基于GIS的城市公共體育設(shè)施可達(dá)性研究

吳文龍，李欣悅，張洋洋，劉海娟，徐雁南

可達(dá)性(Accessibility)表示物體間克服阻力進(jìn)行接觸的難易程度[1]。研究城市公共體育設(shè)施的空間可達(dá)性，可作為指導(dǎo)城市公共體育設(shè)施建設(shè)規(guī)劃的重要參考。目前，基于GIS的空間可達(dá)性研究已應(yīng)用于服務(wù)設(shè)施領(lǐng)域如學(xué)校、醫(yī)院的選址及評(píng)價(jià)不同群體對(duì)特定社會(huì)服務(wù)的差異等。如鄭朝洪[2]利用GIS研究了某地區(qū)醫(yī)療設(shè)施的空間可達(dá)性；HARVEY[3]將GIS應(yīng)用于交通規(guī)劃可達(dá)性分析；周廷剛[4，5]、俞孔堅(jiān)[6]等利用GIS對(duì)城市綠地景觀可達(dá)性進(jìn)行了研究；宋正娜、陳雯[7]利用潛能模型研究縣域范圍醫(yī)療設(shè)施可達(dá)性，該研究綜合考慮了人口因素、醫(yī)療設(shè)施服務(wù)力等因素，取得了良好的效果。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前還未有人利用GIS技術(shù)對(duì)公共體育設(shè)施的空間可達(dá)性進(jìn)行研究。鑒于此，筆者利用GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能并結(jié)合潛能模型對(duì)深圳市福田區(qū)公共體育設(shè)施空間可達(dá)性進(jìn)行了實(shí)踐研究，旨在為城市公共體育設(shè)施的合理布局提供參考。

1 研究區(qū)概況

深圳市福田區(qū)(113°59′～114°05′E，22°30′～22°34′N)位于深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)中部。東起紅嶺路與羅湖區(qū)相連，西至華僑城與南山區(qū)相接，北到筆架山、蓮花山與寶安區(qū)民治街道相連，南臨深圳河、深圳灣與香港新界的米埔、元朗相望。福田區(qū)面積為78.8平方千米，截至2010年全國(guó)第六次人口普查，福田區(qū)共有131.75萬(wàn)常住人口，與第五次人口普查數(shù)據(jù)相比增加了40.8萬(wàn)常住人口。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

圖像數(shù)據(jù)采用深圳市福田區(qū)2005年高分辨率航片(空間分辨率為0.6m)；人口數(shù)據(jù)采用福田區(qū)各街道2005年人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。將福田區(qū)2005年遙感影像與道路數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，并在影像上解譯提取公共體育設(shè)施和密集居住點(diǎn)。公共體育設(shè)施主要包括運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、體育場(chǎng)(館)、球場(chǎng)(網(wǎng)球、籃球等)、游泳池(館)等。

2.2 研究方法

2.2.1研究路線按照研究進(jìn)程分為三大步驟：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、相關(guān)的指數(shù)和可達(dá)性的計(jì)算、β值的確定與空間可達(dá)性可視化。先將研究數(shù)據(jù)在GIS中通過(guò)矢量化、投影變換等操作建立Geodatabase矢量數(shù)據(jù)庫(kù)，再利用網(wǎng)絡(luò)分析方法計(jì)算出每個(gè)密集居住點(diǎn)到體育設(shè)施點(diǎn)的距離，通過(guò)人口密度數(shù)據(jù)算出的服務(wù)力指數(shù)計(jì)算可達(dá)性度量值，最后通過(guò)插值分析得出空間可達(dá)性分布圖。

