公共服务设施可达性度量方法研究综述_高巍.pdf

344 教育部人文社会科学基金(18YJA760015)和国家自然科学基金(41971331)资助 收稿日期:20220413;修回日期:20220713 北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,Vol.59,No.2(Mar.2023)doi:10.13209/j.0479-8023.2022.125 公共服务设施可达性度量方法研究综述 高巍1 欧阳玉歆2 赵玫3,高勇4 孟浩瀚4 1.北京交通大学建筑与艺术学院,北京 100044;2.北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100034;3.北京理工大学设计与艺术学院,北京 100081;4.北京大学地球与空间科学学院,北京 100871;通信作者,E-mail: 摘要 对既有研究中采用的公共服务设施可达性度量方法进行梳理和总结,从数理统计、拓扑网络和几何网络 3 个方面对比不同方法的基本原理、度量指标、优缺点和适用范围,指出当前的方法学任务是在理论和经验方面合理的指标与简单指标之间寻找适度的平衡,而新数据技术的涌现为可达性度量方法提供新的发展 方向。关键词 公共服务设施;可达性;度量方法 A Review on Accessibility Measurements of Public Service Facilities GAO Wei1,OUYANG Yuxin2,ZHAO Mei3,GAO Yong4,MENG Haohan4 1.School of Architecture and Design,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044;2.Beijing Urban Construction Design&Development Group co.Limited,Beijing 100034;3.School of Design and Art,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081;4.School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871;Corresponding author,E-mail: Abstract Based on the three levels of mathematical statistics,topological network and geometric network,the accessibility measurements on public service facilities in existing studies are teased,and the fundamental principles,metrics,range of applicability,the advantage and disadvantage of these different measurements are reviewed.It is pointed out that current methodological task is to find the right balance between a measure that is theoretically and empirically sound and one that is sufficiently plain,and emergence of new data technologies provides a new direction for accessibility measurements.Key words public service facilities;accessibility;measurements 可达性指从一个地方到达另一个地方的容易程度1。Hansen2于 20 世纪 50 年代首次提出“可达性”概念后,西方学者开始关注这一问题。随着应用领域的不断扩展和度量方法的日益改进,形成对可达性的多种解释,如距离成本、出行时间和旅行费用等,但多衍生自以下 3 种经典定义3:1)地点可达性,即汉森(Hansen)定义;2)效果可达性,即本阿基瓦和莱尔曼(Ben Akiva&Lerman)定义;3)时空间可达性,即伦特普(Lenntorp)定义。在城市规划与交通出行领域,普遍应用的理论依据主要是 Hansen2提出的可达性概念,即“交通网络中节点间相互作用机会的大小”,该定义强调可达性的空间属性,即出发地、目的地(机会)和空间阻抗。20 世纪 6070年代,可达性逐渐成为西方学者研究的热点4。国内从 20 世纪 80 年代开始通过计算机辅助评价出行可达性的研究5,至 2019 年可达性研究成果数量已经位居世界前列6。随着可达性应用范围逐渐广泛,相关研究着重在以下 4 个方面:1)交通网络的空间格局演变对区域发展影响的研究;2)新建交通基础设施的区域经济效应评价;3)选址分析与区位评价;4)园林与建筑设计、景观规划研究7。作为公众生存和发展必不可少的资源和服务内 高巍等 公共服务设施可达性度量方法研究综述 345 容,公共服务设施是实现城市可持续发展的前提8,其选址与区位分析是可达性应用研究的一个重要领域。国际上 1980 年已开展将可达性应用于公共服务设施空间布局的研究9,近年来越来越多的学者通过对公共服务设施可达性的分析评价,辨别设施分布的均衡情况,进而助力城市空间规划,协调公平与效率。21 世纪以来,国内的相关研究日益活跃,但在城市科学领域,对公共服务设施可达性及其度量方法的系统性认知还有所不足10,部分原因是有关可达性的多种空间、时间维度和多模式性质,在定义、测度和建模方面过去 30 年里经历了各种变化1112,衍生出许多模型来衡量不同目标的可达性。