基于GIS空間分析技術(shù)的城市路網(wǎng)可靠性評價(jià)方法研究

吳 馳，胡偉平，王紅亮，劉 銳

(華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510631)

城市道路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成城市的骨架，是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和客貨運(yùn)輸?shù)妮d體.城市道路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃布置是否合理、是否與城市特點(diǎn)相適應(yīng)，在很大程度上決定著城市交通運(yùn)輸?shù)男屎徒煌ńY(jié)構(gòu)的發(fā)展[1],城市路網(wǎng)左右著城市發(fā)展的方向和規(guī)模，因此，對城市路網(wǎng)的研究分析已經(jīng)成為一個(gè)重要的方向.特別是當(dāng)城市路網(wǎng)中有不確定因素加入時(shí)，就需要對道路運(yùn)行狀態(tài)和未來規(guī)劃發(fā)展進(jìn)行更準(zhǔn)確、更全面的評價(jià)，以便適應(yīng)城市的新發(fā)展.

1 可靠性方法研究現(xiàn)狀

1.1 可靠性概念

道路的可靠性研究源于20世紀(jì)80年代，其表示道路在受到外界因素干擾的情況下，道路整體狀況的表現(xiàn)，其中包括連通性和道路的連通效率，改變了以往用出行時(shí)間或道路擁擠程度的概念來描述路網(wǎng)，而從網(wǎng)絡(luò)的可靠性方面來研究道路路網(wǎng)，將拓?fù)涞雀呒壘W(wǎng)絡(luò)屬性納入研究范圍.

1.2 路網(wǎng)可靠性評價(jià)方法

目前, 國內(nèi)外評價(jià)路網(wǎng)可靠性的方法主要有：終端可靠性評估方法、博弈論技術(shù)、蒙特卡羅方法、吸收馬爾科夫鏈方法等.這幾種方法雖然指標(biāo)不相同，但都通過計(jì)算模型和計(jì)算方法來求解路網(wǎng)的可靠性指標(biāo).

稱終端可靠性評估方法主要用以描述路網(wǎng)結(jié)點(diǎn)之間保持連通的概率，它可以定義為路網(wǎng)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間至少存在1條路徑連通的概率[1].表示在特定OD對之間存在一條路徑連通的情況，用以判別每一路段上連通或是中斷.對于路網(wǎng)中各個(gè)路段，首先標(biāo)識各個(gè)路段的狀態(tài)，狀態(tài)分為0(中斷)和1(連通).

蒙特卡羅方法又稱隨機(jī)抽樣方法，一般用以評價(jià)路網(wǎng)容量指標(biāo)，其基本思想是：當(dāng)要解決的某個(gè)問題的答案是某種事件產(chǎn)生的概率時(shí)，它通過實(shí)驗(yàn)的方法，得到該事件出現(xiàn)的頻率，以此作為問題的解[2].

2 基于GIS空間分析技術(shù)的路網(wǎng)可靠性評價(jià)方法

2.1 GIS空間分析技術(shù)的應(yīng)用

GIS空間分析(Spatial Analysis)以地理空間為對象，側(cè)重于空間信息的提取和空間信息傳輸，分析地理目標(biāo)的位置和形態(tài)特征.目前，GIS的空間分析在城市路網(wǎng)評價(jià)中的應(yīng)用主要有①空間幾何分析，主要是針對要素的幾何形狀進(jìn)行的，例如對線道路要素進(jìn)行裁剪，面要素進(jìn)行空間相交疊加等；②空間網(wǎng)絡(luò)分析，主要是對各種空間網(wǎng)絡(luò)實(shí)體(交通、物流等)的分析，例如道路路徑分析，連通分析，順(逆)流分析等；③數(shù)字圖像分析，是指對數(shù)字圖像進(jìn)行空間糾正，變換等操作，在路網(wǎng)的應(yīng)用上,主要體現(xiàn)為道路要素的自動(dòng)提取.

2.2 評價(jià)模型建立

模型采用GIS空間分析技術(shù)，從路網(wǎng)連通性的角度出發(fā)，著重評價(jià)路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間保持連通的概率，主要選取不同的道路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對結(jié)點(diǎn)之間的連通概率進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)，其具體建模思路如下：

(1)對數(shù)據(jù)庫中POI(Points of Interest, 感興趣區(qū)域)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)建立幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)在邏輯網(wǎng)絡(luò)上的互通；

(2)對所有路網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建邏輯網(wǎng)絡(luò)，該流網(wǎng)絡(luò)為無流向網(wǎng)絡(luò)，無轉(zhuǎn)彎規(guī)則，并以道路實(shí)際長度為路網(wǎng)權(quán)重；

