基于 GIS的小学生放学行动路径与城市空间关联性研究

——以合肥市小学生放学行动调查为例/ 魏琼 贾宇枝子 李早 等

South Architecture - - 第一页 - 1 2 3 魏琼 贾宇枝子 李早 何 昊4 Wei Qiong Jia Yuzhizi Li Zao He Hao

Analysis of Correlation between Pupils'after-school Action Path and Urban Space Based on GIS Data Processing, Take the After-school Activities Survey for Pupils in Hefei as An Example

摘要 研究利用GPS手持仪器实测获得小学生放学行动轨迹线,通过GIS的数据分析运算在城市地图中得到行动路径的轨迹点及核密度图像,进而对比分析了两所小学校整体轨迹线的特征,并对小学校门前空间、道路空间及游憩空间的核密度图像进行解析。在此基础上,将行动路径的平均速度小于0.7m/s 和大于 1.3m/s 的轨迹点分别提取出来进行研究,分析得出小学生在校门前附近区域、道路交叉转折处、城市游憩空间等场所的低速行为发生较多。研究对于优化小学校周边城市空间的规划设计具有一定的指导意义。

关键词 GPS 轨迹;放学路径;城市空间;关联性

ABSTRACT The research takes the advantage of GPS that records the trail of pupils after leaving school; getting track points and density images of their action paths in a city map through GIS data analysis and operations. After that, the research analyses the peculiarity of the whole track line occurred outside these two schools. In addition, kernel density images of spaces in school's front-gate, road and recreational space are also analyzed. On this basis, the track points of average speed under 0.7m/s and above 1.3m/s are analyzed separately. It turns out that low speed behavior has higher incidence in the spaces of school's front-gate, street and recreational space. In sum, the paper would probably contribute to establishing instructive urban planning standards for the design of urban place adjacent to primary schools.

KEY WORDS GPS trajectory; school path; urban space; relevance

*国家自然科学基金资助项目:基于 GPS技术的小学生放学路径与城市空间结构协同优化策略研究,项目编号: 51208162。

中图分类号 TU984.11+3文献标识码A

DOI 10.3969/j.issn.1000-0232.2017.01.108文章编号1000-0232(2017)01-0108-06

1&2 3 1&2&3

作者简介硕士研究生;教授,通讯作者,电子邮箱:277240440@qq.com ;合肥工业大学建筑与艺术学院; 4

江苏省仁智园林设计有限公司,建筑师

随着城市的不断扩张,新建小学校舍多伴随着住宅小区、商业区等共同规划开发,且多位于老城区之外。城市公共空间影响着小学生放学途中的行为活动,同时也带来很多安全隐患。据调查,每年有近五万起小学生交通事故多发于小学校附近城市道路空间,这些地点正是小学生放学归家途中常常逗留游憩的场所[1]。目前,国内关于小学生放学行为空间的相关研究主要集中在住

宅小区内的儿童游戏空间,缺少小学生放学过程中停留的城市空间的理论研究。因此,对小学生放学途中的停留场所进行研究,分析影响小学生游憩行为的各项空间要素,对于小学生放学后滞留城市空间的合理性与安全性的研究具有重要的理论意义和实践意义。

本文通过GPS行走实验取得步行小学生放学行动轨迹线,把握轨迹线分布特征与小学校周边城市空间之间

的关系;对步行速度进行分析,通过各步行轨迹点速度与平均速度的快慢值对比反映行为的发生地点,掌握行为与城市空间的关联性。分析小学生对放学路径的选择及其在放学途中发生的低速及高速行为,能够从城市角度研究小学生放学从学校到家宅过程中,经过的城市空间与行为之间的关系。

1 文献综述

关于儿童活动空间的研究中,一项针对北京鼓楼苑地区的研究指出,儿童游憩空间局限于空地、转角闭合空间、沿街活动空间及其它用途场所充当的活动空间[2]。桂久男和青木恭介对东京、横滨、大阪的18所小学进行调查,结果表明儿童活动范围主要是自家及小伙伴家宅周围,且是游戏设施齐备场所、

[3]自然景观丰富场所、公园、道路及空地作为游戏场所。

目前关于小学生通学情况的研究大多集中于通学现状和放学途中安全状况两个方面。林桢家和张孝德研究发现土地使用混合程度、运具多样性指标及人行道比例对促进儿童步行上学有正面影响[4]。刘艳虹和张毅对8省市55所中小学校的部分学生及家长进行上放学安全状况调查[5],余柳和刘莹对北京市3所小学生通学交通特征进行研究[6],周月芳等人分析了上海市6所小学和6所中学的学生上放学步行安全情况[7],均指出步行是学生通学的最主要方式,但步行环境安全问题让家长倍感担忧,学校周边交通秩序混乱是威胁通学安全的最重要因素。

