GIS定量測(cè)量建成環(huán)境的適宜緩沖區(qū)距離分析

何曉龍 段朝陽

1 上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)健身科技省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海200438）

2 同濟(jì)大學(xué)附屬楊浦醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科

近年來， 建成環(huán)境與體力活動(dòng)關(guān)系的研究引起了廣大學(xué)者的興趣， 尤其是在青少年體質(zhì)研究方面取得了一系列的成果。當(dāng)前，該領(lǐng)域的研究方法可分為定性研究與定量研究。 隨著地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）技術(shù)在眾多領(lǐng)域的推廣，應(yīng)用GIS技術(shù)定量測(cè)量建成環(huán)境指標(biāo)體系的方法也得到了有效的發(fā)展，是該領(lǐng)域定量研究的一種趨勢(shì)。但無論是采用定性或定量的研究方法， 一般都以建成環(huán)境的測(cè)量方式為依據(jù)[1-3]。然而，要測(cè)量影響青少年體力活動(dòng)的建成環(huán)境， 一個(gè)重要的前提就是需要知道哪些區(qū)域內(nèi)的建成環(huán)境要素會(huì)對(duì)青少年的體力活動(dòng)產(chǎn)生影響，因?yàn)榕c個(gè)體體力活動(dòng)直接相關(guān)的建成環(huán)境并非整個(gè)城市空間， 而是與其日常生活緊密相關(guān)的特定區(qū)域， 如住所、工作地點(diǎn)和通勤區(qū)間的周邊建成環(huán)境等。 該區(qū)域，即被稱作緩沖區(qū)（buffer），是特定的空間對(duì)象或集合的鄰域， 可以說是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍[4，5]。

目前在建成環(huán)境影響青少年體力活動(dòng)的研究中，緩沖區(qū)的建立主要通過GIS技術(shù)以受試者的家庭住址（社區(qū)）和（或）學(xué)校為中心建立一定距離、不同形狀的區(qū)域，代表環(huán)境暴露。 然而在所設(shè)定的一系列距離中，與青少年體力活動(dòng)敏感性最強(qiáng)的距離才是研究建成環(huán)境的“適宜緩沖區(qū)距離”，這對(duì)于該區(qū)域內(nèi)建成環(huán)境狀況的認(rèn)識(shí)、制定干預(yù)措施具有重要意義。國(guó)外在該方面的研究正處于一個(gè)快速上升的階段， 而國(guó)內(nèi)還面臨著一片空白。 因此，本文通過對(duì)國(guó)外使用GIS定量測(cè)量建成環(huán)境的適宜緩沖區(qū)距離進(jìn)行歸納與討論， 旨在為國(guó)內(nèi)日后的研究提供參考。

1 研究方法

西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)建成環(huán)境與青少年體力活動(dòng)的研究一直占據(jù)著領(lǐng)先地位，因此本文從Medline、Embase、Pubmed、SportsDiscus和Web of Science等外文數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，以“Built Environment”、“Physical activity”、“youth”、“adolescent”、“children”、“Physical Activity”、“Measurement”、 “Geographic Information System”、“GIS”、 “Global Positioning System”、 “GPS”、“Quantitative”、“buffer”、“radius”、“proximity”、“circular buffer”、“network buffer”、“street-based buffer”和“l(fā)inebased buffer”等為關(guān)鍵詞進(jìn)行組合檢索，檢索時(shí)間定為1990年1月至2014年6月， 并采用追溯的方法以保證文獻(xiàn)齊全。 結(jié)果搜索到67篇文獻(xiàn)，經(jīng)過排除，保留有效文獻(xiàn)23篇。

2 GIS定量測(cè)量建成環(huán)境的適宜緩沖區(qū)距離

2.1 緩沖區(qū)簡(jiǎn)述

早期的建成環(huán)境暴露是以預(yù)先設(shè)定（pre-defined）的地理邊界，如行政單位、縣區(qū)（counties）、人口普查區(qū)域（census tracts）和郵政編碼（ZIP codes）等來定義的[6-13]。這種假設(shè)的活動(dòng)空間操作固然簡(jiǎn)便， 但也存在著各種弊端。隨著社會(huì)的發(fā)展，一個(gè)人的流動(dòng)（包括體力活動(dòng)）較為頻繁，不再局限于一個(gè)特定的行政區(qū)內(nèi)部，尤其對(duì)于生活在行政區(qū)域邊界的個(gè)體， 可能花更多的時(shí)間在臨近的行政單位里[13，14]；此外，選擇行政區(qū)域容易導(dǎo)致可塑性面積單元問題 （modifiable areal unit problem，MAUP）。因此，行政單位不能真實(shí)反映青少年日常體力活動(dòng)所發(fā)生的區(qū)域[15，16]， 容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的環(huán)境暴露（exposure misclassification）[14]。

