基于GIS的阜阳市区街道空间品质测度与分析.pdf

第 22 卷第 4 期南阳师范学院学报Vol.22 No.42 0 2 3 年 7 月Journal of Nanyang Normal UniversityJul.2023收稿日期:2023-03-20基金项目:安 徽 省 教 育 厅 高 校 人 文 社 科 重 点 研 究 项 目(2022AH051278,2022AH051300,2022AH051301);安 徽 省 省 级 质 量 工 程 项 目(2022jyxm1171,2022jyxm1164,2020jyxm1414);阜阳师范大学质量工程校级重点项目(2020JYXM09)作者简介:赵阳(1987),安徽淮南人,讲师,主要从事遥感与 GIS 应用方面的研究。基于 GIS 的阜阳市区街道空间品质测度与分析赵阳1,胡文峰1,黎慧1,焦旭媛1,朱守涛2,朱玉钦1(1.阜阳师范大学 历史文化与旅游学院,安徽 阜阳 236037;2.湖南师范大学 地理科学学院,湖南 长沙 410081)摘要:街道是城市中最常见的公共空间,它既是承担市民多种公共活动的空间载体,同时在城市不同功能类型的空间中起到联系作用。城市空间品质会直接影响市民对城市空间的感受。本研究以 GIS 为平台,从可达性、活力性、适宜性三个维度构建街道空间总体品质模型,从多种角度对阜阳市区街道数据进行分析,结果显示:(1)阜阳市区街道空间品质呈现由中心向外扩散的格局(2)生活点具有显著的道路指向性,极值活力性街道具有典型的建成区指向性,极值适宜性街道具有典型的草耕地指向性(3)全局自相关分析和局部自相关分析显示,街道品质 Moran 指数 I 为 0.824462,具有显著的高高聚类分布特征(4)聚类和异常值以及热点分析显示,高高聚类和热点主要集中在城区中心,而低低聚类和冷点主要集中在城区南北两侧。依据三大维度和街道品质的空间分布特征,提出阜阳市区街道品质提升策略。关键词:街道品质;GIS 空间分析;量化评价;阜阳中图分类号:K 928.5文献标志码:A文章编号:1671-6132(2023)04-0009-110引言随着新型城镇的化建设的推进,高质量发展成为新时期的主题1。中国城市活力是城市空间旺盛生命力和城市功能生存发展的保证2,街道是城市居民的公共院落,它向人们展示了城市的魅力,并传达着城市的文化和精神。街道作为城市的一个重要组成部分,在以人为本的理念下,众多学者对街道空间品质进行了深入的研究。街道与城镇的形成作者迈克尔索斯沃斯和伊万本-约瑟夫3认为街道在城镇发展中具有很重要的影响,城市、郊区、街道、马路,这些日常生活中常见的事物与城市居民的生活舒适度密切相关。街道是连接城市形态和空间组织中的重要角色,街道空间品质的高低,影响着居民的行为习惯、户外活动的频率、公共健康的水平以及城市文化的塑造4-10。针对街道品质的提升我国已经开展了很多工作,2010 年上海世博会提出“城市,让生活更美好”的主题;2017 年,中央提出以人为本的新型城镇化,体现了我国城市发展中“让居住在城市中的人们生活更美好”的城市本质功能的回归,街道空间的功能开始受到城市研究者的关注11。随后上海市街道设计导则南京市街道设计导则北京市街道更新治理城市设计导则12-14纷纷出台,2018 年规划年会更是探讨了我国街区格局的去从、以人为本的价值导向在街道层面如何继续深挖、街道如何守护市民安全活力与健康等问题,这些都使得街道品质提升被纳入政府工作重点。在数字城市的研究趋势下,本文基于多源城市数据,从街道可达性15、活力性、适宜性三个方面,系统性的构建街道空间总体品质模型,以探索出阜阳市主城区街道空间品质分布特征16-17。其结果既可以对于阜阳市区街道规划设计提供参考,也可以对阜阳市区街道空间品质提升具有指导意义。1研究方法与数据来源1.1区域概况和数据来源 阜阳市位于黄淮海平原南端,淮北平原西部,安徽省西北部。地跨东经 1145211649,北纬 32253404。本文以阜阳市城市总体规划(20122030 年)中城市规划范围作为研究区,共涉及 3 区 17 个街道及乡镇,城区内颍河、泉河呈 Y 形交汇,城市沿颍州路、人民路、105 国道、省道 305 等主要道路呈指状南阳师范学院学报第 22 卷向外拓展。北至绕城公路、东至济广高速、南至滁新高速、西至阜王路,新韩路,航颍路,润河路,西湖保护区边界。总用地面积约为 433 km2(图 1)。数据来源包括百度地图 POI 数据爬取、阜阳市政府官网城区分布图、珞珈一号夜间灯光数据、清华大学 10 m 分辨率土地利用类型数据、地理空间数据云 DEM(30 m30 m)数据。