GIS支持下城市公共服务设施规划的可达性研究

GIS支持下城市公共服务设施规划的可达性研究

吕　毅　庞前聪

【摘要】公共服务设施的布点在规划中一直是一个热点问题，本文针对传统规划方法的弊端，探讨在城市规划工作中如何运用可达性理论来提高公共服务设施的效率。在GIS软件空间分析功能的支持下，根据规范确定的一个阈值来直观地定义基于城市道路交通网络的公共服务设施的覆盖范围和未覆盖范围，再通过计算覆盖率这一指标即可用来量化可达性水平。最后，文章系统阐述了确定需减少和新增的公共服务设施的位置，在研究公共设施分布中有一定参考作用。

【关键词】规划　可达性　GIS　覆盖百分比　道路交通网络

城市公共设施是城市行政、经济、文化、教育、卫生、体育、科研及设计等社会服务机构或设施，它们是城市生存和发展必不可少的一部分，公共设施的空间位置间接影响居民的福利受益状况。

1.可达性理论——研究公共服务设施效率的认识论基础

1.1　可达性的概念

K.T.Geurs和J.R.Ritsema Van Eck认为，可达性概念有广泛的意义，包括“达到终点所付出的努力”或者“从某一位置能获得的活动数量”。确切地说，可达性是借助于交通工具，土地和交通系统能使人群或物品到达终点的程度^［1］。根据这一理论，可达性既和终点有关，而且与连接起点和终点的连接也有关系。

Moseley在《可达性:乡村的挑战》中定义了可达性的三要素^［2］:

·人，即乡村里的居民。

·人所需要的活动或服务。

·以上二者之间的连接。

1.2　可达性的量化方法

1.2.1　距离法(distance measures)

最简单的距离法是测量“相对可达性(relative accessibility)”，这是通过两点间的直线距离来量化可达性的方法，用来定义同一平面上的两个点的连接程度。

距离法结合了终点的位置和交通系统。这种方法多用在终点已知而且唯一的情况，例如参观市政厅。如果要分析终点可能是两个或两个以上的，等高线法比较适合用来量化可达性^［3］。

1.2.2　等高线法(contour measures)

等高线法也叫做邻近计算法(proximity count)，邻近距离法(proximity distance)，积累机会法(cumulative opportunities)和等时线法(isochronic measure)。这种方法没有考虑出行衰减，即可达性在一定范围内不会由于距离的增加而降低，表明了在一定时间或距离以内，可达的终点数量。所以说等高线法更强调终点的数量而不是随着距离的变化导致机会的不等，其公式如下:

其中，j^*是在某一阈值内，可达的终点(设施)的总数，D_j是终点(设施)j上的机会总数。

这种方法的主要优点是它提供了一种简单明了的方法来量化可达性，没有掺入个人偏好，土地利用或其他方面的因素。此外，量化所需的数据也相对简单，所以，只要根据一些基础的数据就可以研究不同类型终点的可达性^［4］。

当然，等高线法也有它的缺点:第一，它默认所有的机会都是一样的，不论花费的时间或是终点的类型，对顾客都有同样的吸引力^［5］，起点附近的可达性和阈值附近的可达性没有什么区别^［6］;第二，阈值的选择直接影响分析的结果;第三，这种方法从使用者的角度来衡量交通或土地利用系统的效率，它既包括了交通因素(出行时间，花费和距离)，也考虑了土地利用方面的因素(如设施的位置)。

1.2.3　合成法(composite measures)

合成法的原理是基于重力模型，即基于人群或实体间引力的类比。这种方法利用一个衰减函数计算了在一定距离、一定时间和一定花费下所能到达的终点的数量，其公式如下:

其中，c_ij是起点i和终点j之间的阻力，D_j表示机会的数量，β反映了出行阻力的系数。

这种方法并没有考虑人群个体的特征，所有的居民在同一个位置都具有同样的可达性，却不管居民所选择的终点是否不同，出行的阻力系数也不一样^［7］。由于可达性根据距离衰减来判定，出行阻力系数的选择直接影响结果。另外，如果终点之间存在竞争，这种方法也不适合。总之，这种方法复杂，难以解释通常用来预测潜在的客户数量。

