基于步行连续性的城市健身步道空间挖掘与选线设计研究
——以青岛主城四区为例

赵 阳 刘德明 岳乃华 程 征

健康促进理念下，将规律且持续性的步行运动嵌入日常生活，是解决城市亚健康问题经济有效的重要途径[1]。以承载休闲运动为主要功能的健身步道，可以提供有助于身体健康的支持性健身环境，是户外步行运动的主要线性空间载体。与步行通勤不同，健身步道的环境塑造更注重运动效益层面，对保障节奏平稳、行为状态连贯和避免人车冲突的环境诉求更加凸显。《美国体力活动指南(2018)》[2]与中国《全民健身指南(2017)》[3]均在健康效益层面对各强度体力活动的每次有效健身活动持续时长做出强调。作为一类中小强度的体力活动，以散步、健走、徒步为主的步行健身也是一个连续、有节奏的身体机能过程。若路径空间交叉口打断较多，则运动节奏和运动效益难以保证，且易发生步速控制不及时或人车冲突导致的危险[4]。步道空间的连续性是健身行为高效性与运动安全性的重要保障。路口和交通信号灯等阻断因素少的高连续性健身步道对创造安全舒适、连续稳定的步行健身环境更为重要。

城市健身步道着眼于系统地解决城市空间顺畅连接及交通问题，具有激发日常散步、健走等运动导向，同时面向徒步、远足人群。规划路径相对较长，受交叉口，尤其是主干路口干扰较大，对连续性的制约更加明显。目前，中国城市步道网络规划依靠自上而下的政府决策，对选线落位缺乏全局化思考与科学化支撑。由于行政界线和规划区域的分割，对网络结构、形态及空间联系上缺乏连续性整合[5]，能够被大众高效利用的现有城市步道空间相对分散，大大影响步行健身体验。

在全民健身导向下，我国正积极推进现有路径空间的步道建设。国务院《体育强国建设纲要(2019)》[6]明确指出“加强城市绿道、健身步道、自行车道等场地设施建设，同时合理利用城市空置场所、地下空间、公园绿地、建筑屋顶等”。在存量更新理念下，结合具有高连续性的城市低效空间进行健身步道网络体系建设，同时为大众营造相对连续、完整、互联且可达的城市步行环境，是提升城市路径空间健身利用效能的重要方式，也是步行健身友好与健康城市建设的关键切入点。

近年来，地理设计(Geodesign)的兴起与发展为相关研究的网络化步道选线提供了技术框架与方法支持。这些方法的核心在于，通过构建多因素模型，模拟步道空间对使用者感受的影响，以实现空间意义上的线路最优。其中，基于用地多元价值的适宜性评价在步道选线中应用最为广泛[7-8]。该方法延续了麦克哈格(McHarg)的“千层饼”分析模式，侧重垂直方向上的利用潜力量化[9]。在此基础上发展的基于最低成本路径的步道选线方法多运用于城市尺度的选线分析，通过构建成本距离模型分析节点间的耗费，更反映水平方向上的可达成本[10]。在风景园林领域，该方法已得到较广泛应用，为文本进行选线设计提供了依据。同时，随着大数据技术的发展与成熟，基于多源城市数据认知空间分布特征成为选线方法的又一重要补充[11-12]，为本文选线设计在多维度数据搭建的可行性上提供了技术支撑。

在风景园林领域，步道选线的因素多从土地利用、景观生态、空间特征、环境安全等几个层面展开[13-15]。相关研究多交叉交通地理学、规划设计学、环境行为学、公共健康学等视角[16]。随着对促进健康的步行环境干预措施关注的增多，学者将运动绩效视角引入以健身为导向的步道研究中发现，步道连续段长度不仅与健步量存在量化关系[17]，更与步行强度呈显著正相关。随着步道连续段长度的增加，使用者可以保持习惯的步行速度，且步行强度呈上升趋势[18]。此外，通过GPS定位和ActiGraph加速度传感器的测试发现，步道中更长的连续线路会促进健步功效[19]。研究表明，以中等体力活动强度标准衡量，我国成年人每日至少以110步/min的步频持续行走30min以上，才能带来健康增益[20]。这就要求步道在空间平面的延伸上应具有一定的连续性。连续性是实现步行运动健康促进的关键环境诉求，而相关选线研究缺乏对该层面的思考。

