基于POI大数据的辽宁省公共卫生基础设施空间格局及其服务能力评估

付 博，任婉侠，薛 冰*

(1.中国科学院沈阳应用生态研究所 污染生态与环境工程重点实验室，辽宁 沈阳 110016；2.辽宁省环境计算与可持续发展重点实验室，辽宁 沈阳 110016；3.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

公共卫生基础设施是城市设施体系的重要组成部分，也是社会民生和经济发展的重要前提和必要保障[1].广义的公共卫生设施主要包含医疗卫生设施、环卫设施以及市政排水设施[2].其中，医疗卫生设施和市政排水设施因其规模和环境卫生建设要求，在一定的时空范围内其变化幅度一般甚微.环卫设施因其种类多、数量大成为公共卫生设施中与居民生活最贴近、更新变化最快的服务设施.其中，又以公厕为主要代表，是城市公共卫生服务评价的基础对象[3].一般而言，城市公厕设施是指以提供城市居民和流动人口共同使用的厕所卫生设施的统称.作为城市环境卫生设施的重要组成部分，公厕设施亦成为城市形象与城市文明的“窗口”[4-5].同时，作为使用频率最高，服务人群最广的城市基础设施，公厕也成为城市化进程中城市基建与城市文明的重要体现[6].自2015年“厕所革命”以来，全国范围内兴起了大规模的厕所改造工程.诸多城市积极推进改造进程，新建大量公厕满足居民的日常使用需求[7]，并在形式与种类上出现了可移动式公厕、家庭公厕、母婴公厕以及豪华公厕、最美公厕、智能公厕等[8-9].然而，作为基本的卫生服务设施，公厕的本质属性依然是服务性.因此，针对城市居民与流动人口，研究公厕在地理空间上的分布格局及其服务能力，是新时期推进城市建设的重要基础工作.

传统城市基础设施评价研究多采用统计年鉴数据与实际调查数据，空间可视化程度低，位置信息不准确，数据更新困难[10-13].随着信息技术特别是电子地图技术的快速发展与普及应用，大数据驱动下的空间分析技术促进了城市设施动态监测与管理[14-16].以兴趣点(Point of interest，POI)大数据为代表的新型数据源为更精确更实时认知与评价公共基础设施的空间位置与数量提供了新的可能[17-19].当前，针对公厕空间位置分布的研究多集中于小尺度的城市公厕选址、空间可达性研究等方面[20-22]，对于公厕服务能力的评估尚未得到足够重视与充分认识.服务能力涉及资源配置的均衡性与可达性[23].因此，本研究将融合POI新型大数据以及人口统计与路网等传统数据，运用地理信息系统空间分析技术，对辽宁省14个地级市及其所辖县域的公共厕所的空间分布、资源配置均衡性和可达性进行定量评估，以期为我国新型城镇化建设过程中公共卫生服务设施的合理建设提供科学决策依据.

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

辽宁省总面积14.8万km2，下辖12个地级市与2个副省级城市，共有59个市辖区、16个县级市、17个县、8个自治县.2020年，辽宁省地区生产总值(GDP)2.51万亿，人口4 259万，副省级城市沈阳和大连人口分别为907万和745万，占全省总人口的38.7%；辽宁省城镇化率71.9%，比全国平均值高8个百分点，是我国工业化和城镇化先行地区的典型代表.

目前，针对厕所革命辽宁省出台了《辽宁省推进“厕所革命”实施方案(2018—2020年)》.方案中明确指出到2020年底，全省城镇计划新建改造公厕7 028座、新增内厕开放5 092座；新建改建旅游厕所2 764座；农村卫生厕所普及率达到85%左右，基本实现“数量充足、布局合理、管理规范、文明如厕”的目标.

1.2 数据来源

数据主要包括地理空间数据与统计年鉴数据.地理空间数据包括POI数据与路网数据.POI数据来源于高德地图，通过Python语言爬取获得，获取时间为2018年.根据高德地图API分类规则(A map open platform，2015)，获取代码为200300～200304，所属类别为公共设施类别下的公共厕所数据.公厕POI数据中包含了名称、经纬度、地址、所属行政单元编码等信息，经过坐标转换、数据清洗、交叉检验等数据预处理工作，共获取6 646条数据.路网数据来自OSM(Open street map)，选取了包含主干道、次干道、支道、高速、人行道、住宅街道、自行车道等要素在内的道路图层.市级与县域的人口数量及行政面积，来源为2020年各市统计年鉴及辽宁省第七次人口普查数据.

