城市交通可達性的RS和GIS分析

費鮮蕓，張志國，顧晶晶，王 婷，陳海燕

(1.淮海工學院測繪工程學院，江蘇連云港 222005；2.上海應(yīng)用技術(shù)學院生態(tài)學院，上海 201418）

城市交通可達性的RS和GIS分析

費鮮蕓1，張志國2，顧晶晶1，王 婷1，陳海燕1

(1.淮海工學院測繪工程學院，江蘇連云港 222005；2.上海應(yīng)用技術(shù)學院生態(tài)學院，上海 201418）

一、引 言

可達性是指交通網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點相互作用的機會的大小[1]，可簡單地解釋為利用特定交通系統(tǒng)從某一區(qū)位到達指定區(qū)位的便捷程度[2-3]。城市交通可達性分析對城市的合理規(guī)劃、各種場所的正確選址及社會公平發(fā)展都有重要意義。目前，交通可達性評價分析多集中于縣級以上大尺度范圍內(nèi)[4-5]，進行交通成本加權(quán)計算時，常利用行政區(qū)域的人口數(shù)量等指標指示節(jié)點的吸引力大小[6-7]；在城市內(nèi)部，可達性評價主要針對公共設(shè)施、學校、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等特定場所進行[8-10]，常用特定評價目標的數(shù)量和質(zhì)量指示其吸引力大小。但是，在城區(qū)內(nèi)部如何確定研究評價模型的節(jié)點，確定各節(jié)點的吸引力的大小進行交通可達性分析還缺少相關(guān)的研究。

隨著衛(wèi)星遙感影像分辨率的提高，城區(qū)內(nèi)部的各級道路信息，建筑物的面積、高度等信息都已能清晰的表達。根據(jù)以上研究現(xiàn)狀，本文將利用高分辨率遙感影像提取城市道路信息、居民區(qū)建筑物分布和高度信息，利用GIS技術(shù)獲取城區(qū)交通節(jié)點，利用體積指數(shù)指示人口密度，在此基礎(chǔ)上對城區(qū)的交通進行可達性分析。

二、研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

本研究選擇山東省德州市為研究區(qū)。該市位于黃河下游，山東省西北部，南北與濟南、天津兩大城市等距相望，地理位置為東經(jīng)116.21°―116.24°，北緯37.23°―37.29°。地貌類型為典型的黃河沖積平原，地勢自西南向東北平緩傾斜。研究區(qū)內(nèi)交通發(fā)達，德石、濟邯、京滬高速鐵路和德煙鐵路在此交匯，京福、濟聊、青銀高速公路穿境而過，5條國道、14條省道縱橫交錯，形成了四通八達的交通網(wǎng)絡(luò)，是華東、華北重要的交通樞紐，是國家公路運輸樞紐城市。交通對城市的發(fā)展起著重要的作用，基于高分辨率遙感影像，研究城市居民區(qū)的交通可達性，對城市規(guī)劃、建設(shè)及城市經(jīng)濟和社會發(fā)展都有重要的意義。

本次研究采用高分辨率WorldView-2影像提取建筑物和道路信息，所用數(shù)據(jù)包括4個多光譜波段(分辨率為1.8 m）和1個全色波段(分辨率為0.5 m），成像時間為2011年6月11日，成像質(zhì)量較好。采用主成分分析方法將多光譜波段和全色波段進行融合，得到0.5 m分辨率的彩色遙感影像。根據(jù)德州市建設(shè)局提供的城區(qū)邊界用目視方法勾繪城市建成區(qū)范圍，得到城區(qū)面積為85.39 km2，所有評價信息的提取及可達性評價均在此范圍內(nèi)進行。

三、研究方法

1.評價模型的選擇

本研究采用交通成本加權(quán)方法，分析研究區(qū)的交通可達性，其中交通成本通過時間進行計算，權(quán)重由節(jié)點吸引力決定，如式(1）所示；為消除量綱的影響，便于不同交通方式可達性指標的對比，引入可達性系數(shù)概念，定義為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點可達性值與其均值的比值，如式(2）所示，其中可達性系數(shù)越小，可達性越高[3，6，11]。

2.評價節(jié)點的獲取

利用融合后的彩色高分辨率遙感影像，采用目視解譯方法提取城市主要道路的中線，獲取城市道路分布信息，參考《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》(CJJ 37―2012）將道路分成4級(見表1），形成研究區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)圖(如圖1所示）。

表1 我國道路等級劃分

將不同等級的道路交錯形成交通網(wǎng)絡(luò)，取其最小面狀閉合區(qū)的中心質(zhì)點為交通評價模型的節(jié)點。邊界部分沒有完全閉合的道路，需要沿著邊界，捕捉道路的結(jié)點，形成閉合區(qū)域并求出其中心近質(zhì)點作為交通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)評價數(shù)據(jù)

