董仁才,姜天祺,,李歡歡,,李思遠,,張永霖,,付 曉

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

城市綠色空間作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候、吸收噪音、維持生物多樣性與水土保持等多種功能,能為城市居民提供更多戶外活動場所,促進居民的身心健康。居住環(huán)境中的綠色空間比率對于居民的健康狀況有著積極的影響,具有改善情緒、緩解壓力的作用[1]。同時,城市綠色空間對于周邊經(jīng)濟的發(fā)展也有促進作用,居民在選擇生活地點時有著“趨綠趨藍”傾向[2]。隨著人民生活水平的不斷提高,城市居民對于綠色空間的需求也日益增加[3]。城市綠色空間生態(tài)功能的供給水平不僅依賴于綠地總量,還與其空間配置密切相關(guān)[4- 5]。城市綠色空間能為周邊不同范圍的地區(qū)提供不同程度的生態(tài)服務(wù),而城市居民生產(chǎn)生活密度不同的地區(qū)對城市綠色空間的需求也不同。因此,要正確地認識城市綠色空間規(guī)劃是否合理,就要求從空間視角去分析城市居民生產(chǎn)生活密度分布和綠色空間的布局[4,6]。

傳統(tǒng)上,相關(guān)研究過程中多采用人口普查數(shù)據(jù)建模分析來表征城市人口密度[7-9],或利用居住用地表征城市人口密度分布[4]。但數(shù)據(jù)獲取相對困難,處理過程也較為繁瑣,且不能很好地表征城市居民生產(chǎn)生活區(qū)的精細化程度。近年來,在城市地理與城市生態(tài)研究方面,電子導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)越來越受到重視,尤其是其興趣點POI數(shù)據(jù)。電子導(dǎo)航地圖POI數(shù)據(jù)是以一種代表真實地理實體的空間大數(shù)據(jù),具有相關(guān)空間位置信息和屬性信息,在更新速度和獲取成本方面,較遙感和人口密度數(shù)據(jù)有一定的優(yōu)越性[10]。POI數(shù)據(jù)涵蓋了城市各類設(shè)施的位置信息與屬性信息,在城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫中占有重要地位,利用城市空間分析方法研究這些數(shù)據(jù)點的地理分布特征,可以為城市規(guī)劃、決策以及向社會提供社會經(jīng)濟、文化等統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析服務(wù)方面發(fā)揮重要作用[11]。可以說,電子地圖的興趣點有效地表征了城市人居狀態(tài)。目前POI數(shù)據(jù)已應(yīng)用于諸多與城市空間相關(guān)的研究,陳蔚珊等[12]基于POI數(shù)據(jù)對廣州市零售商業(yè)中心熱點進行識別和業(yè)態(tài)集聚特征分析；丁娟等[11]基于互聯(lián)網(wǎng)用戶共享數(shù)據(jù),從地理興趣點(POI)的角度分析比較入境游客的景觀興趣偏好；許澤寧等則[10]基于電子地圖興趣點來識別城市建成區(qū)邊界。POI作為城市空間分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一,直觀且有效地反映了各類城市要素的集聚狀況[8],其分布模式和分布密度在基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、城市空間分析中具有重要的意義[12- 14]。已有部分研究表明,對興趣點數(shù)據(jù)進行密度分析可以表征城市經(jīng)濟熱點與城市人口分布情況[11,15]。

本研究試圖以北京市五環(huán)內(nèi)地區(qū)為例,應(yīng)用城市電子地圖興趣點(POI)數(shù)據(jù)分析城市居民生產(chǎn)生活熱度區(qū),并分析探討城市綠色空間及周邊不同服務(wù)半徑內(nèi)城市居民生產(chǎn)生活熱度區(qū)的分布情況,為城市綠色空間的研究提供新的方法和嘗試,為綠色空間未來的發(fā)展建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