(3)對整個(gè)POI區(qū)域進(jìn)行劃分，規(guī)則是行政邊界或經(jīng)濟(jì)區(qū)域邊界，并篩選出各個(gè)區(qū)域內(nèi)的代表性點(diǎn)，作為評價(jià)結(jié)點(diǎn).點(diǎn)的篩選可以是區(qū)域內(nèi)的重要交通結(jié)點(diǎn)；

(4)對各個(gè)小區(qū)域內(nèi)的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行跨區(qū)域連通測試，統(tǒng)計(jì)其在某一等級道路上的可連通線路數(shù)；

(5)分析出所有選取結(jié)點(diǎn)的可連通線路數(shù)，并進(jìn)行歸一化處理，得出可靠性系數(shù)，其模型表現(xiàn)為：

2.3 評價(jià)方法技術(shù)路線

路網(wǎng)可達(dá)性評價(jià)采用ESRI公司的ArcGIS Engine組件和開發(fā)Microsoft公司的Net Framework，本文評價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)語言環(huán)境為Microsoft Visual Studio(C#). 方法評價(jià)流程見圖1.

2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 本文分析數(shù)據(jù)選用ESRI PersonalGeodatabase個(gè)人數(shù)據(jù)庫形式，創(chuàng)建FeatureDataset數(shù)據(jù)集，并構(gòu)建效用網(wǎng)絡(luò)(Utility Network)，采用INetworkCollection類進(jìn)行幾何網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建(CreateGeometricNetwork).其創(chuàng)建方法為：

//通過數(shù)據(jù)集聲明網(wǎng)絡(luò)類

INetworkCollection m_NetworkCollection=(INetworkCollection)m_FeatureDataset;

//構(gòu)建效用類型的幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

IGeometricNetwork m_GeometricNetwork=m_NetworkCollection.CreateGeometricNetwork(“幾何網(wǎng)絡(luò)路網(wǎng)”, esriNetworkType.esriNTUtilityNetwork, true));

對數(shù)據(jù)精度進(jìn)行歸一化處理，所有線要素連通精度為0.001 m(即2條線要素相連節(jié)點(diǎn)在0.001 m以內(nèi)默認(rèn)為連通).

圖1 方法評價(jià)流程圖Figure 1 Flowchart for road network reliability evaluation

2.3.2 空間查找分析 取出一個(gè)待運(yùn)算區(qū)域面要素(Feature)，查找所有與其相鄰的區(qū)域，關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)代碼如下：

//聲明空間過濾器

ISpatialFilter m_SpatialFilter=new SpatialFilterClass();

//當(dāng)前區(qū)域圖形要素

m_SpatialFilter.Geometry=m_CurFeature.ShapeCopy;

//查找方法為空間相交

m_SpatialFilter.SpatialRel=esriSpatialRelEnum.esriSpatialRelIntersects;

//進(jìn)行空間相交查找

IFeatureCursor m_FeatureCursor=m_FeatureClass.Search(m_SpatialFilter, false);

2.3.3 評價(jià)結(jié)點(diǎn)篩選的原則、方法與過程 評價(jià)結(jié)點(diǎn)的篩選主要遵循的原則：篩選結(jié)點(diǎn)位置位于POI區(qū)域幾何中心結(jié)點(diǎn)的緩沖范圍內(nèi)；篩選結(jié)點(diǎn)所連通的道路個(gè)數(shù)最多；在所連通道路個(gè)數(shù)相同的情況下，選擇離幾何中心結(jié)點(diǎn)最近的篩選結(jié)點(diǎn).

具體篩選方法如下：①從分區(qū)域面要素提取中心點(diǎn)

//聲明中點(diǎn)要素

IPoint m_CenterPoint=new ESRI.ArcGIS.Geometry.Point();

//m_Feature為分區(qū)域面要素并進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換

IArea m_Area=m_Feature.Shape as IArea;

//獲取當(dāng)前面要素的中心點(diǎn)

m_CenterPoint=m_Area.Centroid;

②對幾何中心點(diǎn)進(jìn)行距離緩沖操作

//調(diào)用拓?fù)溥\(yùn)算器

ITopologicalOperator m_TopologicalOperator;

//進(jìn)行拓?fù)渚彌_操作，返回面要素

IPolygon m_Polygon=m_TopologicalOperator.Buffer(100) as Polygon;

③在緩沖面范圍內(nèi)，尋找道路連通數(shù)最大、離幾何中心點(diǎn)最近的評價(jià)結(jié)點(diǎn)

//調(diào)用拓?fù)溥\(yùn)算器，對緩沖面要素進(jìn)行空間相交操作，返回查詢路網(wǎng)結(jié)點(diǎn)

IPointCollection m_PointCol=m_TopologicalOperator.Intersect(m_Polygon, esriGeometryDimension.esriGeometry0Dimension);

篩選過程見圖2.

