基于GIS空间分析的公共服务设施空间布局特征研究
——以乌鲁木齐市为例

付 笛 陈前利 程冬月 张志会

（新疆农业大学管理学院 乌鲁木齐 830052）

1 引言

为居住者提供各类公共服务设施是城市的主要功能之一［1］。城市公共服务设施是社会服务的物质载体，是服务于广大城市居民的教育、医疗、文体和商业等社会性基础设施［2］。公共服务设施的质量、数量和布局不仅与城市居民的生活水平息息相关，还对城市的可持续发展有重要影响。研究城市公共服务设施空间布局为政府合理配置公共服务设施和城市空间治理提供参考依据，可以促进城市的高质量发展。

国外关于公共服务设施的早期研究主要集中在区位选址问题。1968年Teitz首次就公共服务设施提出区位论［3］。1970年Schultz在医疗设施区位选择的研究中引入“中心地理论”［4］。Farhan设计了一种空间优化模型对哥伦布市车辆换乘站的选址进行了验证［5］。除了区位选择外，国外关于公共服务设施的研究还集中于可达性研究［6～7］、经济效应研究［8～9］和空间公平研究［10］等方面。国内关于公共服务设施的研究起步较晚。在研究内容上，学术界围绕着公共服务设施空间布局［11～12］、可达性［13～14］、优化布局［15～16］、社会分异［17］、区位选择［18］等内容展开理论与实证研究，并取得了丰富的研究成果。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区域概况

本文以乌鲁木齐市七区一县为研究区域，即天山区、米东区、沙依巴克区、新市区、水磨沟区、头屯河区、达坂城区和乌鲁木齐县。研究对象是根据《城市用地分类与规划建设用地标准（GB50137-2011）》和《城市公共设施规划规范（GB50442-2008）》，并借鉴了高军波［2］和湛东升［12］等的研究，选取了对城市宜居程度和居民生活体验影响较大的六类公共服务设施。

2.2 数据来源

1）公共服务设施数据来自2018年12月的百度POI数据，共提取乌鲁木齐市六类公共服务设施共932个POI坐标点，其中29个交通设施点、628个教育设施点、64个医疗设施点、128个商业服务设施点、37个公园广场、47个文体设施。2）人口数据来自《乌鲁木齐统计年鉴2018》。3）研究区域底图来源国家基础地理信息中心http：//www.webmap.cn/。

2.3 研究方法

公共服务设施的空间布局特征在研究对象上应从两方面着手，首先从总体上研究公共服务设施的布局规律，其次研究不同类型公共服务设施空间布局特征差异。在空间布局特征上可以从数量分布、布局方向及聚集中心三个方面去考虑，根据三个不同方面选取三种不同的空间分析方法。

2.3.1 自然断点法

自然断裂点分类法根据数据的内在联系进行分组，从而使得各组间的差距最大化和组内相似值的最优化，最终表现出来各组之间的最大差异，从而避免主观分类。本文利用Arc GIS中的自然间断点功能进各区公共服务设施数量行分类，从而对比分析乌鲁木齐市各个行政区域的公共服务设施分布情况。

2.3.2 标准差椭圆

标准差椭圆以中心、长轴、短轴、方位角为参数，定量描述空间要素分布特征的一种空间统计方法，其长轴与短轴的方向分别反映了要素在二维空间上分布的主要及次要方向，长轴与短轴的长度分别代表了地理要素分布在主要及次要方向上的离散程度，长短轴之间长度的比值反映地理要素在空间分布中的形态［12］，用来概括地理特征的空间特征：集中趋势，离散度和方向趋势。其计算公式为

2.3.3 核密度分析

核密度分析是根据点要素空间数据集计算出整个范围的数据集聚情况，从而产生出的连续密度的表面。其方程定义为

3 乌鲁木齐市公共服务设施空间布局特征分析

3.1 公共服务设施数量分布情况

在ArcGIS中，通过分区统计得出各区的公共服务设施数量，再利用自然段点法将各区的公共服务设施数量分为五个等级。如图1所示，乌鲁木齐市各区公共服务设施数量分布有差异，沙依巴克区、新市区、天山区、米东区公共服务设施数量最多，水磨沟区次之，头屯河区、达坂城区和乌鲁木齐县相对较少。同时，将乌鲁木齐市人口与公共服务设置的比值用自然段法分为五个等级。由图2可知：头屯河区公共服务设施数量最为紧张，平均每处服务于3469人以上，天山区和新市区次之，平均每处服务于2862～3468人；水磨沟区与沙依巴克区，平均每处服务于5050～2861人；米东区、达坂城区与乌鲁木齐县公共服务设施虽然公共服务设施数量较少，但是人口数量也较少，故平均每处服务的人数少于2049人。两幅图对比可知，头屯河区的公共服务设施数量为中等层级，但其数量与人口数不匹配，导致人口/公共服务设施数量的比值较大。