從2014年北京市統(tǒng)計年鑒可知,北京市的綠地面積為6.84萬hm2,公園綠地面積為2.32萬hm2,建城區(qū)綠化覆蓋率為49.1%,人均公園綠地面積為15.94 m2/人。本文以北京市五環(huán)以內(nèi)為研究對象,研究區(qū)處于北京市核心區(qū)域,多為平原區(qū)域。自20世紀80年代以來,北京市實施了一系列城市綠化建設(shè),包括荒山綠化、綠化隔離帶修建、平原農(nóng)田林網(wǎng)建設(shè)和城市公園建設(shè)等,旨在將北京市建設(shè)成集自然生態(tài)、遺產(chǎn)保護、文化教育和休閑游憩為一體的綜合性綠色生態(tài)城市[16]。北京目前已經(jīng)形成了較為完整的城市綠色空間的宏觀布局,但依然存在綠地總量不足,配置不合理,生物棲息地破碎化、熱島效應(yīng)突出等問題[17]。城市綠色空間是城市自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有重要的生態(tài)服務(wù)功能。過去的城市建設(shè)追求單一的綠地面積,忽視綠地在空間上的配置。隨著社會的進步,對綠色空間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定量分析與評價已成為生態(tài)城市建設(shè)中重點關(guān)注的問題。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究以高德公司生產(chǎn)的2013年Q3版的北京市電子導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源。該數(shù)據(jù)為可編輯處理的矢量數(shù)據(jù),采用WGS 1984 Web-Mercator投影。該數(shù)據(jù)采集方式包括了車輛采集、步行采集、收集企業(yè)用戶信息、互聯(lián)網(wǎng)信息、航空攝影測量及衛(wèi)星影像等[18-19]。數(shù)據(jù)內(nèi)容包含了交通相關(guān)、興趣點、境界與政界、自然相關(guān)4個數(shù)據(jù)集,4個數(shù)據(jù)集下中共包含22個圖層(表1)。

表1 數(shù)據(jù)集與圖層

自然相關(guān)數(shù)據(jù)集下的植被圖層被用于表示城市中各類綠色植被信息,包含要素名稱、要素類型、要素周長和要素面積等字段。植被要素類型被劃分為六類：休閑場所內(nèi)綠化地、道路交通綠化地、高爾夫球場、森林公園、園地和默認綠地。經(jīng)統(tǒng)計,北京市五環(huán)內(nèi)綠地數(shù)量共計2524塊,類型主要有道路交通綠化地、高爾夫球場、默認綠地(未開發(fā))、森林公園、休閑場所內(nèi)綠化地和園地。

興趣點數(shù)據(jù)集包含興趣點和內(nèi)部興趣點兩個圖層,本研究只采用其中的興趣點圖層。興趣點圖層中的字段包括要素名稱、要素類型、要素地址電話等。在要素類型的分類方法上,興趣點被分為餐飲、住宿、醫(yī)療、景點、商務(wù)、購物等19個大類。經(jīng)統(tǒng)計,北京市五環(huán)內(nèi)興趣點數(shù)量為206635個,類別包含餐飲、住宿、醫(yī)療、景點、商務(wù)、購物等。

1.3 研究方法

興趣點涵蓋了與城市所有生產(chǎn)生活相關(guān)設(shè)施的位置與屬性信息,可以為城市規(guī)劃、管理提供決策服務(wù),從宏觀上獲取城市設(shè)施、事件的空間分布特征[11]。一般來說,興趣點的聚集程度越高,則該區(qū)域生產(chǎn)生活活動越密集,反之亦然。在興趣點空間特征的表達上,相比于樣方密度、Voronoi圖密度等方法,核密度法更有優(yōu)勢[12]。故本文使用核密度分析方法,對五環(huán)內(nèi)興趣點熱力圖進行模擬。具體計算公式為：

(1)

式中,f(s)代表空間位置s處的核密度計算函數(shù)；h為距離衰減閾值；n為與位置s的距離小于或等于h的要素點的個數(shù)；k函數(shù)則表示空間權(quán)重函數(shù)。這一公式的幾何意義是密度值在每個核心要素ci處最大,并且在遠離ci的過程中不斷降低,直至與ci的距離達到閾值h時核密度值降為0[11]。

本研究中以ArcGIS 10.2為操作平臺,運用空間分析中的核密度分析工具對北京市興趣點進行分析。在實際操作中,搜索半徑(與距離衰減閾值相關(guān))的設(shè)置對結(jié)果的影響較為重要,本研究中根據(jù)北京市街區(qū)特征,將搜索半徑設(shè)置為1260 m。

為科學地在宏觀上反映地區(qū)生產(chǎn)生活熱度,研究采用自然分級法,將研究區(qū)域內(nèi)興趣點核密度值按由高到底,劃分為極高密度、高密度、中密度、較低密度和低密度5個等級。接著與綠色空間實體進行空間疊置,初步分析五環(huán)內(nèi)綠色空間與POI密集區(qū)的空間分布情況。