隨著GIS技術(shù)的應(yīng)用，緩沖區(qū)的創(chuàng)建也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其更能代表青少年的日?；顒?dòng)環(huán)境，開啟了公共衛(wèi)生領(lǐng)域研究的新紀(jì)元[17]。 目前，依靠GIS技術(shù)可創(chuàng)建三種不同形狀的緩沖區(qū)，分別為圓形緩沖區(qū)（circular buffer）、 路網(wǎng)緩沖區(qū) （network buffer） 和線形緩沖區(qū)（line-based network buffer/liner buffer）等（見圖1）。圓形緩沖區(qū)， 又叫作crow flies、straight line buffers和airline buffers等[18]，通常是以學(xué)校或家庭住址為中心就給定的歐式距離（euclidean distance）為半徑描繪的圓形區(qū)域[19，20]，操作較為簡(jiǎn)便。 路網(wǎng)緩沖區(qū)又被稱作不規(guī)則多邊形緩沖區(qū)（irregular polygon network），是由目標(biāo)位置依據(jù)街道向外延伸一定距離， 用線將終點(diǎn)的道路網(wǎng)絡(luò)連接，創(chuàng)建一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)周圍不規(guī)則形狀的緩沖區(qū)，它所捕獲的是一個(gè)人基于道路前往目的地的真正可及性。線形緩沖區(qū)是沿著要素（如道路、河流等）兩側(cè)以及端點(diǎn)向外輻射一定距離的緩沖區(qū)域[4，5]。

圖1 GIS技術(shù)所創(chuàng)建的三種緩沖區(qū)示意圖（引自Boruff等[13]）

2.2 不同緩沖區(qū)的適宜距離

盡管研究已經(jīng)表明利用GIS技術(shù)定量測(cè)量的建成環(huán)境緩沖區(qū)比行政單位更為準(zhǔn)確， 但在具體的研究中到底采取什么類型的緩沖區(qū)（圓形緩沖區(qū)、路網(wǎng)緩沖區(qū)還是線形緩沖區(qū)） 以及相同類型的緩沖區(qū)所需的適宜緩沖區(qū)距離目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[21]，這阻礙了該領(lǐng)域相同研究的重復(fù)與比較[22]。 通過對(duì)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)（見表1），圓形緩沖區(qū)的使用頻率最高，路網(wǎng)緩沖區(qū)次之，線形緩沖區(qū)最少。 在圓形緩沖區(qū)里，400 m～1600 m(0.25 mile～1 mile)是較為尋常的距離，少數(shù)研究采用了2000 m甚至8.05 km的緩沖區(qū)距離； 在路網(wǎng)緩沖區(qū)里，半徑的區(qū)間為200 m～1600 m， 1200 m(0.75 mile)較為普遍；在建成環(huán)境與青少年體力活動(dòng)的研究里，線形緩沖區(qū)的文獻(xiàn)尚且不多，僅有1篇，選用的緩沖區(qū)距離為1.6 km（1 mile）。

3 討論

科學(xué)合理的環(huán)境暴露是建成環(huán)境與青少年體力活動(dòng)研究的首要前提。緩沖區(qū)的建立，一方面強(qiáng)調(diào)了與個(gè)體密切相關(guān)的建成環(huán)境， 將那些距離個(gè)體生活空間較遠(yuǎn)的空間元素排除在外；另一方面，使不同區(qū)域的研究具備了重復(fù)與比較的可能[22]。 然而目前在緩沖區(qū)類型的選取以及適宜緩沖區(qū)距離測(cè)量方面的知識(shí)還依然很欠缺[41]，導(dǎo)致不同研究的結(jié)果不一致[1，42]。

