基于兩步移動搜尋算法的空間可達(dá)性服務(wù)設(shè)計(jì)

郭立強(qiáng) 李曉明

基于兩步移動搜尋算法的空間可達(dá)性服務(wù)設(shè)計(jì)

郭立強(qiáng) 李曉明

空間可達(dá)性作為地理空間信息應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，如何基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)空間可達(dá)性服務(wù)成為目前研究新的方向。本文基于目前現(xiàn)狀，通過對空間可達(dá)性進(jìn)行深入學(xué)習(xí)研究，并選擇兩步移動搜尋算法作為度量空間可達(dá)性的評價(jià)算法，基于OGCWPS服務(wù)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)空間可達(dá)性服務(wù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

空間可達(dá)性一直是地理信息科學(xué)研究中的主要學(xué)科流域，對空間可達(dá)性評價(jià)方法的研究以及其在具體實(shí)踐中的應(yīng)用也成為地理信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。而空間可達(dá)性的研究由于其數(shù)據(jù)量大，操作復(fù)雜等問題，其應(yīng)用也一直受限于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。而網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（Web Geographic Information System）WebGIS的出現(xiàn)，滿足了廣大用戶對分布于網(wǎng)絡(luò)上的空間地理信息數(shù)據(jù)和地理處理服務(wù)的使用需求，基于OGC（ Open Geospatial Consortium開放地理信息聯(lián)盟） WPS的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范協(xié)議實(shí)現(xiàn)空間可達(dá)性服務(wù)，也是其研究和應(yīng)用新的方向。

研究現(xiàn)狀

空間可達(dá)性研究現(xiàn)狀

“可達(dá)性”一詞在很多學(xué)科領(lǐng)域（如城鄉(xiāng)規(guī)劃、區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)、地理學(xué)、交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)學(xué)等）經(jīng)常被研究學(xué)者提及和采用，早在19世紀(jì)六七十年代可達(dá)性就已經(jīng)成為西方學(xué)者的研究熱點(diǎn)，但其本質(zhì)涵義都是評價(jià)地理空間某一實(shí)體點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的難以程度，為了進(jìn)一步的闡明對概念的理解，Handy在其文獻(xiàn)中闡述說可達(dá)性的概念與其在實(shí)際的應(yīng)用中存在差異，在回顧了可達(dá)性測算的各種算法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了可達(dá)性指標(biāo)計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用中的研究框架。在對空間可達(dá)性進(jìn)行研究時就是以某種社會公共服務(wù)為需求（如公園、綠地、醫(yī)院、學(xué)校等設(shè)施）為背景襯托，來評價(jià)達(dá)到這種需求的空間難易程度。

其中基于重力模型的算法一直是可達(dá)性研究的主要評價(jià)方法，基于現(xiàn)有的研究方法，國外學(xué)者通過長期對比研究又提出了改進(jìn)的模型算法——基于重力模型的改進(jìn)的移動兩步搜尋算法（2-step floating catchment area），對現(xiàn)有的模型算法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了模型的有效性?？臻g可達(dá)性模型服務(wù)應(yīng)用于Web Service 也是空間可達(dá)性發(fā)展的熱點(diǎn)。

Web Service及OGCWPS規(guī)范概述

Web Service本質(zhì)上就是不直接接觸遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)服務(wù)，就像調(diào)用本地計(jì)算機(jī)上的功能一樣，實(shí)現(xiàn)以跨平臺的方式將不同平臺的系統(tǒng)整合在一起實(shí)現(xiàn)資源的共享和重用，從而來提高生產(chǎn)效率。Web Service的一般架構(gòu)主要包括三個角色：即服務(wù)提供者、服務(wù)請求者、服務(wù)注冊器，本研究選取WPS作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

WPS（Web Processing Service）即網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)基于現(xiàn)有的web環(huán)境和技術(shù)平臺，能夠通過網(wǎng)絡(luò)平臺為用戶提供對空間地理信息進(jìn)行空間分析與處理的服務(wù)調(diào)用接口，可以為用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行空間分析的功能。WPS服務(wù)的三個基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議為：請求服務(wù)的元數(shù)據(jù) （GetCapabilities）、請求有關(guān)可運(yùn)行在服務(wù)上的進(jìn)程的詳細(xì)信息 （DescribeProcess）、請求運(yùn)行一個由WPS 服務(wù)實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程 （Execute）。其接口如圖1所示。