综上，本研究以典型滨海城市——青岛市主城四区为例，基于OSM(Open Street Map)数据与ArcGIS平台，挖掘具有高连续性特征的铁路沿线、高架走廊、滨河沿海、环景观外边界作为可利用空间，综合地铁站点POI(Point of Interest)与现有路径连续度条件，建立最低成本路径模型进行选线设计，为实现高连续性的健身步道网络布局提供一定的方法参考与设计支持。

1 研究设计与数据获取

1.1 研究区域确定

本文选取青岛主城四区作为研究区域(图1)。2019年青岛全面启动健康城市创建，近几年也一直在致力打造“八分钟健身圈”。作为我国典型的滨海城市，温和的气候和丰富的景观资源使其具有良好的全民体育健身基础。其中，主城四区人口密度较大，户外步行活动需求较高，但目前除以青岛滨海步行道为中心辐射的南部沿海一带完善度较高外，其余步道设施建设相对缓慢，且呈碎片化分布，没有形成连续完整的健身步道体系。同时，主城四区，尤其是老城核心区，路网密度大，交叉路口多。以连续性的视角重新审视和挖掘现有路径空间，形成路口打断少、相对连续且可达的健身步道网络更为急迫。

图1 主城区区位及研究范围

1.2 连续度指标解析

步行连续性可以通过连续通行的路径长度或阻碍点数量与密度进行评估与计算，或以街道覆盖范围内所有街景照片中步道所占面积比例的标准差来表示[21]。本研究中的连续性中断主要指车行交叉路口引起的行为延误，导致健身者必须选择停顿或调整步行状态，可以用路径的连续段长度表示。

连续度是采用自然间断点分类法，将路径连续段长度的整体样本数据进行聚类，并采用5级分类的定级指标。通过连续度分级简化健身步道选线的复杂性指标数据，可以更加清晰地表征步道的连续性程度。连续度等级越高，步道在水平空间的连续性越强，中断干扰越少，健身者可以更长距离地保持运动状态连续不间断，更大地提升步行强度和健身效益。以连续度指标进行选线判定，可以更好地避免构建的健身步道网络由于车行路口中断过多导致的连续性不足对运动绩效和安全性造成的影响。

1.3 基础路网数据搭建

1.3.1 数据清洗与人工校核

基于OSM获取2021年4月更新的路网数据，并对数据进行整理和初步清洗。删除不宜步行健身的高速路、快速路等类型；删除封闭小区、企业园区、高校校园等公共性弱的内部支路；删除细碎的路径数据，如部分支路与尽端路、宅前绿地与组团绿地等步道；仅保留主干路、次干路、支路及主要大型城市公园(包括自然公园、人文公园、体育公园等)、广场绿地、山林景区内主要独立步道。在此基础上，通过百度地图及街景对数据进行人工校核与修正，补充缺失与不完整路径，完善路网数据。

1.3.2 双线处理与节点拓扑

获取的数据以单线为主，以往研究也以单线路径居多。但受车行交叉口路侧位置的影响，路径两侧连续性特征不同。为更好反映路径连续度，需对路径数据做双线处理。独立步道几乎没有车行干扰，路网节点的打断影响可忽略不计，因此简化保留单线数据。同时，双线处理只是为了表征路径两侧不同的连续段长度特征，与不同类型道路的宽度无关，因此为简化研究，统一以双车道宽度7m为偏移量双线表示各类型道路。局部人工调整后，将双线路网数据在ArcGIS中进行拓扑处理(图2)，并计算各路径连续段长度。

图2 路径交叉节点的拓扑处理方式及示意

1.3.3 立体人行过街设施的长度重赋值

在基础路网数据构建时，需考虑立体人行过街设施对连续段长度计算的影响。在研究区域内，共补充40处人行天桥设施、38处独立过街通道、49处地铁站过街设施。鉴于立体人行过街设施可以保证步行连续而不受机动车干扰，在这些位置需对相关连续段路径进行长度重赋值。计算公式为：