1.2.4　效用法(utility-based measures)

效用法源自合成法，也是通过计算出行衰减函数来衡量出行花费。它假设某个终点一旦被某顾客选中就具有一个总的效用值，顾客会根据最大化效用值这一原则来选择出行终点。这个方法最大的特点就是除了一般模型所需的起点和终点之间连接的特征(如速度、出行费用等)，可达性的衡量是基于出行单个个体特征的考虑，即要掺入经济收入、年龄等用户的详细特征。

效用法最大的优点是有一个合理的理论基础，即与传统微观经济学理论有直接的联系。同时，它把出行个体的特征考虑进去，这更符合现实。但它也有缺点，用Koenig的话说，这的确是一种复杂的理论，如果没有其他相关理论做基础的话，如行为模式选择理论(behaviouralmodels of destination choice)和消费剩余理论(consumer's surplus)，它根本解释不清楚到底各个函数的具体意义^［8］。

2.规划失效——传统规划的弊端

在传统的公共服务设施规划中，根据需求人口规模预测了公共服务设施的数量和规模后，设施与设施之间的间距成为定点的主要依据。衡量设施分布是否均匀平衡的办法就是以某一公共服务设施为圆心，规范规定的一个固定距离画圆。这样可以大概确定服务区域和非服务区域。

随着信息技术的发展，城市规划工作者们已经采取了一些先进的方法来提高工作效率。但相对于社会经济的迅速变化来说，多少仍然有些不足。随着计算机技术的普及，规划中的一些画图工作大部分已经在AutoCad，PhotoShop等软件中完成，这确实方便了我们的工作，但是在画图之前，GIS和可达性的概念还没有渗透到分析过程中来。根据可达性的定义不难看出，传统的规划方法忽视了需求人群到公共服务设施之间的连接——城市道路交通。

3.公共设施规划中的可达性分析

3.1　可达性分析的重要性

城市给居民提供了各种各样的机会和资源，由于这些机会和资源在城市范围内是不均匀分布的，因此，居民使用的方便程度是不一样的。从某种程度上来说，利用这些资源并从中受益，对当地居民也是一种福利的享受。从而，资源空间分布的情况以及不同程度的利用这些资源，也会影响不同收入阶层的福利^［9］。所以，可达性理论运用到公共设施中来研究居民对这些设施的需求状况以及设施的服务状况有较强的现实意义。

可达性分析可以用在设施选址的不同阶段。首先，为了了解现有设施的服务情况，应该对现有设施进行评估，从而决定哪些设施应该搬迁或者关闭。其次，在已有的设施中添加新设施，但是在哪里选址，可达性分析可以帮助决策者们选址一个合适的位置。另外，对于一个新的规划方案，决策者们可以提出一个或多个方案，或者调整现有布局添加少量新设施，或者建设新设施^［10］，通过对这些方案进行可行性分析从而更详细地了解方案间的不同，然后选出最能达到决策者要求的方案。

3.2　GIS在基于可达性分析的公共设施规划中的应用

不论是用传统规划方法还是现代规划方法，空间信息都是必不可少的。GIS系统尤其擅长于挖掘和利用空间信息。GIS不仅为决策者提供公共设施位置和分布的信息，而且，它还提供了一个不错的可视化工具来描述一个问题的背景和结构，利用GIS的空间分析来分析设施供需的平衡问题，不同程度的供需平衡通过GIS也可以很直观地以图形的形式展现在我们眼前。因此，我们用覆盖百分比来衡量是否满足此要求。

从以上分析我们可以看出，可达性理论结合GIS能更有利于我们的研究。Geertman与Bosveld曾在1990年用潜在值(potential values)来研究交通网络问题，这被视为可达性理论与GIS结合的第一例^［11］。一般地，解决公共设施选址问题多采用缓冲区分析(buff)和叠加分析(overlay)，有时候也用到泰森多边形(Thiessen polygons)。