2.2.2可達(dá)性計(jì)算

(1)計(jì)算方法?？蛇_(dá)性表征了人或物以某種交通方式到達(dá)目的地的難易程度，同時(shí)也表征了不同性質(zhì)地物之間相互影響的潛能。

潛能即物體間產(chǎn)生的能，例如j對(duì)i產(chǎn)生的潛能Pij為Mj/Cij，其中Mj表示j點(diǎn)的吸引力，Cij表示i點(diǎn)和j點(diǎn)之間的阻抗 (距離或時(shí)間)；系統(tǒng)中所有物體對(duì)該點(diǎn)所產(chǎn)生的潛能等于每個(gè)物體對(duì)該點(diǎn)所產(chǎn)生的潛能的總和，如有n個(gè)離散分布的物體，對(duì)于i點(diǎn)的潛能總Pi和為：

(1)

這就是地理學(xué)潛能模型的一般公式，利用公式(1)來(lái)計(jì)算可達(dá)性度量值。這里的可達(dá)性定義為：所有公共體育設(shè)施的服務(wù)力與阻力(距離)的比值的總合。公式中：Pi是居民點(diǎn)i的可達(dá)性度量值；Mj是體育設(shè)施j的服務(wù)能力；Cij為居民點(diǎn)i到體育設(shè)施j的最短距離;β為阻抗系數(shù)。

(2)路網(wǎng)阻抗的計(jì)算。在一般研究中，都會(huì)考慮居民的出行方式：如開(kāi)車、步行、騎車等。由于居民出行方式很難人為主觀定論，為了避免這一因素帶來(lái)的誤差，筆者采用路長(zhǎng)來(lái)代替路網(wǎng)阻抗，因?yàn)椴徽撃姆N出行方式，都是以路長(zhǎng)為主要參考對(duì)象的。利用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下交通網(wǎng)絡(luò)最短路徑算法，以公共體育設(shè)施、密集居住點(diǎn)及道路網(wǎng)布局為基礎(chǔ)， 利用Arcgis 軟件中Network分析模塊，計(jì)算出各居民點(diǎn)至各公共體育設(shè)施的最短路長(zhǎng)。需要注意的是，阻抗是交通網(wǎng)絡(luò)距離、交通成本、時(shí)間的函數(shù)，而本研究中出于實(shí)際考慮直接用交通網(wǎng)絡(luò)距離進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生一些偏差。

(3)公共體育設(shè)施服務(wù)能力的計(jì)算。近年來(lái)可達(dá)性研究表明，服務(wù)能力的計(jì)算主要用評(píng)價(jià)對(duì)象某一個(gè)內(nèi)部特征值來(lái)表示。如馬林兵、曹小曙[8]在研究廣州公共綠地景觀可達(dá)性時(shí)利用每個(gè)公園綠地所占面積來(lái)表示該綠地的服務(wù)力；鄭朝洪[2]利用衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)表示服務(wù)力研究石獅市醫(yī)療設(shè)施空間可達(dá)性；胡繼華[10]等在研究廣州城市可達(dá)性計(jì)算方法中對(duì)于服務(wù)力Mj的測(cè)度，綜合考慮了人口密度、興趣點(diǎn)類別與數(shù)量，具體計(jì)算如公式如下：

(2)

其中：Fj表示人口密度；n表示興趣點(diǎn)種類；Wi表示興趣點(diǎn)類別為i的影響因子；Pi表示興趣點(diǎn)類別為i的興趣點(diǎn)數(shù)量；q為相關(guān)系數(shù)。這里取對(duì)數(shù)是為了將人口密度轉(zhuǎn)化為與阻抗值相近的數(shù)量級(jí)，并且使數(shù)據(jù)浮動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。

由于實(shí)際中很難考證每個(gè)體育設(shè)施的具體類型以及是否對(duì)外開(kāi)放，我們將福田區(qū)各類體育設(shè)施視為同一種類型的興趣點(diǎn)，Wi、Pi與n均代表1，即得出體育設(shè)施服務(wù)能力計(jì)算公式為：

Mj=Log10Fj

(3)