诺伦麦当劳(Noreen C. MCDONALD)和安妮特奥尔堡(ANNETTE E. Aalborg)对英国小学生通学现状进行研究,并建议远距离通学鼓励搭乘校车,短距离通学提倡步行和骑自行车[8]。德国景观设计师谭玛丽(Trudy Maria Tertilt)针对城市化进程侵占儿童游戏空间的现状,论述了为都市儿童留出玩乐空间的重要意义,提出了城市规划中的“玩乐战略”[9]。孔敬从心理与环境两个层面出发,在场地设计、环境设计、场地设施与安全性要求这四个方面给出了科学性建议[10]。

由此可知,小学生通学主要依靠步行,且放学途中在城市交通空间、游憩空间及住宅小区内部均有较多停留行为。而住宅小区内儿童游憩空间是小学生放学后主要的活动场所,包括住宅小区广场空间、绿地空间、中心景观区等开放空间[11]。

2 调研概况

作者实地考察了合肥市12所学校周边的各类城市空间,并在空间类型归纳的基础上,发现小学生放学途中主要停留空间为城市交通空间、商业空间及游憩空间;住区空间则包含了所有类型的室外空间。因此,作者从中选取了3组具有代表性的同类型场所展开进一步的比较研究。

研究选取合肥市安居苑小学和青年路小学为例调查了各 年级小学生的放学路径。安居苑小学为规模较大的住区内部配套小学,与住区内住宅等建筑同期建设;而青年路小学是一所位于住区外部的公立小学,不属于住区配套公共设施。对这两所学校的调研情况如下:

如表1,调研当日,天气晴,调研时间为下午15:45 至17:15。调查人员针对两所被调研的小学分别进行2次GPS行走实验,总计4次,取得小学生放学行动轨迹线,两所学校总计 109 组数据。

3 数据处理与研究方法

关于GPS技术的运用,叶鹏等人曾应用GPS对某广场上人群进行步行实验,研究广场的空间环境与使用者行为之间的关联性[12]。本研究所使用的行动轨迹数据均通过GPS手持仪器实测获得,并将实验数据导入ArcGIS软件的ArcMap中,生成轨迹点图像及核密度图像;再由AutoCAD软件对轨迹线进行修正,将轨迹线与地图相关联得到轨迹线分布图。实现了数据的可视化之后,与小学校周边的城市空间进行对照分析,研究特定空间环境下的小学生行为特征,进而把握小学生放学行动轨迹线与城市空间之间的关联。

3.1 轨迹点处理

GIS数据采集器的原始数据为kml格式,将其导入GIS Office 软件中导出csv格式的文件,能够得到定位点信息列表。将原始定位点信息列表中的度分秒格式转换成度格式的经纬度。相邻两个定位点的时间差为3秒,计算出相邻轨迹点的距离,能得出两点间平均速度。所求得的速度表示的是受试者在这3秒之内的平均速度,而不是定位点的瞬时速度。ΔTn=Tn+1-Tn=3s ΔLn=R•arccos [sinAn'•sinAn+1'+cosAn'•cosAn+1'•cos(Bn+1'- Bn')] Sn=Ln/ΔTn

其中:R 为地球半径(6371004 m),An'、Bn' 为点Mn的纬度和经度,An+1'、Bn+1'为相邻定位点Mn+1的纬度和经度,ΔTn为相邻两点的时间差,ΔLn为相邻两点间的距离, Sn 为 Mn 与 Mn+1之间的平均速度[13]。通过计算得出新的

定位点信息列表(表2),将新的列表数据导入 ArcMAP 中,可以生成轨迹点分布图。

3.2 核密度图像

密度分析是通过离散点数据或者线数据进行内插的过程,分为点密度分析、线密度分析及核密度分析。核密度估计是在概率论中用来估计未知的密度函数,是一种非参数检验方法。基于 GIS的核密度估算方法,是将处理后的轨迹点信息列表导入 ArcMAP 中,运行 Spatial Analyst 工具下核密度分析,计算并输出密度图像。一般定义为:假设 x1,…,xn 是从分布密度函数为ƒ的总体中抽取的独立同分布样本,估计ƒ在某点x处的值 ƒ(x), 通常有 Rosenblatt-Parzen 核估计:

