基于路徑規(guī)劃服務(wù)的交通等時(shí)線繪制方法

孫華燦

（江蘇省城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)規(guī)劃研究中心，上海市210036）

基于路徑規(guī)劃服務(wù)的交通等時(shí)線繪制方法

孫華燦

（江蘇省城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)規(guī)劃研究中心，上海市210036）

交通可達(dá)性是衡量城鄉(xiāng)空間功能與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)關(guān)系的重要指標(biāo)。根據(jù)交通可達(dá)性研究的應(yīng)用需求，針對(duì)既有柵格分析法存在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建工作量大、評(píng)價(jià)參數(shù)客觀性欠缺、方法可移植性不強(qiáng)等不足，提出了一種新的基于開放數(shù)據(jù)平臺(tái)的交通等時(shí)線分析方法。分析了交通等時(shí)線的基本要素，闡述了交通等時(shí)區(qū)和等時(shí)線具體繪制步驟和要點(diǎn)。以淮安中央商務(wù)區(qū)為例，驗(yàn)證了新方法的有效性。

時(shí)空地理；交通可達(dá)性；等時(shí)線；路徑規(guī)劃；二次開發(fā)；API

0 引言

交通等時(shí)線，其概念來源于時(shí)空地理學(xué)的空間約束表達(dá)，是從某一點(diǎn)出發(fā)，以到達(dá)該點(diǎn)時(shí)間相同的約束點(diǎn)連接而成的閉合線，相鄰兩條等時(shí)線之間的區(qū)域?yàn)榈葧r(shí)區(qū)。等時(shí)線/區(qū)是從個(gè)體角度出發(fā)，綜合考慮空間因素和時(shí)間因素，研究在特定的時(shí)空約束下的可達(dá)時(shí)空范圍的方法。時(shí)間地理學(xué)理論認(rèn)為，時(shí)空背景下的個(gè)體活動(dòng)受到三種制約因素的影響，分別為能力制約（Capability Constraints）、權(quán)威制約（Authority Constraints）和組合制約（Coupling Constrains）（Hagerst rand 1970）。只有在特定的時(shí)空約束條件下，個(gè)體行為及其可達(dá)性表達(dá)才有具體的意義[1]。對(duì)于可達(dá)性而言，時(shí)間是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，因?yàn)樗墙煌ɑA(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的連通性、各種交通方式技術(shù)特性和交通出行環(huán)境綜合作用的結(jié)果。通過一次交通出行，個(gè)體得以完成以時(shí)間換取空間的時(shí)空轉(zhuǎn)換過程。因此，通過交通等時(shí)線可以評(píng)估在各種制約條件下個(gè)體機(jī)會(huì)活動(dòng)空間的時(shí)空邊界，從而為通勤范圍估算、社區(qū)活動(dòng)影響范圍界定、公共設(shè)施服務(wù)選址評(píng)估等提供重要的量化支撐?！暗葧r(shí)線圖之功用，對(duì)于非常時(shí)期之軍事運(yùn)輸，以及承平時(shí)期公文郵政之傳遞，旅客商品之往來等，皆可按圖索驥，求取其所需時(shí)間值速率，而全國各地交通設(shè)施之規(guī)劃，亦可與等時(shí)線圖中求之?！盵2]但是，由于影響因素眾多，國內(nèi)資料獲取困難，再加上制圖工作繁重，故而很少見到交通等時(shí)線地圖[3]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，基于遙感影像圖的柵格分析法[4]及其改進(jìn)方法[5，6]被廣泛接受并使用。

然而，既有的研究方法均需要自行建立綜合交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且對(duì)不同等級(jí)道路行駛速度和網(wǎng)格采取自主賦值的方法，不僅基礎(chǔ)工作量極大，而且主觀性較強(qiáng)，難以反映實(shí)際交通狀況和交通環(huán)境的制約，方法效率較低，可移植性不強(qiáng)。隨著衛(wèi)星定位服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，諸如谷歌地圖、百度地圖、騰訊地圖等一批通用開放地圖平臺(tái)隨之崛起。它們提供的交通路徑查詢和優(yōu)化功能為時(shí)空可達(dá)性的評(píng)價(jià)提供了一個(gè)新的視角[7]。與傳統(tǒng)方法相比，基于開放地圖平臺(tái)繪制交通等時(shí)線或等時(shí)區(qū)可以直接省去道路基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建步驟，從而大大簡化分析的工作量。同時(shí)，面向公眾開放的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)，包括空間和屬性數(shù)據(jù)具有客觀性、統(tǒng)一性和精確性等特點(diǎn)，因此基于其開發(fā)的等時(shí)線繪制程序具有很強(qiáng)的真實(shí)性和普適性。

