口袋公园空间适宜性及多目标优化选址分析

口袋公园空间适宜性及多目标优化选址分析

张国壮1,2,3，赵丹2,3,4，孙立坚3，李霞1

（1.长安大学 地球科学与资源学院；

2.自然资源部南方丘陵区自然资源监测监管重点实验室；

3.中国测绘科学研究院；

4.天津师范大学 地理环境与科学学院）

摘要：针对口袋公园选址研究时缺乏对自身独特差异性的考虑，或选址模型较为简单的问题。该文选取武汉市汉阳区为研究区，在公园空间适宜性评价基础上，采用多目标决策模型（MCDM）分阶段进行口袋公园布局优化。结果表明：① 会经济因素是影响口袋公园适宜性评价的主导因素，人口与交通是 会经济因素中的最主要因子；②包含服务功能、生态功能和兼顾 会公平期望的MCDM模型适应性较好，分阶段优化后，最终新建口袋公园77个，居民点覆盖率达到92.43%，重点污染源覆盖率达到100%，各街道、 区公园分布均衡，绝大多数居民对公园的使用需求达到满足。

0 引言

近10年来中国城镇化率增长迅猛。联合国环境署预测，到2030 年中国城市化率将达70%左右，对应城镇人口10.2亿，由此形成的“居住密集化”深刻影响了城市形态的演化[1]：从过去拥有的大型住宅区和广阔绿地向着中小型住宅区和高密度道路的“紧凑型”城市转变[2-3]。居住密集化导致了街区细分和绿地碎片化，对城市规划者追求城市宜居性提出了挑战。口袋公园（pocket park）是一种新的城市开放空间形式，是城市公园绿地系统的重要组成部分，作为一种城市微观环境最贴近市民生活，是推动城市发展从工业逻辑回归人本逻辑、从生产导向回归生活导向的重要城市空间。

口袋公园的概念最早来自于Robert Zion于1963年5月在纽约公园协会展览会期间提出的“为纽约服务的新公园”提议，原型是在高密度城市中心区建立的散列分布的小公园。在我国有些城市也称为“袖珍公园”、“街区公园”或“城市公园”。传统现代主义城市统计理念关注的是城市建设的效率，忽视了人性尺度的空间。《马丘比丘宪章》的提出加速了城市向人文的理性回归，新的城市设计价值标准考虑人的尺度，倡导人性化原则，以小而实用为出发点[4]。相对于传统现代主义城市统计理念，大多数市民对于“人均公园面积”、“人均绿地面积”这些指标并没有太多“感觉”。从市民的角度，真正好的公园，不是一个统计出来的数据，而是与人们日常生活息息相关的公共空间。Southern发现，大型公园对当地居民的生活质量提高有限，而微型公园却是可以有效改善居民的生活质量和收益[5]。口袋公园在西方城市规划中占有重要地位，2015年伦敦市通过一项绿色计划，计划在伦敦的26个区创建100个口袋公园。近几年，随着国家公园城市建设的推进[6]，口袋公园在我国发展迅猛，2021 年上海市建成120 座公园，其中一半为口袋公园[7]。其他如北京、武汉、成都、杭州、广州、南京等城市都加大了口袋公园建设的力度[8] 。

城市中的大型综合性公园往往是市民周末、假期才去的地方，较少提供24 小时服务[9]口袋公园是一个小空间，但却是随时随地为市民提供服务，促进人与自然的交流，提供 交空间，最贴近市民生活，为居民带来身边的 “微幸福”。国内外学者对口袋公园问题做过一些研究工作，其中Nordh发现公园中的自然环境与自然成分如花、草等在心理恢复功能中占有很大比重，因此，口袋公园的设计选址应考虑提供人们心理健康恢复的重要元素[10]；Chokami利用AHP来确定优先级标准及其在Qazvin AndishehG公园的应用[11]；葛舒眉等探讨了口袋公园作为城市公园的重要补充，并且阐述了口袋公园建设的必要性[12]；方昕等应用GIS空间分析方法对北京市核心区的口袋公园的分布特征进行评价，指出北京核心区的老旧胡同街区的口袋公园建设仍存在一定问题[13]。

