新時期多維度協(xié)同視角下城市山地公園步道設計探究——以福州市金雞山公園為例

鄭 宇 成林莉 黃 碩 董建文 陳小燕

城市山地公園是優(yōu)化人居環(huán)境和提高城市活力的重要載體之一，具有明顯的山地地形地貌、水文條件、微氣候特征，是兼有自然和人工復合系統(tǒng)的公園類型[1]，能夠為城市居民提供生態(tài)、景觀、康養(yǎng)等多維度服務[2-4]。當前，研究聚焦如何精準把握新時代的公園內涵，科學提高公園績效水平，促進公園服務價值最大化并推動公園健康更新。以北京林業(yè)大學李雄教授團隊為代表的突出以人為本、優(yōu)化生態(tài)服務、在全國范圍內深入探索促進公園健康更新的工作正在大力推進[5-7]。在此背景下，如何圍繞“開放、人本、賦能、增值”4個核心特征進行城市山地公園綜合效能提升成為亟待解決的問題。對于城市山地公園而言，游步道貫穿全園，是其交通動脈，在滿足公園交通組織功能之外，還扮演著山地型公園景觀軸線和空間分界線等角色，對于城市山地公園發(fā)揮其多元功能有著重要作用。目前，城市山地公園特別是山地區(qū)域的步道設計實踐中，首先考慮修建本身的施工難度，其核心指標是所在區(qū)域的地質地貌情況。因此，既能滿足公園生態(tài)系統(tǒng)服務價值又能滿足游憩供需、景觀質量，強化綠色人本服務能力的多維度協(xié)同視角下步道設計研究顯得十分重要[8]。目前，有關城市山地公園步道設計的研究大多從公園步道選線生態(tài)適宜性評估、康養(yǎng)服務、景觀偏好等進行考慮[9-15]，而科學提高公園綜合績效水平、促進公園服務價值最大化的多維度協(xié)同視角下綜合成本最優(yōu)的步道設計研究較少[16]?？臻g使用強度是通過網絡大數據定量分析，利用微信熱力圖獲取公園的使用人群密度情況，從而衡量各個空間的具體使用效率[7，17]，能夠從宏觀的角度反映游人對公園現(xiàn)有基礎服務設施的偏好及使用情況，目前許多學者也使用該指標從宏觀層面進行強化公園綠色人本服務能力的研究[18]。本研究以金雞山公園為對象，嘗試進行生態(tài)保護、景觀視覺質量和基礎設施服務情況等多維度協(xié)同視角下的綜合分析，采用生態(tài)敏感度、景觀視覺敏感度、空間使用強度三者疊加研究的方法，結合實地調查，分析城市山地公園步道路徑位點分布，進行路網設置及優(yōu)化設計研究。旨在以金雞山公園為例，探究多維度協(xié)同視角下綜合成本最優(yōu)的城市山地公園步道路網設置及設計方法，從而促進城市山地公園服務價值最大化，并推動公園健康更新，也為其精細化設計和管理提供參考。

1 研究概況

1.1 研究區(qū)概況

福州市金雞山是北嶺山脈的支脈，呈東北-西南走向，位于福州盆地東北側，縱臥于晉安河東岸。金雞山公園屬低山丘陵地貌，是福州市城區(qū)少有的由環(huán)城山脈嵌入的城市山地型公園(圖1)。

圖1 金雞山公園空間區(qū)位[19]

1.2 金雞山公園步道系統(tǒng)現(xiàn)狀

金雞山公園為位于福州市主城區(qū)的山地型公園，園內現(xiàn)有的道路系統(tǒng)均為步道系統(tǒng)(表1)。按景觀園路等級進行分類，一級為主路，二級為支路，三級為游園小徑(圖2)。

圖2 金雞山公園現(xiàn)有步道分級導覽(金雞山公園管理處提供)

表1 金雞山公園步道系統(tǒng)分級說明

1.3 研究方法及數據來源

1.3.1 數據來源

本研究通過中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺GDEMV230M分辨率數字高程數據和清華大學地球系統(tǒng)科學系數據庫中的全球土地覆蓋圖等平臺獲取金雞山遙感影像圖、金雞山公園DEM高程數據、金雞山公園土地利用數據，通過百度熱力圖等大數據平臺獲取金雞山公園熱點等相關資料。通過ArcGIS 10.5、ENVI 5.3等軟件對以上數據進行柵格量化、重分類、空間可視化等操作。