3.1 三種緩沖區(qū)各有利弊

圓形緩沖區(qū)是以某個(gè)中心點(diǎn)和特定距離建立的圓形區(qū)域，代表青少年的潛在活動(dòng)范圍，并非所有該區(qū)域內(nèi)的建成環(huán)境特征都會(huì)吸引青少年體力活動(dòng)的參與。一些自然狀況如鐵路、 水域和連通性交叉的道路等顯然不是青少年日常體力活動(dòng)所參與的場(chǎng)所。同時(shí)，圓形緩沖區(qū)不考慮街道的布局狀況。 因此圓形緩沖區(qū)會(huì)“高估”了青少年的體力活動(dòng)環(huán)境。 然而，由于其操作相對(duì)簡(jiǎn)便，是應(yīng)用較多的一種緩沖區(qū)方法，有文獻(xiàn)指出，在使用緩沖區(qū)的研究中，圓形占到了73%[43]。 多邊形緩沖區(qū)與線形緩沖區(qū)都是以線（街道、路網(wǎng)）為基本要素。前者以特定的距離沿街道延伸， 并同時(shí)向道路兩側(cè)旁開一定的寬度， 然后將距離的終點(diǎn)用線連接后圍成一個(gè)不規(guī)則的多邊形區(qū)域， 代表的是一個(gè)人沿著街網(wǎng)所能到達(dá)的潛在區(qū)域；后者的做法與多邊形緩沖區(qū)相近，區(qū)別在于緩沖區(qū)半徑的長(zhǎng)度不固定， 一直向周圍沿著連通性較好的街道延伸， 且在各個(gè)道路的終點(diǎn)處并不用線連接，結(jié)果是一個(gè)更加不規(guī)則的圖形（見圖1）。 人們的空間步行足跡受到路網(wǎng)的影響，由此可見，直線緩沖區(qū)所代表的是一個(gè)青少年實(shí)際所能到達(dá)的范圍， 這個(gè)區(qū)域內(nèi)的建成環(huán)境特征對(duì)于體力活動(dòng)的影響顯然要大于前兩種緩沖區(qū)。 這三種類型的緩沖區(qū)還面臨著地理區(qū)域研究的差異問題。Oliver等[42]（2007）指出，在街道連通性較為密集的城區(qū)與街道連通性較為稀疏的郊區(qū)（農(nóng)村）相比，圓形緩沖區(qū)與路網(wǎng)緩沖區(qū)所能代表的真實(shí)環(huán)境暴露區(qū)域差別不大， 然而在街道連通性較為稀疏的郊區(qū)， 圓形緩沖區(qū)的實(shí)際用處卻比其他兩種緩沖區(qū)要小，此時(shí)就更適宜采用路網(wǎng)緩沖區(qū)與直線緩沖區(qū)。

另外， 緩沖區(qū)的采用也會(huì)隨著體力活動(dòng)的類型的差別而改變。比如，一個(gè)人的步行與目的地的可及性以及街道的連通性較為關(guān)聯(lián)， 因此線形緩沖區(qū)對(duì)于步行研究來說也許更能夠代表一個(gè)人的空間環(huán)境暴露[13，42]。

3.2 適宜的緩沖區(qū)距離與敏感性分析

縱觀文獻(xiàn)， 在相同的緩沖區(qū)里使用的緩沖區(qū)距離也存在較大的差異。 例如， 在使用圓形緩沖區(qū)的研究中，有的使用了較大的半徑[23，25，26，31]，也有的使用了較小的半徑[30，32，33]。 較大或較小的緩沖區(qū)半徑哪一個(gè)更能夠代表青少年的體力活動(dòng)環(huán)境目前還沒有統(tǒng)一的定論。Gordon-Larsen[44]和Sallis[45]認(rèn)為，5 km的范圍內(nèi)對(duì)研究成年人的體力活動(dòng)較為適合，然而對(duì)于青少年而言，緩沖區(qū)的范圍越小越適合， 主要是因?yàn)樾》秶鷥?nèi)其受交通影響較小，其他學(xué)者也提出了相同的看法[37，46-48]。 然而也有研究認(rèn)為，緩沖區(qū)的半徑越大，青少年日常所能接觸到的體力活動(dòng)設(shè)施 （或者有利于體力活動(dòng)開展的建成環(huán)境特征）的機(jī)會(huì)就越大[49]。 Nelson[50]通過敏感性分析（sensitivity analyses）確定了適合青少年體力活動(dòng)研究的緩沖區(qū)尺度較大，為3 km。

同時(shí)， 很多緩沖區(qū)的半徑是依據(jù)社區(qū)的定義來選擇的。 比如，Colabianchi等[51]經(jīng)研究得出適宜青少年女生的社區(qū)適宜步行的時(shí)間為14.7±8.7 min， 約等于15 min，相當(dāng)于0.75 mile（1200 m），并為很多研究所引用。也有研究認(rèn)為半徑為1600 m（1 mile）更能代表社區(qū)的定義，約為20 min的步行[52，53]。

