基于GIS的城市公共體育服務(wù)設(shè)施選址優(yōu)化研究

胡精超，王 莉

黨的十八大報(bào)告指出:加強(qiáng)社會(huì)建設(shè)，必須從維護(hù)最廣大人民根本利益的高度，加快健全基本公共服務(wù)體系，加強(qiáng)和創(chuàng)新社會(huì)管理，推動(dòng)社會(huì)主義和諧社會(huì)建設(shè)。城市體育服務(wù)設(shè)施作為基本公共服務(wù)的重要組成部分，也是體育社會(huì)化的產(chǎn)物，是城市精神文明建設(shè)的重要內(nèi)容?！度窠∩碛?jì)劃》要求:到2015年，城鄉(xiāng)居民體育健身意識(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)，參加體育鍛煉的人數(shù)顯著增加，身體素質(zhì)明顯提高，形成覆蓋城鄉(xiāng)的、健全的全民健身公共服務(wù)體系?！度窠∩碛?jì)劃》和《中華人民共和國(guó)體育法》等法規(guī)文件，都把社區(qū)體育發(fā)展作為群眾體育的基礎(chǔ)［1－3］。

改革開放以來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快、社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的發(fā)展、全民健身活動(dòng)的廣泛開展，城市公共體育取得了一定的發(fā)展。但是，隨之而來的一些問題制約了城市公共體育的健康、快速發(fā)展。如:社區(qū)體育活動(dòng)缺乏組織者和管理者，體育活動(dòng)缺乏經(jīng)費(fèi)，法制建設(shè)欠缺，城市公共體育服務(wù)設(shè)施建設(shè)缺乏整體規(guī)劃，體育服務(wù)設(shè)施不足、分布不均或相對(duì)閑置等等。有效解決體育服務(wù)設(shè)施的合理布局和分配，對(duì)于促進(jìn)體育健康、快速發(fā)展，滿足城市居民需要，提高城市的服務(wù)水平，滿足城市福利最大化有重要的意義［4］。文章運(yùn)用地理信息系統(tǒng)(GIS)和設(shè)施選址——分配功能對(duì)體育服務(wù)設(shè)施在城市中的空間布局位置進(jìn)行優(yōu)化，為體育服務(wù)設(shè)施選址方案提供新的方向，同時(shí)為決策者在對(duì)體育服務(wù)設(shè)施進(jìn)行選址規(guī)劃時(shí)提供一個(gè)可供參考的途徑和方法。

1 體育服務(wù)設(shè)施選址理論

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代以來，城市公共體育服務(wù)設(shè)施分布的區(qū)位—配置模型(Location Allocation Model，LA 模型)［5－6］、中值算法、最短路徑算法［7］、多目標(biāo)的空間優(yōu)化配置模型［8］、蟻群算法［9］等引起眾多國(guó)外學(xué)者的關(guān)注，相關(guān)研究主要涉及公共體育服務(wù)設(shè)施的配置模式、建設(shè)速度、規(guī)模、空間布局優(yōu)化、規(guī)劃決策支持和設(shè)施配置評(píng)價(jià)等方面。

