基于GIS的城市公园绿地可达性时空变化分析

刘正纲，李 玲

(辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000)

城市公园绿地是人们主要的室外游憩场所，具有重要的生态、社会文化功能，其可达性的强弱直接影响着绿地的使用频率，进而影响着人们的身体健康状况[1-4]。可达性是指从空间中任意一点到该景观(源)的相对难易程度[5]，绿地可达性就是指人们从居住位置到达绿地的便捷程度。早期研究主要关注绿地的质量、特点以及绿地与居民地的距离，认为人们的健康状况与到达绿地的距离有很大关系[6]，是人们到绿地活动的首要考虑因素。近年来，可达性分析更多的采用空间分析的方法，以地理信息系统(GIS)为主要工具对公园绿地可达性进行评估，常见的方法有邻近距离法、缓冲区分析法[7-9]、网络分析法[7-13]、费用加权距离法、两步移动搜寻法[14-16]等。如施拓等利用缓冲区分析和网络分析法，结合沈阳市的道路和人口数据对两种分析方法的可达性结果进行对比分析[7]；杨俊等利用SPOT影像结合大连市沙河口区交通路网数据，对绿地进行缓冲区分析和网络分析，计算各街道绿地服务面积比率与可达绿地面积大小并对其影响因素进行分析[8]；魏冶等利用高斯两步移动搜索法对沈阳市绿地可达性进行分析[15]；尹红岩等利用网络分析方法评价沈阳市三环以内公园绿地服务面积及其服务效率，并分析公园绿地服务面积及服务效率随公园绿地面积、公园绿地形状、路网密度的变化规律[10]。

综上所述，以前的研究主要是采用不同方法针对城市某一特定时期的公园绿地可达性进行分析，缺少时间动态特征，很难反映公园可达性的变化与城市道路网和公园建设发展之间的关系。所以本文以沈阳市为例，利用2006、2011和2016年的QuickBird影像提取的绿地和道路信息，采用网络分析法，对该市三环以内公园绿地可达性变化及其原因进行分析。

1 研究区域

沈阳市位于北纬41.17°～43.03°，东经122.41°～123.83°，是辽宁省的省会，因位于浑河(旧称“沈水”)北岸，故称沈阳。沈阳是中国东北地区经济、文化、交通、金融和商业中心，也是中国重要的工业基地和历史文化名城。属于北温带受季风影响的半湿润大陆性气候，一年四季分明。曾先后获得“国家环境保护模范城市”、“国家森林城市”、“国家园林城市”称号。全市总面积逾12 948 km2，市区面积3 495 km2，2015年常住人口829.1万人，户籍人口730.4万人。

本文以沈阳三环内的城市公园绿地为研究对象。沈阳市三环(绕城高速)内是沈阳市的主城区，是城市居民的主要聚居区，总面积约819.8 km2，包括沈河区、铁西区、浑南新区的全部以及和平区、皇姑区、大东区、于洪区的一部分。该区域能很好地反映沈阳市城市公园绿地的总体服务水平。

2 数据与方法

2.1 研究数据

本研究所使用的原始数据包括：①2006、2011和2016年三期QuickBird全色影像(空间分辨率为0.61 m)和多光谱影像(空间分辨率为2.44 m)；②城市公园出入口调查数据；③沈阳市城市总体规划和城市发展相关资料。

2.2 研究方法

本文的数据处理过程主要分3个阶段：公园和道路信息提取、公园可达性网络构建和公园可达性变化分析，详见图1。第一阶段主要利用QuickBird影像，经过校正、解译和矢量化等，提取道路和公园入口点分布图；第二阶段用来构建公园可达性的网络结构，便于后续的分析处理；第三阶段通过网络分析的方法，分析不同时期的城市公园可达性并作对比分析，简析其变化原因，并得出结论。

2.2.1 公园和道路信息提取

1)公园和道路分布信息提取。公园绿地是向公众开放，以游憩为主要功能，兼具生态、美化、防灾等作用的绿地[17]。根据国家的城市绿地分类标准，本文选取综合公园、全市性公园、区域性公园、动物园、植物园、历史名园、风景名胜公园、游乐园、带状公园、街旁绿地为主要研究对象，不包含小区或社区型公园。首先，利用ENVI 5.1软件平台分别对2006、2011和2016年的QuickBird影像数据进行预处理，坐标系统采用WGS84横轴墨卡托投影。将全色与多光谱影像进行融合，对融合后的影像进行目视解译，在ArcGIS中进行矢量化，提取城市公园绿地分布矢量地图。利用相同的方法分别提取2006、2011、2016年的沈阳市三环内城市道路矢量地图，并提取道路的中心线，这里的道路不包括铁路和居住小区内部道路。