1 交通等時(shí)線的基本要素

等時(shí)線的主要要素包括計(jì)算時(shí)間的起始點(diǎn)、等時(shí)點(diǎn)和交通方式。

起始點(diǎn)是等時(shí)線評(píng)估的中心。等時(shí)線圍繞起始點(diǎn)向外擴(kuò)散。起始點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)大可到全國范圍內(nèi)的政治或經(jīng)濟(jì)中心，中可到在區(qū)域或城市群范圍內(nèi)的核心城市或者城市范圍內(nèi)的商業(yè)中心、行政中心、大型綜合交通樞紐等，小可到城市公園、社區(qū)中心或者一座單體。具體選址應(yīng)根據(jù)等時(shí)線評(píng)估的要求而定。起始點(diǎn)應(yīng)盡量落在分析點(diǎn)中心，由程序自動(dòng)識(shí)別最近的路網(wǎng)接入點(diǎn)，以免由于實(shí)際交通運(yùn)行規(guī)則增加不必要的時(shí)間消耗。

等時(shí)點(diǎn)是等時(shí)線的核心要素集。等時(shí)點(diǎn)的時(shí)間單位劃分由研究范圍結(jié)合交通效率愿景而確定。社區(qū)生活圈范圍通常按5min、10min、15min取值，中心城區(qū)范圍通常以30min、60min、90min為單位，都市圈或城市群則通常以小時(shí)單位，但通常不超過3 h。時(shí)間間隔的多少?zèng)Q定了等時(shí)線的疏密和覆蓋范圍大小。對(duì)于同一時(shí)間單位而言，等時(shí)點(diǎn)的密度越高，等時(shí)線越準(zhǔn)確，等時(shí)線的形狀也越平滑，但是相應(yīng)的等時(shí)點(diǎn)采集的工作量也越大。

交通方式是個(gè)體克服空間阻隔能力制約的重要體現(xiàn)。等時(shí)線反映的交通便捷性由道路網(wǎng)絡(luò)和交通方式共同決定。等時(shí)線既可以是基于單一方式的可達(dá)性評(píng)價(jià)，也可以是基于多種交通方式的綜合選優(yōu)。在同一幅圖上，對(duì)不同交通方式而言，盡量選擇同一個(gè)起始點(diǎn)，使不同方式等時(shí)線的分析結(jié)果具備充分的可比性。

2 交通等時(shí)線的繪制方法

基于導(dǎo)航地圖繪制交通等時(shí)線，其基本過程通過地圖開放平臺(tái)的API（Application Programming Interface,應(yīng)用程序編程接口）對(duì)地圖功能進(jìn)行自主調(diào)用與個(gè)性化開發(fā)，獲得自定義數(shù)據(jù)集，然后進(jìn)行空間分析與處理。國內(nèi)比較常用的地圖API主要包括騰訊地圖API、高德地圖API、百度地圖API、天地圖API等。不同地圖API采用獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境和技術(shù)，針對(duì)的服務(wù)平臺(tái)多樣，功能也有所差異，但基本架構(gòu)都比較相近（見圖1）。等時(shí)線制作主要采用地圖的路徑導(dǎo)航服務(wù)功能，通過批量點(diǎn)對(duì)之間的路徑搜索獲得時(shí)間點(diǎn)，然后根據(jù)時(shí)間點(diǎn)分布，借助GIS空間分析功能按定義的時(shí)間單位提取等時(shí)線或直接使用等時(shí)區(qū)作為相關(guān)分析結(jié)果。

總體過程分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析三大部分。其中：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備可以直接在高德開放平臺(tái)中用代碼指定，但準(zhǔn)備過程不及Arc Map直觀、方便，故而推薦在Arc Map中處理；數(shù)據(jù)采集則完全利用API功能實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備一樣，還是推薦回歸到Arc Map，借助其內(nèi)置工具箱進(jìn)行處理。

以高德地圖開放平臺(tái)為例，繪制交通等時(shí)線的具體步驟如下：

（1）指定中心點(diǎn)P0（X0，Y0）。通過輸入經(jīng)緯度或利用高德地圖坐標(biāo)拾取工具確定。

（2）確定搜索范圍?；谀繕?biāo)點(diǎn)，通過單條路徑試算估算一定的范圍或者直接提取指定行政區(qū)域，通過Arc Map工具箱中的漁網(wǎng)（fishnet）命令生成柵格圖，同時(shí)生成柵格中心點(diǎn)陣。

（3）在Arc Map中通過數(shù)據(jù)管理工具箱，為點(diǎn)陣添加基于W GS1984坐標(biāo)系的經(jīng)緯度坐標(biāo)Pi（Xi，Yi）。構(gòu)建以P0和Pi的點(diǎn)對(duì)集。

（4）利用高德地圖的路徑規(guī)劃服務(wù)請(qǐng)求各目標(biāo)點(diǎn)Pi到中心點(diǎn)P0的導(dǎo)航路徑，獲取路徑的實(shí)際里程和通行時(shí)間。

（5）在Arc Map中將目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的里程和時(shí)間值關(guān)聯(lián)賦值給柵格或點(diǎn)陣。