3.節(jié)點吸引力的計算

利用融合后的高分辨率遙感影像，采用目視解譯方法提取居民區(qū)內(nèi)建筑物的空間分布信息[12]。由于影像成像時，傳感器有一定的傾斜角度，在高分辨率遙感影像中，高層建筑物有一定的傾斜，目視解譯時應(yīng)沿建筑物的底部勾繪其邊界，如圖2―圖5所示。

圖2 平房的勾繪方法

圖3 多層建筑物的勾繪方法

圖4 小高層建筑物的勾繪方法

圖5 高層建筑物的勾繪方法

通過地面調(diào)查，結(jié)合遙感影像特征將建筑物的高度分為4級，同時設(shè)定各級建筑物的高度因子，見表2。解譯后得到研究區(qū)內(nèi)各類建筑物的分布信息如圖1所示，得到各種高度的居民區(qū)建筑物的面積見表2。

利用GIS技術(shù)計算每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所代表的閉合區(qū)域范圍內(nèi)各類建筑物的面積，結(jié)合高度因子利用式(3）獲取節(jié)點建筑物體積指數(shù)，用建筑物的體積指數(shù)指示各評價節(jié)點的人口密度，表示節(jié)點吸引力。

式中，Si和Hi分別表示各種類建筑物的面積及高度因子。

表2 建筑物體積指數(shù)

4.交通成本矩陣的計算

為了計算交通成本矩陣，利用GIS技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)分析，計算評價節(jié)點點對間的最小通行時間，生成交通時間，成本矩陣如下

四、結(jié)果分析

經(jīng)評價計算得到研究區(qū)各節(jié)點的交通時間可達性，為了更加直觀地顯示可達性的空間分布格局，采用反距離權(quán)重法(IDW）進行插值生成可達性分布圖，并根據(jù)研究區(qū)可達性系數(shù)分布情況，將可達性分成5級，見表3。得到研究區(qū)交通可達性空間分布圖，結(jié)果如圖6所示，同時分別計算不同等級交通可達性的面積及比例，見表3。

表3 不同等級交通可達性城區(qū)面積及比例

圖6 研究區(qū)城市交通可達性分析結(jié)果

由可達性分析結(jié)果可以看出，德州市內(nèi)老城區(qū)交通可達性最好，城區(qū)東北角交通可達性最差；城市交通可達性的整體格局以老城區(qū)為強中心向新城區(qū)和外圍依次減弱。

通過高分辨率遙感影像可以得出，老城區(qū)內(nèi)建筑物以多層和小高層建筑物為主，且建筑物密度較大。因此各節(jié)點求得的建筑物體積指數(shù)大，指示了該區(qū)域人口密度大，節(jié)點吸引力指數(shù)大；同時由高分辨率遙感影像也可以得出，老城區(qū)交通系統(tǒng)較成熟，不同等級的道路縱橫交錯，路網(wǎng)密集，節(jié)點間通行時間短，因此最終決定其交通可達性最好，為1級可達、新城區(qū)內(nèi)主要以工業(yè)區(qū)為主，建筑物密度較低，指示其人口密度也較低，節(jié)點吸引力小；同時，新城區(qū)的城市主干道已較完善，但次干道尚不完善，道路交通網(wǎng)密度較低，因此評價結(jié)果交通可達性較差，以2級和3級可達性為主。城市邊緣主要以城中村為主，多數(shù)為平房，人口分散、密度低；同時，城市主要道路和次要道路都較少，交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展不完善，交通可達性差，雖然某些區(qū)域的工業(yè)區(qū)內(nèi)交通系統(tǒng)較完善，但大部分區(qū)域缺少城市次干道，居民區(qū)建筑物少，人口密度低，可達性以4級和5級為主。

經(jīng)評價分析可以得出，城區(qū)內(nèi)5個等級的交通可達性中，2級可達性面積最大，其他各級面積由大到小分別為4級、3級、1級和5級。

對于城市居民區(qū)，出行時的目的無論是工作、上學、就醫(yī)，還是購物休閑，都要從居民區(qū)出發(fā)再返回居民區(qū)，因此城區(qū)中人口密集、交通完善的區(qū)域是可達性較好的區(qū)域，相反人口密度小、交通不完善的區(qū)域則可達性較差。如果僅從可達性角度考慮，城市中的工作場所、學校、醫(yī)院、購物中心、用于休閑娛樂的開放空間都應(yīng)首先考慮在可達性較好的城區(qū)內(nèi)，才能最大限度地發(fā)揮其社會服務(wù)功能作用。

為了保證社會公平發(fā)展，對于可達性較差的區(qū)域一方面要增加其交通可達性，如對于以工業(yè)園區(qū)為主的東部城區(qū)，雖然就業(yè)機會多，但由于距離居民區(qū)較遠，可達性較差，為了提高其可達性，應(yīng)充分利用已有的城市主要交通系統(tǒng)，大力發(fā)展公共交通減少通行時間，提高交通時間可達性；對于城市周邊區(qū)域，由于人口分散、交通狀況又不完善造成了可達性較差，應(yīng)該根據(jù)人口分布狀況，一方面完善其交通系統(tǒng)，另一方面，適當?shù)匕l(fā)展公共交通，提高社會公平性，方便市民出行。在城市公共設(shè)施建設(shè)時，也應(yīng)充分地考慮社會公平性，加強城市邊緣區(qū)域的公共綠地、學校醫(yī)院等建設(shè)投入，從而增加其各項公共設(shè)施的可達性。