2 研究方法

空间格局采用核密度与格网分析对公厕的分布特征进行可视化.服务能力采用每万人公厕拥有量来衡量资源配置的均衡性，融合邻近分析的可达性表征公厕的整体服务能力.可达性分析以公厕数据作为点源信息，将道路数据作为目标层，查询点源信息最近的目标道路并计算最邻近道路的距离，以距离小于100 m公厕数作为衡量公厕可达性的指标.

1)核密度分析.公共设施空间上的聚集与分散可以从一定层面上表达出空间分布的均衡性.本文以核密度估计(Kernel)来评估公厕在空间上的分布特征.Kernel常被用来反映点要素在空间分布的集中程度，借助规则移动样方对空间点要素的聚集程度进行估计[24-25]，计算公式为

(1)

式中：f(x)为空间位置x处的Kernel函数；h为距离衰减阈值；k为空间权重函数；n为与位置x的距离小于或等于h的要素点数.

2)空间格网分析.针对公厕在空间上的数量分布统计，以行政区域为统计单元受到边界的影响，在空间统计上不能客观反映整体的分布特征.同时，行政边界具有较大的空间尺度，在统计单元内部不能精细化反映局部的数量特征.城市公厕作为以人流和配套设施为依据的基础公共服务设施，需要更为精细化的空间数量特征.采用Arcgis软件划分空间格网并统计格网内的公厕数量，考虑到空间尺度与可视化效果，本研究采用10 km边长的单元网格.

3)万人公厕拥有量.均衡测度不仅仅要考虑公厕自身的数量与空间分布，还应考虑公厕服务对象的数量，使其满足空间上的均衡性以及人口需求的匹配性[26-27].基本公共设施的均等化，实质上是以人为本、以均为基的人均公共服务均等化.考虑到人口的流动性及城镇化发展，乡村地区也需要均等的公共服务设施，实行按常住人口“标准人”公式化分配，是完善服务均等化的科学选择[28-30].因此，本研究将人口因素融合到公厕的均衡性测算中，以每1万名常住人口公厕拥有量(Number of toilets per 10 000 population，NTP)评估公厕服务能力.计算公式为

(2)

式中：NTPi表示第i个研究单元内的每万人口公厕数量；Ti表示第i个研究单元内的公厕数量；Pi表示第i个研究单元内的人口数(单位：万人)；i=1，2，3，…，n，n为研究单元个数.

4)邻近分析.可达性作为服务能力的体现，在公共服务基础设施建设方面具有重要意义[31-32].邻近分析是作用于2个集合要素之间，是计算分析对象与邻近对象之间距离的空间分析方法.分析的对象与邻近对象都为多个要素时，需要分析对象找出最邻近的要素并保留相互距离.邻近分析往往被组合到更复杂的空间分析过程中，作为基础功能发挥作用[33].本文采用Arcgis邻域分析工具对集中的邻近分析进行计算.其中，将辽宁省公厕POI点位数据作为输入点要素，OSM获取的道路数据作为线要素，统一转换投影坐标后，获取公厕POI点位与最邻近道路之间的最短直线距离.

3 结果与分析

3.1 公厕的空间格局分析

图1(左图)为辽宁省公厕数量空间分布，其核密度分析结果显示公厕主要集中分布在沈阳和大连这2个副省级城市，其他城市则呈零星点状分布，形成“两核多点”的空间分布格局.叠加辽宁省2018年遥感影像和建设用地数据发现约85%的公厕点位数据分布在城市建成区内，农村及乡镇点位数据较少.整体上看，城市公厕均存在不同程度的聚集，只是沈阳和大连的公厕密度与其他城市相比存在显著差异.其他地级市之间公厕密度差异性较小，城市核心区公厕数量差异不显著，差异性主要体现在核心区的面积与规模上.

图1 辽宁省公厕数量空间分布

图2为辽宁省各市公厕数量核密度空间分布.该图显示各市公厕空间分布呈现一定的聚集性且多集中于城市主城区，乡镇地区密度较低.沈阳、大连、阜新、辽阳公厕呈现单核多点的分布模式.鞍山、营口、盘锦围绕多中心聚集分布，呈现多核多点的分布模式.抚顺、本溪、丹东、锦州、铁岭、朝阳、葫芦岛则分布零散，以小规模多点聚集或分散式分布为主，呈现多点式分布.

图2 辽宁各市公厕核密度分布

从10 km空间格网分布来看(图1右图)，沈阳作为辽宁省会城市，公厕数量为1 933，高于省内均值474，中等及以上等级格网有8个，其中7个为接壤式分布.另外，高等级地区位于沈阳市和平区、沈河区、皇姑区和铁西区的交汇处；较高等级地区有2处，一处为沈阳市浑南区、沈河区和大东区的交汇处，另一处为大连市的沙河口区、西岗区和中山区交汇处.多数地区被低等级与较低等级覆盖，85%以上的地区公厕数量等级为低等级.其中，抚顺、铁岭、朝阳、葫芦岛整体上属于低与较低等级地区，公厕数量偏低.

