基于共享單車大數(shù)據(jù)的城市型自行車綠道選線規(guī)劃途徑研究

陳希希

李 倞*

隨著現(xiàn)代城市的快速發(fā)展，城市人口持續(xù)增加，交通擁堵、空氣污染、綠地破碎等城市問題逐漸顯現(xiàn)，如何創(chuàng)造更舒適的城市生活環(huán)境已成為未來城市發(fā)展的首要任務(wù)之一。綠道的建設(shè)連接了城市破碎的綠地，為居民提供了舒適的步行和騎行體驗(yàn)，提高了居民的生活質(zhì)量，對(duì)城市的存量更新，土地的可持續(xù)利用提供了一個(gè)新的發(fā)展模式[1-3]。

促進(jìn)自行車使用作為城市型綠道的重要服務(wù)功能之一，是其選線的重要考慮因素[4]。城市型自行車綠道的建設(shè)將為工作通勤、日常生活服務(wù)提供更加舒適和便捷的體驗(yàn)，對(duì)于鼓勵(lì)綠色出行，緩解城市機(jī)動(dòng)車交通擁堵具有重要的價(jià)值。尤其像北京、上海等中國特大型城市，自行車正通過與公交、地鐵相銜接，形成完善的城市公共交通系統(tǒng)，成為城市綠色出行的重要選擇。

本研究主要將綠道選線的影響因素劃分為服務(wù)需求和承載空間潛力兩部分，嘗試將空間潛力和社會(huì)行為大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，探索城市型自行車綠道選線規(guī)劃的新途徑。在需求方面，城市型自行車綠道與社會(huì)生活和日常通勤聯(lián)系緊密，自行車通行的使用需求和高頻率使用空間是選線的重要因素，通過社會(huì)行為大數(shù)據(jù)分析，能精確地將人對(duì)空間的實(shí)際使用進(jìn)行量化。在承載空間潛力方面，城市型綠道受各類城市用地制約明顯，建設(shè)尤其強(qiáng)調(diào)對(duì)現(xiàn)有城市空間潛力的挖掘，從目前研究來看，主要依托城市道路和多種類型的城市帶狀綠地空間。

圖1 基于共享單車大數(shù)據(jù)和城市空間潛力的自行車綠道規(guī)劃技術(shù)框架

1 研究背景

自20世紀(jì)90年代開始，中國進(jìn)入了綠道研究和實(shí)踐的快速發(fā)展階段[5-7]。今天，隨著中國城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，城市發(fā)展正在由高速擴(kuò)張向精細(xì)化更新轉(zhuǎn)型[8]，綠道的規(guī)劃建設(shè)途徑也將產(chǎn)生新的變化。

根據(jù)空間分布類型，綠道主要分為3類：區(qū)域型、城市型和社區(qū)型[9]。與區(qū)域型綠道相比，城市型綠道建設(shè)受建成區(qū)用地制約明顯，更加強(qiáng)調(diào)對(duì)城市空間潛力的挖掘和滿足居民的日常使用需求。在城市空間體系中，相比社區(qū)型綠道，城市型綠道更能系統(tǒng)地解決城市的景觀及交通問題[10-11]。這對(duì)今天的中國城市建設(shè)具有重要意義。

目前，中國綠道的研究和實(shí)踐主要集中在區(qū)域型綠道。選線方法也主要集中在基于土地多元價(jià)值的適宜性評(píng)價(jià)[12-13]。如嚴(yán)軍等選取水域、道路、植被群落、坡度、坡向、文物古跡、建筑用地7個(gè)因素作為綠道選線適宜性的評(píng)價(jià)因子[14]。張春英等研究了通過景觀連接度的方法對(duì)福州市綠地景觀綠道功能進(jìn)行定量分析，就景觀連接性問題對(duì)綠道規(guī)劃提出建議[15]。而對(duì)于城市型綠道的選線研究目前較少。其選線方法不同于大尺度下的區(qū)域型綠道選線，受到空間的制約，需考慮更多更復(fù)雜的城市問題，與日常工作、生活的聯(lián)系也更加緊密。相關(guān)研究如張笑笑從自然和人文2個(gè)方面對(duì)游憩資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而進(jìn)行上海游憩型綠道的選線[16]。李方正提出運(yùn)用公交刷卡大數(shù)據(jù)進(jìn)行綠道選線[17]。