空間可達(dá)性評價(jià)方法研究

空間可達(dá)性基本概念

空間可達(dá)性的含義還是比較寬泛和靈活，當(dāng)我們提及空間可達(dá)性時是根據(jù)某種特定的需求，比如城市綠地可達(dá)性、公園基礎(chǔ)設(shè)施的可達(dá)性、醫(yī)療設(shè)施可達(dá)性、就業(yè)機(jī)會的可達(dá)性等等。一般地，有些學(xué)者認(rèn)為可達(dá)性就是根據(jù)需要克服空間距離阻抗、時間阻抗等來達(dá)到目的的可能性和難易程度。顧名思義，可達(dá)性就是在特定時間內(nèi)所能達(dá)到的機(jī)會或者服務(wù)的數(shù)量多少，若所能接觸到的發(fā)展機(jī)會越多，則說明可達(dá)性越高；反之則可達(dá)性越低。

圖1　OGC WPS服務(wù)協(xié)議接口

根據(jù)現(xiàn)有的研究情況，將空間可達(dá)性分為區(qū)域可用性和區(qū)域可達(dá)性。區(qū)域可用性即某一區(qū)域擁有的資源的多少以便供出行者使用，但是在研究區(qū)域可用性時需要提前做出假設(shè)：（1）假定該區(qū)域內(nèi)的人到達(dá)該區(qū)域內(nèi)的資源具有相同的可達(dá)性；（2）假定該區(qū)域內(nèi)的人只在本區(qū)域內(nèi)獲得所需的資源供給；但現(xiàn)實(shí)中這兩個假設(shè)都是不成立的，就（1）而言，某一研究區(qū)域內(nèi)的居民限于多方面因素（主觀和客觀）的制約，不可能都具有相同的可達(dá)性，此外，在限定研究區(qū)域的大小時要考慮邊界效應(yīng)。而區(qū)域可達(dá)性就是我們研究的空間可達(dá)性，就上述問題做了改進(jìn)，充分考慮到供給和需求兩者之間的相互作用，但其在實(shí)際應(yīng)用中要涉及到很多的數(shù)據(jù)，計(jì)算起來相對復(fù)雜。

綜上所述：空間可達(dá)性就是指基于一定的交通成本，充分考慮服務(wù)供給和需求點(diǎn)之間的相互作用關(guān)系，對兩點(diǎn)之間通達(dá)性的評價(jià)度量。

可達(dá)性評價(jià)影響因子

在實(shí)際的可達(dá)性研究中通常都是以空間內(nèi)某一具體區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，一般的以某種交通系統(tǒng)作為承載介質(zhì)。根據(jù)可達(dá)性的概念和本質(zhì)含義，可達(dá)性的評價(jià)受如下幾個方面的影響。

交通系統(tǒng)：采取何種交通工具（飛機(jī)、火車、汽車、步行等）、交通規(guī)則（平均時速、通行限制）。

距離變量：如實(shí)際行走的距離、時間長度、費(fèi)用等。

區(qū)域劃分尺度：在進(jìn)行區(qū)域可達(dá)性評價(jià)時，劃分區(qū)域的尺度也不好把握，如果劃分的尺度太小就會出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象，如果尺度很大，則有可能導(dǎo)致可達(dá)性比較好的區(qū)域就集中在某幾個中，這個清華大學(xué)的劉釗教授（2006）已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)得出驗(yàn)證。

出行者的主觀因素：如社會地位、經(jīng)濟(jì)水平、興趣愛好、知識背景等，在出行者進(jìn)行需求決策時會產(chǎn)生很大的影響。

出行者對可獲得機(jī)會的理解。

可達(dá)性評價(jià)方法

由于對可達(dá)性在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，對空間可達(dá)性的評價(jià)方法也不盡相同。從現(xiàn)有的資料文獻(xiàn)可知，一般地，目前主要的空間可達(dá)性評價(jià)方法有：基于圖形論的、機(jī)會累積、空間網(wǎng)絡(luò)相互作用、緩沖區(qū)分析法、最小距離法、出行成本代價(jià)法、重力指數(shù)法、基于矩陣的拓?fù)浞?、啟發(fā)式A*算法、空間距離法、機(jī)會累計(jì)法、等值線法、基于重力模型方法、基于矩陣的拓?fù)浞?、平衡系?shù)法等；本文選擇由Radke和Mu提出的基于現(xiàn)有移動搜尋算法的改進(jìn)算法——兩步移動搜尋法（two-step floating catchment area method 2-step FCA method）。該方法以特定大小的區(qū)域作為普查單元，同時某普查單元可以享受到周邊其他區(qū)域的資源和服務(wù)。該方法以服務(wù)提供點(diǎn)和服務(wù)需求點(diǎn)在的位置為兩個參考點(diǎn)，具體方法步驟如下。