一般來說,中大型綠地能為周邊500 m(步行時間小于15 min)范圍內(nèi)生活的居民提供良好的生態(tài)服務(wù)功能,為500—750 m(步行時間約15—25 min)范圍內(nèi)生活的居民提供較好的生態(tài)服務(wù)功能,為750—1000 m(步行時間約20—30 min)范圍內(nèi)生活的居民提供一般的生態(tài)服務(wù)功能,而1000 m之外的地區(qū)所能享受到的生態(tài)功能較少。因此,本研究在簡單分析了綠色空間實體和POI熱度區(qū)的空間分布特征之后,對綠色空間做500、750、1000 m 3種不同半徑的緩沖區(qū),與POI熱力圖進行耦合分析。從綠色空間生態(tài)服務(wù)供給和POI熱度區(qū)生態(tài)服務(wù)需求的角度,進行有關(guān)討論。

2 結(jié)果與分析

2.1 五環(huán)內(nèi)綠色空間分布基本特征

圖1 北京市五環(huán)內(nèi)綠色空間分布圖Fig.1 The spatial distribution of green space

從圖1看出,北京市五環(huán)內(nèi)綠色空間斑塊較為破碎,且綠色斑塊的數(shù)量呈現(xiàn)由內(nèi)環(huán)向外環(huán)逐漸增加的趨勢。在舊城區(qū)(二環(huán)以內(nèi)),綠色空間斑塊數(shù)量少,單體面積大,分布相對集中,均為由知名的文物古跡、私家園林和宅院演變而來的城市公園綠地。在三環(huán)和四環(huán),綠色斑塊數(shù)量較多,單個綠色空間面積小而分布相對分散,呈現(xiàn)帶狀、環(huán)狀和放射狀。從方位上看,北京市五環(huán)內(nèi)的綠色空間整體呈現(xiàn)北多南少、西多東少的特征。在研究區(qū)域的西部和北部,有大量綠色空間集中分布在四環(huán)至五環(huán)間,在城市南部和東部,綠色空間數(shù)量較少且分布較為分散。城市交通主干道的道路綠化明顯,分別為城市由中心向外的高速路和城市環(huán)路。幾個大面積的開放綠色空間分別位于二環(huán)南部地區(qū),五環(huán)北部地區(qū)和五環(huán)西北地區(qū)。準確地呈現(xiàn)了北京市對中心城區(qū)綠地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃“兩軸、三環(huán)、十楔、多園”的基本結(jié)構(gòu)[20]。

2.2 五環(huán)內(nèi)POI熱度分布基本特征

通過對北京市五環(huán)內(nèi)POI進行核密度分析,得到北京市五環(huán)內(nèi)POI核密度分布圖如圖2所示。從圖上觀察,整體上北京市五環(huán)內(nèi)的興趣點主要分布在城市中心地帶,越靠近城市中心,興趣點密度越高。在城市三環(huán)以內(nèi)區(qū)域,興趣點密度普遍較高。在城市三環(huán)以外地區(qū),興趣點密度隨著與城市中心距離的增加而逐漸降低,在四環(huán)以外地區(qū)興趣點密度普遍較低。從方位上看,整體上北部地區(qū)興趣點密度高于南部地區(qū),東部地區(qū)高于西部地區(qū)。另一方面,城市南部和北部相比,北部興趣點分布相對較為聚集,南部較為分散；城市東部和西部相比,東部興趣點分布相對較為聚集,西部較為分散。城市作為一個社會經(jīng)濟綜合體,其集聚效應(yīng)和規(guī)模效益是其最基本的特征,這一特點可以通過POI核密度特征較好地反映。

2.3 結(jié)合POI熱力圖的五環(huán)內(nèi)綠色空間不同服務(wù)半徑分析

圖2的POI核密度分級分布圖與綠色空間實體進行空間疊置情況如圖3所示。

圖2 北京市五環(huán)內(nèi)POI核密度分布圖Fig.2 The spatial distribution of POI kernel density

圖3 北京五環(huán)內(nèi)綠色空間與基于POI密度分析的生產(chǎn)生活熱度分布圖Fig.3 Distribution of green space overlapped by production and living density based on POI

圖4 不同POI密度等級下綠色空間面積占比Fig.4 Green space area ratio with different heat of citizen activities