目前国内外对于口袋公园的空间选址问题研究尚不多，口袋公园的空间适宜性问题以及选址优化方法仍然没有得到充分的探讨。从选址模型上来看，部分学者主要关注选址模型的构建与求解，如Roth等提出了位置分配模型的启发式算法[14]，该类方法后被经常用于解决消防站和急救中心等应急服务设施的选址；Megiddo等对各类位置分配模型的求解算法进行了优化，提高全局最优解的求解效率[15]。从模型的应用来说，魏薇采用改进潜能模型分析道路坡度及公交绕行对老年人公交可达性的影响[16]；戴特奇改进了P中心模型并对中小学选址和学区分配展开研究[17]；付艳丽采用吉尔特曼的修正重力模型，计算空间自相关系数实现对城市垃圾站选址的合理性评估[18]。上述研究对不同类型设施的空间选址做出了一定贡献，但口袋公园的空间选址不同于城市其他设施或机构，不能将其他设施的空间布局方法直接套用在口袋公园的空间优化选址。原因主要有：①已有空间优化和布局的研究大多没有顾及资源限制[19-20]，优化方法是在理想状态下，通过新增设施或对所有设施重新模拟布局，以达到最优覆盖目标，但由于我国城市绿化面积有限，这类方法在口袋公园的空间优化中不具有普适性。②大部分学者仍停留在对城市公园的建设认知层面，在选址时没有要考虑到口袋公园的独特差异性，即面积小，功能多，分布散，需光照。面积小代表口袋公园的自我调节能力较差，易受多种外界因素干扰；功能多代表口袋公园具有服务、生态、文化等多种功能；分布散则说明口袋公园作为基础公共服务设施，数量多，分布广，建设要着重考虑到均衡与公平；需日照则是因为口袋公园多建设在高楼大厦的边边角角，要注意满足基本日照条件。

针对问题①，本研究利用最小化设施点模型对已有公园进行空间识别，剔除空间较为重叠和冗余的公园，在此基础上进行空间优化；针对问题②，构建包含服务功能、生态功能和兼顾 会公平期望的MCDM模型。

1 研究方法

图1 技术流程图

1.1 空间评价

图2 口袋公园空间适宜性评价指标组成

1.1.1 基于ANP的口袋公园空间适宜性评价

络分析法（Analytic Network Process）是一种适应非独立递阶层次结构的决策方法，在层次分析法（AHP）的基础上发展而形成的一种新的实用决策方法。AHP的假设之一就是系统中的各个元素是互不从属、相互独立的。而影响口袋公园空间适宜性的指标因子间关系是复杂的，因素间的关系呈 状交叉，并非相互独立。本研究采用ANP方法来计算口袋公园空间适宜性影响因素的权重，ANP以 络形式表示各因素之间的联系，允许因素之间的内在反馈关系。具体步骤包括：①建立ANP结构模型；②构建初始矩阵；③构建原始超矩阵；④建立加权超矩阵；⑤线性加权计算最终权重。

1.1.2 口袋公园的环境日照约束

城市公园内绿植草地的生长及市民户外活动对阳光存在一定的需求，但不同于大型公园一般都建设在开阔的空地上，几乎不用考虑建筑物对阳光的遮挡。口袋公园由于面积较小，常呈斑块状散落或隐藏在城市高楼大厦和道路两边的边角，在建设时需要考虑房屋建筑对光照的遮挡，这是口袋公园与其他类型公园在选址时的一个显著差异。对口袋公园的日照约束参考《城市居住区规划设计规范》（GB50180-2018）及相关文献[27-29]，公园绿地要满足大寒日3小时日照时长的最低要求。通过计算坡向（北半球为南向遮挡）、提取背光面亮度数据、计算建筑物山体阴影，选出日照阴影区域，最后对各个时段的建筑阴影区域求交，筛选出大寒日全天日照时长小于3小时的区域，在确定公园候选点时排除这些区域。