结合阜阳市基础地理数据和ArcGIS 软件构建街道品质研究数据库。图 1阜阳市主城区区位图1.2研究方法 1.2.1层次分析+熵权法层次分析法(Analytic Hierarchy Process,简称 AHP)是将与决策直接或间接相关的元素分解为目标层、准则层、方案层等,在此基础上进行定性和定量分析的决策方法。根据信息熵的定义,对于某项指标,可以用熵值来判断某个指标的离散程度,其信息熵值越小,指标的离散程度越大,该指标对综合评价的影响(即权重)就越大,如果某项指标的值全部相等,则该指标在综合评价中不起作用。因此,可利用信息熵这个工具,计算出各个指标的权重,为多指标综合评价提供依据。1.2.2GIS 空间分析法数据分析过程中采用了多种 GIS 空间分析方法,如指标因子的转换、数据重分类、距离分析、缓冲区分析、核密度分析、空间自相关分析、聚类和异常值分析、热点分析等。1.3指标体系本文选取了 3 个维度的 19 个指标对阜阳市街道空间品质的研究,据此建立街道空间评价与分析体系。通过层次分析法18和熵权法综合确定各类因子的权重,其中二级指标权重通过一级指标权重和单排序权重进行加权求和计算得出(表 1)。2结果分析2.1主城区街道品质评价2.1.1街道活力性评价根据指标因子的数据性质,对于指标因子进行了分类。本文以 POI 多样性、POI 密度、公交站数量、夜间灯光指数、街道密度、商业 POI 占比、人口密度等因子作为活力性评价的要素。01第 4 期赵阳,等:基于 GIS 的阜阳市区街道空间品质测度与分析表 1指标因子权重一级指标权重二级指标权重城市公园0.03三级医院0.10可达性0.20商业街道0.04大型超市0.04重点中学0.02农贸菜市0.10POI 多样性0.07POI 密度0.06公交站数量0.06活力性0.51夜间灯光指数0.02街道密度0.02商业 POI 占比0.05人口密度0.04空气质量0.06遥感生态指数0.09适宜性0.29与水系距离0.02与工厂距离0.04公厕密度0.12坡度0.02POI 多样性采用辛普森指数19进行计算,其公式为D=1-siP2i(1)式中,Pi为因子 i 占总因子数目的比例;POI 密度、公交站数量、商业 POI 占比采用如下计算公式20 V=MiLn (2)式中,Mi为各因子数量;Ln为各街道长度;街道密度采用核密度分析法,其公式为f(x)=1nhdni=1Kx-xih()(3)式中,Kx-xih()为核密度函数,h 为搜索阈值,n 为搜索阈值内已知点的数量,d 为数据的维数;夜间灯光指数和人口密度从相关网站获取,经过 ArcGIS 平台进行处理。对各个因子的数值进行归一化处理,在 ArcGIS 中通过字段计算器对活力性指标进行加权计算得到活力性结果。为了增加街道品质高低差异化对比,采用自然间断法对活力性进行分类,其活力指标量化结果如图 2a 所示,颜色由浅变深,属性值由低到高,颜色越深表示活力性越高。对于街区活力性指标数据进行整理,其中活力性最高的街道主要集中在颍州区三角洲城市商业中心。而三角洲城市中心往西的城区街道活力性也较高并且有向阜阳城南新区发展的趋势。颍州区整体高于颍泉区和颍东区,且颍州区的街道活力性最高,以泉河、沙颍河为分隔,颍州区东部街道活力度明显高于颍泉、颍东区南部区域的街道。2.1.2街道可达性评价 不论是在旅游、商业发展还是交通通勤中,街道可达性都产生着很大的影响,阜阳市内部交通通达性对于主城区街道品质也有着重要影响,可以说可达性是街道品质构成的充要条件。可达性要表征人类活动的基本规律,在指定范围内到达任意空间地点的便捷程度。本文以居民日常生活密切相关的城市公园、三级医院、商业街道、大型超市、重点中学、农贸菜市作为生活点,利用 GIS 栅格耗费距离计算可达性,充分考虑水域、山体等的阻隔因素,能较好地模拟出区域任何一个点的可达性,借助最短路径法在栅格数据上11南阳师范学院学报第 22 卷计算每个网格到某个目的网格的最短加权距离,称为累积耗费距离算法,计算公式如下:K1=12ni=1(Ci+Ci+1)(4)K2=22ni=1(Ci+Ci+1)(5)式中:Ci表示第 i 个像元的时间成本;Ci+1是指沿运动方向上的第 i+1 个像元的时间成本;n 为像元总数;K1,K2为栅格的景点可达性。K1可计算栅格表面垂直或平行方向的时间成本,K2可计算通过栅格表面对角线方向的时间成本。根据公路工程技术标准(JTG B012003)规定的道路设计标准,并参考前人研究成果20,本研究采用如表 2 所示的时间成本值。