基于GIS的长沙市医院空间布局及优化研究＊

时间：2024-08-31

于珊珊，彭鹏，田晓琴，丁洁琼

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南长沙 410081)

于珊珊，彭鹏，田晓琴，丁洁琼

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南长沙 410081)

随着城市的快速发展，城市居民对公共服务设施的需求日益增长.公共服务设施是城市功能正常运行的重要组成部分，因此对公共服务资源空间配置的公平性和有效性问题成为诸多学者研究的焦点.以长沙市为研究区域，以市区内医院空间布局和优化选址作为研究对象，通过GIS软件，利用两步移动搜寻法对医院空间的可达性进行评价.随后在评价的基础上，利用多准则决策分析模型结合GIS相关工具，对医院的空间布局进行优化选址.结果表明，长沙市现有医院过于集中分布于老城区，医疗设施整体分布缺乏均衡性，城市新兴地区和城郊严重缺乏医疗设施.而通过优化选址得到的结果，可以为今后长沙市医疗设施合理布局提供科学参考.

公共服务设施;两步移动搜寻法;GIS;长沙市

近年来，地理学界对公共服务资源的区位选择、空间布局、地理可达性问题有莫大的研究兴趣.而利用GIS对公共服务设施的空间布局进行研究，已得到越来越广泛的应用，比较常见的有为超市、物流中心、ATM机等选址.国外的如里查德·L莫尔和约瀚·西莫斯［1］对公共设施区位选择中的公平与效率问题展开了深入讨论，内容涉及到公共设施区位选择的模型和福利标准，公共设施区位选择的一般均衡分析，区位选择价值判断与公共选择标准等［2］;Radke和 Mu［3］提出了两步移动搜寻法用于评价医疗设施的空间可达性问题，相比传统的搜寻法，两步移动搜寻法解决了需求者可能跨区域就医的问题，并利用该算法对芝加哥地区医疗设施空间可达性进行了研究;Love和Lindquist［4］应用GIS及其相关工具分析了美国伊利诺斯州老龄人口相对于医疗设施空间可达性的现况［5］;Kyushik Oh 和 Seunghyun Jeong［6］则利用GIS网络分析法对首尔市的公园的空间分布进行了评估，并得出了首尔虽然公园占地比例大，但整体服务面积和使用程度却很低，公园空间分布不合理的结论等.国内也有不少学者开展相关研究，如刘钊［7］等利用GIS工具结合两步移动搜寻法对北京市的就医空间可达性进行了研究;祁向前［8］、张伟［9］、赵春燕［9］分别将 GIS应用于超市、ATM 机和商业中心的选址;唐少军［10］将GIS应用于长沙市公共厕所的空间布局研究;王薇［11］、赵平［12］、计会凤［13］将 GIS 应用于物流中心的选址等.

伴随着国家“中部崛起”战略的实施以及“长株潭一体化”建设的不断推进，长沙市城市空间正以前所未有的速度扩张.城市空间的扩张、人口的增加，必然会掀起城市公共服务设施建设的热潮.医院作为一项重要公共服务资源，其空间布局合理与否，与广大人民群众的身体健康和生命安全息息相关.2010年12月，湖南省卫生厅发布了《湖南省卫生资源配置指导标准(2011－2015年)(草案)》，提出了2015年长沙市每千人拥有床位数8.41张和6.43名医生的总体规划目标，要实现这个目标，除了要兴建一批医院外，更要讲究医院空间布局的合理规划.

1 研究对象与方法

本研究以长沙市为研究区域，以市区医院为研究对象，采用文献法、实证法以及综合分析法，以区位论、空间分析理论等理论思想为指导，通过收集相关数据、设定评价标准、确定相关因子及权重等步骤，以GIS理论为核心，结合两步移动搜寻法等先进算法，利用GIS对长沙市医院的布局及优化进行研究，并从城市规划的角度出发，结合实际情况对数据处理结果进行评价分析，从而对长沙市医院的空间布局及优化提出科学的见解.在长株潭一体化的城市化建设的大潮中，利用GIS对长沙市的医院进行科学、迅速的布局优化，为长沙市的医疗设施合理布局提供参考，有利于解决长沙市医疗设施分布不合理造成的“看病难”问题，同时也为长沙社会经济的健康发展创造良好的基础条件.整体研究思路见图1.