在風(fēng)景園林領(lǐng)域，運(yùn)用最低成本路徑方法進(jìn)行選線已經(jīng)得到較廣泛的運(yùn)用。如陳永貴提出，通過最低成本路徑方法進(jìn)行森林公園的道路選線[18]；戴冰武等提出基于生態(tài)安全格局理論，運(yùn)用最低成本路徑進(jìn)行風(fēng)景區(qū)游覽路線的選線[19]等。而對(duì)于城市型綠道所面臨的復(fù)雜城市環(huán)境，還沒有相關(guān)研究結(jié)合最低成本路徑模型提出詳細(xì)的研究和成本模型框架。

2 共享單車大數(shù)據(jù)

共享單車的爆炸式發(fā)展，使其背后的大數(shù)據(jù)具有廣泛的研究應(yīng)用前景[20]。隨著中國信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸性增長，大數(shù)據(jù)的使用也越來越受到關(guān)注[21]。近年來，大數(shù)據(jù)被越來越廣泛地應(yīng)用于規(guī)劃研究，尤其是對(duì)社會(huì)行為的研究具有顯著的優(yōu)勢。通過對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行合理解譯，可以有效地反映公共社會(huì)行為的日常規(guī)律，為規(guī)劃決策提供依據(jù)。而且，隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，提取、分析和可視化解譯技術(shù)的不斷完善，將進(jìn)一步提升分析的準(zhǔn)確性[22-24]。

共享自行車主要解決居民公共出行的最后1km問題，這也正是城市綠道的主要服務(wù)功能之一。依托共享單車的定位體系，通過對(duì)起始位置和騎行路線的數(shù)據(jù)分析能準(zhǔn)確、直觀地了解到居民的騎行行為方式和高頻率使用空間，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，其研究結(jié)果也將越來越精確化。共享單車大數(shù)據(jù)的挖掘，為規(guī)劃方便市民出行的城市型自行車綠道網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化用地布局提供了重要的依據(jù)。

3 基于共享單車大數(shù)據(jù)的自行車綠道選線規(guī)劃技術(shù)框架

研究探索在新的技術(shù)發(fā)展背景下的城市型綠道選線技術(shù)模型，基于大數(shù)據(jù)研究下的社會(huì)行為分析與城市空間利用潛力分析，構(gòu)建一種新的城市內(nèi)部復(fù)雜條件下的城市型自行車綠道選線思路與方法。

本次研究運(yùn)用共享單車大數(shù)據(jù)，分析城市的自行車高頻率使用空間，并結(jié)合綠地價(jià)值和利用潛力分析，開展將社會(huì)大數(shù)據(jù)分析和空間適宜性分析相結(jié)合應(yīng)用于城市型自行車綠道選線方法的探索。線路選擇方法可以將高頻使用的騎行空間和優(yōu)質(zhì)綠地空間納入綠道連接，以滿足居民的日常使用需求，最大化地為居民的生活、工作出行和綠色空間體驗(yàn)提供便捷服務(wù)。

研究通過建立最低成本路徑模型進(jìn)行選線。最低成本路徑模型是在成本加權(quán)距離函數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合連接節(jié)點(diǎn)和成本柵格，獲得從每一柵格單元到它最近節(jié)點(diǎn)的最小累計(jì)成本距離與成本距離方向，從而獲得相應(yīng)連接節(jié)點(diǎn)之間的最低成本路徑。研究主要從共享單車大數(shù)據(jù)分析和綠地空間利用潛力分析2個(gè)方面，分別確定城市型自行車綠道的連接節(jié)點(diǎn)和成本柵格(圖1)。

首先，對(duì)城市型自行車綠道連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和選擇。一是從共享單車行為大數(shù)據(jù)方面，通過對(duì)共享單車起點(diǎn)—終點(diǎn)數(shù)據(jù)(Origin— Destination，簡稱OD數(shù)據(jù))的分析解譯，得出自行車使用、聚集頻率高的區(qū)域，作為綠道的重要連接節(jié)點(diǎn)[25-26]。二是從綠地空間利用潛力方面，運(yùn)用ArcGIS軟件分析現(xiàn)有城市公園綠地的空間分布情況，運(yùn)用熵值法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分析綠地的價(jià)值重要性和承載能力，得出基于城市型自行車綠道節(jié)點(diǎn)的綠地景觀利用潛力。兩者疊加得出綠道連接節(jié)點(diǎn)的適宜性分布，選取適宜性高的區(qū)域設(shè)定綠道連接節(jié)點(diǎn)。