圖2 評價(jià)結(jié)點(diǎn)篩選模型Figure 2 Screening model for evaluation node

2.3.4 幾何網(wǎng)絡(luò)分析 ①查找當(dāng)前結(jié)點(diǎn)與相鄰區(qū)域結(jié)點(diǎn)的路線：

//聲明初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)流向的對象，并把所建立的幾何網(wǎng)絡(luò)賦值為其賦值

ITraceFlowSolverGEN traceFlowSolver=new TraceFlowSolverClass() as ITraceFlowSolverGEN;

//以下代碼為設(shè)置查找路線的起點(diǎn)與終點(diǎn)，并獲取相關(guān)邊參數(shù)

IPointToEID m_ipPointToEID=new PointToEIDClass();

m_ipPointToEID.GetNearestEdge(BeginPoint, out intEdgeID, out ipFoundEdgePoint, out dblEdgePercent);

m_ipPointToEID.GetNearestEdge(EndPoint, out intEdgeID, out ipFoundEdgePoint, out dblEdgePercent);

//以下代碼設(shè)置網(wǎng)絡(luò)流向權(quán)重

INetSolverWeights m_NetSolverWeights=traceFlowSolver as INetSolverWeights;

m_NetSolverWeights.FromToEdgeWeight=m_NetWeight;

m_NetSolverWeights.ToFromEdgeWeight=m_NetWeight;

//以下代碼調(diào)用網(wǎng)絡(luò)流方法進(jìn)行最短路徑查找，并把查找邊線賦值于m_EdgEnumNetEID

traceFlowSolver.FindPath(esriFlowMethod.esriFMConnected,esriShortestPathObjFn.esriSPObjFnMinSum,out m_JunEnumNetEID, out m_EdgEnumNetEID, intCount - 1, ref vaRes);

//以下代碼取出兩結(jié)點(diǎn)直接可連通最短路線

IEIDHelper ipEIDHelper=new EIDHelperClass();

IEnumEIDInfo ipEnumEIDInfo=ipEIDHelper.CreateEnumEIDInfo(m_EdgEnumNetEID);

IEIDInfo ipEIDInfo=ipEnumEIDInfo.Next();

IFeature m_LineFeature=ipEIDInfo.Feature;

②對已經(jīng)找到路線添加barrier點(diǎn)(阻礙點(diǎn))，使其不能連通：

//以下代碼為路網(wǎng)線路添加阻礙點(diǎn)

ISelectionSetBarriers m_selSetBarriers=new SelectionSetBarriersClass();

//m_FeatureClassID, m_FeatureID為阻礙點(diǎn)的ID值

m_selSetBarriers.Add(m_FeatureClassID, m_FeatureID);

//獲取網(wǎng)絡(luò)流向的對象

INetSolver ipNetSolver=traceFlowSolver as INetSolver;

//在網(wǎng)絡(luò)流中設(shè)置Barrier點(diǎn)

ipNetSolver.SelectionSetBarriers=m_selSetBarriers;

2.3.5 可靠性系數(shù) 根據(jù)可靠性模型，對計(jì)算所得的所有結(jié)點(diǎn)的線路數(shù)分別進(jìn)行歸一化處理，得出可靠性系數(shù)：

//以下代碼計(jì)算出該路網(wǎng)模型的可靠性系數(shù)

for (int i=0;i

dolTotalReaValue=dolTotalReaValue + dolReaValue[i];

dolReliability [i]= dolReaValue [i] / dolTotalReaValue / n;//某一個(gè)區(qū)域點(diǎn)的可靠性系數(shù)

2.4 算例分析

2.4.1 研究區(qū)域 算例數(shù)據(jù)截取廣佛中心區(qū)域，從113°0′1″E～113°45′4″E，23°30′2″N～22°50′4″N.具體包括廣州10區(qū)(花都、從化、南沙部分)和增城市西部，佛山禪城區(qū)全部、南海區(qū)和順德區(qū)部分區(qū)域，東莞市西部區(qū)域，具體區(qū)位如圖3.

圖3 廣州-佛山中心區(qū)位圖Figure 3 The center location of Guangzhou &Foshan

算例數(shù)據(jù)主要來源于廣東省2007年交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)和中巴資源衛(wèi)星2008年遙感數(shù)據(jù)，路網(wǎng)的組成有高速路、國道、省道、縣鄉(xiāng)道路、環(huán)城快速路、城市中心街道道路(如圖4).

圖4 研究區(qū)域路網(wǎng)數(shù)據(jù)Figure 4 The studied area of road network

2.4.2 研究區(qū)域劃分及評價(jià)結(jié)點(diǎn)篩選 對研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其原則主要是按照等面積區(qū)域劃分，在劃分的同時(shí)保證區(qū)域內(nèi)的道路密度和道路類型，因此，采用空間相交的方法，劃分為16等分，并對各個(gè)區(qū)域按照從左至右，從上而下的原則進(jìn)行區(qū)域編號，依次記錄為P1，P2,P3，…，P16.具體劃分如圖5.