除了常用的幾種緩沖區(qū)半徑外， 還有學(xué)者以家庭周圍（社區(qū)）或?qū)W校為中心建立不同的緩沖區(qū)半徑，采用敏感性分析， 找出與青少年體力活動(dòng)較為密切聯(lián)系的距離來代表更科學(xué)的建成環(huán)境暴露。 Boone-Heinonen等[26]分析了17659名青少年的中高強(qiáng)度體力活動(dòng)（MVPA）數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同緩沖區(qū)規(guī)模——1 km、3 km、5 km和8.05 km緩沖區(qū)半徑內(nèi)的體力活動(dòng)設(shè)施數(shù)量與街道連通性與青少年的MVPA有關(guān)。 其中，3km以內(nèi)的體力活動(dòng)設(shè)施數(shù)量、1 km內(nèi)的交叉口密度與其MVPA最有一致性的聯(lián)系。 van Loon等（2014）[33]在366名青少年的家庭周圍分別創(chuàng)建了半徑為200 m、400 m、800 m和1600 m（1 mile）的路網(wǎng)緩沖區(qū)定義社區(qū)范圍，來檢測(cè)與8～11歲青少年的MVPA最為關(guān)聯(lián)的社區(qū)建成環(huán)境特征。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的幾個(gè)半徑模型里，最大的緩沖區(qū)距離（1600 m） 與青少年的體力活動(dòng)的聯(lián)系較為緊密。由此看來，利用多重緩沖區(qū)尺寸對(duì)青少年的體力活動(dòng)進(jìn)行敏感性分析對(duì)于適宜緩沖區(qū)距離的確定有著重要意義[54]。

3.3 未來加大GPS的使用

盡管敏感性分析可能是較為科學(xué)的方法，但不同緩沖區(qū)半徑的選擇仍然依靠作者主觀的隨意選擇性[55]，對(duì)于客觀反映建成環(huán)境與體力活動(dòng)的相互關(guān)系來說，仍然不是最佳選擇。 有研究指出，青少年的體力活動(dòng)會(huì)隨著建成環(huán)境特征的改變而改變[56-58]，因此詳盡的體力活動(dòng)背景信息能為研究者提供更完整的環(huán)境暴露評(píng)估[59-61]。而環(huán)境暴露對(duì)體力活動(dòng)的最大影響因素在于體力活動(dòng)開展的地點(diǎn)與時(shí)間[62]，基于此點(diǎn)，GPS已逐漸被引用到該領(lǐng)域的研究當(dāng)中， 被認(rèn)為是一種較為有效的工具[63]。

GPS由定位衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)和定位接收器三個(gè)部分組成。 定位原理即根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交匯的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。它不僅提供三維坐標(biāo)，還顯示精確的時(shí)空和速度數(shù)據(jù)，因此可用來測(cè)量體力活動(dòng)環(huán)境[64]。

Maddison等[65]同時(shí)采用GIS、GPS和加速度計(jì)對(duì)12～17歲高中學(xué)生的4天體力活動(dòng)模式進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 周一到周五體力活動(dòng)主要發(fā)生在學(xué)校周邊1 km的緩沖區(qū)內(nèi)或家庭周圍150 m的范圍內(nèi)，每天的中等強(qiáng)度體力活動(dòng)（MPA）平均為74 ± 36 min，高強(qiáng)度體力活動(dòng)（VPA）為7.5 ± 8 min，周六和周日青少年的體力活動(dòng)與上學(xué)日截然不同，主要發(fā)生在家庭周圍的戶外環(huán)境。這樣，基于GPS的體力活動(dòng)追蹤對(duì)于客觀反映建成環(huán)境與體力活動(dòng)之間的相互關(guān)系更為科學(xué)， 被認(rèn)為是環(huán)境暴露研究的一大進(jìn)步[66]，也是該領(lǐng)域以后的研究方向與熱點(diǎn)。

4 小結(jié)

基于GIS定量測(cè)量建成環(huán)境的三種緩沖區(qū)比傳統(tǒng)的行政單位更加準(zhǔn)確，且各有側(cè)重點(diǎn)。目前統(tǒng)一的適宜緩沖區(qū)距離仍未得到廣泛共識(shí)。 通過設(shè)置多重緩沖區(qū)尺寸進(jìn)行敏感性分析得出的緩沖區(qū)距離較為科學(xué)。 在將來的研究中，側(cè)重GPS的使用，將更能反映青少年日常體力活動(dòng)與建成環(huán)境之間的相互聯(lián)系。

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