近幾年，我國(guó)對(duì)公共體育服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化也進(jìn)行了大量研究，主要集中于兩個(gè)方面:一方面是對(duì)城市社區(qū)公共體育服務(wù)設(shè)施的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和方式、分布范圍和經(jīng)營(yíng)管理模式的探討［10］，另一方面是基于幾何因素或社會(huì)因素的公共服務(wù)設(shè)施的選址和空間布局優(yōu)化分析。關(guān)于城市社區(qū)公共體育服務(wù)設(shè)施分布狀況討論包括:李山勇(2007年)以北京市大型體育服務(wù)設(shè)施為研究對(duì)象，分析了體育服務(wù)設(shè)施的空間分布差異［11］。王遠(yuǎn)飛(2009年)、鐘廣銳(2010年)等分別用實(shí)例分析了GIS 技術(shù)在公共服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化的應(yīng)用［12－13］。熊友明(2012年)利用GIS 空間分析方法對(duì)城市公共體育服務(wù)設(shè)施的規(guī)模、分布特征及布局優(yōu)化進(jìn)行了分析［14］。關(guān)于公共服務(wù)設(shè)施空間布局優(yōu)化分析的包括:張龍等(2004年)使用一種基于Voronoi 圖的最小覆蓋圓探討公共設(shè)施選址優(yōu)化算法［15］。胡志毅(2002年)、朱楓(2003年)、陶偉(2006年)分別建立模型實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)設(shè)施的選址和布局優(yōu)化分析［16－18］。朱華華等(2008年)提出了一種構(gòu)建虛擬邊界點(diǎn)的改進(jìn)的基于Voronoi 圖的設(shè)施布局優(yōu)化方法［19］。陳忠暖(2006年)使用區(qū)位分析模型實(shí)現(xiàn)公共設(shè)施布局的優(yōu)化［20］。陳旸(2010年)利用GIS 進(jìn)行社區(qū)體育服務(wù)設(shè)施選址和布局優(yōu)化研究［21］。盡管我國(guó)對(duì)公共服務(wù)設(shè)施選址研究起步較晚，研究方法針對(duì)性較強(qiáng)，應(yīng)用范圍較為有限，還沒有涉及到公共體育服務(wù)設(shè)施的布局優(yōu)化方面。因此，應(yīng)用GIS 和LA 模型分析城市公共體育服務(wù)設(shè)施選址與布局優(yōu)化方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1.2 定位－分配模型(LA 模型)

定位－分配模型是根據(jù)區(qū)位理論中的中心地理論，通過對(duì)供給點(diǎn)和需求點(diǎn)兩者相互作用的分析，用數(shù)學(xué)模型計(jì)算設(shè)施選址范圍。定位－分配置問題在城市規(guī)劃中應(yīng)用非常廣泛，也是GIS 空間分析研究的熱點(diǎn)之一。根據(jù)選址考慮的因素不同，商業(yè)設(shè)施選址涉及的LA 模型包括:最小化阻抗(P中位點(diǎn))、最大化覆蓋范圍、最小化設(shè)施點(diǎn)、最大化人流量、最大化市場(chǎng)份額、目標(biāo)市場(chǎng)份額等。

文章采用最小化阻抗(P 中位點(diǎn))模型進(jìn)行選址分析和最大化覆蓋范圍模型進(jìn)行優(yōu)化布局。

1.2.1 最小化阻抗(P 中位點(diǎn))模型 從多個(gè)體育設(shè)施候選位置中選擇幾個(gè)為需求點(diǎn)服務(wù)的位置，使得從體育設(shè)施到需求點(diǎn)的加權(quán)成本(距離、時(shí)間或費(fèi)用等)之和達(dá)到最小，模型可以表示為:

其中:xij為需求點(diǎn)權(quán)重;y 為確定的體育設(shè)施;i、n 為需求點(diǎn)的位置和數(shù)量;j、m 為候選體育設(shè)施的位置和數(shù)量;P 為需要確定的體育設(shè)施的數(shù)量;ωi為需求點(diǎn)i 的需求量;dij為到體育設(shè)施j 的距離。模型還需滿足每個(gè)需求點(diǎn)僅接受一個(gè)體育設(shè)施，并且只有P 個(gè)體育設(shè)施。

1.2.2 最大化覆蓋范圍模型 最大化覆蓋范圍是確定一些體育設(shè)施點(diǎn)，盡可能多的將需求點(diǎn)分配給阻抗(時(shí)間、距離等)內(nèi)的設(shè)施點(diǎn)。