表 2主要因素时间成本值要素级别速度/(kmh-1)时间成本/min快速路758道路主干路4513.33次干路3517.14支路302005120坡度51515015253002538.68500015 m-120地形起伏度1530 m1503060 m1806080.89 m300水系1000结果显示(图 2b),阜阳主城区生活点基本可以在 40 min 全到达,对于主要道路地区,12 min 内可到达。可达性较高的街道主要集中在主城区中心,主要是由中心地区生活点分布较多,对居民的日常生活来说,极大方便了其出行需求。随着生活点数目由中心向外围逐渐减少,可达性也随之减弱。可达性较低的地方主要集中在城区南北两侧街道。2.1.3街道适宜性评价 环境质量是居民生活品质的重要度量方向,是居民健康生活的主要前提。本文以选取空气质量指数、遥感生态指数、与水系距离、与工厂距离、公厕密度、坡度等因子作为适宜性评价的要素。遥感生态指数21计算公式为:E=f(A,B,C,D)(6)式中,E 为遥感生态指数,A 为绿度,B 为地表温度,C 为湿度,D 为干度。与水系距离、与工厂距离采用欧氏距离分析,其计算公式为:D(x,y)=ni=1(xi-yi)2(7)式中,D 为距离,xi、yi为空间中两点坐标;公厕密度参考公式(2),坡度数据由 DEM 计算得到,空气质量指数由空气质量在线监测分析平台(https:/ ArcGIS 中通过字段计算器对适宜性指标进行加权计算得到适宜性结果为了增加街道品质高低差异化对比,采用自然间断法对适宜性进行分类,其适宜指标量化结果如图 2c 所示,颜色由浅变深,属性值由低到高,颜色越深表示活力性越高。对街道适宜度数据进行整理,适宜性较好的街道分布集中在城区东南部,而适宜性较差的街道主要分布于三角洲城市中心附近即城区中心地带。城区总体适宜性呈现由东南向西北递减的趋势。21第 4 期赵阳,等:基于 GIS 的阜阳市区街道空间品质测度与分析2.1.4街道空间品质评价对上述三大因子运用 ArcGIS 字段计算器进行加权叠加,按照自然间断法对街道品质得分进行分类。颜色由浅变深,属性值由低到高,颜色越深表示街道品质越高(图 2d)。图 2街道空间品质分布总图2.2街道空间品质分布特征分析2.2.1可达性空间特征分析生活点的空间分布差异对其可达性的好坏起着决定性的作用。本文对不同时间段内的骨干路进行缓冲区分析以及对整体骨干路进行缓冲区分析。由表 3 可知,可达性越好的街道,其生活点与街道的距离越近;而通过对生活点与骨干路表 3 骨干路网缓冲区与各可达时间段生活点分布距离进行线性拟合,其拟合系数达到 0.9337,如图 3 所示。综上所述,生活点可达性表现出显著的以主要交通线路为中心的空间距离衰减规律,距离主要交通线路越近,可达性越好;距离交通线路越远,可达性越差。表 3骨干路网缓冲区与各可达时间段生活点分布骨干路网缓冲区/m平均到达时间/min04488生活点总个数0200306036200500374142500100014912410008688716331南阳师范学院学报第 22 卷图 3生活点与骨干路距离线性拟合2.2.2活力性空间特征分析为了探究活力性以及适宜性空间分布特征的影响因素,引入了土地利用类型数据,如图 4 所示。从图中可以看出,随着活力性等级的提高,建成区的占比在逐步提高,草地和耕地占比在逐步降低,通过对极值(1 级和 5 级)街道与建成区距离做线性拟合(图 5)发现,随着与建成区距离的增加,极值街道里程在不断减少,拟合系数分别达到了 0.9837 和 0.8914,可见活力性街道具有极强的建成区指向性。2.2.3适宜性空间特征分析 通过对不同级别适宜性道路下的土地利用占比情况进行统计(图 6)发现,随着适宜性等级的提高,建成区的占比在逐步下降,而耕地和草地的占比在逐步增加,至 5 级适宜性时,占比超过了建成区。图 4不同活力性等级下的土地利用占比情况图 5极值活力性街道与建成区距离线性拟合通过对极值街道与草地、耕地距离做线性拟合(图 7)发现,随着与草地、耕地距离的增加,极值街道里程在不断减少,拟合系数分别达到了 0.8864 和 0.9652,可见适宜性街道具有极强的草地、耕地指向性。2.2.4社区品质空间特征分析 为了获取更加直观的街道品质空间特征分布,本文从社区尺度上对品质进行可视化显示,对数值以自然间断分级法将街道品质分为五个等级,并对各区间的街道数量占比进行统计。最终确定等级数值分布区间,等级 1 为 0.030.21,等级 2 为 0.220.35,等级 3 为 0.36 0.51,等级 4 为 0.52 0.67,等级 5 为0.680.94。