五、結(jié)束語

本研究利用高分辨率遙感影像提取道路信息，獲取評價節(jié)點，求出評價節(jié)點點對間的最小通行時間和最小通行距離，計算交通成本矩陣；同時利用高分辨率遙感影像提取城市居民區(qū)內(nèi)的建筑物面積和高度信息，利用高度和面積求出其體積指數(shù)指示節(jié)點的人口密度作為評價節(jié)點的吸引力，利用交通時間加權(quán)成本模型，進行城市交通可達性評價。通過評價分析得出，德州市整體格局以老城區(qū)為強中心向新城區(qū)和外圍依次減弱。

可以得出，利用高分辨率遙感影像能夠獲取人口密度、交通等信息用于城市交通可達性分析，在城市規(guī)劃的過程中，應(yīng)充分利用交通可達性分析結(jié)果，對城市交通、工礦企業(yè)、學校、醫(yī)院、商業(yè)區(qū)、娛樂設(shè)施進行合理規(guī)劃，最大限度地發(fā)揮各種公共資源的效益，同時對可達性較差的區(qū)域應(yīng)從交通、公共資源等各方面加強投入，提高社會公平性。

[1]HANSEN W G.How Accessibility Shapes Land Use[J]. Journal of the American Institute of Planners，1959，25(2）：73-76.

[2]KWAN M P，MURRAY A T，O’KELLY M E，et al. Recent Advances in Accessibility Research：Representation，Methodology and Applications[J].Journal of Geographical Systems，2003，5(2）：129-138.

[3]李平華，陸玉麒.可達性研究的回顧與展望[J].地理科學進展，2005，24(3）：69-77.

[4]張莉，陸玉麒.基于陸路交通網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域可達性評價―――以長江三角洲為例[J].地理學報，2006，61(12）：1235-1246.

[5]鐘業(yè)喜，蔣梅鑫.鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)交通可達性研究[J].江西師范大學學報：自然科學版，2010，34(1）：107-111.

[6]吳威，曹有揮，梁雙波.20世紀80年代以來長三角地區(qū)綜合交通可達性的時空演化[J].地理科學進展，2010，29(5）：619-626.

[7]張志學，李同升.基于GIS的縣級尺度交通可達性研究―――以陜西省為例[J].人文地理，2010，25(1）：100-104.

[8]馬林兵，曹小曙.基于GIS的城市公共綠地景觀可達性評價方法[J].中山大學學報：自然科學版，2006，45(6）：111-115.

[9]韓艷紅，陸玉麒.教育公共服務(wù)設(shè)施可達性評價與規(guī)劃―――以江蘇省儀征市高級中學為例[J].地理科學，2012，32(7）：822-827.

[10]羅銘，陳艷艷.北京市商業(yè)區(qū)可達性研究[J].城市交通，2008，6(3）：57-62.

[11]楊濤，過秀成.城市交通可達性新概念及其應(yīng)用研究[J].中國公路學報，1995，8(2）：25-30.

[12]金君，李成名，林宗堅.人口遙感估算方法研究[J].測繪通報，2002(3）：13-15.

Analysis of Urban Transportation Accessibility Based on High Spatial Image

FEI Xianyun，ZHANG Zhiguo，GU Jingjing，WANG Ting，CHEN Haiyan

以山東省德州市為研究區(qū)，基于WorldView-2高分辨率遙感影像獲取城市道路信息及居民區(qū)建筑物的空間分布和高度信息；通過GIS分析技術(shù)獲取評價節(jié)點，并計算交通成本矩陣，同時計算節(jié)點建筑物體積指數(shù)指示其人口密度作為節(jié)點吸引力；利用交通時間加權(quán)成本模型對研究區(qū)的交通可達性進行評價。結(jié)果表明：老城區(qū)人口密度大，交通系統(tǒng)完善，交通可達性最好；新城區(qū)和城市邊緣人口密度小，交通系統(tǒng)尚不完善，交通可達性較差；整個研究區(qū)交通可達性以老城區(qū)為強中心向新城區(qū)和外圍依次減弱。

城市交通可達性；高分辨率遙感影像；人口密度；節(jié)點吸引力；交通成本矩陣

P236

B

0494-0911(2014）10-0074-04

2013-08-09

國家自然科學基金( 31070626；31270745）；江蘇省高校“青藍工程”；江蘇省“六大人才高峰”項目

費鮮蕓(1969―），女，山東煙臺人，博士，教授，主要從事高分辨率遙感及GIS的應(yīng)用研究。

費鮮蕓，張志國，顧晶晶，等.城市交通可達性的RS和GIS分析[J].測繪通報，2014(10）：74-77.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0333