1.3.2 研究方法

1)空間使用強度分析方法。

運用Python語言爬取百度熱力圖上金雞山公園實時的人口密度[17]，并使用Excel軟件對爬取出來的熱力數據進行清洗和篩選，得到游人對于金雞山公園的空間使用強度分布。然后利用ArcGIS平臺進行空間可視化分析，得到金雞山公園空間使用強度分布等級圖。

2)層次分析法。

通過Yaahp軟件構建層次結構模型，采用群體決策的方法對結構模型所列元素進行“兩兩比較”，并對每個指標進行賦值，滿足一致性檢驗，得到最終各個元素的相對權重值[20]。

3)路徑距離算法。

首先，在Yaahp、ArcGIS中完成綜合成本計算，包括影響因子的篩選、層次模型構建、因子權重確定、單因子分析及因子疊加分析。其次，在成本路徑運算階段，步道節(jié)點與綜合成本圖作為參數輸入，通過給定條件下的最短路徑分析得出初級最優(yōu)選線。最后，通過人機交互的方式剔除不合理的路徑，得到最終的步道選線。

4)步道選線生態(tài)因子體系分析。

生態(tài)敏感度：影響步道選線的因素多且復雜，不同地域的情況各異，規(guī)劃設計定位各不相同，對步道選線要求的側重點不同，因而需要針對場所特點確定影響因子。參考袁旸洋、朱春旭等在公園步道選線設計的相關研究[4，16]，經專家篩選，選取地形地貌特征、水文條件、生物多樣性等衡量生態(tài)環(huán)境質量的生態(tài)敏感度因子。

地形地貌：對于城市山地公園而言，特別是山地區(qū)域，首先需要考慮的是修建本身的施工難度，其核心指標是所在區(qū)域的地質地貌情況。因此，本文在生態(tài)因子體系指標選取及相對重要性確定時，經過專家篩選，選取了地形地貌因子，并確定了其權重(即相對重要性)，充分考慮城市山地公園步道設計中地質地貌因素的重要性。高程因子主要采用金雞山公園DEM數據導入ArcGIS平臺，采用TIN工具提取高程線，再通過TIN轉柵格可視化。坡度、坡向主要通過ArcGIS中的空間分析工具直接生成金雞山公園坡度圖與坡向圖。起伏度：主要將DEM數據導入ArcGIS平臺中“空間分析工具”，利用“Focal函數”進行最大高程、最小高程計算，得到金雞山公園起伏度圖。

水文條件：自然匯流分析通過ArcGIS中“水文分析”工具對金雞山公園DEM數據進行水網徑流提取，根據徑流進行緩沖區(qū)分析。根據公園現(xiàn)有疊石飛瀑和潤豐泉，利用移動設備自帶GPS定位系統(tǒng)及相關手機軟件的輔助，對金雞山公園現(xiàn)有2處人工瀑布進行定位并數字化為矢量數據，再對其進行緩沖分析，獲得金雞山面狀水域因子的緩沖分析圖。

生物多樣性：根據城市山地公園的自然立地條件特點，選取植物覆蓋度和鳥類棲息地緩沖2項目指標進行生物多樣性分析。植被覆蓋度：將金雞山遙感影像圖導入ArcGIS中的影像分析工具進行“NDVI值”計算，再運用ENVI軟件進行VFC計算，得到金雞山公園植被覆蓋度圖。鳥類棲息地緩沖：一是山脊線緩沖分析。根據實地調研，金雞山公園鳥類常出現(xiàn)于山脊線左側，因此通過DEM高程數據導入ArcGIS中提取金雞山公園山脊線，并以鳥類對人為干擾的耐受距離[12]進行山脊線緩沖區(qū)分析。二是鳥類棲息活動潛在斑塊分析。首先，根據金雞山公園綠地作為鳥類覓食和棲息的主要場所，選擇鳥類潛在斑塊；其次，考慮到鳥類對人為干擾的耐受程度，潛在斑塊需要與人類活動區(qū)的距離不能低于50m[12]；在此基礎之上結合實地調研，采用ArcGIS對山脊線緩沖區(qū)再進行條件篩選，得出金雞山公園鳥類棲息地緩沖圖。