图1 乌鲁木齐市各区公共服务设数量分布图

图2 乌鲁木齐市各区人口与公共服务设施比

3.2 空间布局形态特征分析

3.2.1 各类设施布局形态

图3为乌鲁木齐市各类公共服务设施标准差椭圆，表1为相关参数，分布趋势及离散程度有以下特征：1）商业服务设施和教育设施标准差椭圆的X轴长度与Y轴长度相差小于0.1，即分布形态近似圆，说明教育设施及商业服务设施在各个方向分布均衡；2）公园广场、医疗设施及交通设施的标准差椭圆的方位角皆大于90，说明这五类设施的布局方向为西北-东南方向，其中公园广场、医疗设施及交通设施的X轴与Y轴之差大于0.1，说明这三类设施沿西北-东南方向轴带式布局；3）文体设施X轴与Y轴之差为-0.11，Y轴方向为长轴，标准差椭圆的方位角小于90，说明布局形态为东北-西南方向轴带式布局。

图3 乌鲁木齐市各类公共服务设施标准差椭圆

表1 标准差椭圆结果数据

3.2.2 空间聚集中心分析

为了更加直观地反映乌鲁木齐市各类公共服务设施的空间配置形态特征，本文使用Arc GIS中Kernel Density工具分别对六类公共服务设施进行分析。

图4～图9为各类公共服务设施的核密度分析结果。

图4 文体设施核密度图

图5 公园广场核密度图

图6 医疗设施核密度图

图7 教育设施核密度图

图8 商业服务设施核密度图

图9 交通设施核密度图

1）文体设施有一大一小两个聚集中心，大中心位于沙依巴克区、水磨沟区、天山区、新市区交界处，并且沿会展中心方向蔓延；乌鲁木齐县由于其特有的地理位置与气候条件，建有多个不同规模的滑雪场，故形成一个小聚集中心。

2）医疗、教育、和商业服务设施都为单聚集中心，主要集中布局在老城区和米东区的西南部。老城区发展历史悠久，人口数量多，相应的医疗设施、教育设施和商业服务设施都较为完善；随着会展中心的快速发展，带动了周边房地产项目及人口不断增加，也使其周边的配套设施数量增加。

3）交通设施和公园广场的聚集程度较低，除老城区的主要聚集中心外，城市外围分布有多个小聚集中心。城市中心人口流量较大，交通设施及公园广场较为聚集。此外，对外交通设施是连接乌鲁木齐市与周边城市的重要枢纽，故在城市外围形成多个小聚集中心。公园广场的大聚集中心从城市中部往西延伸，中聚集中心位于头屯河区与乌鲁木齐县的交界处，周边围绕多个小聚集中心，主要用作乌鲁木齐市民短期出游。

4 结语

4.1 结论

本文基于乌鲁木齐市公共服务设施的POI坐标点，采用自然断点法、标准差椭圆和核密度分析方法，从数量分布、形态特征和聚集程度三个角度上研究了乌鲁木齐市公共服务设施的空间布局特征，为优化城市空间布局提供一定的参考依据。乌鲁木齐市公共服务设施空间布局特征如下：1）公共服务设施在总体上分布不均衡，主要集中在发展历史较长、人口较多且经济发展水平较高的天山区、沙依巴克区和新市区。2）各类公共服务设施布局的方向及形态各异。3）不同类型公共服务设施聚集中心的数量存在差异，但聚集中心均在城市中心圈层。主城区外围的头屯河区和米东区也拥有多个次要聚集中心。

4.2 讨论

受乌鲁木齐市独特的地理条件及城市规划战略的影响，各类公共服务设施多为轴带式布局。乌鲁木齐城市形态为布袋形，南部乌鲁木齐县和达坂城区海拔较高，地势复杂，施工难度较大，故公共服务设施数量较少；中部为主城区，地势相对平坦适宜建设各类设施，且主城区发展历史悠久，基础建设最成熟；北部地势平缓，配套的公共服务设施也相对齐全。因此，乌鲁木齐市大力发展城北及城西，公共服务设施圈层布局形态也明显向北及向西延伸。根据乌鲁木齐市公共服务设施的布局特征，从政府的视角提出如下建议：其一，城市扩张的同时加快基础设施建设。完善城北及城西新开发房地产项目周边的公共服务设施建设。其二，优化公共服务设施均衡性布局。公共服务设施布局规划应当考虑周边居住区数量、交通条件和现有公共服务设施的数量，防止出现因公共服务设施分布过度集中，衍生出交通及环境问题。其三，将各类公共服务设施分等级布局。将教育设施、医疗设施、文体设施等各类设施划分为不同的等级，按照不同等级进行布局。防止出现优质教育、医疗、文化等设施过度聚集中导致的分配不均现象。