其次，根據(jù)綠道主要依托現(xiàn)有城市道路和綠色廊道的特點(diǎn)[27]。以現(xiàn)有自行車使用密度高的道路空間和現(xiàn)有綠地廊道載體2個(gè)因素作為成本度量因子，生成基于成本路徑模型下的綠道選線成本柵格。一是通過對(duì)騎行軌跡數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀道路空間的擬合，分析研究區(qū)自行車出行頻率高的道路及線性空間。二是通過遙感目視解譯，利用Erdas軟件采取監(jiān)督分類的方法提取出線狀綠地分布，得到基于綠道連接的綠地廊道利用潛力。將兩者疊加得到綠道連接適宜性圖，生成基于成本路徑模型的綠道選線成本柵格。

最終，結(jié)合連接節(jié)點(diǎn)和成本柵格獲得最低成本路徑，劃定綠道初步選線方案，并從通勤需求、休閑體驗(yàn)等方面對(duì)選線進(jìn)行優(yōu)化，劃分為綜合型和通勤型兩大城市型自行車綠道系統(tǒng)，完成城市型自行車綠道的選線方案。

圖2 共享單車目的地空間熱度分布圖

圖3 綠地景觀節(jié)點(diǎn)潛力空間等級(jí)分布圖

圖4 綠道連接節(jié)點(diǎn)適宜性分布圖

圖5 綠道連接節(jié)點(diǎn)選點(diǎn)圖

圖6 共享單車使用道路熱度分布圖

圖7 綠道連接的綠地利用潛力空間分布圖

圖8 綠道選線廊道空間適宜性分布圖

圖9 海淀區(qū)城區(qū)型自行車綠道選線最低成本路徑圖

圖10 海淀區(qū)城市型自行車綠道系統(tǒng)規(guī)劃圖

圖11 海淀區(qū)整體綠道選線規(guī)劃圖

4 北京市海淀區(qū)城市型自行車綠道選線規(guī)劃

4.1 數(shù)據(jù)來源

1)北京市摩拜單車使用記錄處理后的“二次數(shù)據(jù)”，包括摩拜單車的OD數(shù)據(jù)及基于軌跡數(shù)據(jù)的擬合道路數(shù)據(jù)。

2)以北京市海淀區(qū)高分二號(hào)遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過監(jiān)督分類目視解譯收集所需的海淀區(qū)綠地空間分布信息，主要包括公園綠地，防護(hù)綠地和城市道路空間等。

4.2 綠道重要連接點(diǎn)的分析與選取

綠道連接節(jié)點(diǎn)主要包括市民騎行的高頻目的地或重要的綠地空間。本文從市民自行車出行目的地?zé)狳c(diǎn)空間與綠地景觀服務(wù)潛力空間2個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，選取連接節(jié)點(diǎn)。通過綠道將這些高使用頻率的節(jié)點(diǎn)空間進(jìn)行連接，進(jìn)而滿足市民日常使用自行車的出行活動(dòng)需求和通勤需求，完善城市自行車綠道的服務(wù)功能。

4.2.1 共享單車目的地空間熱度分析

通過對(duì)OD數(shù)據(jù)的分析，得出共享自行車出行的空間分布特征，反映了居民自行車出行的主要需求區(qū)域[28]。運(yùn)用Arcgis軟件，將研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為10m×10m的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)每個(gè)單元柵格中共享單車的數(shù)量，生成日均共享單車使用空間熱度分布圖(圖2)。

4.2.2 綠地節(jié)點(diǎn)空間利用價(jià)值分析

城市綠道的另一項(xiàng)重要服務(wù)功能是連接關(guān)鍵的綠色空間節(jié)點(diǎn)。研究建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并落實(shí)在空間上，生成研究區(qū)基于綠道服務(wù)的綠地連接節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)等級(jí)空間分布圖。評(píng)估指標(biāo)分為生態(tài)價(jià)值、景觀價(jià)值和文化價(jià)值，采用專家打分與公眾參與共同進(jìn)行的方式為研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀公園綠地評(píng)分，包括10名園林行業(yè)專業(yè)人士的打分與500份有效網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷。采用熵值法對(duì)各個(gè)公園得分進(jìn)行計(jì)算，熵值法根據(jù)指標(biāo)值差異的大小判斷指標(biāo)在最終評(píng)估中的作用，二者呈正相關(guān)[29-30]。最終得到生態(tài)價(jià)值、景觀價(jià)值和文化價(jià)值3個(gè)價(jià)值指標(biāo)的權(quán)重值(表1)。