（6）基于柵格圖生成交通等時(shí)面，或者直接基于點(diǎn)陣生成交通等時(shí)線。

圖1 地圖API基本架構(gòu)[8]

在以上步驟中，（1）～（3）為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，（4）為采集階段，（5）～（6）為分析整理階段。第1步中心點(diǎn)的選擇應(yīng)充分考慮實(shí)際交通規(guī)則，盡可能保障基地各方向的連通性。第2步柵格的大小將決定了等時(shí)線覆蓋范圍的精準(zhǔn)性，并且必須保證Arc Map圖層與高德地圖坐標(biāo)系（web墨卡托）一致，以實(shí)現(xiàn)Arc Map中點(diǎn)陣能準(zhǔn)確投射在高德地圖上。第4步路徑規(guī)劃有步行、騎行、公交和自駕等4種方式可選，其中自駕和公交路徑規(guī)劃策略有多種可選。自駕策略有最快捷、最經(jīng)濟(jì)、最短距離和考慮實(shí)時(shí)路況4種模式。公交除了最快捷、最經(jīng)濟(jì)外，還有最少換乘、最小步行、最舒適和不乘地鐵模式，基本上覆蓋了不同人群的多種需求。

3 繪制實(shí)例

以分析淮安市水渡口中央商務(wù)區(qū)可達(dá)性為例，闡述本文提出的方法及其應(yīng)用結(jié)果。根據(jù)工作日晚高峰時(shí)間的百度熱力圖，判斷中央商務(wù)區(qū)主要人口集中在中央國際新亞廣場和金鷹國際購物中心。為了兼顧兩個(gè)人口集聚核心，研究將交通東路的淮海東路公交站作為起點(diǎn)。以此起點(diǎn)為中心，建立60 km×60 km的矩形區(qū)域（覆蓋高速環(huán)內(nèi)主城區(qū)），然后用漁網(wǎng)工具箱將此區(qū)域細(xì)分為10000個(gè)400 m×400 m的柵格和柵格中心對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣。對(duì)點(diǎn)陣添加經(jīng)緯度坐標(biāo)后導(dǎo)出至Excel，形成符合自定義程序的列表格式（見表1），然后運(yùn)行自定義程序（見圖2），獲得指定步行或自駕的路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)。通過圖上FID與表中ID字段之間的關(guān)聯(lián)，將路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)反饋給柵格圖和點(diǎn)陣。對(duì)柵格圖通過分級(jí)色彩專題圖獲得15min間隔的等時(shí)區(qū)，柵格化后采用制圖工具提出顏色邊界做平滑處理即可獲得等時(shí)線圖（見圖3）。

表1 路徑規(guī)劃表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意

圖2 等時(shí)間輔助工具界面

圖3 淮安市中心商務(wù)區(qū)15 min等時(shí)線圖

由等時(shí)線圖結(jié)合淮安市空間現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃，可以進(jìn)一步開展關(guān)于城市客運(yùn)樞紐選址、城市中心體系優(yōu)化以及樓盤售價(jià)與交通可達(dá)性相關(guān)關(guān)系方面的分布[9]等研究。本文主要介紹等時(shí)線的采集與繪制方法，相關(guān)研究有待進(jìn)一步開展。

4 結(jié)論與展望

基于交通地理學(xué)理論的交通可達(dá)性在城市空間布局規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)關(guān)系分析、設(shè)施選址優(yōu)化中具有十分重要的研究意義。隨著交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的不斷完善和相關(guān)問題研究的深入，交通可達(dá)性的研究趨向綜合性和微觀尺度發(fā)展，評(píng)價(jià)的時(shí)效性和精確性要求越來越苛刻。

基于開放數(shù)據(jù)平臺(tái)二次開發(fā)的交通等時(shí)線繪制方法，相比于傳統(tǒng)可達(dá)性時(shí)距獲取具有以下優(yōu)點(diǎn)：地圖服務(wù)商的道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)比基于遙感影像數(shù)字化獲取的數(shù)據(jù)更為精細(xì)，包含上至高速公路、下至建筑巷道級(jí)別的道路，并且如實(shí)反映了道路互通關(guān)系、交通運(yùn)行規(guī)則等復(fù)雜路網(wǎng)信息；通過策略選擇，可達(dá)性的速度測定可以反饋實(shí)時(shí)路況，比以往基于規(guī)劃時(shí)速賦值更為精確，能夠反映交通網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通達(dá)性，可以彌補(bǔ)以往可達(dá)性研究在時(shí)態(tài)變化上的不足。在極大簡化基礎(chǔ)工作量的同時(shí)，該方法能夠充分應(yīng)對(duì)顆粒度細(xì)化、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化的趨勢要求，其應(yīng)用價(jià)值值得進(jìn)一步關(guān)注和挖掘。

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P208

A

1009-7716（2017）11-0182-03

2017-07-05

孫華燦(1982-),男，江蘇南通人，博士，高級(jí)工程師，主要從事區(qū)域與城市交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.055