土地利用因子：主要通過清華大學地球系統(tǒng)科學系數據庫中的全球土地覆蓋圖，根據土地利用類型分類[耕地、林地、草地、灌木、濕地、水域、凍土帶、非滲透表面(建筑用地)、裸地(未利用地)及雪地]，導入ENVI中進行目視解譯，生成金雞山公園土地利用圖。

5)景觀視覺敏感度因子選取分析。

參考沈欽煒、莫美穎等在城市山地公園中景觀視覺評價的相關研究[21-22]，選取視域、醒目度、出現(xiàn)概率、相對距離、相對坡度等能反映景觀視覺質量的景觀視覺敏感度因子。其中，視域因子通過金雞山公園DEM數據結合觀測點矢量數據導入ArcGIS視域分析中得到金雞山公園視域分析圖。醒目度根據前人研究成果，通過植被歸一化指數來分析公園整體景觀的醒目度分布。出現(xiàn)概率通過在ArcGIS中的道路數據作為觀景線，在ArcGIS軟件要素編輯高級工具中沿道路每隔100m設置觀察點，將其作為輸入數據與高程、坡度表面柵格數據一起進行分析。相對距離因子采用緩沖區(qū)分析的方法進行道路緩沖分析，從而得到金雞山公園相對距離圖。

6)因子篩選及權重(即相對重要值)確定方法。

層次分析法(AHP)在綠道選線上的運用已經非常成熟，考慮多目標已成為選線類規(guī)劃研究的主流方法。因子篩選及權重(即相對重要值)確定運用層次分析法，權重(即相對重要值)的賦值運用了專家法[12]，邀請福建農林大學、閩江學院從事相關領域研究的多學科專家30名參與評分過程，最大限度規(guī)避了打分可能存在的偏差問題。具體因子及權重(即相對重要值)如表2所示。

表2 步道選線因子選取表

2 結果與分析

2.1 基于空間使用強度的金雞山公園步道現(xiàn)有基礎設施分布及使用情況分析

由圖3-1可知，金雞山公園空間使用強度呈現(xiàn)雙核狀及點狀分布趨勢，分析現(xiàn)有基礎設施使用情況，使用率按照使用強度等級由低到高劃分為一～五級使用強度分區(qū)。經實地調查，一級使用強度區(qū)域包含望龍亭，位于公園北部，但由于該地塊管理不當，導致環(huán)境較為雜亂，且可達性較差，游客較少使用該場地。二級使用強度區(qū)主要包括望城亭、銀杏廣場、櫻花坡、雙龍寺、紅葉臺、大成亭、雙樟臺、棲霞臺。其中，雙龍寺主要進行朝圣禮佛等活動，但由于場地可達性較差，導致空間使用率較低；銀杏廣場、櫻花坡位于金雞山攬城棧道之下，場地豎向高程較低，銀杏廣場三面被山體包圍，導致景觀視覺面較差，并且場地由于棧道的遮擋使得整體空間通透性和光線較差；紅葉臺、雙樟臺、大成亭、棲霞臺主要分布于金雞山公園登山步道兩側，場地周邊植被豐富度較高但景觀色彩豐富欠缺、植物雜亂，并且場地地形形態(tài)較為單一，導致游人對其使用率較低。三級使用強度區(qū)包括梅園、魏杰故居、櫻花林、虎跳臺、晉安臺、觀晉臺、茉莉花臺、森林舞臺。其中，虎跳臺、晉安臺、觀晉臺、茉莉花臺整體視覺景觀良好，且服務設施較為完善；森林舞臺的周邊基礎設施較為完善，且空間較為開敞，人們經常在此進行羽毛球等健身活動；梅園、魏杰故居、櫻花林場地空間面積較大，文化內涵較為豐富，但基礎服務設施欠缺，導致游人使用率不太高。四級使用強度區(qū)包括攬城棧道、觀月亭、照天君宮、攬城棧道。其中，攬城棧道、觀月亭整體高程較高，景觀視覺開闊且攬城棧道步道較長，人們可以在此進行慢步、跑步等康體活動；照天君宮整體空間面積占比較大，文化氣息較為濃厚，滿足人們日常朝拜禮佛等需求，從而導致使用率較高。五級使用強度區(qū)主要包括疊石飛瀑、金雞廣場。首先，由于空間親水性較強，景觀視覺敏感度高；其次，周邊環(huán)境的植被覆蓋度較高，且基礎設施較為完善，空間較為開敞，人們經常在此進行羽毛球等健身活動，因此使用率較高。