社区分布如图 8 所示。41第 4 期赵阳,等:基于 GIS 的阜阳市区街道空间品质测度与分析图 6不同适宜性等级下的土地利用占比情况图 7极值活力性街道与草地、耕地距离线性拟合通过统计发现(图 9),街道品质为等级 2 的街道最多,占总街道数量 33%,等级 4、5 街道数量都为 18个,占比都为 21%。由此共有 42%的街道品质等级较高。等级 5 的街道也是分布在三角洲城市中心与颍州老城区辐射带中,且整体位置位于城区中南部。街道品质为等级 1 的 12 个街道大多布置在颍州区与颍泉区外围。等级 2、等级 3 的街道在三个区中均有分布,可以看出颍泉区的整体品质水平普遍较低。由此可见,颍州区街道品质水平最高,颍东区次之,颍泉区最低。不同街区水平的差异反映出不同行政区基础设施服务水平方面的高低不同。2.3社区聚类分析 为了判断社区品质是否有空间相关性,本文采用全局自相关和局部自相关对其空间特征进行进一步研究。结果表明(图 10),城区社区品质全局 Moran 指数 I 为 0.824462,G 观测值为 0.000034,在置信度99%下,呈现出显著的高值聚类。2.4社区聚类和异常值及热点分析 为了识别统计显著性的空间异常值位置,采用聚类和异常值分析进行进一步的描述,以探究阜阳市主城区街道的特点。聚类和异常值分析对于城区内表现为异常的数值进行了显示,研究内只存在了高高聚类、低低聚类和高低聚类。通过对阜阳市主城区尺度聚类和异常值探究(如图 11),结果表明高高聚类出现在三角洲城市中心附近,主要是由于大量人口居住在此工作,基础设施配备健全街区商业发展成熟;低低聚类出现在颍州区和颍泉区边缘地带块状分布,这些地方是工业区的位置或是距离工厂较近的位置,再次说明工业区是整个研究范围内街道品质最低区域。高低聚类出现在颍泉区,那里处于商业街建设但基础设施并未健全的位置,街道商业并未发展完善,且不同类型道路分布热点不同。51南阳师范学院学报第 22 卷图 8社区品质分布图图 9社区品质样本分布图 10空间聚类分析图2.5街道品质提升策略 本研究构建了街道空间品质研究的三个维度街道活力性、街道可达性、街道适宜性。三个维度各有侧重,分别针对空间管控的不同方向。通过前文对街道品质空间分布与特征及其影响因子的探讨,基于此对街道空间品质的提升提出相应策略。2.5.1街道活力性从图 12a 可以看出,五级活力性到一级活力性街道从城区中心向外扩散,呈现出同心圆状分布。长轴方向大致为南北方向,短轴方向大致为东西方向,说明南北向活力性要比东西性活力性好。可以通过增加POI 数量及种类、完善住房、交通等基础设施来逐步加强中心城区外街道的活力性。2.5.2街道可达性从图 12b 可以看出,生活点主要集中在城区中心部位。可达性等级由城区中心逐级向外降低,生活点方向分布长轴为东北西南方向,短轴为东南西北方向。总体近似圆形,说明生活点的空间分布较均匀,但其生活点覆盖范围和覆盖密度及不均匀。应加强城区外围特别是东南和西北方向生活点的建设,以提高整体可达性。61第 4 期赵阳,等:基于 GIS 的阜阳市区街道空间品质测度与分析图 11社区聚类和异常值及热点分析图 12街道指标方向分布71南阳师范学院学报第 22 卷2.5.3街道适宜性从图 12c 可以看出,一级适宜性到五级适宜性街道从西北向东南交替分布,长轴方向大致为南北方向,短轴方向大致为东西方向。因此要加强东西方向适宜性街道的建设。2.5.4街道空间品质从图 12d 可以看出,除一级品质街道呈显著的南北方向分布,其他品质街道方向分布近似同心圆,逐级向外扩散。五级品质街道长轴方向大致为南北方向,短轴方向大致为东西方向。三、四级品质街道长轴方向略微呈东北西南走向,短轴方向略微呈东南西北走向,一、二级品质街道长轴方向呈东南西北走向,短轴方向呈东北西南走向,因此街道品质提升应逐步从城区中心向外推进。3结论与讨论3.1结论街道空间品质在城市空间有着举足轻重的作用,它时刻影响着人们对于城市整体生活体验。在城市发展过程中的每一个阶段,街道空间的形式、功能、属性等也随着城市的整体发展状况而不断地完善并得到补充。3.1.1阜阳市主城区街道空间品质由中心向外呈现逐级递减的趋势。高品质聚集区主要集中在城区中心。占全部区域的 26.74%,中品质聚集区占总面积的 58.14%,低品质聚集区占总面积的 15.12%,阜阳市主城区整体街道品质处于较高水平。3.1.2生活点具有公路指向性,离可达性越好的街道,其生活点的道路指向性越强;极值活力性街道和极值适宜性街道具有极强的建成区指向性和草耕地指向性,即距离建成区越远,其街道活力性越弱,距离草耕地越远,其街道适宜性越弱。