基于兩步移動搜尋算法的空間可達(dá)性服務(wù)設(shè)計(jì)

基于上述兩步移動搜尋算法和OGCWPS服務(wù)規(guī)范，建立空間可達(dá)性服務(wù)。該空間可達(dá)性服務(wù)在邏輯上有四層邏輯結(jié)構(gòu)：用戶層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器層、地理服務(wù)器層（可達(dá)性處理分析）、數(shù)據(jù)層（要素圖層、數(shù)據(jù)）。如圖2所示。

本文就選用WPS服務(wù)作為處理的基本服務(wù)，其實(shí)現(xiàn)接口有GetCapabilities、DescribeProcess、Execute三個接口。該空間可達(dá)性處理服務(wù)基于上述E2SFCA方法參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算，利用腳本語言Python編寫該步算法的功能函數(shù)，其模型如圖3所示。

基于兩步移動搜尋算法的空間可達(dá)性服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

開發(fā)環(huán)境

圖2　可達(dá)性服務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖3　移動算法模型圖

地理服務(wù)器：選用ESRI公司的ArcGIS 10.1 for Server，該地理服務(wù)器支持OGC規(guī)范的服務(wù)，能夠?qū)GC服務(wù)進(jìn)行托管，同時之前構(gòu)建空間可達(dá)性服務(wù)也是通過ArcGIS module bulider和Python腳本語言來實(shí)現(xiàn)建模發(fā)布的。

空間數(shù)據(jù)庫：空間數(shù)據(jù)庫選用ArcSDE for SQLServer2008，用來存儲空間屬性數(shù)據(jù)等信息。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：選用IIS作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，該服務(wù)器部署簡易方便操作。

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境：選用微軟公司的.NET技術(shù) 、Visual Studio 2010、 Visual C#。、Ajax技術(shù)。

圖4　可達(dá)性評價(jià)方法參數(shù)輸入對話框1

圖5　可達(dá)性評價(jià)方法參數(shù)輸入對話框2

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文選取武漢市地區(qū)的公園綠地作為研究對象進(jìn)行研究測試。

進(jìn)行空間可達(dá)性分析，點(diǎn)擊可達(dá)性分析彈出分析要輸入?yún)?shù)的對話框客戶端調(diào)用GetCapabilities請求，將服務(wù)所需的參數(shù)列出來，然后用戶輸入服務(wù)半徑、各要素圖層等參數(shù)，運(yùn)行結(jié)果具體如圖4所示。

經(jīng)過上述地理處理服務(wù)的執(zhí)行，就計(jì)算出各服務(wù)需求點(diǎn)的空間可達(dá)性的數(shù)值，該服務(wù)需求點(diǎn)的數(shù)值就代表該點(diǎn)所在研究子區(qū)域的空間可達(dá)性的數(shù)值。如圖6和7所示。

圖6　空間可達(dá)性評價(jià)數(shù)值可視化

圖7　研究區(qū)域可達(dá)性查詢

某區(qū)域的顏色越深則代表該區(qū)域的可達(dá)性就越高，反之則越低。

總結(jié)

本文就空間可達(dá)性的概念、評價(jià)方法等進(jìn)行了研究，并對比常用的一些評價(jià)方法，選擇基于重力模型的兩步移動算法作為空間可達(dá)性評價(jià)的方法，并對web service技術(shù)進(jìn)行深入研究，同時對OGC服務(wù)規(guī)范進(jìn)行研究學(xué)習(xí)，將WebGIS與web service技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，來彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在進(jìn)行地理空間信息處理等方面存在的不足。使空間可達(dá)性作為一種服務(wù)，從而改進(jìn)WebGIS的網(wǎng)絡(luò)互操作問題。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.020