根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算基于綠道的公園綠地評(píng)價(jià)得分(表2)，劃分為1～10十個(gè)等級(jí)，得出基于綠道的公園綠地空間服務(wù)價(jià)值等級(jí)分布圖(圖3)。

4.2.3 綠道重要連接節(jié)點(diǎn)選取

對(duì)共享單車節(jié)點(diǎn)空間使用熱度數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類賦值，按共享單車數(shù)量劃分為10個(gè)等級(jí)，分別賦值為1～10，得到共享單車使用空間熱度等級(jí)分布圖。在本次研究的選線模型中，綠地空間潛力和市民自行車使用需求對(duì)綠道選線的影響權(quán)重均為0.5，進(jìn)行等值疊加分析，得到綠道連接節(jié)點(diǎn)適宜性分布圖(圖4)。

該疊加結(jié)果是將市民使用需求與綠色空間的潛力價(jià)值進(jìn)行量化并落實(shí)在空間上，并運(yùn)用Arcgis空間數(shù)據(jù)分析功能，將兩者綜合分析，得到綠道連接節(jié)點(diǎn)的適宜性分布圖。最終，通過Arcgis的數(shù)據(jù)選取，篩選出綠道連接節(jié)點(diǎn)適宜性等級(jí)為10的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)定一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，最終確定47個(gè)連接節(jié)點(diǎn)(圖5)。

表1 各指標(biāo)的熵和相應(yīng)權(quán)重(熵值法)

4.3 綠道連接廊道適宜性分析

4.3.1 基于軌跡數(shù)據(jù)的共享單車使用道路熱度分析

軌跡數(shù)據(jù)是對(duì)移動(dòng)對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行采樣所獲得的數(shù)據(jù)信息，將共享單車軌跡數(shù)據(jù)點(diǎn)匹配到實(shí)際路網(wǎng)上[30]。共享單車軌跡數(shù)據(jù)得出目前自行車出行所選擇的道路使用偏好，生成共享單車使用道路空間熱度分布圖(圖6)，得到共享單車使用道路的高頻率空間分布。

分析表明共享單車在不同道路的使用密度不同，在靠近重要居住、商業(yè)和辦公區(qū)域的道路空間使用密度明顯偏高。圍繞地鐵站點(diǎn)的使用頻率也明顯增高，呈現(xiàn)以地鐵站點(diǎn)為中心向外放射的趨勢。這在一定程度上說明共享單車較好地在解決居民出行的“最后1km”問題，與城市型自行車綠道的主要服務(wù)功能相契合。

4.3.2 綠地廊道空間利用潛力分析

線狀綠地作為綠道連接的重要承載空間，也是城市中重要的綠色廊道，通過遙感目視解譯識(shí)別出研究區(qū)線狀綠地的空間分布，生成綠道連接的線型綠地利用潛力空間分布圖(圖7)。

4.3.3 綠地廊道空間利用潛力分析

運(yùn)用Arcgis軟件對(duì)共享單車節(jié)點(diǎn)空間使用熱度數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類賦值，按共享單車數(shù)量劃分為10個(gè)等級(jí)，分別賦值為1～10，得到共享單車使用空間熱度等級(jí)分布圖。同上將市民自行車出行使用道路熱度等級(jí)分布特征與綠道連接的綠地利用潛力空間分布特征進(jìn)行等值疊加，得到綠道選線適宜性分布圖(圖8)。

該疊加結(jié)果是綠道節(jié)點(diǎn)之間連接廊道的適宜性空間分布，同樣對(duì)使用需求和空間潛力兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，從復(fù)雜的城市用地環(huán)境中選擇了可利用的城市線性公共空間作為綠道的承載空間，滿足了城市型綠道選線的空間可能性，建立了基于成本路徑模型下的綠道選線成本柵格數(shù)據(jù)。