設(shè)空間網(wǎng)絡(luò)G =(V，E，C)，其中V 是網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的集合，E 是邊的集合，C 是體育設(shè)施的集合。cω 是服務(wù)中心的阻抗值，ωij是邊eij的費(fèi)用，r 是結(jié)點(diǎn)到中心(vi，ve)的一條路徑，ric是該路徑的費(fèi)用，則服務(wù)中心的最大覆蓋范圍應(yīng)該是滿足以下條件的集合F:

為確定該體育設(shè)施的最大服務(wù)范圍，須求出到體育設(shè)施費(fèi)用不超過中心最大阻抗值的路徑，于是這些路徑就構(gòu)成該中心的服務(wù)范圍。

2 體育服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化分析

2.1 體育服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化的意義

跟據(jù)《城市社區(qū)體育服務(wù)設(shè)施建設(shè)用地指標(biāo)定額》所述，體育服務(wù)設(shè)施是指與人們的體育健身活動(dòng)直接或間接相關(guān)的自然或人工實(shí)體集合，包括室內(nèi)和室外的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所、體育場(chǎng)館和配套設(shè)施等。城市體育服務(wù)設(shè)施的規(guī)模、結(jié)構(gòu)布局都在一定程度上影響著人們的生活、工作和學(xué)習(xí)，所以，有必要對(duì)城市公共體育服務(wù)設(shè)施的選址布局進(jìn)行優(yōu)化分析。使城市公共體育服務(wù)設(shè)施能夠滿足不同居民在進(jìn)行健身時(shí)行走的路程最短，政府花費(fèi)最少的費(fèi)用建設(shè)覆蓋盡可能多的居民點(diǎn)的體育設(shè)施，同時(shí)滿足不同年齡結(jié)構(gòu)、性別的居民健身的需求，提高人們的社會(huì)幸福感和滿意度，減少體育服務(wù)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)成本［22］。

2.2 體育服務(wù)設(shè)施選址的目標(biāo)和原則

體育服務(wù)設(shè)施是居民生活不可缺少的重要物質(zhì)保障，是滿足居民日常生活需要的設(shè)施，同時(shí)也是衡量一個(gè)城市公共服務(wù)設(shè)施發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)。通過分析城市建設(shè)規(guī)模、人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì)、現(xiàn)有體育設(shè)施狀況，預(yù)測(cè)未來體育服務(wù)設(shè)施的需求量，確定體育服務(wù)設(shè)施的數(shù)量與選址位置。體育服務(wù)設(shè)施選址應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo):統(tǒng)一規(guī)劃、布局合理科學(xué)，拆除和新建并存，即顧及社會(huì)效益又考慮經(jīng)濟(jì)效益，方便居民需求，完善配套設(shè)施。

體育服務(wù)設(shè)施的選址應(yīng)該遵循的原則:

(1)符合國(guó)家行業(yè)相關(guān)規(guī)范的原則，遵循《中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)規(guī)劃法》、《體育法》和《全民健身計(jì)劃》等。

(2)成本最低原則，在滿足需要的情況下，降低體育服務(wù)設(shè)施的土地費(fèi)用和建設(shè)成本，從費(fèi)用角度來研究區(qū)位選擇。

(3)滿意度最大化原則，體育服務(wù)設(shè)施同其他的公共服務(wù)設(shè)施一樣，需要滿足大部分群眾的健身需求，增加滿意度。

(4)區(qū)域覆蓋原則，體育服務(wù)設(shè)施的位置應(yīng)該遵循區(qū)域覆蓋原則，即盡可能多得覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有居民。

(5)方便居民的原則，優(yōu)化體育服務(wù)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)布局，將體育服務(wù)設(shè)施建設(shè)的布局合理、科學(xué)管理和福利最大化的服務(wù)于居民，做到公平與效率兼顧。

2.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

影響公共體育服務(wù)設(shè)施布局的因素包括城市的經(jīng)濟(jì)水平、居民的人口、年齡結(jié)構(gòu)及空間距離、地價(jià)、交通、消費(fèi)水平等因素，并且這些之間相互制約和補(bǔ)充。