2)公园绿地入口点信息提取。城市公园可以分为有固定入口和无固定入口两种，有固定入口的公园通常有2～5个大门，其余部分用护栏或围墙与周边隔离；而无固定入口的公园通常周围与道路邻接，没有明确的大门入口，人们可以从多个方向直接进入公园。本文认为人们只要到达城市公园的入口即视为到达绿地，所以需要到实地进行考察，以确定公园入口的位置。在调查中，对于有固定入口的公园，用手持GPS测量每个入口的位置，内业处理时在地图上以点的形式进行标记，保存为公园入口点图层。对于无固定入口的公园，笔者通过调查发现，它们绝大多数属于街旁绿地，边界形状比较规则，以四边形为主，因此在内业处理时，在有道路相连的边界处取多边形的顶点作为公园绿地的入口点。为分析方便，假设所有公园的入口在10年间保持不变。依据上述规则分别建立2006、2011和2016年的公园绿地入口点图层。

图1 本文技术路线示意图

2.2.2 公园可达性网络构建

城市道路交通网是影响公园可达性分析的重要因素，所以在进行网络分析之前需要对获取的城市道路网数据进行处理。首先从公园的入口点向离它最近的道路中心做垂线，将所有城市公园的入口点都移至道路中心线上，形成一个完整的交通分析网络。然后对该网络进行拓扑关系检查，修正编辑过程中可能出现的线段重叠、自相交、悬挂点等问题。最后参照遥感影像底图，在平交路口处将相交的线打断，立体交叉口处(如立交桥等)不打断，保证各路段的连通性与真实情况相符。

为了更好地计算自驾车可达性，需要设置交通道路网不同路段的权重，将所有道路路段对象赋予了成本、等级两个属性。成本是经过网络元素不同路段时累积的某种属性值，例如车行时间、路段长度等，文中设置为通行时间；等级指的是道路等级，将此属性分别设置为：国道、省道为1，城市主干道、次干道为2，支路等为3，分别表示平均车速为80 km/h，60 km/h和40 km/h。

2.2.3 公园可达性变化分析

网络分析是对地理网络和城市基础设施网络等网状事物及它们的相互关系和内在联系进行地理分析和模型化，其理论基础为图论和运筹学，主要用于资源的最佳分配、 最短路径查找等。 一个基本的网络主要包括中心 (centers) 、 链(links) 、 节点(nodes) 和阻力(impedance) (见图1)[11]。

本文的网络分析是以城市交通道路网为基础，在一定阻抗范围内，以步行和自驾车的方式从所居住地点到达城市公园绿地的时间花费。将所有的公园入口点作为公共服务设施布置点，设定可达时间分别0～5 min、5～10 min、10～15 min、15～30 min、>30 min 5个区间段。设定人的步行平均速度为60 m/min[11]，自驾车的平均行驶速度根据2.2.2中设定的道路等级属性来确定。采用网络分析中的服务区分析方法，利用ArcGIS的Network Analyst模块，对城市公园绿地分别以步行和自驾车的出行方式进行可达性研究，以可达性面积为主要指标。以自驾车方式为例，可达性面积计算的基本原理和流程如下：①首先根据网络中各路段的长度和平均车速，得到各路段的时间耗费，以分钟计算；②以某个公园的一个出入口为起点，根据连通性原则，在交通网络中查找时间总耗费为5 min的道路点；③将②中所有的道路点连接成多边形，并计算其面积；④利用上述方法求取该公园所有入口点的服务范围，然后取并集；⑤用类似方法求出所有公园的可达范围，然后取并集，即可求出5 min内的公园绿地可达面积，记为A0-5；⑥利用上述①-⑤的方法分别求出10 min内、15 min内、30 min内的公园绿地可达面积，分别记为A0-10、A0-15、A0-30；⑦研究区总面积记为A，分别计算自驾车5～10 min、10～15 min、15～30 min以及>30 min的可达面积为

A5-10= A0-10-A0-5；
A10-15= A0-15-A0-10；
A15-30= A0-30-A0-15；
A>30= A-A0-30。

依据上述方法，分别得到2006、2011和2016年不同出行方式的城市绿地可达性分布图和可达面积，并对结果进行对比分析，总结变化特征。

3 结果与分析

3.1 公园信息提取

沈阳市2006、2011和2016年的公园绿地分布情况见图2。10年间，沈阳市三环内的公园绿地从114块增加到现在的136块，增幅约19.3%，2011—2016年公园数量和分布没有变化。3个时期城市公园的占地面积分别为58.86 km2、67.26 km2和67.33 km2，增加的公园绿地主要集中在浑河南北两岸附近。从2016年的空间分布来看，大型公园主要集中在浑河及其支流的沿岸附近，例如五里河公园、南湖公园、青年公园、万柳塘公园、北陵公园、丁香湖公园等，城市东北部公园数量偏少。

沈阳市2006、2011和2016年的公园绿地出入口分布情况见图3。3个时期的入口点数量分别为433、555和555处，平均每个公园约4个入口点。2011和2016年的公园入口数没有发生变化，是因为公园的数量和分布未发生改变，但是这5年间的城市道路网有局部变化，进而会影响公园的可达性。