圖3 金雞山公園步道選線分析

2.2 基于生態(tài)敏感度的步道選線生態(tài)因子分析

由圖3-2可知，金雞山公園生態(tài)敏感度整體呈現(xiàn)中高敏感度，公園東南部及北部邊緣呈現(xiàn)低敏感度與較低敏感度。其中，中高敏感區(qū)主要分布大成亭、棲霞臺、梅園、晉安臺、櫻花坡等景點空間；較低敏感區(qū)、低敏感區(qū)主要分布魏杰故居、觀晉臺、疊石飛瀑、森林舞臺、金雞廣場、照天君宮等景點空間。

2.3 基于景觀視覺敏感度的步道選線景觀視覺質量因子分析

由圖3-3可知，金雞山公園景觀視覺敏感度整體呈現(xiàn)中高敏感度，公園北部、南部及邊緣處呈現(xiàn)較低敏感度和低敏感度。其中，中高敏感區(qū)主要分布疊石飛瀑、金雞廣場、森林舞臺、茉莉花臺、銀杏廣場、鶴林臺等空間；較低敏感區(qū)主要分布梅園、虎跳臺等空間；低敏感區(qū)主要分布、休憩平臺等空間。

2.4 基于生態(tài)敏感度和景觀視覺敏感度步道選線綜合分析

通過ArcGIS平臺景觀生態(tài)敏感度等級圖和景觀視覺敏感度等級圖進行圖層疊加，生成金雞山公園生態(tài)敏感度和景觀視覺敏感度的綜合分區(qū)圖(圖3-4)。步道設計在考慮場地生態(tài)敏感度的同時，加強景觀視覺敏感度的應用。如圖3-4所示，金雞山公園整體A、B、C級生態(tài)敏感區(qū)所占面積比例較大，共89.8%，說明金雞山公園整體處于生態(tài)與保護并重的階段，屬于生態(tài)涵養(yǎng)及修復的區(qū)域，主要分布望城亭、疊石瀑布、大成亭、銀杏廣場等景點空間；D、E級的生態(tài)敏感區(qū)所占面積比重極少，共10.2%，分布在公園邊緣，能夠承受最大的開發(fā)力度，但是在步道選線過程中，無法呈現(xiàn)較好的景觀視覺效果，故后期步道選線可剔除此類區(qū)域。

2.5 基于空間使用強度、生態(tài)敏感度和景觀視覺敏感度的步道選線綜合成本分析

在生態(tài)因子和景觀視覺質量因子綜合分析的基礎上，充分考慮空間使用強度對于城市山地公園步道選線和路網設置的影響，進行基于生態(tài)保護(生態(tài)敏感度)、景觀視覺質量(景觀視覺敏感度)和公園基礎設施使用情況(空間使用強度)的多維度協(xié)同綜合因子分析，能夠使公園步道設計更加合理化。將金雞山公園生態(tài)敏感度和景觀視覺敏感度綜合分區(qū)圖與金雞山空間使用強度等級圖進行加權疊加計算(表3)，形成了步道選線綜合因子成本圖(圖3-5)。