2 研究区概况

长沙，湖南省省会，地处湖南东北部，湘江下游，位于东经 111°53'～ 114°15'与北纬 27°51'～ 28°40'之间，是全省的政治、经济、文化、交通、科技、金融、信息中心，也是全国的历史文化名城和特大城市.现有以湘雅医院为代表的较大型医院(床位数＞20)78所，其中三甲、三乙医院21所，二甲、二乙医院12所，一甲及以下的较大型的医院45所.单从医院的空间布局来看，长沙市现有高等级医院多分布在“五一路——黄兴路——解放西路——湘江路——韶山路”一带，尤其是19家三甲医院，各个区:开福区8家、芙蓉区4家、天心区1家、雨花区2家、岳麓区4家(见图2).可以说，长沙市大型医院主要分布在商业发达城市中心地带，而广大的新兴区，如星沙、长沙南郊等地则缺乏大型医院，这在很大程度上降低了这些地区人民群众就医的便捷程度以及享受到的医疗服务的质量.这些表明，有必要对长沙市医院空间布局进行优化.

图1 技术线路图

图2 长沙市现有大型医院分布图

3 长沙市现有医院空间布局评价

本研究将应用两步移动搜寻法对长沙市医院的空间布局进行评价.相比传统的搜寻法，两步移动搜寻法具有两方面的优势:一是可以确保医院与居民的距离在搜寻域内;二是在实际情况中，医院并不仅仅只服务于搜寻域内的居民，也可以向邻近区域提供服务，而一般搜寻法无法考虑到这种情况.因此，利用两步移动搜寻法能更科学和全面地对长沙市现有医院的空间布局进行评价.

3.1 两步移动搜寻法

两步移动搜寻法是由穆兰及其导师发展的，这种方法克服了传统方法的缺陷.它两次移动搜索区域(分别以供给和需求地为基础)，因此被称为两步移动搜索法(2SFCA).

如果供给量不存在短缺的问题，我们可以用简单的单供给模型来衡量，只需要考虑离供给点的远近程度.汉森用一个基于引力的势能模型来度量上班的方便程度.该模型如下式所示:

第一步，对每个供给点j，搜索所有在j距离阈值(d0)范围(即j的搜索区)内的需求点(k)，计算供需比Rj:

这里，dkj为k和j之间的距离，Dk为搜索区内消费者(即dkj≤d0)的需求，Sj为j点的总供给.

第二步，对每个需求点i，搜索所有在i距离阈值(d0)范围(即i的搜索区)内的供给点(j)，将所有的供需比Rj加在一起即得到i点的可达性:

这里dij为i和j之间的距离，Rj是i搜索区(dij≤d0)内的供给点j的供需比.越大，则可达性越好.

上面第一步确定了供给可达性，即每个供给点服务区内的供需比.第二步计算了消费者的可达性，考虑了所有能为消费者提供服务的供给点，并将它们与消费者之间的供需比加总.这个方法考虑了一个地区内供需之间的相互关系，计算得到的可达性每个地点都不一样.式(3.3)本质上是一个供需比(被一个距离阈值或过滤窗口过滤了两次).

3.2 两步移动搜寻法的实现

利用ArcGIS中的Join功能和Point distance功能实现两步移动搜寻法.我们以各区域的代表点为该区域的人口重心，并以人口重心到医院的距离代替居民点到医院的距离.通过研究和讨论，我们设定3000米的极限距离(也就是在3000米的范围内搜索供给点和消费点)，并以每千人拥有的床位数作为评价该地区医疗服务空间可达性的标准——床位数越多条件越好.具体流程见图3.

图3 两步移动搜寻法技术流程图

3.3 数据处理结果及分析

通过利用两步移动搜寻法对相关数据进行计算，我们得到了如下(表1)的数据:

表1 每千人床位数汇总

东塘街道50000 13.9678金盆岭街道 98000 14.5151火星街道 4500 4.1298东岸 51400 4.7187东屯渡街道 6900 3.8661马王堆街道 15700 9.6448朝阳街道 114600 12.6292高桥街道 128000 4.3304黎托 26000 0圭塘街道 45000 1.1535雨花亭街道 120000 12.2189观沙岭街道 24500 17.4824银盆岭街道 50000 27.231西湖街道 32000 27.3924望月湖街道 37000 30.1638橘子洲街道 34100 0岳麓街道 46000 0坪塘镇 59800 0大托镇 40400 0洞井镇 49000 0桂花坪街道 26000 0新开铺街道 80000 0.8957含浦镇 10000 0莲花镇 51000 0雨敞坪镇 35000 0梅溪湖街道 8000 1.8821望城坡街道 43000 3.7601咸家湖街道 1800 19.3646天顶 25500 0东方红镇 10000 0望岳街道 113800 1.0611青园街道26000 6.7515