图2 2006、2011和2016年沈阳市公园绿地分布图

图3 2006、2011和2016年沈阳市公园绿地入口分布图

3.2 城市道路网信息提取

沈阳市2006、2011和2016年的道路网分布情况如图4所示。10年间，沈阳三环内城市道路网总里程从201.2 km提升至2016年的248.9 km，年均增加4.77 km。道路网密度也从0.245 km/km2提升至0.304 km/km2，增长了约24.1%。增加的道路主要集中在二环路与三环路之间，特别是浑南新区、西部的于洪新城和北部的白山路周边地区，一环内道路几乎没有变化。

3.3 沈阳市公园绿地可达性变化分析

3.3.1 步行可达性变化分析

沈阳市公园绿地步行可达性分布见图5，可达面积见表1。从可达面积看，2006—2016年沈阳三环以内城市公园绿地步行30 min内可达面积从278.20 km2增加到387.98 km2，增加了39.5%，其中2006—2011年间增长更加明显；至2016年仍有超过50%的区域步行可达性超过30 min；各时间段内可达面积均有所增加，其中2006—2011年增加的更为显著；10年间，步行15～30 min到达的面积最大，其余时间段比较接近。公园可达性提升比较大的区域是浑河南岸、西部于洪新城和北部白山路附近；城区一环内城市公园绿地可达性基本没有变化。从2016年的现状分布看，一环内步行可达性最好，一环与二环之间次之，二环与三环之间最差，尤其是城市的东北部和东南部可达性较差。

图4 2006、2011和2016年沈阳市城市道路网分布图

图5 2006、2011和2016年沈阳市三环以内城市公园绿地步行可达性分布图

3.3.2 自驾车可达性变化分析

沈阳市公园绿地自驾车可达性分布见图6，可达面积见表1。从可达面积看，2006—2016年沈阳三环以内城市公园绿地自驾车30 min内可达面积从507.24 km2增加至563.99 km2，提升了约11.2%，2006—2011年间提升更为显著，2011—2016年略有增长；至2016年仍有约31.2%的区域自驾车可达性超过30 min；从时间段分布看，3个时期都是0～5 min到达的面积最大，其余的依次是5～10 min，15～30 min和10～15 min。公园可达性提升较大的区域集中在西南部、北部和东南部；东北部地区仍有一定的提升空间。

3.3.3 不同交通方式的可达性对比

两种出行方式公园可达性都具有一定程度的提升，2006—2011年间提升较大，2011—2016年间变化较小。0～30 min内自驾车的可达总面积远远高于步行方式，这主要源于自驾车的速度优势。自驾车方式可达面积最大的发生在0～5 min内，而步行方式则出现在15～30 min。

图6 2006、2011和2016年沈阳市三环以内城市公园绿地自驾车可达性分布图

时间/min出行方式可达面积/km22006201120160～5步行51.1275.2076.585～10步行56.3481.8983.4210～15步行54.3465.5073.2815～30步行116.40141.64154.70合计步行278.20364.23387.980～5自驾车239.38346.46337.485～10自驾车130.22104.58108.7710～15自驾车64.7543.2747.0015～30自驾车72.8969.1270.74合计自驾车507.24563.43563.99

3.4 绿地可达性变化原因分析

10年间，沈阳市公园绿地可达性提升的直接原因在于公园数量和城市道路网密度的增加。2006—2011年，公园数量和道路网密度快速增长，公园可达性显著增加；2011—2016年，公园数量没有变化，但道路网密度仍有少量增长，总体上也提高了可达性。

10年间，沈阳市先后经历第3轮城市总体规划(1996—2010)和第4轮城市总体规划(2011—2020)。第3轮总体规划“制定了由5条东西向道路、7条南北向道路和3条环路构成的道路网主骨架”[19]。由于城市的发展、扩建，导致三环附近的道路网密度加大，三环周边区域可达性有所改善，浑南新区的道路网密度明显加大。沈阳市城市总体规划(2011—2020)中强调“加快建设快速路，全面改善干路节点，充分发挥支路微循环，逐步加密过河通道，构筑立体化的畅通城市”，这些政策措施已经取得了初步成效，2011—2016年间城市主城区道路网密度进一步加大，未来二环与三环之间的道路和公园绿地建设还有一定的提升空间。

4 结 论

本文通过遥感数据处理、公园绿地信息提取、道路网提取、ArcGIS网络分析等手段对2006—2016年沈阳市城市公园绿地的可达性进行分析。结果表明，沈阳市城市公园绿地可达性有了较大程度的改善，尤其是2006—2011年间；位于城市中心位置的一环内发展空间比较小，可达性变化不明显；30 min内，自驾车的可达性远远好于步行交通；城市公园步行可达性面积最大的时段集中在15～30 min，而自驾车则是0～5 min。沈阳市城市公园绿地可达性的提升，其直接原因是道路网密度和公园数量的增加，特别是浑南地区，这得益于10年来沈阳城市规划和基础设施建设的发展。未来城市公园可达性提升主要的地域集中在二环路和三环路之间，特别是东北部、东南部等地区。这些成果将为沈阳市未来城市道路交通建设和绿色生态环境打造等提供有益的决策支持。