1 n x-xi ƒn(x)= — ∑ k( —— )

nh i=1 h

其中 :k( )为核函数;h > 0,为带宽 ;(x - xi ) 为估计点到样本 xi 处的距离 [14]。

本研究中涉及的核密度计算是将整体的轨迹点csv 文件导入 GIS中,经核函数计算后最终获得显示轨迹点聚集程度的核密度图像。

3.3 轨迹线处理

GPS数据采集器使用的是WGS84坐标系统,在将原始kml格式的数据文件导出成dxf格式的线图形文件时,选择BEIJING1954 坐标系统,以便导出的轨迹线与CAD 地图相匹配。由于卫星信号传播过程、客观环境及实验器材本身不稳定性对实验产生偏差,测得的数据与实际情况会有一些误差 ,会出现轨迹点丢失、偏移、跳跃等现象,对于以上现象,数据处理的方法为:轨迹线穿越建筑时,添加轨迹点使轨迹线绕过建筑;出现严重脱离整体轨迹的峰值定位点时,去掉波峰,将该点前后两点相连 [15]。

4 研究结果与分析

4.1 小学生放学行动路径轨迹线总体分布特性(1)安居苑小学总体轨迹线安居苑小学处于整个住区的中间部位的最南侧,校门位于学校建筑的北端。如图1,轨迹疏散方向主要为以校门为起点,向西疏散到安居苑西苑、向东疏散到安居苑东苑,以 及沿着校园西侧道路向两侧分散。小学校门西苑内的轨迹线呈现较为均匀的树枝状分布,有4条轨迹线在西苑的中心绿地景观区出现了绕路、迂回折返现象,这一区域吸引小学生在此停留嬉戏。东苑内的轨迹线数量多,分布复杂,除终点在东苑内的轨迹线,另有10条轨迹线穿越了东苑到达其他住区。从东苑内穿行符合“人为捷径”的心理特征,节省体力消耗,同时,小区内部的环境与外部城市道路环境相比更为舒适安全。东苑的中心是一处圆形中心景观区,总计56条轨迹线中有17条途经此处,是轨迹线分布最多的游憩场所。校门前空地区域不临街,而是在东苑内部,并设置了树池、座椅等设施,一些流动小摊贩放学时段聚集在此,小学生放学后在校门前流连,发生较多类型的活动。(2)青年路小学总体轨迹线青年路小学北侧和西侧为一片厂房,小学南侧及西侧临近银杏苑住宅小区的几个住宅组团。如图2,轨迹线在小学西侧城市干道与小学南侧、东侧的城市支路的范围之内。校门前东西向道路为疏散的主轴线,以校门为分界点,其东侧轨迹线仅有 8条,其他轨迹线均向校门西侧疏散。主轴线上北向的分支有 3条,南向分支有4条,南向分支上轨迹线更密集,但南北向辐射范围相当。

学校西北侧临近的住宅与道路之间形成的三角形空地上轨迹线最为密集,这处空地以硬质铺装为主,背向的住宅一层是零售店铺,小学生经过此处常常追逐玩闹。校门斜对城市休闲广场,这一区域包含了14条轨迹线,很多小学生在此逗留较长时间,并发生多种活动。银杏苑北侧住宅组团内有处广阔的以草地为主的公共绿地,轨迹线从草坪上穿越、曲折迂回现象频繁,开阔的草地适宜小学生活动。在轨迹线主轴两侧,小商铺林立,店家门前摆放的货品及游戏器械引得小学生驻足停留。

4.2 行动路径的核密度分析

(1)校门前空间的核密度分析

选取安居苑小学(图1)的门前空间AC2与青年路小学(图2)的门前空间QN5进行横向比较分析,如图3所示。

校门是轨迹线的起点,门前区轨迹线与轨迹点较为密集,聚集程度高,这一区域是放学主要疏散区,要求人员快速通过,方便学生疏散。门前密度高说明这一区域通过性较差,人流过于密集。安居苑小学校门外密度核心偏东,因为东侧有较大面积景观休闲区引人逗留。青年路小学门前道路狭窄,但西侧建筑后退形成的铺装空地因利于开展活动成为密度核心处。