公式中：Fj表示密集居民點(diǎn)j周圍的人口密度。

這表示我們討論的服務(wù)力指數(shù)僅與人口密度有關(guān)。因?yàn)橐恍┛陀^原因?qū)⑺泄搀w育設(shè)施都視為同一種興趣類型，沒(méi)有考慮其本身質(zhì)量及服務(wù)人群，同時(shí)也忽略了一些體育設(shè)施是否對(duì)外開(kāi)放的情況，將會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

(4) 阻抗系數(shù)β的確定。阻抗系數(shù)β可以根據(jù)不同應(yīng)用來(lái)取值。既擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，又提高了評(píng)價(jià)精度，但其取值卻是一個(gè)難題。Peeters等總結(jié)了Love、Berens等的觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)β取值集中于0.9～2.29之間[10]；Wang對(duì)芝加哥地區(qū)工作出勤模式研究得出β取值為1.85[11]；陶海燕等研究廣州市珠海區(qū)公共醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)可達(dá)性空間分布時(shí)取β值為1[12]；吳建軍采用引力模型研究河南省蘭考縣醫(yī)療設(shè)施空間可達(dá)性時(shí)，β取值為2[13]；王遠(yuǎn)飛、張超采用Huff模型對(duì)上海浦東新區(qū)綜合醫(yī)院服務(wù)域進(jìn)行研究時(shí)，分別研究β=1和β=2兩種情況。通過(guò)比較，筆者認(rèn)為β選取2時(shí)研究結(jié)果更為合理。以上觀點(diǎn)可以看出β取值多集中于1～2之間。

對(duì)于出行阻抗系數(shù)β，不能通過(guò)調(diào)查得到，因此出于方便考慮，筆者嘗試選取1和2作為β的取值，在比較空間可達(dá)性計(jì)算結(jié)果后，根據(jù)現(xiàn)實(shí)合理性來(lái)確定β取值。

3 結(jié)果與分析

3.1 影像解譯結(jié)果與分布特征

通過(guò)對(duì)福田區(qū)遙感影像的解譯，總共提取出128處公共體育設(shè)施和49處密集居住點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，其中公共體育設(shè)施數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 福田區(qū)各類公共體育設(shè)施數(shù)量

表2 福田區(qū)各街道公共體育設(shè)施數(shù)量

圖1福田區(qū)2005年公共體育設(shè)施及密集居民點(diǎn)分布圖

由表1、表2結(jié)合圖1可以看出，公共體育設(shè)施類別中，球場(chǎng)是最多的，有49處；而游泳館(池)與體育館則相對(duì)較少，分別為21處與16處。各街道中，以沙頭街道公共體育設(shè)施數(shù)量最多，29處，福田街道、蓮花街道、香蜜湖街道、梅林街道次之，都達(dá)到16處以上，而南園街道與華富街道最少，分別只有九處和七處。雖然南園街道、園嶺街道以及華富街道公共體育設(shè)施數(shù)量較少，但是由于其面積也較小，因此平均每個(gè)公共體育設(shè)施的服務(wù)范圍都大于梅林街道和香蜜湖街道等。而且有些街道如沙頭街道、蓮花街道，有較多的公共體育設(shè)施，但分布卻很不均勻，沙頭街道幾乎全部分布于街道東部區(qū)域，蓮花街道則主要分布于街道西部區(qū)域。

通過(guò)圖1可以觀察出密集居住點(diǎn)的分布大體上與公共體育設(shè)施點(diǎn)一致：其中以南園街道和園嶺街道的人口密度最高，達(dá)到每平方公里59 350人以上；其次為福田街道和蓮花街道，人口密度介于每平方公里31 325人到59 350人之間；梅林街道與香蜜湖街道由于面積較大，人口密度很低，最少的只有3 275人每平方公里。

3.2 最短路長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果

由于密集居住點(diǎn)與公共體育設(shè)施點(diǎn)數(shù)量較多，因此求得的最短路徑值很多。這里只列出部分最短路徑的長(zhǎng)度(見(jiàn)表3)。