根據(jù)體育服務(wù)設(shè)施選址的影響因素和原則以及建設(shè)規(guī)范，達(dá)到優(yōu)化體育服務(wù)設(shè)施、合理布局的目的。文章采集的數(shù)據(jù)包括研究區(qū)域內(nèi)的服務(wù)需求點(diǎn)(焦作市行政區(qū)劃圖和焦作市2011年的統(tǒng)計(jì)年鑒)、體育服務(wù)設(shè)施點(diǎn)(體育服務(wù)設(shè)施分布圖)、居民情況數(shù)據(jù)表(統(tǒng)計(jì)年鑒)。在ArcMap 中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在ArcCatalog 中建立地理數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容如圖1所示。

圖1 城市公共體育服務(wù)設(shè)施選址數(shù)據(jù)庫圖

2.4 體育服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化流程

GIS 技術(shù)為公共設(shè)施選址分配理論和分析處理提供基本分析工具，逐漸成為簡(jiǎn)單直觀的方法，成為商業(yè)領(lǐng)域公共設(shè)施選址的基本工具［23］。文章采用的方法是在ArcGIS10 的軟件的網(wǎng)絡(luò)分析模塊下執(zhí)行Location－Allocation 分析模型，采用的網(wǎng)絡(luò)分析模型有最小化阻抗模型(P 中位點(diǎn))和最大覆蓋范圍模型。最小化阻抗模型使用最小數(shù)量的體育服務(wù)設(shè)施去覆蓋所有的居民點(diǎn)，使得市民到體育設(shè)施的距離之和最小，提高體育設(shè)施的可達(dá)性;最大覆蓋范圍模型是在給定數(shù)量的體育服務(wù)設(shè)施下，從政府角度通過優(yōu)化布局，使現(xiàn)有的體育服務(wù)設(shè)施能夠覆蓋盡可能多的居民，以滿足市民健身的需求。

整個(gè)選址優(yōu)化過程有三個(gè)階段，分析流程(見圖2):

圖2 設(shè)施選址優(yōu)化流程圖

(1)數(shù)據(jù)整理:收集要進(jìn)行布局優(yōu)化城市的地圖、居民情況以及體育服務(wù)設(shè)施的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，建立拓?fù)潢P(guān)系，檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(2)通過網(wǎng)絡(luò)分析功能分析體育服務(wù)設(shè)施及查找最佳設(shè)施位置，對(duì)已存在的體育服務(wù)設(shè)施布局進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(3)對(duì)布局不合理的體育服務(wù)設(shè)施，進(jìn)行體育服務(wù)設(shè)施選址優(yōu)化。

3 研究實(shí)例分析

以河南北部某市區(qū)(以下簡(jiǎn)稱A 市)作為研究對(duì)象，根據(jù)體育服務(wù)設(shè)施選址布局原則，在原有體育服務(wù)設(shè)施布局的基礎(chǔ)上，通過評(píng)價(jià)分析，找出現(xiàn)有公共體育服務(wù)設(shè)施布局中存在的問題，然后對(duì)其空間布局進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以期達(dá)到該市體育服務(wù)設(shè)施空間布局合理化。