4.规划效率——可达性与GIS的结合

道路系统作为可达性的要素之一，在GIS中是以线特征的方式存在，而需求和供给以点特征的方式存在。根据需要本文采用ArcInfo中的网络距离(network distance)来计算最短距离，这主要是根据规划规范确定一个阈值来确定，比如小学的服务半径为500米。而公共服务设施与居民的居住点就以点特征的方式存在，这样在GIS的帮助下，建立起可达性理论三要素之间的空间关系。

4.1　划分服务区和非服务区

服务区指在一定距离以内设施能提供服务的区域，在这里，主要是指从需求点到供给点的距离在指定范围以内的需求点的集合，类似地，从需求点到供给点的距离在指定范围以外的需求点被视为非服务区。通过这样的划分，以便明确公共服务设施的覆盖范围。

4.2　定义覆盖百分比

划分了服务区域和非服务区域，为了便于各个方案间的比较，我们定义了覆盖百分比来作为公共服务设施空间分布上的比较指标:

公式3量化了设施服务范围的覆盖情况，根据我们选定的最短距离为标准来划分服务区域和非服务区域。一般情况下，越高的覆盖百分比意味着更高的可达性，但是在供给过量的区域，对于那些有两个或者三个选择的区域，覆盖百分比越高说明设施之间间距太小，造成设施的浪费。在这些地方我们需要关闭一些设施。

4.3　减少或新增公共服务设施

需要关闭的设施需要满足以下条件，即:相邻设施的间距小于最短距离，在服务范围内属于供给过多。

新建的设施应该建在那些最需要的地方，即最短距离范围内，能尽可能地服务更多的居民。这样，更多的居民能方便地去使用这些设施，相应地也提高了设施的可达性。

5.结　　论

本文主要结合GIS与可达性理论，运用等高线法来计算服务区和非服务区的人口数量来量化设施的服务范围。我们把用可达性理论分析的结果和传统规划方法的结果作一比较，就可以说明可达性理论在公共设施规划方面的优越性:不仅能评估现状还能明确需要减少和新增的公共服务设施的位置。这种方法能细致地描述供给与需求之间的关系;在决策过程中能有效地结合现状中的道路因素进行分析，在研究公共设施分布中有一定参考作用。可达性理论同样适用于研究体育馆、医院或者是购物中心的布点，还可把各等级道路及公交线路、轻轨等因素结合起来，用不同的出行速度来计算出行时间，拓展可达性的适用范围。

【参考文献】

［1］K.T.Geurs，J.R.R.v.E.，2001.Accessibility measures，review and applications.Bilthoven，Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu(RIVM).

［2］Moseley，M.J.，1979.Accessibility:the rural challenge，London:Methuen.

［3］K.T.Geurs，J.R.R.v.E.，2001.Accessibility measures，review and applications.Bilthoven，Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu(RIVM).

［4］Jones，S.R.，1981.Accessibility measure:a literature review.Crowthorne，Berkshire.

［5］Vickerman，R.W.，1974.Accessibility，attraction，and potential:a review of some concepts and their use in determining mobility.Environment and planning A.

［6］Ben-Akiva，M.，R.Lerman，1979.Disaggregate travel and mobility choice models and measures of accessibility.Behavioural Travel Modelling，D.A.Hensher and P.R.Sopher，eds.，CroomHelm，Andover，Hants.

［7］Koenig，J.G.，1980.Indicators of urban accessibility:theory and application.Transortation.Tom de Jong，J.R.v.E.，1996.Location profile-based measures as an improvement on accessibility modelling in GIS.Comput.，Environ.And Urban System20.

［8］Breheny，M.J.，1978.The measurement of spatial opportunity in strategic planning.Regional Studies.

［9］Toppen，F.and de Jong，T.，1991.In search of suitable location for Mercedes-Benz Truck Centers.Proceedings GIS in Business and Commerce:pp.127-137

［10］Geertman，S.C.M.and Bosveld，W.，1990.AGIS-based model for goals achievement analysis and design.Proceedings of the first European GIS conference(EGIS)9，pp.67-80

［11］Massam，B.H.，1980.Spatial search:applications to planning problems in the public sector:p.294