另一方面,公共服务设施类别和需求的多样性也使可达性的度量方法难以统一,多采取单一类别对应单一度量方法的研究方案,从而给相关规划者和研究人员带来挑战。本文对既有研究中的公共服务设施可达性度量方法进行梳理,对比分析不同方法的适用范围,希望为相关研究方法的认知与选择提供帮助。1 空间可达性度量方法分类 随着空间可达性研究的逐渐深入,可达性的度量方法也不断改进。1959 年,Hansen2首次使用潜能模型对可达性进行度量,其后发展出多种多样的度量方法来适应不同需求的研究。陈洁等7从网络特性差异的角度对空间可达性度量方法进行梳理,并指出由于选取的可达性度量指标不同以及度量方式不同,最终结果将各具特色(表 1)。彭科3基于定义和构成要素的不同,对度量方法进行归类和总结,指出由于在要素构成上的差别,不同定义下的度量方法会导致计算结果的显著差异(表 2)。可达性主要受交通系统、土地利用、时间条件和个体特性 4 个因素影响13,不同的可达性度量方法涉及的影响因素类型及其制约程度各不相同,通常根据设施的特点和研究的需求决定,故常常需要针对设施的类型选用其适宜的度量方法。从既有文献来看,在区域和城市科学领域,可达性度量方法可以分为 3 个应用层次(表 3)。其中,基础应用层次仅涉及交通系统因素,较高应用层次同时考虑交通系统和土地利用因素,最高层次则综合考虑交通系统、土地利用、时间条件和个体特性 4 种因素7。目前,公共服务设施可达性的度量方法多属于基础应用层次和较高应用层次。近年来,随着大数据技术的发展,相关度量方法不断更新和完善,针对公共服务设施可达性的研究方法逐渐成熟,可达性度量模型结合 GIS 进行可达性评价的分析方法也逐步 表 1 基于网络特性的可达性度量方法分类7 Table 1 Classification of accessibility measurement methods based on network characteristics7 网络特性 衡量方式 度量模型 几何网络 将空间距离、时间距离(跨越空间距离所需的时间)和经济距离(跨越空间距 离所支付的费用)作为基本因子来度量可达性 距离法、累计机会法、等值线法、潜能模型法、时空法和效用法等 拓扑网络 通过整体可达性矩阵与最短距离矩阵运算来获取节点和网络的可达性水平 拓扑法(如矩阵方法和空间句法)表 2 基于定义与构成要素的可达性度量方法分类3 Table 2 Classification of accessibility measures based on definitions and components3 类型 衡量方式 构成要素 应用范围 地点可达性 1)地点累加可达性:指定举例范围内机会数的累加 2)地点重力可达性:指定举例范围内机会与空间阻抗的相对大小 机会 空间阻抗 适合衡量容量受限的机会(就业、医疗设施)的可达性(地点重力可达性);便于进行情景比较(地点累加可达性)效用可达性 指定举例范围内前往机会获得的净效用 机会 空间阻抗 个体属性 适合衡量交通基础设施的可达性;便于进行情景比较 时空可达性 1)时空间累加可达性:时空范围内机会数累加产生的可达性问题 2)时空间重力可达性:时空约束活动范围内机会与空间阻抗的相对大小3)时空间时长可达性:时空约束活动范围内停留某机会点的最大时长 4)时空间效用可达性:时空范畴内前往机会获得的净效用 机会 空间阻抗 个体属性 时间约束 适合衡量因空间隔离、环境污染效应等产生的可达性问题;便于进行情景比较(时空间累加可达性、时空间时长可达性)北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 346 表 3 不同应用层次下的可达性度量方法 Table 3 Reachability measurement at different application levels 应用层次 考虑因素 度量方法 特点 基础应用 交通系统 距离法 仅考虑交通因素,解释性强,操作简便 较高应用 交通系统 土地利用 潜能模型法、累计机 会法和等值线法等 同时考虑交通系统和土地利用两个因素,模型更符合真实情况,是 目前可达性研究中应用最广泛的层次 最高应用 交通系统 土地利用 时间条件 个体特性 时空法和效用法 综合考虑 4 种主要影响因素,但相对更复杂,难以理想化实现 普及,且因其计算结果精确、便于数据管理和图示表达等优点,被众多研究者采用。2 公共服务设施的可达性度量方法 公共服务设施空间布局是空间可达性的主要应用领域之一,在针对公共服务设施可达性的研究中采用的可达性度量方法有多种,如统计指标法、比例法、空间句法、距离法、旅行成本或费用法、累计机会法、等值线法、两步移动搜索法及其改进形式、潜能模型及其改进形式、胡弗模型、核密度法以及最小行进成本法等。不同的度量方法可以通过不同的方式实现,如建立在 GIS 等平台下的核密度法和距离法、建立在 Depthmap 等平台下的空间句法以及直接通过数学方法计算实现的比例法和统计指标法等,这些方法可以归纳为基于数理统计、基于拓扑网络和基于几何网络 3 类。2.1 基于数理统计的方法 基于数理统计的方法是通过问卷调查、访谈和现场观察等手段获取数据,并运用统计原理和回归技术,分析和梳理可达性的阻力因素和评价标准,得到可达性的衡量指数。根据数据的性质和研究目的,统计模型已经从简单的线性回归模型转变为离散选择和结构方程模型,在这些研究中,可达性指标主要基于距离或机会累积14。基于数理统计的方法应用领域较为广泛,对于较大或较小的研究单元均能适用,其优点是对可达性的影响因素考虑比较全面,将建筑环境的其他因素和社会经济指标也作为统计模型中的解释变量,也常常用于主观层面的可达性研究15。这种方法具有稳健的校准和验证技术,结果简明清晰。但是,由于缺乏量纲,参数和变量众多,不易形成能在规划设计中推广的统一的计算方法16,对可达性单个 侧面的度量效果不理想1