3.1 A 市體育服務(wù)設(shè)施現(xiàn)狀

A 市群眾體育活動(dòng)多樣化，截止2012年，A 市區(qū)擁有6 座大型體育文化廣場(chǎng)，還包括體育輔導(dǎo)站、晨晚練活動(dòng)站、體育活動(dòng)中心、社區(qū)文體健身廣場(chǎng)、文化大院和戲曲、健身、球類文化體育活動(dòng)站點(diǎn)等體育服務(wù)設(shè)施，極大地滿足了群眾參加體育健身的需求。2014年A 市將舉辦河南省第十二屆運(yùn)動(dòng)會(huì)，以此為契機(jī)，A 市不斷加快城市體育設(shè)施建設(shè)，堅(jiān)持以政府投資為主，積極鼓勵(lì)社會(huì)各界資金投入，建設(shè)既滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，又滿足群眾健身需求，適應(yīng)和諧社會(huì)的體育場(chǎng)館設(shè)施。A 市2013年底將在城區(qū)建設(shè)成多個(gè)集運(yùn)動(dòng)、健身、休閑于一體的多功能的體育場(chǎng)館設(shè)施，修建場(chǎng)館場(chǎng)地8 個(gè)，新建、續(xù)建場(chǎng)館場(chǎng)地15 個(gè)。

經(jīng)數(shù)據(jù)收集、資料研究與實(shí)地考察，A 市市區(qū)的體育服務(wù)設(shè)施的地理位置分布如圖3(a)所示:

圖3 A 市體育服務(wù)設(shè)施現(xiàn)狀圖及優(yōu)化后設(shè)施圖

3.2 A 市體育服務(wù)設(shè)施選址及評(píng)價(jià)

按照體育服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化的步驟，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到A 市市區(qū)基于最小化阻抗模型的體育服務(wù)設(shè)施結(jié)果，如圖3(b)所示。從圖中可以看出，有18 處體育服務(wù)設(shè)施分布合理，其余的7處分布不合理，需要搬遷調(diào)整其位置。用最大覆蓋區(qū)域模型優(yōu)化方法，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)25 處體育服務(wù)設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，分析結(jié)果如圖3(c)所示。從圖中可以看出，有5 處體育服務(wù)設(shè)施分布不合理，需要調(diào)整位置，其余體育服務(wù)設(shè)施分布合理。

參照以上優(yōu)化結(jié)果和A 市市區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)A 市市區(qū)體育服務(wù)設(shè)施布局進(jìn)行了部分優(yōu)化。文章的結(jié)論可以作為輔助決策，針對(duì)市區(qū)體育服務(wù)設(shè)施布局分布不均勻、覆蓋率低等情況，政府決策者和規(guī)劃部門應(yīng)該根據(jù)相關(guān)體育服務(wù)設(shè)施規(guī)劃等文件對(duì)體育服務(wù)設(shè)施進(jìn)行搬遷或者新增調(diào)整。隨著城市的發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，新增體育服務(wù)設(shè)施才能滿足社區(qū)居民不斷增長(zhǎng)的需求。

4 結(jié)語

文章探索了一種城市公共體育服務(wù)設(shè)施的空間分布模式，通過體育服務(wù)設(shè)施服務(wù)區(qū)的覆蓋率，來評(píng)價(jià)A 市市區(qū)體育服務(wù)設(shè)施布局的合理性，通過查找最近體育服務(wù)設(shè)施模型，來驗(yàn)證優(yōu)化后的體育服務(wù)設(shè)施布局的目的。文章建立了A 市體育服務(wù)設(shè)施布局選址的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則以及選址影響因素，引入GIS 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)分析功能、LA 模型，通過建立空間數(shù)據(jù)庫，以地圖的形式直觀、清晰的表達(dá)體育服務(wù)設(shè)施分布以及優(yōu)化方案。

分析結(jié)果表明:優(yōu)化方案可以在一定程度上改善A 市市區(qū)體育服務(wù)設(shè)施空間布局，能夠在一定程度上滿足市民休閑健身的需求。同時(shí)，文章的優(yōu)化方案為城市體育服務(wù)設(shè)施管理者提供了一個(gè)更加科學(xué)化的方法，為決策和規(guī)劃者提供了良好的決策支持。但是在實(shí)際工作中，公共體育設(shè)施的選址要考慮的因素是多方面的，文章考慮的因素還不夠全面，如健身器材數(shù)量、健身人員年齡結(jié)構(gòu)等也是修建體育設(shè)施應(yīng)該考慮的問題，選址分析模型還將不斷完善。

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