對區(qū)域內(nèi)的路網(wǎng)進(jìn)行等級歸類，由于高速路、快速路具有封閉性的特點(diǎn)，所以高速路、快速路歸為一類；國道省道為過境道路，歸為第二類；一般道路包括郊區(qū)的縣鄉(xiāng)道和城區(qū)的街道歸為第三類.對路網(wǎng)進(jìn)行等級劃分后，根據(jù)評價(jià)結(jié)點(diǎn)篩選原則進(jìn)行網(wǎng)格內(nèi)結(jié)點(diǎn)篩選，具體結(jié)果如圖6.

圖5 研究區(qū)域網(wǎng)格劃分Figure 5 The grids of the region studied

2.4.3 各區(qū)分析結(jié)果

(1)不同等級道路可靠性檢驗(yàn)結(jié)果 對道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等級劃分的連通可靠性檢驗(yàn)，主要有與領(lǐng)域的連通性檢驗(yàn)和領(lǐng)域評價(jià)結(jié)點(diǎn)的連通性檢驗(yàn)，具體結(jié)果見圖7，表中16個(gè)格網(wǎng)對應(yīng)著圖5的網(wǎng)格劃分.

(2)不同等級道路可靠性值計(jì)算結(jié)果 計(jì)算所有各個(gè)等級道路分析區(qū)域的平均可靠性通道個(gè)數(shù)，對各個(gè)區(qū)域的可靠性通道個(gè)數(shù)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的可靠性值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖8.

(3)不同等級道路可靠性值圖形化結(jié)果 為便于直觀分析，將各個(gè)等級道路的可靠性值進(jìn)行Kriging空間插值計(jì)算，并進(jìn)行柵格化處理，具體處理結(jié)果如圖9.

2.5 討論

(1)采用空間連通性對研究區(qū)域進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)，基本上反映了廣佛區(qū)域路網(wǎng)的物理特征；

(2)研究區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)可靠性值表現(xiàn)較高的地方，主要集中于廣州市的荔灣區(qū)、越秀區(qū)、天河區(qū)、海珠區(qū)、番禺區(qū)、白云區(qū)南部、黃埔區(qū)西部，佛山市的禪城區(qū)、南海區(qū)東部.而可靠性值較弱的區(qū)域主要是廣州市的東北部和西南部；

(3)研究區(qū)域中，由于廣州內(nèi)環(huán)線、外環(huán)線、廣園快速路、華南快速路、廣佛快速路的存在，致使高速路、快速路的可靠性分析的高值區(qū)域表現(xiàn)在廣佛中心區(qū)域；

(4)從檢驗(yàn)結(jié)果得出，不同等級道路在同一網(wǎng)格區(qū)域的可靠性結(jié)果差異較大，特別是國道、省道等過境道路在城市中心區(qū)域表現(xiàn)值較弱.而相反，在城市的郊區(qū)，國道省道表現(xiàn)出了較高的可靠性值，特別是在研究區(qū)域的西南部，該地方有105國道、257省道、111省道、362省道等多條道路過境，同時(shí)該地區(qū)也是廣州新客運(yùn)站地區(qū)，因此該地方的過境可靠性值較高；

圖6 不同等級道路評價(jià)結(jié)點(diǎn)篩選圖Figure 6 Screening of evaluation nodes of different classes of roads

圖7 不同等級道路可靠性檢驗(yàn)結(jié)果圖Figure 7 The test results of reliability of different classes of roads

圖8 不同等級道路可靠性值計(jì)算結(jié)果圖Figure 8 The calculated reliability values of different classes of roads

圖9 不同等級道路可靠性值圖形化結(jié)果圖Figure 9 The reliability values of different classes of roads

(5)城市道路和縣鄉(xiāng)道的分析結(jié)果與道路密度基本吻合，但是在研究區(qū)域的東南部為東莞城區(qū)，網(wǎng)格內(nèi)路網(wǎng)發(fā)育較為良好，但是由于西邊珠江的阻隔作用，該區(qū)域的可靠性值表現(xiàn)較為一般.

本文采用GIS空間分析方法來探討城市路網(wǎng)的連通可靠性，并基于ESRI公司的ArcGIS Engine組件和Microsoft公司的Net Framework進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，建立城市路網(wǎng)可靠性評價(jià)模型，對城市的道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行空間幾何網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建.通過網(wǎng)格劃分的方式，利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，快速準(zhǔn)確地對路網(wǎng)的連通性進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)，能較全面、真實(shí)地反映城市道路的物理結(jié)構(gòu)可靠性，對道路的未來發(fā)展規(guī)劃提供一定的參考意義.

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