3.1.3阜阳市主城区社区空间品质主要以高高聚类或低低聚类为主,其热点主要集中在城区中心三角洲公园及其附近,而冷点则分布在城区的北部和南部。3.1.4街道空间品质提升主要从三个维度入手。对于街道活力性来说,应加强南北向城区中心外围活力性的建设;对于街道可达性来说,生活点主要分布在城区中心,导致可达性由中心向外围呈扩散,应提高城区外围生活点的分布数量;对于街道适宜性来说,郊区总体上要比城区好,可以通过增加城区植被覆盖度,减少污染企业数量,改善街道整洁度来提高街道适宜性;对于街道总体品质来说,其整体上大致呈现同心圆状分布,城区外围,尤其是南北两端是低品质聚集区,主要应加强可达性和活力性的建设。3.2讨论本文从三个维度,19 个指标对街道空间设计进行了研究分析。但由于能力有限,论文还存在以下不足:第一,研究维度的局限性。街道空间品质的度量因素众多,本文只考虑了三个维度,其研究区域的历史、人文和文化特征等层面考虑有所欠缺。第二,指标体系的精确度。街道是一个小尺度上地理单位。其评价指标应贴合居民日常生活中的所看所想所感。由于时间有限,其评价指标的细化工作有待进一步加强。街道空间品质作为生活中重要的一种空间形式,它的研究涉及多门学科,在今后的研究工作中,不仅要考虑多门学科的跨学科合作,也会实地调查居民对所处街道的直观感受,以得到更加可靠的评价指标,使其能够得到更具科学性、更具现实意义的结论。参考文献1邓元媛,周奇松,李泓达.基于 GIS 的街景空间品质可视化研究:以徐州三环内故黄河沿岸街道为例J.中外建筑,2021(4):81-86.2崔成,任红艳,赵璐,等.基于街景影像多特征融合的广州市越秀区街道空间品质评估J.地球信息科学学报,2020,22(6):1330-1338.3索斯沃斯,约瑟夫.街道与城镇的形成M.李凌虹,译.北京:中国建筑工业出版社,2006.4唐婧娴,龙瀛.特大城市中心区街道空间品质的测度:以北京二三环和上海内环为例 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and give reasonable suggestions.The results show that:(1)The spatial quality of streets in the urban area of Fuyang presents a pattern of diffusion from the center to the outside.(2)Living areas have significant road directionality,extreme vitality streets have typical built-up area directionality,and extreme suitability streets have typical grassland farmland directionality.(3)Global autocorrelation analysis and local au-tocorrelation analysis show that the Moran index I of street quality is 0.824462,which has a significant high clus-tering distribution feature.(4)Clustering,outliers and hot spots analysis show that high clustering and hot spots are mainly concentrated in the urban center,while low clustering and cold spots are mainly concentrated in the north and south sides of the urban area.Finally,according to the three dimensions and the spatial distribution characteristics of street quality,this paper proposes the corresponding improvement strategies.Key words:street quality;GIS spatial analysis;quantitative evaluation;Fuyang91