(shù)據(jù)庫。用地性質(zhì)按照國家標(biāo)準(zhǔn)可分為:居住用地(R)、公共設(shè)施用地(C)、工業(yè)用地(M)、對外交通用地(T)、道路廣場用地(S)、市政公用設(shè)施用地(U)、綠地(G)、倉儲用地(W)、特殊用地(D)、水域和其他用地(E)這十大類，結(jié)合實(shí)際的相對阻力將其細(xì)分，不同用地性質(zhì)有不同的相對阻力如表1。

表1 不同土地利用類型的空間阻力相對值

2.2 分析方法

本文對于公園綠地的可達(dá)性計(jì)算采用的是基于柵格的成本加權(quán)距離方法。

基于柵格的成本加權(quán)距離方法計(jì)算時，首先需要得到研究區(qū)域的成本柵格圖(cost raster)，每個柵格的屬性值表示他們不同的成本(cost)，即表示通過它所需要的時間或費(fèi)用的消耗程度;由于柵格圖像的特殊性，如圖1所示:每個非邊緣網(wǎng)格的周圍有8個其他的網(wǎng)格與之相鄰，以圖中每個網(wǎng)格的中心作為節(jié)點(diǎn)(node)，將相鄰的8個網(wǎng)格抽象為8條邊(side);各個網(wǎng)格的相鄰情況有兩種［12］:(1)垂直或水平相鄰:將兩個網(wǎng)格值的加起來再得到的平均值表示該邊的長度，如圖1中，中間結(jié)點(diǎn)到其上邊節(jié)點(diǎn)的邊的長度為:(2+4)∕2=3;(2)斜相鄰:兩個網(wǎng)格值的平均值乘以表示該邊的長度，如圖2中，中間結(jié)點(diǎn)到右下節(jié)點(diǎn)的邊的長度為

圖1 成本柵格圖

圖2 成本加權(quán)和最短路徑選擇

將每個“源”設(shè)定為一個單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)，在計(jì)算的時候，節(jié)點(diǎn)柵格的成本值定為0，每個源周圍的若干個柵格與該“源”形成若干條邊。以圖3為例，假定右下角網(wǎng)格作為一個“源”，通過成本加權(quán)距離的計(jì)算可以得到:其他每個不同的節(jié)點(diǎn)到該源的累積總成本值和每個節(jié)點(diǎn)到最短路徑上前一個節(jié)點(diǎn)的路徑方向。

本研究以公園綠地為“源”，成本計(jì)算值為到達(dá)公園綠地的空間阻力值，然后將其轉(zhuǎn)化為時間成本進(jìn)行分級量化，得出公園綠地的可達(dá)性的空間分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算過程分析

按照成本加權(quán)距離方法，結(jié)合建立的土地利用數(shù)據(jù)庫，在 ArcMap9.3中對研究區(qū)域進(jìn)行30m×30m的柵格，并根據(jù)不同的土地利用類型對各個柵格賦予不同的屬性值，即空間相對阻力值(表1)。使用空間分析模塊中的成本加權(quán)距離工具，計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)各柵格的成本加權(quán)距離和選擇到達(dá)“源”的最優(yōu)路徑，以公園綠地分布柵格圖像作為源，僅以不同用地的相對阻力值(即步行穿越不同用地類型的阻力值)為權(quán)重，對土地利用類型的柵格圖像做成本距離加權(quán)分析，計(jì)算出最優(yōu)路徑的距離。

圖3 時間分級圖

利用Raster Calculator工具，以在道路上步行80m/min為計(jì)算系數(shù)，用距離除以速度，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為時間等級，得到時間分級圖(圖3)分為小于5min、5 ～15min、15 ～30min、30 ～60min、大于 60min五級，分別計(jì)算出公園綠地各時間等級的面積占總面積的百分比，得到基于相對阻力的可達(dá)性級別分布比率(表2)。綜合土地利用類型將人口密度作為屬性值添加到土地利用類型圖中，并以人口密度屬性值作為矢轉(zhuǎn)柵的依據(jù)值，形成人口分布密度的柵格圖象，提取出人口分布數(shù)據(jù)。

對人口分布數(shù)據(jù)和步行阻力值(基于不同用地的相對阻力)按各占50%的權(quán)重做疊加計(jì)算，得到綜合阻力值。在ArcGIS9.3中，利用空間分析模塊的成本距離加權(quán)的方法，以綠地分布柵格圖象作為源，對帶有綜合阻力值的柵格圖像做權(quán)重距離計(jì)算，從而形成公園綠地可達(dá)性分布圖(圖4)，并計(jì)算得到基于綜合阻力值的可達(dá)性級別分布比率(表3)。

圖4 可達(dá)性分級圖

表2 基于相對阻力的可達(dá)性級別分布比率

表3 基于綜合阻力值的可達(dá)性級別分布比率

3.2 結(jié)果分析

通過基于相對阻力的可達(dá)性級別分布比率(表2)可以看出:84.31%的區(qū)域到達(dá)最近公園綠地的步行時間不超過30min，通過與土地利用類型圖進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)30min以內(nèi)區(qū)域涵蓋絕大部分居住區(qū)，步行超過60min的區(qū)域主要為市區(qū)內(nèi)的的空地、工業(yè)用地、風(fēng)景林地以及靠近近郊的相關(guān)區(qū)域。因此在單純考慮出行時間的情況下，濟(jì)南市中心城區(qū)的公園綠地可達(dá)性較為合理。