1.2 目标期望

当在一个足够大的空间内选择有限量的选址点时，意味着口袋公园的选址不是唯一的，因此选择的模型需满足多个目标期望在给定区域内最佳，本研究采用多目标决策模型进行口袋公园的优化处理，分阶段分目标进行空间优化。

第一阶段（目标期望1 ）：不重叠。具体需求为，利用最小化设施模型，剔除掉服务区重叠、冗余的口袋公园，同时确定区域内满足居民需求所需要的最小口袋公园数量。

第二阶段（目标期望2 ）：高覆盖。发挥最大生态功能，以全面覆盖为目的，对重点生态区域进行最大化覆盖优化。具体需求为，居民区公园覆盖率提升到90%以上、重点污染源覆盖率达到100%。最大化覆盖模型关注的是设施的最大化空间覆盖问题，目标是在所有候选设施点中选取给定数目的设施点的空间位置，使得位于候选设施最大服务半径之内的需求点最多。

第三阶段（目标期望3）：公平分配。口袋公园作为公共基础服务设施，在选址布局时应考虑 会公平，尽可能分布均匀合理。本阶段具体需求为：每个较大 区或者两到三个相邻的小 区都要拥有一个口袋公园，且研究区区内的口袋公园分布较为均匀。本研究采用Voronoi图进行公平分配优化。

2.1 研究区概况

论文选取武汉市汉阳区作为研究区（图3），汉阳区地处113° 40’E- 114° 16’E，29° 58’N- 30°33’N，位于武汉西南部，总面积111.54 km2，下辖12个街道，118个 区，是武汉市中心城区之一。汉阳区地势平坦，大部分土地为河湖阶地，平均海拔在24米左右。气候属于亚热带季风性（湿润）气候，雨量充沛，适宜多种植物生长。汉阳是中国近代工业文明的发祥地之一，拥有较完备的产业体系，区内楼宇林立。同时，作为历史悠久的传统老城区，人口密度高，第七次全国人口普查结果显示，2020年全区常住人口83.75万，平均人口密度0.75 万/km2。实施系统化的人居环境综合治理对提升该区城市功能和品质尤为重要。

图3研究区概况

3 实验与分析

3.1 口袋公园空间适宜性评价

对图2中的8个因子进行ANP分析，确定因子权重，计算在Super Decisions软件中执行，结果见表1 。其中， 会经济因素权重为0.67 ，是影响口袋公园空间适宜性的主要因素，这其中人口因素又占据了最高比例（0.236），反映出服务市民是口袋公园建设的基本出发点。

表1各指标因子分类及权重

图4 单因子适宜性评价

口袋公园空间适宜性的单因子评价见图4，人口密度、现存公园可达性等正向因素数值越大，愈适宜选址；交通通达性、空气质量指数等逆向因素数值越小越适合选址。采用极差标准化法和倒数一致化对各因子标准化后，进行加权叠加得到的口袋公园整体适宜性评价见图5（a）所示。按照自然断点法对研究区进行适宜性划分，适宜性评价值大于0.52的为适宜口袋公园建设区，小于0.52的为非适宜区，结果如图5（b）所示，适宜建设区域主要分布在武汉市中医院、汉阳阳光城、宏阳大厦、南太子湖、桥机嘉园等区域，面积60.99 km2，占整个研究区面积的54.68%。

图5 口袋公园整体适宜性评价结果

3.2 口袋公园空间选址与优化

考虑到口袋公园日照要求，设定大寒日日照时大于3 h作为口袋公园的最低日照时长，其他达不到此标准的区域为非适宜区。采用500 m×500 m格 对研究区进行划分，以 格中心作为初始候选点，共创建初始候选点403个。根据式 (6) 计算每个候选点的大寒日日照时长，结果见图6，然后排除非适宜区和光照条件不符合要求的区域，最终确定了282个候选点。