由表1的统计可以得出，长沙市59个街区中有26个街区每千人床位数在0～5之间，约占总数44%;每千人床位数在5～10之间的有4个街区，约占总数6.7%;每千人床位在10～15之间的有11个街区，占总数的18.6%;每千人床位数超过15的有18个，占总数的30.7%.到目前为止，每千人床位数小于8张的街区为27个，占总数的45.8%，而且大多数床位数都不超过5张，这与《湖南省卫生资源配置指导标准(2011－2015年)(草案)》中提出的要在2015年达到长沙市每千人拥有床位数8.41张的目标相差很大.另外，每千人床位数也呈现极端分布的现状，5张以下和18张以上就占了总数的80.7%，中间部分很少，这说明长沙市各街区每千人床位数相差很大，现有医院布局不均衡.

从空间分布图来看(图4)，每千人床位数高的地区集中在长沙市经济、交通发达的商业繁华区域，而城市周边地区医疗设施十分欠缺，特别是长沙市面积最大、也是发展速度最快的“两型社会新导示范区”——岳麓区，更是亟需扩充医疗设施.医院空间布局的不均衡，将会导致以下两种不利的结果:一是医疗设施缺乏的地区人民群众就医困难，享受不到高质量的医疗服务，这有悖于医院布局的公平性;二是医疗设施过剩的地区其医疗设施不能充分利用，降低长沙市整体医疗服务效益.因此，有必要对长沙市现有的医疗设施空间布局进行优化.

图4 每千人床位数分类图

总的来说，我们可以对长沙市现有医院的空间布局得出以下两点评价:

(1)就每千人床位数而言，处于市中心区域的街区，床位人口比比较大，表示这些地区医疗服务设施较健全;相对来说，处于城市边缘的一些街道、镇，如青竹湖镇、大托镇、天顶、莲花镇等，则床位人口比非常小，甚至为零，表明这些地区医疗设施不健全.

(2)就空间分布来看，长沙市的医院呈现偏态布局，多位于市中心.长沙市医疗设施集中分布于发展较早的商业发达区域，医院整体分布不均衡，需要调整医院空间布局，提高现有医院的医疗辐射面积.新兴区域和城郊则分布很少，这些地区医疗设施建设的发展滞后于经济与人口的发展，这种违背科学发展观的情况不利于长沙市长期和谐稳定的发展.

4 长沙市医院空间布局优化

本文采用多准则决策分析模型与GIS相结合来对长沙市医院空间布局进行选址优化研究.多准则决策分析模型能综合考虑影响医院选址的交通、人口分布、地质情况等因素，结合GIS强大的空间数据处理、模型建立与运算、专题地图显示、图形图像交互操作等功能，可以方便灵活地实现多决策分析模型，并将结果以非常直观的方式显示出来.

4.1 多准则决策分析模型

多准则决策分析的核心问题是怎样整合多条准则，使之成为一个单指标，从而建立一个综合评价模型.简单加权法是在结合GIS的多准则分析中，使用最多、最流行的决策发展，其基本原理是基于GIS数据图层与对应的权重相乘，然后对加权后的准则图层进行逻辑叠置操作，得到一个结果图层，这个图层即期望得到的综合评价模型［10］.

4.2 确定准则及准则权重

多准则决策分析模型需要使用多条准则来帮助制定决策，但不同的准则对结果的贡献的比例是不同的.在多准则决策中，使用权重来衡量各个准则的相对重要性，同时，权重的大小也决定了该条准则对结果影响的比重，因此在确定了各个影响决策的准则后，确定各个准则的权重则是重点和难点.本文从规划的角度出发，综合考虑交通、人口、现有医院布局、地质条件四个因素，对长沙市医院优化选址进行研究.其中，交通便捷程度通过离公交车站和地铁站的距离远近来衡量，离站越近的地区权重越大;人口影响因素通过离居民点距离的远近来衡量，离居民点越近的地区权重越大.

在总结文献、经验的基础上，结合专家意见，确定了长沙市医院空间布局选址的准则:(1)医院与医院间的距离;(2)医院与需求点之间的距离;(3)设施必须位于城市用地上.确定各准则后，研究则通过采访、查阅文献、征求专家意见确定了各个准则的权重.各准则确定的权重如表2所示.