式中，n为立体人行过街设施位置相关连续段路径的段数；L(X)为各路径的重赋值长度；l(Xk)为各路径连续段的实际几何长度，即各相关路径共用各自连续段长度总和值。

1.3.4 路径连续度分级

通过数据处理，将城市三维路径体系简化为由主干路、次干路、支路、人行立体过街设施与独立步道组合而成的双线为主路网，共得到19 658段有效连续段路径。基于自然间断点法对除独立步道外的其余样本路径连续段长度数值进行5级分类，得到各路段对应连续度等级(图3)。由于车流干扰与路网节点的打断影响可忽略不计，故独立步道的连续度等级直接以5级表示。

图3 基础路网数据的连续度可视化

2 可利用潜力空间挖掘

2.1 高连续性潜力的空间类型

青岛主城四区的健身步道建设受各类建成用地制约明显，更强调在现有城市环境中对具有高连续性潜力的待开发存量空间进行挖掘与利用，来满足大众步行健身需求。城市空间中现存有很多废弃铁路待利用区、高架走廊待开发区、排水道缓冲区、海滩保留区、大型景观外边界区。这些空间大多缺乏开发，用地建设不完善，导致空间利用低效，但由于自身的空间形态特征，可以形成相对完整的线性空间或自闭环路径，往往具有很高的水平向连续性潜力。通过合理的优化设计来作为步道承载，不仅可以激活低效空间，更能成为高连续性的步行健身场所。从国内外实践来看，步道建设依托的连续性潜力空间主要集中在铁路沿线、高架走廊、滨河沿海、环大型景观边界空间等几种类型。近年来，纽约高线公园、新加坡武吉知马铁路走廊、迈阿密低线公园、芝加哥滨河步道、上海环世纪公园慢行步道等项目实施为这些类型的城市高连续性潜力空间纳入健身选线研究提供了实践基础。青岛主城区现有路径空间整体连续度偏低，平均等级不足2，提取这些具有高连续性潜力的类型空间融入步道选线，不仅符合我国当前存量更新的城市建设理念，也是保证城市健身步道网络构建整体连续性的重要基础。

2.2 高连续性潜力的空间提取

基于OSM获取铁路、高架、主要水系的线数据及主要景观的面数据。通过地图人工校核进行清洗：除去封闭性工业园区内部货运铁路段，共获取84段铁路沿线线性空间；除去水上或净高不足等不宜利用区域，共获取170段高架走廊线性空间；除去滨海非公共空间及山林景区内水系空间，共获取342段滨河沿海线性空间；选取主要大型城市公园、山林景观、风景区40处，获取183段环景观外边界路径线性空间。

基于基础路网数据对上述路径空间进行连续度等级评估，如图4所示，采用针对性的优化设计方法对空间进行整合后，提取出以4、5级为主的高连续性潜力空间97段，包括铁路沿线空间10段、高架走廊空间15段、滨河沿海空间38段、环景观外边界空间34段。从运动绩效看，在被提取的路径空间中，74.2%的连续段长度能够满足中等强度步行健身至少30min以上的单向持续性，可以获得很高的健康效益。

图4 高连续性潜力空间挖掘

3 健身步道选线设计

3.1 选线基本思路

当前，健康导向的健身步道建设实践应以创建支持性的步行运动环境为目标，空间连续性是实现步行健身效益和避免人车运动冲突的重要保障。基于此，本文提出以连续性为目标的选线技术路线。基于对青岛主城区基础路网连续度的判定，通过将连续度指标转化为成本阻抗值进行最低成本路径分析，串联铁路沿线、高架走廊、滨河沿海、环景观外边界路径等高连续性潜力空间及现有独立步道空间，进行城市健身步道的网络构建。在此基础上，兼顾路口等级和公园、绿地、湖泊等自然资源的紧邻性进行修正，获得连接节点之间的最优路径。

该选线技术路线在强调保持连续完整性的同时，将公交接驳系统的便利性也纳入思考，在公交友好背景下，旨在将公共交通出行与日常步行健身相结合。鉴于青岛主城四区相对完善的地铁交通网络，本文将地铁站点POI引入，作为转换型节点进行整体步道网络布局的连接，以增加健身步道网络的转换灵活性与服务可达性。

3.2 选线设计过程

3.2.1 连接节点提取

基于前述选线基本思路，以现有主要独立步道空间、4类高连续性潜力路径空间及地铁站点空间作为步道选线的节点型空间，其连接节点的坐标提取是健身步道选线设计的基础。其中，地铁站点以POI自身坐标作为节点，线性空间以端点坐标作为节点，面状空间以质心坐标作为节点，将节点型空间数据统一转化为点坐标的形式提取到ArcGIS中。