(2)道路空间的核密度分析

选取安居苑小学(图1)周边道路节点 AB2、AE1 与青年路小学(图2)周边道路节点 QF3、QM4 进行分析,如图3所示。

AB2、QF3、QM4 为直线道路空间,AB2中小区入口正对学校,小学生横穿马路进入小区使马路上形成较高密度核心 ;QF3由于道路两侧商铺在门口摆放货品及摇摇车等游戏器械吸引学生逗留;QM4中道路旁空地因小学生聚众游戏成为较高密度区域,轨迹点非常密集。

AE1为丁字路口节点,其中多条轨迹线在路口分流,轨迹点密,密度图辐射范围较广。

(3)游憩空间的核密度分析

小学生放学途中在游憩空间内玩耍等停留行为发生频率高,持续时间长。选取的游憩空间节点为安居苑小学(图1)周边的 AA3、AD3 与青年路小学(图2)周边的 QL1、QM2, 如图3所示。

AA3 与 QL1为住区内公共绿地,前者处于高层住宅阴影区,轨迹线较少,只在健身器材集中处形成较低密度核心,后者轨迹线曲折复杂,左下角处轨迹点较密,密度辐射范围更广。

AD3为住宅小区的中心景观,其圆形中心景观聚合性强,轨迹线与轨迹点集中在出入口与中间位置,在景观区主入口附近的聚集程度最高。QM2是学校门前的城市游憩空间,城市休闲广场,轨迹点比轨迹线更为密集,聚集程度最高。

4.3 行动路径的速度分析

(1)行动路径整体速度水平以安居苑小学与青年路小学为例,研究轨迹点速度与城市空间及小学生行为之间的关联。因实验存在误差,将轨迹点速度高于5m/s(小学生跑步的平均速度)的定位点视为无效。

将平均速度小于 0.7m/s 和大于 1.3m/s 的轨迹点分别提取出来进行分析。其中,速度 0.7m/s之下轨迹点既能反映小学生低速行为,也代表了小学生在某一区域内迂回、折返、绕圈等行为。而速度 1.3m/s之上轨迹点主要体现疾行或跑跳快速通过场所。总体平均速度两所学校均在 1.0m/s 左右,如表3。

(2)速度 0.7m/s之下轨迹点分布与城市空间特征速度 0.7m/s之下轨迹点分布范围比总轨迹点分布范围小很多,且聚集成多个在小学门前区、道路、游憩空间上的团簇状点块,如图4-a、图 4-b所示。但安居苑小学校门前轨迹点最密集处在校门外,由校门向东北方向密度渐大,青年路小学门前轨迹点最密集处距离校门尚有一段距离,由这处团簇点向西延伸密集程度逐渐降低。

从核密度图4-c、图 4-d可以看出,核密度核心点较多,离散分布,波峰与波谷连续延展。安居苑小学中聚集程度最高的红色密度波峰只有中心景观区内的1处,从校门到中心景观共有3处波峰,这一区域属于小区的内部空间,树池、景观小路、休闲座椅等景观与设施营造了适宜游憩的环境。校门以西,只有两处波峰值较低的密度核心,较近的波峰横跨马路,这里是小学进入西侧住区的入口。较远的波峰主要靠公共绿地景观的局部小广场和健身器械吸引小学生玩耍。青年路小学核密度3处红色波峰均在校门前向西延伸的 道路上。3个波峰值稍低的密度区其中两处落在游憩场所内,另一波峰因小区出入口优势地位形成。

(3)速度 1.3m/s之上轨迹点分布与城市空间特征速度 1.3m/s之上轨迹点分布范围与总轨迹点分布范围相差无几,如图4-e、图 4-f所示,轨迹点只在分布图的中央区域较为密集,其它区域沿放学疏散方向散布连续且较为均匀。安居苑小学的轨迹点以校门为中心向四方辐射范围较一致,在校门一侧附近形成密集区,而青年路小学轨迹点偏向校门单一一侧发展。

从核密度图4-g、图 4-h可以看出,聚集程度最高的红色波峰处于中央位置,外围区域的波峰值均较低。两所小学快速点分布范围均远大于慢速点的分布区域。安居苑小学仅有的一处红色波峰点在校门前稍微偏东的位置上,这里临近校门,开阔的场地为动态行为创造了条件。青年路小学门前空间狭小,波峰值最高点位于与校门距离更远的一处开敞空地上,值域稍低的另一红色波峰在校门前道路与小区入口道路的交汇处。