由圖3可以看出,五環(huán)內(nèi)居民生產(chǎn)生活極高密度區(qū)和高密度區(qū)主要分布在海淀區(qū)的中關(guān)村-雙榆樹-五道口商圈和公主墳/萬壽路商圈、西城區(qū)的阜成門-金融街-西單商圈、東城區(qū)的東直門-王府井-朝陽門商圈、朝陽區(qū)的朝外-建外大街-國貿(mào)商圈以及亞運村商圈和望京商圈、豐臺區(qū)的方莊商圈。同時,也存在什剎海、玉淵潭和中南海等綠色空間占據(jù)優(yōu)勢的興趣點熱度較低區(qū)域。在熱度區(qū)中面積占比29.15%的極高密度區(qū)、高密度區(qū)和中密度區(qū)中,城市綠色空間面積僅有4.67 km2,占綠色空間總面積的6.49%；而面積占比44.75%的低密度區(qū)中,城市綠色空間面積有56.27 km2,占綠色空間總面積的78.16%,表現(xiàn)出五環(huán)內(nèi)綠色空間分布區(qū)與興趣點高熱度呈現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象。不同POI密度等級下的綠色空間面積占比統(tǒng)計見圖4。

城市綠地空間與居民生產(chǎn)生活密集區(qū)在空間上的交錯分布是必然的,但是城市綠色空間應(yīng)能盡量發(fā)揮其有效的服務(wù)半徑。因此通過進一步對城市綠色空間進行不同半徑緩沖區(qū)分析(圖5),得到研究區(qū)域內(nèi)綠色空間500、750 m和1000 m半徑范圍緩沖區(qū)域?qū)OI熱度區(qū)的覆蓋情況,并對不同級別熱度區(qū)所能享受到的綠地服務(wù)面積進行統(tǒng)計(表2)。

POI熱度區(qū)類型Classes of POI heat areas總面積Total area 500 m生態(tài)服務(wù)區(qū)500-meter ecological service area 750 m生態(tài)服務(wù)區(qū)750-meter ecological service area 1000 m生態(tài)服務(wù)區(qū)1000-meter ecological service area 非生態(tài)服務(wù)區(qū) Non-ecological service area極高密度區(qū)Extremely high density area11.796.048.7610.631.16高密度區(qū)High density area67.9537.2251.6460.927.03中密度區(qū)Medium density area115.1476.23100.91111.913.23較低密度區(qū)Lower density area174.47134.29159.87170.284.19低密度區(qū)Lowest density area299.18267.60290.85297.831.35總計Total668.53521.38612.03651.5716.96

由表2可知,當綠色空間的服務(wù)半徑為500、750 m和1000 m時,綠色空間生態(tài)服務(wù)區(qū)面積能夠達到521.38、612.03 km2和651.57 km2,分別實現(xiàn)了對總面積77.99%、91.55%和97.46%的覆蓋。從綠色空間的服務(wù)供給角度看,其空間分布格局相對均勻。同時,在綠色空間500 m服務(wù)半徑內(nèi),僅覆蓋了POI熱力圖中的極高密度區(qū)中51.19%的地區(qū),高密度區(qū)中54.78%的地區(qū),中密度區(qū)中66.21%的區(qū)域,從服務(wù)需求角度則表現(xiàn)出綠色空間分布格局的不均衡。

圖6 不同半徑服務(wù)區(qū)外POI熱度區(qū)及主要商圈分布圖 Fig.6 Distribution of different radius service areas and major commercial districts

此外,通過對數(shù)據(jù)進一步分析,發(fā)現(xiàn)各個服務(wù)區(qū)外均有超過一半的地區(qū)是城市生產(chǎn)生活熱度較高的地區(qū)(含極高密度區(qū)、高密度區(qū)和中密度區(qū)),而這些地區(qū)與北京市主要商圈分布位置大致吻合(圖6)。

3 討論

3.1 北京城區(qū)綠色空間與POI密集區(qū)分布現(xiàn)狀及問題

電子導(dǎo)航地圖興趣點的聚集程度可以較好的表征城市居民生產(chǎn)生活的熱度,采用POI數(shù)據(jù)并結(jié)合核密度分析,能夠精細刻畫城市居民生產(chǎn)生活熱度在空間上的分布。如興趣點密度值較高的中關(guān)村、五道口、國貿(mào)、王府井等主要商圈和旅游熱點的形態(tài)和輪廓極易辨識。分析表明,北京市五環(huán)內(nèi)興趣點主要分布在城市中心地帶,越靠近城市中心,興趣點密度越高。而綠色空間的分布正好相反,中心城區(qū)數(shù)量較少,單個綠色空間面積較大且分布相對集中,城市外圍數(shù)量較多,單個綠色空間面積小而分布相對分散。五環(huán)內(nèi)綠色空間實體的500、750 m和1000 m服務(wù)區(qū)的面積比例基本隨著居民生產(chǎn)生活熱度的降低而升高?？傮w而言,綠色空間服務(wù)區(qū)與生產(chǎn)生活熱度區(qū)在空間上呈現(xiàn)此消彼長的態(tài)勢。