表3 福田區(qū)各密集居住點(diǎn)到各公共體育設(shè)施最短路長(zhǎng)(m)

3.3 公共體育設(shè)施服務(wù)力

根據(jù)各公共體育設(shè)施所在街道并結(jié)合福田區(qū)2005年各街道人口密度，利用公式(3)計(jì)算出公共體育設(shè)施服務(wù)力(見(jiàn)表4)。

表4 各街道公共體育設(shè)施服務(wù)力

服務(wù)力值均處于4到5之間，這為后面的可達(dá)性度量值計(jì)算提供了方便。其中處在園嶺街道和南園街道的公共體育設(shè)施服務(wù)力最高，為4.81；而梅林街道由于人口密度最小，服務(wù)力較低，為4.02。

3.4 可達(dá)性度量值計(jì)算結(jié)果與討論

對(duì)β取1和2時(shí)利用公式(1)計(jì)算出福田區(qū)公共體育設(shè)施的可達(dá)性度量值(見(jiàn)表5)，并且對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表6)。

表5 福田區(qū)公共體育設(shè)施空間可達(dá)性結(jié)果(Pi)

表6 福田區(qū)公共體育設(shè)施空間可達(dá)性結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表3可以看出，當(dāng)β=2時(shí)，空間可達(dá)性數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差與標(biāo)準(zhǔn)誤較β=1時(shí)要大很多，說(shuō)明β=2時(shí)得到的空間可達(dá)性數(shù)值波動(dòng)十分大，分布極為不均勻，容易兩極分化，很難看出空間可達(dá)性度量值的變化趨勢(shì)；而β=1時(shí)得到的可達(dá)性數(shù)值波動(dòng)則相對(duì)較小，可以顯示出空間可達(dá)性度量值的變化趨勢(shì)。

在ARCGIS9.3中分別對(duì)β取1、取2時(shí)采用樣條函數(shù)插值法(SPLINE)，對(duì)福田區(qū)公共體育設(shè)施可達(dá)性度量值進(jìn)行插值分析(見(jiàn)圖2、圖3)。結(jié)果顯示，β=2時(shí)，不能揭示出福田區(qū)各個(gè)街道居民點(diǎn)之間空間可達(dá)性的差異，其中，梅林街道、華富街道、福田街道、沙頭街道以及蓮花街道的空間可達(dá)性趨于一致；β=1時(shí)，呈現(xiàn)出以園嶺街道、南園街道以及沙頭街道東部為多中心并且逐漸往周圍遞減的趨勢(shì)，各個(gè)街道內(nèi)部以及街道之間的空間可達(dá)性基本存在一定的層次差異。因此，本文取β=1時(shí)效果更好，因?yàn)樗芎侠淼乇憩F(xiàn)出福田區(qū)公共體育設(shè)施空間可達(dá)性的差異。

圖2 福田區(qū)公共體育設(shè)施空間可達(dá)性樣條插值圖(β=1)

圖3福田區(qū)公共體育設(shè)施空間可達(dá)性樣條插值圖(β=2)

由圖3可以看出，南園街道、園嶺街道以及沙頭街道東部的空間可達(dá)性最好，可達(dá)性度量值最高，處在213到262之間；其次是蓮花街道、福田街道以及香蜜湖的部分區(qū)域，可達(dá)性度量值基本處在2、3等級(jí)上，最高可以達(dá)到237左右；而梅林街道、華富街道和香蜜湖以及沙頭街道西部區(qū)域的空間可達(dá)性較差，平均在130左右，與其他幾個(gè)街道區(qū)域有很大差異。結(jié)合圖1不難發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)空間可達(dá)性較高的區(qū)域都有著較高人口密度和較多公共體育設(shè)施以及發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)，而空間可達(dá)性較低的區(qū)域則恰恰相反?？梢?jiàn)，人口密度、公共體育設(shè)施數(shù)量以及交通發(fā)達(dá)程度是影響可達(dá)性度量值的主要因子。