3.2.2 成本路径创建

自然间断点分类法是基于统计学上的方差和进行比较，生成最优分类结果。通过该法分类的数据，类别之间差异明显，而类别内部差异很小，取值区间可以很好地反映数据分布的聚类规律，是基于ArcGIS分析常用的数据分级方法[22]。前文基于该法对基础路网连续段长度的全样本数据进行区间分类，形成了5级连续度指标。

通过ArcGIS网络分析工具创建成本路径，连续度等级越高，对保持步行连续性及产生健身效益的阻力成本越小。因此，以连续度指标的倒数作为阻抗值[23]。其中连续度1级的路段中，车行交叉口的过街路径对步行健身的连续性影响最大。为了选线时尽量避开这类路径，将其连续度重定义为0.1，使成本阻抗最大，这样可以保证车行路口尽可能少地存在于健身步道网中。

3.2.3 人工修正结果

以成本最小路径原则进行连接节点间的选线，采用重新排序停靠点以查找最佳路径方式，并对计算路径进行适当修正：如图5所示，在路口中断数和成本阻抗值相同的条件下，选线尽量避免穿越对连续性阻断最大的主干路交叉口；尽量紧邻主要公园、绿地、湖泊等自然景观空间；尽量减少选线弯绕。通过人工修正，在保证连续性的前提下，减少选线中主干路等级的路口数量，同时提高步道网络的自然景观空间可达性。

图5 人工修正示意

通过上述选线设计，将主城区中现有独立步道空间、高连续性潜力空间、公共交通转换空间用成本最小路径连接起来，构建出相对高连续性且完整互联的健身步道网络体系。在此基础上，增加人行立体过街设施可以削弱交叉口对步行健身连续性的阻断影响。考虑到主干路交叉口车流及红绿灯时长的阻碍最大，在选线方案中优先对经过的30处主干路口增设立体人行过街设施来完善健身步道网络。最终选线方案如图6所示。

图6 健身步道网络构建结果

4 选线结果综合讨论

青岛主城区现有城市健身步道多集中在几处大型城市公园、广场绿地、自然景区、滨海区等空间，呈独立性和碎片化分布。基于步行连续性的健身步道选线设计，其核心目标首先是构建提升步道健身利用效能的高连续性步道网络体系，将碎片化空间串联。因此，选线结果的整体连续度水平是最主要的参数指标。其次，步道体系的便捷可达性和环境舒适性也同样关系到其使用效率和吸引力，是衡量选线结果合理性的重要指标。此外，为保证步道体系构建的立体化与多元化，选线结果的空间组成类型也是需要关注的一项重要内容。

4.1 连续度水平

通过以连续性为目标的选线设计，选线结果的连续度显著增加。相比平均值不足2的全路段路径，健身步道网络的平均连续度可达4.02。其中，71.5%的步道可以提供获得运动效益的连续段长度，即满足至少30min以上持续性中等强度的步行健身。从总体布局上看(图7)，在西部环湾、南部滨海一带及东北部大型风景片区，已基本形成由4、5级组成的高连续度健身步道网；中部城区以李村河-张村河水系高连续度滨河步道串联东西步道区；南部老城区则以几处大型城市公园及其外边界高连续度环形路径为中心辐射周边步道区。此外，中心城区路网密集，1、2级路径较多，但经过该选线技术路线设计，选线结果中3级路径的比例已显著增加，健身步道网的连续度提升明显。

图7 健身步道选线结果连续度可视化

4.2 便捷可达性

从步道网服务覆盖、居住区步行圈范围、自然景观空间布局对选线结果的可达性进行讨论。以8min步行距离作为服务半径进行健身步道缓冲区生成。除东北部大型山林风景区内部区域外，健身步道网服务范围可覆盖研究区域95%以上的城市空间，即居民可以在几乎全域的空间地点步行8min内到达邻近的健身步道。这也与青岛市打造“八分钟健身圈”的理念相契合。基于高德地图获取住宅区POI数据，生成青岛主城区居住点5、10和15min步行圈范围。88.6%、95.3%和99.6%的居住点分别在5、10和15min步行生活圈内可以使用到健身步道，步道选线的居住区利用率(即步行圈范围步道长度占选线步道总长的百分比)分别为58.6%、70.9%和82.5%。此外，作为城市公共空间的连接，选线结果与城市地铁站衔接紧密，同时串联起主要城市公园、绿地、湖泊等自然资源，保证了步行与公共交通转换的便利性和步道网络的自然景观空间可达性(图8)。