通過進一步對北京城區(qū)綠色空間生態(tài)服務(wù)范圍的分析,發(fā)現(xiàn)在生態(tài)服務(wù)區(qū)之外的地區(qū)主要為生產(chǎn)生活熱度較高的地區(qū)(極高密度區(qū)、高密度區(qū)和中密度區(qū)),而這些地區(qū)與北京市主要商圈分布位置大致吻合。大型商業(yè)用地周邊綠地較為缺乏,體現(xiàn)了傳統(tǒng)城市規(guī)劃對城市生產(chǎn)生活布局和城市綠地規(guī)劃缺乏科學的認識。傳統(tǒng)的城市綠色空間規(guī)劃主要體現(xiàn)在對綠地總量達標和對住宅區(qū)的供需平衡上[4],而大型商業(yè)用地由于對居民消費的吸引力較大,其周邊的土地經(jīng)濟價值較高,在規(guī)劃過程中多建設(shè)為住宅區(qū)。但是由于這些地區(qū)生產(chǎn)生活建筑群密集,人口活動熱度高,更需要綠色空間的降溫降噪、固碳釋氧、凈化空氣等生態(tài)服務(wù)功能。

3.2 運用POI數(shù)據(jù)分析城市綠色空間的優(yōu)缺點分析

運用POI數(shù)據(jù)對城市綠色空間服務(wù)半徑分析相比于傳統(tǒng)方法有多種優(yōu)點。首先,從數(shù)據(jù)源的角度來說,電子導(dǎo)航地圖的興趣點POI數(shù)據(jù)是一類重要的地理空間大數(shù)據(jù),其在更新速度和獲取成本方面具有一定的優(yōu)越性。在城市生態(tài)領(lǐng)域的研究中可以不斷嘗試使用新的數(shù)據(jù)類型,全方位多角度觀察城市這一復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代城市信息化建設(shè)的普及,越來越多表征城市人居環(huán)境狀態(tài)的數(shù)據(jù)可以被獲取和利用。其次,通過POI核密度法可以獲得城市居民生產(chǎn)生活熱度區(qū),進而分析探討城市綠色空間及周邊不同服務(wù)半徑內(nèi)城市居民生產(chǎn)生活熱度區(qū)的分布情況,可以更加精細化地表征城市綠色空間實體所服務(wù)對象的空間分布特點,以此提高了對城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的科學性,為城市綠色空間的研究提供新的方法和嘗試,為綠色空間未來的發(fā)展建設(shè)提供依據(jù)。該方法仍存在一定的不足,如不同面積大小的綠地的服務(wù)半徑的差異性未得到較為充分的研究,在往后的研究中還有待深入。

4 結(jié)論與展望

目前,在我國城市用地越來越緊張的情況下,要充分認識綠色空間與城市居民生產(chǎn)生活區(qū)的分布特征,科學合理地規(guī)劃城市綠色空間的分布,才能使城市綠色空間的生態(tài)效益最大化,讓每一塊綠地都能充分發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)功能,每一個地區(qū)的居民都能享受到周邊城市綠地的生態(tài)服務(wù)。有眾多學者指出,將城市綠色空間規(guī)劃納入城市空間規(guī)劃有利于城市合理、科學、高效、可持續(xù)的發(fā)展[21- 23]。同時,目前已有城市提出將景觀可達性作為城市指標,并且在規(guī)劃中加入居民可感知的生態(tài)環(huán)境指標。如上海在新一輪的城市規(guī)劃中在指標上擬增加了“居民出門500米,步行10分鐘,就有一塊3000平方米以上的公共綠地”的指標,悉尼提出了“市民在3分鐘內(nèi)能到達通往公園的步道上”,紐約提出“確保所有紐約人居住在公園的10分鐘步行圈內(nèi)”,這些都體現(xiàn)了未來以人為本的規(guī)劃理念[24]。因此在未來的城市綠地規(guī)劃過程中,應(yīng)首先科學地認識地區(qū)生產(chǎn)生活熱度區(qū)的具體分布情況,分析已有城市綠地的不同半徑生態(tài)服務(wù)范圍,優(yōu)先在缺乏綠色空間且居民生活熱度較高的區(qū)域增加綠化,提高綠化質(zhì)量,使綠色空間可以為更多的市民提供更好的生態(tài)服務(wù)。將城市綠色空間規(guī)劃納入城市規(guī)劃體系,并且在綠色空間的規(guī)劃與建設(shè)時充分考慮城市綠色空間與居民生產(chǎn)生活區(qū)域的分布特征,將是未來城市綠色空間發(fā)展的重要途徑。