4 討論

通過(guò)分析，可以看出福田區(qū)具有公共體育設(shè)施布局分布不均勻、覆蓋重復(fù)度高、局部區(qū)域人口密度過(guò)大等問(wèn)題，筆者特提出以下三個(gè)方面的解決對(duì)策：

(1)合理規(guī)劃城市交通，緩解交通壓力。福田區(qū)人口數(shù)量大，交通壓力也隨之加大，因此出行阻力較大。人們?cè)谶x擇目的地時(shí)，往往會(huì)考慮驅(qū)車去較遠(yuǎn)的地方會(huì)浪費(fèi)過(guò)多時(shí)間，因此就近選擇。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)城市交通地合理規(guī)劃，可以緩解交通壓力，使得人們能夠花費(fèi)較少的時(shí)間去路途比較遠(yuǎn)同時(shí)體育設(shè)施條件好的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所參與鍛煉。這樣既可以合理分配城市公共體育設(shè)施資源，又避免了部分偏遠(yuǎn)地區(qū)體育設(shè)施資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

(2)合理引導(dǎo)城市人口的遷移與分布。福田區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，但人口與環(huán)境不平衡，存在建筑集中、交通擁擠、人口分布不均等問(wèn)題。引導(dǎo)城市人口的有序遷移與分布是人口與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要措施。通過(guò)引導(dǎo)福田區(qū)人口的有序遷移與合理分布，可以有效提高其城市公共體育設(shè)施的利用效率與公平性。

(3)統(tǒng)籌公共體育設(shè)施規(guī)劃，減少重復(fù)建設(shè)。在以上的分析中我們可以看到福田區(qū)有很多區(qū)域的體育設(shè)施數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他區(qū)域，重復(fù)建設(shè)度高。建議在公共體育設(shè)施建設(shè)時(shí)提前做好規(guī)劃工作，嚴(yán)格按照規(guī)劃進(jìn)行建設(shè)，杜絕重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)。比如，根據(jù)城市各區(qū)域?qū)w育設(shè)施的不同要求，采取因地制宜的建設(shè)方法，可在居民小區(qū)內(nèi)建設(shè)便民體育設(shè)施，在休閑區(qū)內(nèi)建設(shè)文體設(shè)施等。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了潛能模型的由來(lái)，結(jié)合實(shí)例研究了利用潛能模型的計(jì)算方法應(yīng)用于公共體育設(shè)施空間可達(dá)性分析的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并且根據(jù)分析結(jié)果提出若干條解決部分地區(qū)空間可達(dá)性較低的對(duì)策。

在研究過(guò)程中，綜合考慮了公共體育設(shè)施服務(wù)的供需狀況和距離因素，并通過(guò)比較，選擇了適當(dāng)?shù)淖杩瓜禂?shù)β，全面準(zhǔn)確地揭示了公共體育設(shè)施空間可達(dá)性。結(jié)合以往的各類研究，我們可以看出該方法適用于范圍較小的設(shè)施空間可達(dá)性，可以較為準(zhǔn)確地確定缺少公共體育設(shè)施的地區(qū)。在研究中需要注意的地方主要有兩點(diǎn)：一個(gè)是研究單元大小的選取。如果研究單元過(guò)大，則研究結(jié)果不具說(shuō)服力。過(guò)小則表現(xiàn)不出空間可達(dá)性的差異；另一個(gè)就是阻抗系數(shù)β的確定。過(guò)小的β值很可能產(chǎn)生平滑的可達(dá)性度量值，無(wú)法有效揭示區(qū)域差異；β過(guò)大則易夸大可達(dá)性度量值的差異。實(shí)際操作中，若能根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，在比較不同的取值后再行確定，或通過(guò)實(shí)地調(diào)查研究，則相對(duì)更為準(zhǔn)確。

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