除沈阳、大连、营口外，其他城市低等级地区覆盖了90%以上的面积(表1).营口作为地级市中唯一低等级地区覆盖率小于90%的城市，其低等级与较低等级覆盖率分别为85.19%和11.11%，是辽宁省内低等级与较低等级地区覆盖率最低的城市，中等级地区覆盖率3.70%，仅次于沈阳的4.62%.但是，营口的较高等级与高等级地区覆盖率为0，表明营口在公厕密度覆盖方面与沈阳和大连2个副省级城市存在一定的差距，但与其他地级市相比公厕密度覆盖具有一定优势.

表1 辽宁省各市格网公厕数量百分比

3.2 公厕均衡性分析

根据国家统计局2018年的调查结果和城镇人口统计信息计算，全国每万人常住人口公厕拥有量为1.78，辽宁省为1.41.但此部分公厕数量未能充分包含附属公厕，因此在统计数值上存在偏小的情况.本文依据附属公厕的占比数量，将万人拥有量大于2的地区确认为基本满足人口需求.图3为辽宁省各市域(左图)及所辖县域(右图)每万人常住人口公厕拥有量分布，并按照自然间断法分为5类等级.左图显示万人公厕拥有量最大的城市为本溪，值为2.41，最小值为锦州0.96.沈阳与大连保持较高以上等级的公厕均衡性分布，但没有呈现出双核模式.本溪与营口因人口基数较小，人均公厕拥有量等级显著提升.整体上，低等级集中于辽中地区，较低等级分布在辽西地区，辽东地区除抚顺市外人均拥有量等级较高，但满足人口需求的地区仅有沈阳与本溪.右图显示，万人公厕拥有量最高值4.84，为营口市老边区，最低值0.01为阜新市清河门区.高等级地区共有8处，主要原因包括以下2种.其一部分地区人口稀少导致人均拥有量提升，如鞍山市千山区.其二部分地区位于城市中心区，基础设施完善导致人均拥有量较高，如大连市中山区.第一种原因是影响人均公厕拥有量的主要原因，说明城市中心城区公厕数量的优势难以满足较大的人口基数，使其在人均公厕拥有量方面表现不如部分人口稀少公厕配套相对欠缺的非中心城区.空间上低等级地区主要分布在辽宁省西部与中部少数地区，辽东南沿海地区在公厕数量与人均拥有量两方面具有一定的优势.在100个县级行政单元中，满足人口需求的行政单元仅有26个，占比26%.

图3 辽宁省市域(左图)与县域(右图)每万人公厕数量变化

图4为辽宁省各市每万人公厕数量分布格局.研究发现，沈阳、大连、丹东和铁岭城市面积较大，属于较高等级和高等级的分布范围.阜新、本溪、盘锦和营口在人口与面积两方面小于省内城市的平均水平，但是在人均公厕拥有量方面则处于中等以上水平.抚顺、葫芦岛、锦州和鞍山在面积尺度与省内均值水平接近，但是在人均公厕拥有量方面则呈现出较低等级与低等级水平.面积最大的朝阳和人口数较少的辽阳则表现出较低等级和低等级.省内城市整体上呈现出大规模城市表现为较高等级，小规模城市呈现中等及以上水平，中等规模城市呈现出中等及以下水平.县域尺度下(如图5，阜新市清河门区因数值较小未能标注)，部分城市在县域尺度内部呈现出一区独大的现象，如营口市老边区、鞍山市千山区、盘锦市双台子区等.这些区域人均公厕拥有量显著优于同一城市的其他地区，形成城市内部分布不均衡的现象.

图4 辽宁省各市每万人公厕数量分布格局

图5 辽宁省县域每万人公厕数量分布格局

在万人公厕拥有量尺度下，考虑到公厕不仅服务于该地区的常住人口，同样服务于流动人口.在流动人口中，旅游人口成为其重要的组成部分，因此用统计年鉴中旅游人次作为衡量流动人口指标，计算每万人次旅游人数拥有的公厕数量衡量流动人口的公厕服务性.此外，在空间分布测度下，原野、村镇等区域占据了整体面积的绝大部分区域.然而，85%的公厕分布在城市建成区且流动人口也聚集在建成区内，以建成区面积作为空间测度指标，计算每万km2建成区内的公厕数衡量公厕空间服务能力(如图6).辽宁省14个城市在建成区面积与旅游人次2个测度下整体趋势保持一致.本溪与丹东2市在单位建成区公厕数量和单位旅游人次公厕数量2个测度指标上存在差异，主要因为2市是辽宁省旅游资源相对丰富的城市，年旅游人次明显高于其他城市，使其单位旅游人次公厕数量显著低于单位建成区面积公厕数量.