4.4行动路径与城市空间的关系

本研究通过追踪小学生放学行动路径,将路径轨迹线、轨迹点与核密度图像与城市空间环境相对应进行比较,并在此基础上分析对比轨迹点速度,从速度值的视角反映小学生在特定环境下的行动特征。

(1)整体路径轨迹与城市空间的关系轨迹线整体以学校门前区为中心沿道路方向辐射,呈现树枝状的散射状态,在住宅密集区域分支多。校门前空间为小学生放学必经区域,城市空间内的大面积疏散场地对小学生放学的人流分散有积极作用。道路空间则是引导人流的快速通过的最佳途径,分叉路口的人流通过性较高,其形式及沿街

商业业态类型影响着轨迹点沿街分布的聚集度。城市游憩空间对小学生的吸引力较大,影响或改变着轨迹线局部的走向。密度核心为轨迹点最密集处,一般出现在校门前附近区域、学校周边重点道路空间、城市游憩空间等场所,相同类型场所因其区位要素与环境设施等差异,其中的路径数量与核密度的形态差异较大。(2)轨迹点速度与小学生停留行为的关系同一小学中速度 0.7m/s之下轨迹点数量上比速度1.3m/s之上轨迹点多,但后者分布范围广于前者。速度1.3m/s 之上轨迹点表明小学生此刻处于快速通过状态或追逐奔跑嬉戏。速度 0.7m/s之下轨迹点则反映了小学生正停留于某地并发生各类动态行为。速度 0.7m/s之下轨迹点密度核心多位于城市游憩空间中,核心点较多且离散状分布,速度1.3m/s 之上轨迹点的密度核心位于整个辐射区域中央的交通空间部位。

结论与展望

本研究主要通过GPS 行动计测、GIS空间分析等方法,对调研对象在空间中的行为特征展开研究,进而综合评价各场所要素及空间类型对小学生放学行为的诱导作用,把握行动速度与城市空间的关联性。研究表明,小学校门前空间、城市直线道路空间、城市广场和住区中心景观空间与小学生放学行动路径关联度较大。这一结论可以指导我们对城市空间进行优化,下面分别从校门前空间、重点道路空间以及游憩空间3个方面提出针对性的优化策略。

(1)校门前空间为小学校门口重要的疏散区域,人流量大且聚集程度高,为提高其通过性,避免人流过于密集,应设置大面积疏散场地。同时,临近小区入口的校门前区人流高密度核心明显较多,且无论快慢速通过率都比较低,故小学校门两侧不宜设置过多商业设施入口或小区入口,以确保小学生快速通过。

(2)城市道路分叉口等空间人流通过性高且速度较快,极易发生交通事故,为保障小学生安全,宜在此区域设置红绿灯及斑马线,同时安排协警在放学时段于此疏导交通。沿街商铺和活动场地易吸引小学生逗留,通过性低,不利于疏散,此路段应严格管理,预留足够的空间作为人行道,必要时需设置人行道防护栏,以防小学生玩耍过程中进入城市道路发生危险。针对青年路小学周边城市道路现有沿街商铺的问题,建议上下学时间段结合城市管理规定限定此路段的最高通行车速或设置减速带,并派专人负责疏导小学生安全通行。

(3)游憩空间内小学生发生低速停留行为的频率较高,行动轨迹线常常走向曲折,说明他们留恋于此地玩耍嬉戏。设置有树池、喷泉、景观小路以及一系列健身器材城市休闲广场最适宜作为小学生的游憩空间,其间人流聚集度高且通过率大,兼备聚集游憩和疏散人流的功能。因此,在城市合 理的位置设置休闲广场不但能为小学生提供快乐舒适的游玩空间,更有快速疏散分流的优势。

在城市中对儿童活动空间进行合理布点对于解决小学生放学途中安全问题具有重要意义,也是为其提供更加便捷、安全、舒适的城市活动空间的基础。本研究通过对两所小学学生放学轨迹的追踪,并与学校周边城市空间相关联后进行一系列分析,以期对小学校周边城市空间的规划与设计有积极的指导意义。在今后的课题研究中,笔者将考虑进一步探讨分析其他具体行为类型等因素对小学生放学行动路径的影响。

图、表来源

文中图、表均由作者绘制。

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图 1安居苑小学学生放学轨迹线分布图示

图 3校门前空间、道路空间和游憩空间节点轨迹特征

图 2青年路小学学生放学轨迹线分布图示

图 4速度 0.7 米 /秒之下和 1.3 米 /秒之上轨迹点、核密度分布

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