表2 准则及权重

4.3 选址原则

医院是一种公共服务性的资源，因此它的选址需要遵循公平性和效益性原则.医院布局的公平性主要体现在能为城市低收入、郊区群众提供便捷的医疗服务，所以医院的选址必须靠近居民点，即临近需求点:以居民点作为需求点，通过GIS 分析，取距离居民点 1500、3000、4500、6000、7500 米五个等级来进行分类，根据确定的离居民点越近赋值越高的原则，对重分类的居民点进行赋值.而医院布局的效益性则主要由人口密度、交通便捷程度以及与现有医院的距离来决定的，即要远离现有设施、靠近交通站点:同样通过GIS工具，以直线距离函数计算每个单元离现有医院的距离，将其重新划分为五类，再以距现有医院距离越远赋值越高的原则进行赋值;以距公交站点和地铁站点 300、600、900、1200、1500 米距离的范围来进行分级，距站点越近，赋值越高.本文采用同一个等级体系，范围值为 0、1、2、3、4、5.

4.4 形成单指标评价模型

重分类之后，各个数据统一到相同的等级体系内，并且每个具有较高适宜性的类别都被赋予了较高的值.根据前面确定的准则权重，确定计算公式为:

根据以上公式，利用ArcGIS空间分析中的Raster Calculator进行栅格图层的叠置得到单指标评价模型.

最后，去掉水域和林地土地，得到最终的选址优化图(图5)，赋值最大为6，是最适宜建立医院的地区，其他地区的适宜性依据赋值的大小依次递减.

图5 选址优化结果图

4.5 对选址优化结果图的分析

从最终结果可以看出，分值最高的红色区域分别分布在雨花区南部、岳麓区中部、开福区北部以及芙蓉区东部.而且大部分高分值区都位于中心城区以外的郊区部分，尤其是长沙市西南和西北地区.这些地区正是经济发展相对缓慢，社会公共服务设施相对薄弱的地区.因此可以说通过多准则模型分析的结果与长沙市现状呈现高度吻合.根据研究结果，再依据长沙市2015年预期每千人8.41张床的目标，以现有医院床数为基础，可以计算出为达到目标所需要的床位数，也就是需要新建的医院数.然后再综合考虑实际现状，我们就可以对要新建的医院进行科学合理布局.

5 结论

基于GIS技术分析长沙市医院空间布局，是对GIS技术在公共服务设施选址研究应用中的又一次尝试.本研究在广泛了解了国内外GIS技术在公共设施选址方面的相关理论和研究成果后，针对当前反应强烈的“看病难”的问题，从城市规划的角度出发，以两步移动搜寻法评价长沙市医院空间可达性为切入点，依据评价结果提出多准则决策模型，并在该模型的基础上得出了优化选址的结果.在研究的过程中，我们得出了以下结论:

(1)医疗设施集中城区，成偏态分布.通过两步搜寻法得出的结果来看，无论是从人均医疗资源分布、就医机会，还是从就医的便捷程度方面来看，长沙市的医疗设施空间布局都极不平衡，多数集中于中心城区，郊区和新兴区域医疗设施极度缺乏，有些区域每千人床位数竟然为0.也就是说，长沙市获取医疗服务的便捷性从长沙市中心向郊区逐渐减弱，市中心的医疗设施呈过于饱和状态，而城市的新兴地区和城郊地区则严重缺乏医疗设施.

(2)医疗资源分布不均匀，极化现象严重.研究区内59个街道或乡镇中有26个的每千人床位数低于5张，而有18个街道或乡镇的每千人床位数超过了15.也就是说5张以下和18张以上就占了总数的80.7%，中间部分很少.医疗设施过度集中于一个地区，会导致集中地区公共设施服务有效性降低，而其他地区则会出现医疗设施匮乏状态.现有医院布局混乱、不公平分配，既会带来经济问题又会产生许多社会问题，将会对城市的健康可持续发展带来不利.

(3)从优化结果可以看出，大部分高分值区都位于中心城区以外的郊区部分，尤其是长沙市西南和西北地区.这些地区正是经济发展相对缓慢，社会公共服务设施相对薄弱的地区.可以说通过多准则模型分析的结果与长沙市现状呈现高度吻合.总体来看，岳麓区北部和中南部、开福区西北部、芙蓉区东部、天心区东南部以及雨花区西南部等部分地区得分最高，最适宜建立新医院.

(4)利用两步移动搜寻法评价公共服务设施的空间可达性，其结果相对于一般的搜寻法更为可靠，原因有两点:一是可以确保公共服务设施与居民的距离在搜寻域内，适宜于在较大的空间服务内使用;二是在实际情况中，医院并不仅仅只服务于搜寻域内的居民，也可以向邻近区域提供服务，这点更加符合公共服务设施的特点.

(5)多准则决策分析模型与GIS结合能很好的解决公共服务设施选址优化问题.多准则决策分析模型成败的关键在于确定准则及其权重，准则的确定依据是基于对目标事物的研究，而确定准则权重目前还主要是靠专家的意见.

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