綜合人口分布因素，公園綠地空間可達(dá)性發(fā)生了以下變化:(1)人口密度較高的居住區(qū)可達(dá)性的級別明顯提高;(2)部分人口密度較低的非居住區(qū)的可達(dá)性級別下降。通過基于綜合阻力值的可達(dá)性級別分布比率(表3)可以發(fā)現(xiàn):Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級區(qū)域面積達(dá)到88.74%，但是Ⅰ、Ⅱ級區(qū)域僅有51.43%，說明濟(jì)南市中心城區(qū)公園綠地可達(dá)性不合理?？蛇_(dá)性不夠理想的區(qū)域主要集中在人口密度較大的城區(qū)中心地段和出行不太方便的非居住區(qū)域，從可達(dá)性分布圖上可以看出中心城區(qū)西部、北部地區(qū)缺少綜合性公園，不能滿足市民需求，可達(dá)性不足或不合理的地帶，一般都在綜合公園數(shù)量及面積上欠缺的區(qū)域。

4 結(jié)論

對濟(jì)南市公園綠地的空間可達(dá)性進(jìn)行分析研究表明:

(1)只考慮步行阻力，基于相對阻力的可達(dá)性級別分布比率表明:84.31%的區(qū)域到達(dá)最近公園綠地的步行時間不超過30min，按出行時間來計(jì)算，濟(jì)南市中心城區(qū)的公園綠地可達(dá)性較為合理。

(2)綜合人口分布因素，基于綜合阻力值的可達(dá)性級別分布比率表明:濟(jì)南市公園綠地雖然Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級區(qū)域面積達(dá)到88.74%，但是Ⅰ、Ⅱ級區(qū)域僅有51.43%，說明濟(jì)南市中心城區(qū)公園綠地的可達(dá)性不合理。

(3)可達(dá)性不足或不合理的地帶，一般都在綜合公園數(shù)量及面積上欠缺的區(qū)域;中心城區(qū)西部、北部地區(qū)缺少綜合性公園，可達(dá)性不合理。

5 基于可達(dá)性的濟(jì)南市公園綠地規(guī)劃建設(shè)方案

圖5 基于可達(dá)性的公園綠地建設(shè)方案圖

濟(jì)南市公園綠地規(guī)劃建設(shè)方案見圖5。具體建設(shè)方案為:

(1)歷城區(qū)范圍內(nèi)的百花公園已擴(kuò)建完成，針對中心城區(qū)的東北方向范圍內(nèi)的可達(dá)性欠缺區(qū)域，應(yīng)新建一全市性綜合公園，為周邊及二環(huán)東路以東的居民提供服務(wù)，如華山及其周邊建設(shè)一個綜合公園約300hm2，既可以彌補(bǔ)東北部公園面積的不足，又能充分利用現(xiàn)有山體資源發(fā)揮一定的保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。

(2)市中區(qū)以及歷下區(qū)范圍內(nèi)的公園分布基本均衡，只需要對現(xiàn)有公園稍加擴(kuò)建。大明湖公園、環(huán)城公園、泉城公園、英雄山公園擴(kuò)建約30hm2;中山公園、七里山公園、六里山公園、郎茂山公園需改擴(kuò)建約40hm2。

(3)天橋區(qū)范圍內(nèi)的公園可達(dá)性大部分為Ⅲ級區(qū)域，要提高其Ⅱ級的比例同樣要對現(xiàn)有公園進(jìn)行擴(kuò)建，動物園、藥山公園擴(kuò)建3hm2，并結(jié)合北部的黃河區(qū)域發(fā)展黃河森林公園的作用，使其為更多的北部居民提供服務(wù)。

(4)槐蔭區(qū)范圍內(nèi)已有濟(jì)南森林公園、匡山公園，森林公園的擴(kuò)建工作正在進(jìn)行，在二環(huán)以北建立臘山公園約70hm2，再結(jié)合二環(huán)以北的其他區(qū)域性公園的擴(kuò)建提高西部城區(qū)居民的生活質(zhì)量。

各區(qū)建設(shè)方案再結(jié)合小清河周邊以及南部山體林地的開發(fā)，使?jié)系墓珗@綠地分布更加均衡，使可達(dá)性在Ⅲ級的區(qū)域更多的提高到Ⅱ級區(qū)域，在提高整體游憩可達(dá)性的同時也提高人們生活的質(zhì)量，為綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供科學(xué)的理論依據(jù)。

目前濟(jì)南市通過西部的森林公園建設(shè)工程、東部百花公園提升工程、東護(hù)城河通航工程等市級重點(diǎn)工程對公園綠地分布不均現(xiàn)狀已經(jīng)有了一定的改善作用。根據(jù)以上建議對濟(jì)南市公園綠地進(jìn)行合理擴(kuò)建和布局，改善可達(dá)性，同時提高公園綠地的服務(wù)效率，構(gòu)建人工植物群落，保護(hù)植物的多樣性［13－14］。相信不久的將來，一個環(huán)境優(yōu)美、生態(tài)良好的“森林泉城”就會展示在世人的面前。

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