图6 辽宁省各市单位面积建成区和单位旅游人次公厕数量

3.3 公厕可达性分析

公厕的可达性是衡量公厕卫生设施服务能力的重要依据[34].表2为依据邻近分析方法核算的辽宁省公厕最邻近道路距离统计.该表显示，距离道路在10 m到100 m之间的公厕占公厕数量的70%以上，100 m到500 m之间次之.距离道路500 m以上的公厕占比不足5%.这在一定程度上反映出公厕作为基础卫生服务设施与道路位置信息具有较强的相关性，一定程度上满足公厕可达性需求.考虑到公厕之间的距离和行人的步行速度，把距离道路100 m以内的公厕作为可达性最高的公厕，发现大连与沈阳100 m以内的公厕数量占比最高，但优势不明显.铁岭100 m内的公厕具有一定优势，而本溪、阜新、辽阳、盘锦、营口100 m内公厕数量占比低于80%，可达性水平较低.

表2 公厕最邻近道路距离统计表

4 讨论

电子地图的发展与应用普及，伴随产生了POI点状社会经济地理实体大数据.相比于传统的统计与调查数据，POI数据提供了各类公共卫生设施的空间位置信息，不仅具备更精细化的分类体系和特征标签，同时在数量信息的基础上包含了点位坐标，为数据的分布可视化与空间统计分析提供了基础.小规模点状地理实体因种类繁杂、数量多常伴随着数据更新频繁的问题.POI数据快速更替及获取为公厕等地理实体的更新提供了有效途径.融合多源数据补充POI数据的属性信息及POI数据准确性的检验仍需进一步的研究.

基于POI大数据丰富的信息源，本文在省级层面对公共卫生服务设施进行了分析，弥补了在大尺度上案例研究的欠缺.以往研究多集中于单个城市与城市核心地区，缺少大尺度与精细尺度下卫生设施的空间分布与服务性整体评估.依据评估结果，本文充分印证了沈阳与大连作为副省级城市在公共卫生方面具有一定的优势.小规模城市的公厕设施因人口基数小，服务能力等级处于中等以上.但中等规模城市在公厕设施数量上不具有显著优势，其一定规模的人口与广域的城市面积降低了卫生设施服务等级.人口信息中流动人口占据了一定的比例，如何利用大数据方法将流动人口信息融合到公共卫生设施的评估需要更深入的讨论.

公共卫生服务设施与人民群众的生活息息相关，但是资源配置和服务能力方面存在短板.公厕设施的配置不仅仅是卫生生理需求的配置，也是城市文明、商业、旅游等方面的重要体现[35].但是目前以公厕为代表的卫生服务设施等地理空间实体仍然聚集于城市核心地区，在村庄与乡镇地区数量稀少且分布零散.同时，POI数据的采集在偏远地区也存在漏采、少采等现象，造成数据信息的缺失.随着休闲农业、乡村旅游的大力发展[36]，乡村地区的公共卫生设施具有巨大的需求.缩小城乡之间、区域之间公共卫生设施的差距，对促进城乡一体化与城乡的空间规划具有重要意义.

5 结论

本研究基于POI数据，从空间格局、均衡性、可达性3个视角，涉及市级、县域、10 km空间格网等尺度，对辽宁省内公厕设施的空间格局和服务能力进行了评估，并得到以下3点结论：

1)在空间格局方面，省级层面公厕以沈阳和大连为热点地区呈现双核多点式分布.市级尺度下，不同城市呈现出单核多点、多核多点及多点式分布特征.县域尺度下，城市内部数量特征的空间分布存在差异，城市区域数量多，聚集现象明显，乡村地区数量少，分布零散.10 km格网尺度下，85%的格网公厕数量为低等级.

2)在资源均衡性方面，人口与空间测度的融合可以更准确反映公厕的资源配置均衡性，用万人公厕拥有量以代表人口均衡性.市级与县域尺度下，沈阳、本溪以及26%的县级行政单元满足人口需求，公厕的服务能力有待提高.同时，丰富的旅游资源带来的流动人口削弱了公厕的服务水平.

3)在可达性方面，整体满足行人与居民的基本需求.以距离道路100 m以内的公厕数量占比来衡量公厕的可达性，辽阳等小规模城市低于80%，沈阳与大连占比最高，印证了沈阳与大连作为辽宁“双子星”公厕服务能力在省内具有较高水平.