图6 大寒日研究区日照时长及候选点分布

（1）理想化预测。在不考虑现有公园发挥作用的情况下，选取候选公园点进行模拟，如图7所示，覆盖居民点数量、面积覆盖度与公园数量正相关呈长尾分布，当所选公园数量大于120个以后，对于覆盖面积和辐射居民点达到平台期，提升逐渐停滞，造成公园覆盖面积重叠和土地资源的浪费，当所选数量小于110个时，又使得部分居民点和研究区域无法覆盖。所以综合权衡，在研究区内确定最佳口袋公园数量110-120个。而现有的公园数量为75个，尚不能满足城市居民对公园日常使用的需求。并且因为是在理想情况下的预测，在现实中还需考虑公园的建设成本和实际占地面积，以及考虑如何最大发挥公园的服务功能和生态功能，同时兼顾 会公平。

图7 理想化预测结果

（2）充分发挥 会服务功能，布局不重叠并减少冗余。运用最小设施点模型，在保证现有居民点覆盖情况变化不大的情况下，剔除冗余重复的公园，最终剔除冗余公园25个（图8），剔除前公园居民点覆盖率为49.1%，剔除后为45.54%， 服务能力下降不大。

图8最小设施点优化结果

（3）充分发挥口袋公园的生态功能。生态功能的发挥主要体现在两方面，一方面公园的生态功能强弱与它的服务范围存在密切关系，服务范围愈大，生态功能愈强；另一方面则要做到重点区域重点管控，对研究区内的重点污染源做到尽量全覆盖。本节的具体优化目标为使居民区公园覆盖率提升到90%以上、重点污染源覆盖率达到100%。在最小设施点模型优化基础上，运用最大覆盖范围模型进行选址，保留现有公园38个，新建口袋公园77个，共计115个（图9）。新建公园主要分布在研究区东部、南部和中部人口密集区域，对居民点覆盖率达到90.16%，对19个重点污染源达到全覆盖。

图9 最大覆盖范围优化结果及重点污染源覆盖情况

（4）兼顾 会公平。口袋公园建设的初衷就是为居民服务，除了在整体上要做到均匀分布，还应考虑 会公平，要尽量每个 区的口袋公园数量适宜。以面状 区的几何中心构建Voronoi 图，将研究区划分为若干单元，确定为各 区的影响范围并计算其中的新建口袋公园数量。在保留口袋公园数量不变的情况下，对上一阶段的候选口袋公园进行空间优化，调整部分 区分布数量较多的公园至无口袋公园分布或 区较大公园分布较少的 区，尽量做到每个 区范围内有且仅有一个口袋公园。优化前后的结果见图10。

图10优化前后候选公园点分布

优化后的候选公园总量保持115个。为了验证新建口袋公园空间布局的合理性，以新建口袋公园为中心创建新的Voronoi图，计算Voronoi图变异系数（式20），优化后的Voronoi图的 值为0.31，小于0.33，可见新建口袋公园布局趋于均匀，分布合理，便于发挥公园的辐射作用。

3.3 讨论与分析

通过对汉阳区口袋公园三阶段的空间优化，得到以下结果：

（1）汉阳区现存公园服务范围在空间上存在重叠和疏漏，覆盖和服务的盲区主要集中在区域的西北部、西南部及南部地区。

（2）分别统计3 个优化阶段后的各项公园空间布局指标并对其进行对比（表2）。相比优化前，优化后居民点覆盖度和重点污染源覆盖度分别增加43.33%和63.56%；面积覆盖度增加32.18%， 服务区重叠度下降 11.51%； 区覆盖盲区减少47个。优化过程中各指标变化曲线如图11所示。

表2公园优化前后性能对比

图11 优化前后公园性能指标变化曲线

4 结束语

基金项目：自然资源部基本科研业务费项目（AR2123）；国家重点研发计划项目（2018YFB2100600）