表3 金雞山公園步道選線因子指標權重

如圖3-5所示，金雞山公園的步道選線綜合因子成本處于中等偏高水平，其中較低成本、低成本區(qū)域主要分布在公園南部及邊緣處，占整個公園面積的9.4%。主要分布魏杰故居、攬城棧道等空間，其中，攬城棧道整體高程和景觀視覺敏感度較高，說明在步道設計路網設置時，該區(qū)域可根據需要增加步道路徑設置，打造多樣的視覺景觀步道；魏杰故居場地基礎服務設施較少，但文化氛圍較濃，在后期步道選線路網設置中可適當增加相應路徑。中成本區(qū)域主要分布在公園中部及邊緣處，共占16.7%，主要分布望成亭、飛虹橋、虎跳臺、雙龍寺等空間。此類區(qū)域場地周邊植被豐富度較高，但景觀色彩豐富度欠缺、植物雜亂，如雙龍寺整體基礎服務設施較低且硬質化嚴重，植被覆蓋度較差。因此，在步道設計路網設置時，可在現(xiàn)狀道路的基礎上，適當增加或減少相關路徑設置。較高成本、高成本區(qū)域占公園面積的73.9%，主要分布照天君宮、金雞廣場、疊石瀑布、森林舞臺、茉莉花臺等空間。場地周邊環(huán)境的植被覆蓋度較高、景觀視覺質量良好，且基礎設施較為完善，游人使用率較高，從而導致游人承載容量壓力較大，造成空間擁擠等現(xiàn)象。在后期人際交互過程中，以上空間可適當減少相關的路徑設置。

2.6 步道選線節(jié)點選擇

綜合上述分析，結合現(xiàn)場調研，選取步道重要節(jié)點進行分析，此處排除了沿原有步道設計而修建的休息點或觀景平臺，具體空間位置分布如圖3-6所示。

2.7 “1+N”多點多次選線路網生成

在“1+N”多點多次選線中，“1”為步道的起始點，“N”為各個終點，根據路徑距離算法，多點多次的選線結果可以使步道形成能夠通環(huán)的網狀結構路網。一般公園存在不止一個出入口，以主入口作為“起始點”參與第一次選線之后，其余出入口同樣需要與區(qū)域內節(jié)點相連，故而這些出入口便能夠成為“N”個“起點”參與選線運算。金雞山公園具備1個主入口和6個次出入口，為保證每個出入口與園內景點具有聯(lián)系性，并使園內道路擁有環(huán)狀特性，需分別以金雞山公園的各個出入口為起始點，進行7次選線并疊加以獲得初步選線結果。

如圖4-1所示，7次不同起始點的步道選線運算及疊加形成了網狀結構的公園路網，但也出現(xiàn)了諸多問題。如沁園路口、西出入口、楊真君宮口、雙溪庵口、登云水庫口及其附近區(qū)域由于高成本的限制，運算過程中為降低損耗，經由此處的不同起始點的路徑基本相同，無法成環(huán)，且直出的路徑結果折點過于雜亂，明顯影響了步道設置合理性及有效性；另外，選線出現(xiàn)相似路徑、過多分叉點及部分步道無法成環(huán)，明顯影響路網的可達性。考慮到空間使用強度問題，對于現(xiàn)有基礎服務設施，以上存在的不足仍需通過人工考察進行以下優(yōu)化：需通過路徑的屬性表進行判斷選擇，保留成本指數值最低，即能兼顧生態(tài)保護、景觀視覺質量、基礎設施使用的路徑設計，從而有效避免高成本路徑選取；可適當增加路徑成本以獲得新路徑構成環(huán)形路網，解決無法成環(huán)問題，從而提升路網合理性。

圖4 金雞山公園步道選線設計

2.8 步道系統(tǒng)對比與優(yōu)化

結合現(xiàn)狀步道分布圖對金雞山公園的步道進行優(yōu)化，與現(xiàn)有步道系統(tǒng)進行比對及分析，如圖4-2、4-3所示。

可以看出，優(yōu)化后的步道路網系統(tǒng)與現(xiàn)有步道設置相比存在一定差異，表現(xiàn)在以下幾個方面。首先是路網分布的差異?，F(xiàn)有步道沿山脊線進行規(guī)劃設計，具有較清晰的中心路徑軸線，以及沿中心軸線走向成環(huán)的外環(huán)路和連接中心軸線的輔路，具有一定的系統(tǒng)性。優(yōu)化后的步道設計基于生態(tài)敏感度、景觀視覺敏感度的導向，加入能反映游人對現(xiàn)有基礎服務設施偏好和使用率的空間使用強度這一主觀能動因子，其步道分布的網狀結構更具有側重點。