4.4 綠道選線

4.4.1 建立最低成本路徑

運(yùn)用 “成本路徑”工具，以確定的47個(gè)綠道重要連接節(jié)點(diǎn)作為起點(diǎn)與終點(diǎn)，通過共享單車使用道路熱度和綠地廊道空間利用潛力的成本柵格圖層，獲得相應(yīng)連接節(jié)點(diǎn)之間的最低成本路徑(圖9)。

4.4.2 綠道系統(tǒng)的初步選線

城市型綠道規(guī)劃建設(shè)應(yīng)更加注重連通性，在通過大數(shù)據(jù)結(jié)合ArcGIS分析得出的綠道最低成本路徑的基礎(chǔ)上，考慮城市現(xiàn)有路網(wǎng)及建筑布局等客觀限制因素，最終確定海淀區(qū)城市型綠道的初步選線規(guī)劃圖(圖10)。

4.4.3 綠道選線優(yōu)化

綜合考慮現(xiàn)狀土地利用條件、居民休閑需求、現(xiàn)狀道路的不同等級(jí)等因素，對(duì)劃定的綠道系統(tǒng)進(jìn)行整體組織、優(yōu)化，劃分為2個(gè)不同層次的綠道體系，即綜合型綠道系統(tǒng)與通勤型綠道系統(tǒng)，最終形成海淀區(qū)的整體綠道選線規(guī)劃方案(圖11)。2個(gè)系統(tǒng)在保證綠道連貫性的同時(shí)，從現(xiàn)有自然環(huán)境、道路體系、景觀風(fēng)貌、通勤需求、步行體驗(yàn)等不同角度出發(fā)，為綠道賦予了不同的功能特色，在未來的設(shè)計(jì)實(shí)施過程中也將差異化對(duì)待。

1)綜合型綠道系統(tǒng)。

在自行車流量大、能連接現(xiàn)有高品質(zhì)公園綠地，或有著良好的線狀綠地空間的綠道選線基礎(chǔ)上，建立綜合型綠道，形成城區(qū)型自行車綠道的系統(tǒng)骨架。綜合型綠道在滿足日常自行車、慢行需求的同時(shí)，能夠整合現(xiàn)有零碎的綠地空間，連接各個(gè)重要的公園綠地，發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能，并在綠道系統(tǒng)中提供游憩場所，滿足居民的日常健身、娛樂、社交等需求。

表2 熵值法評(píng)價(jià)結(jié)果

2)通勤型綠道系統(tǒng)。

對(duì)其余現(xiàn)有自行車流量大，主要承擔(dān)工作、生活通勤服務(wù)功能的線路進(jìn)行梳理，規(guī)劃通勤型綠道系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用高頻率使用的城市次干路及支路，能夠滿足現(xiàn)狀通勤需求，最大化地為居民提供方便出行的舒適綠色空間，改善居民的自行車出行體驗(yàn)，推動(dòng)城市居民的日常低碳出行。

5 結(jié)語

本文探索大數(shù)據(jù)應(yīng)用與城市復(fù)雜環(huán)境下綠道規(guī)劃的聯(lián)系，借助大數(shù)據(jù)進(jìn)行社會(huì)行為分析，自下而上地實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、精確化的綠道選線規(guī)劃，對(duì)城市更新、精明發(fā)展背景下的未來中國城區(qū)型自行車綠道選線提供了重要的理論和實(shí)踐應(yīng)用基礎(chǔ)。

本次研究的重點(diǎn)在于探索在新的技術(shù)發(fā)展背景下的城市型綠道選線技術(shù)模型，運(yùn)用共享單車大數(shù)據(jù)分析城市型自行車綠道的需求空間，并結(jié)合綠地價(jià)值和潛力空間分析，將空間適宜性分析和社會(huì)大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，運(yùn)用最低成本路徑模型，構(gòu)建城市型自行車綠道選線方法。研究創(chuàng)新性地將城市型自行車綠道的選線劃分為社會(huì)行為需求和空間潛力兩大影響因子，建立一個(gè)開放的城市型綠道選線模型框架與數(shù)據(jù)庫，隨著大數(shù)據(jù)運(yùn)用的不斷發(fā)展，更多的相關(guān)社會(huì)行為數(shù)據(jù)的加入不斷地完善整個(gè)選線模型，如市民出行大數(shù)據(jù)、市民POI大數(shù)據(jù)等，更多類型的城市潛力空間，可以納入綠道選線的潛力空間中，為城市型綠道選線規(guī)劃提供新的思路。