图8 健身步道网的公共交通接驳和自然景观联系

4.3 环境舒适性

根据步行健身环境诉求研究[24]，以步道用地坡度和植被绿化覆盖对选线结果的舒适性进行讨论。基于DEM(Digital Elevation Model)数据计算用地坡度，青岛主城区坡度范围在0～75%，多丘陵地形，起伏较大。按平坡(3%以下，5分)、缓坡(3%～10%，4分)、中坡(10%～25%，3分)、陡坡(25%～50%，2分)、急坡(50%～100%，1分)标准对栅格数据赋值重分类，选线综合评分3.89。选线结果基本属于平坡和缓坡路径，较缓的坡度在保证步行舒适的同时也具有一定的健身促进效益。基于Landsat遥感影像数据获取青岛主城区植被覆盖度，按高密度(60%～100%，5分)、中密度(45%～60%，4分)、中低密度(30%～45%，3分)、低密度(10%～30%，2分)、裸地(0～10%，1分)标准对选线路径两侧绿化水平进行评定，选线综合评分4.12。选线结果基本分布在中高密度植被覆盖区周边，沿线绿化水平较高。

4.4 空间多元性

如图9所示，选线结果的空间类型具有多元化特征。根据空间特征不同，可分为滨河空间型步道、沿海空间型步道、铁路沿线空间型步道、高架走廊空间型步道、环景观外边界空间型步道，其余选线路径则作为连接型空间步道。研究区域内，铁路沿线与高架走廊空间步道主要分布在西侧，滨海空间步道主要集中在南部，滨河空间步道主要集中在中部，环景观外边界空间步道则在东北部比较集中。依据此空间分布特征，可将整体步道网络的空间利用模式分为西部高架铁路工业区步道、南部滨海风光活力区步道、东北部山林自然风景区步道、中部滨河景观亲水区步道和中部城市公园中心区步道。

图9 健身步道网络的空间类型

5 结语

以连续度为导向进行步道空间选线，可以最大限度地确保步行健身行为的连续性，在提升健身效益的同时，营造舒适安全的健康步行环境。本文以青岛主城四区为例，通过对城市现有路径的连续度挖掘，将铁路沿线、高架走廊、滨河沿海、环景观外边界路径等高连续度线性潜力空间与城市公园、绿地、湖泊等自然资源串联起来，构建出一个多元空间模式的步道网环境。同时，在步道网络体系中融入地铁站点的接驳转换，将公共交通出行与日常步行健身相结合，对增大步行出行概率，保证易达性的同时最终实现步行者的健康反馈具有重要意义。

同时，青岛主城区空间资源分布受山体、海湾阻隔，离散化严重，区域联系不畅。以连续性为导向的城市健身步道选线更强调城市各类空间的顺畅连接和激活，以及公共交通的便捷转换，以此来激发大众步行健身。同时，除李沧区和崂山区北部山林风景区外，主城四区人口密度均相对较大，对兼具交通联系的城市健身步道整体空间需求相对均衡，选线更着眼于全域范围的服务覆盖和空间可达来满足日常散步、健走等健身需求，同时串联起自然景观等城市公共健身空间，来满足以徒步远足为主的长距离健身模式。

目前，我国大部分城市健身步道系统化建设整合度不高，本文以点带面，通过青岛主城四区的选线研究，为全民健身导向下的步道网络化构建提供了新的视角和思路。以此为基础，后续研究可基于多因素的环境评估来优化和校核步道选线，同时完善以住区为中心的社区型步道构建，打造城市-社区2级健身步道网络体系。该选线途径为挖掘城市可利用潜力空间、进行高连续度步道网络构建提供设计支持，为塑造相对连续且可达的城市步行运动环境提供了重要的理论和实践基础。

注：文中图片均由赵阳绘制。

致谢：感谢新加坡国立大学艺术与社会科学学院地理系冯振杰(Feng Chen-Chieh)教授对本文技术方法提出的宝贵意见。