其次，與現(xiàn)有步道系統(tǒng)相比，二者之間的成本代價存在差異。優(yōu)化后的步道選線及路網設置方案對于成本因子較高區(qū)域的避讓會更勝一籌，更注重節(jié)約路徑成本。因此，以綜合成本最優(yōu)為目標，除非必經點所在地區(qū)位于高成本區(qū)，一般選擇較低的區(qū)域進行繞行。

再者，優(yōu)化后的步道選線除了生態(tài)因子和景觀視覺質量因子的綜合考慮外，還增加了能反映基礎服務設施使用情況的空間使用強度指標，更能增強步道的多元服務功能，從而提升公園綜合服務效能。如圖4-4中的A區(qū)，優(yōu)化后的步道選線減少了不必要的步道穿行。

總體而言，基于生態(tài)敏感度、景觀視覺敏感度、空間使用強度多維度協(xié)同視角下的綜合因子分析而形成的城市山地公園步道選線及路網設計方案，能科學提高公園綜合績效水平，從而促進公園服務價值最大化。

3 結論

1)對于城市山地公園的步道選線而言，各因子的權重(即相對重要值)大小為：公園使用人群密度＞醒目度＞視域＞相對距離＞生物多樣性＞出現(xiàn)概率＞地形地貌＞相對坡度＞水文條件＞用地現(xiàn)狀，其中公園使用人群密度(0.250 1)、醒目度(0.125 9)、視域(0.111 7)影響較大。

2)基于生態(tài)保護(生態(tài)敏感度)、景觀視覺質量(景觀視覺敏感度)和公園基礎設施使用情況(空間使用強度)的多維度協(xié)同視角下綜合因子分析而形成的步道選線方案，與原有步道設置相比，在路網分布、成本代價方面存在差異。優(yōu)化后的步道設計及路網設置，其分布的網狀結構更具有側重點，且對于成本因子較高區(qū)域的避讓會更勝一籌，更注重節(jié)約路徑成本，更能選擇保留成本指數值最低，即能兼顧生態(tài)保護、景觀視覺質量、基礎設施使用的最優(yōu)路徑，從而達到科學提高公園綜合績效水平、促進公園服務價值最大化的公園更新目標。

4 金雞山公園步道設計優(yōu)化建議

1)對于沁園路口、西出入口、楊真君宮口、雙溪庵口、登云水庫口及其附近區(qū)域，如金雞廣場、疊石飛瀑、飛虹橋、紅星臺等區(qū)域綜合成本較高，后期可進行繞行處理以降低損耗(圖3-5)。

2)沁園路口、西出入口、楊真君宮口、雙溪庵口、登云水庫口到各必經點選線存在相似路徑及過多分叉點，后期可結合基礎設施使用情況對金雞廣場、照天君宮、茉莉花臺、雙龍寺、虎跳臺、攬城棧道等路徑進行保留，棲霞臺、望龍亭、大成亭、櫻花坡等路徑可以減少(圖4-1)。

3)沁園路口、楊真君宮口定量步道選線路徑存在過多直線及分叉點，如到茉莉花臺、棲霞臺、雙樟臺、觀峰臺、松林臺、銀杏廣場等景點的路徑，后期可結合場地豎向設計進行環(huán)狀繞行處理以避免對生態(tài)環(huán)境的干擾(圖4-1)。

本研究從多維度協(xié)同視角出發(fā)，進行基于生態(tài)保護(生態(tài)敏感度)、景觀視覺質量(景觀視覺敏感度)和基礎設施使用情況(空間使用強度)綜合因子分析的城市山地公園步道設計的初步研究，但影響城市山地公園步道選線還有許多其他方面的因素，如何面對新時代人居環(huán)境高質量發(fā)展的轉變，突出以人為本，優(yōu)化生態(tài)服務，深入探索能促進城市山地公園綜合效能提升的科學合理的步道設計途徑，有待今后進一步深入研究。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。