基于GIS的交通可達(dá)性研究

魏 瑤，李燕敏，田正華

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

隨著城市交通需求的日益增長(zhǎng)，交通問(wèn)題也隨之而來(lái)。城市交通擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重，交通運(yùn)輸資源不均，機(jī)動(dòng)車輛污染擴(kuò)大等交通問(wèn)題層出不窮。從交通的角度出發(fā)，城市交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)成為緩解這些問(wèn)題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)中一項(xiàng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是空間可達(dá)性的評(píng)價(jià)。而國(guó)內(nèi)外以GIS地理數(shù)據(jù)庫(kù)為平臺(tái)的交通研究也在日益完備，可在GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的平臺(tái)建立交通可達(dá)性評(píng)價(jià)的適宜性模型。

1 可達(dá)性指標(biāo)及度量數(shù)據(jù)源

可達(dá)性是在特定交通環(huán)境中，從一個(gè)地點(diǎn)到達(dá)其他地點(diǎn)的過(guò)程的難易程度[1]。從這個(gè)概念講，空間可達(dá)性評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)源包含了交通種類、交通服務(wù)水平、土地利用情況、交通起訖區(qū)位特征等方面的內(nèi)容。起訖點(diǎn)運(yùn)輸過(guò)程中用以克服交通阻抗所花費(fèi)的時(shí)間賦予可達(dá)性在時(shí)間意義上的特征，也可折射出對(duì)應(yīng)的的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

評(píng)價(jià)的區(qū)域空間單位確定為交通小區(qū)。交通小區(qū)的概念指用地性質(zhì)、居民特征、交通特性等特點(diǎn)相同的空間區(qū)域的范圍，該范圍隨時(shí)間的變化而產(chǎn)生變化，在交通劃分的形式上表現(xiàn)為一個(gè)區(qū)域。該區(qū)域有關(guān)聯(lián)性、同質(zhì)性、動(dòng)態(tài)性和自組織性的特點(diǎn)。一般以交通小區(qū)來(lái)確定城市交通路網(wǎng)中的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)[2]。本文主要利用聚類分析法劃分交通小區(qū)區(qū)域，利用遙感影像數(shù)據(jù)、地圖興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)、電子地圖、矢量化遙感影像等獲得南京市區(qū)的基礎(chǔ)性地理數(shù)據(jù)，包括市區(qū)行政區(qū)劃、各等級(jí)道路、汽車站點(diǎn)、商場(chǎng)、公園等社會(huì)服務(wù)設(shè)施數(shù)據(jù)。將以上可達(dá)性評(píng)價(jià)涉及到的相關(guān)地理數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GIS平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括投影變換、幾何校正等。

數(shù)據(jù)預(yù)處理后用聚類分析法對(duì)所選地理區(qū)域進(jìn)行初步劃分，為確保所劃分的區(qū)域用地性質(zhì)一致，便于后續(xù)經(jīng)濟(jì)、人口等信息的提取，利用區(qū)域內(nèi)的道路、街道管轄區(qū)、河流等將該區(qū)域劃分為5個(gè)區(qū)域。依據(jù)交通規(guī)劃中定義的交通小區(qū)的劃分原則，以城墻、鐵路、主要道路、城墻或封閉的高速路作為邊界，再將5個(gè)區(qū)域劃分成若干交通小區(qū)[3]。劃分過(guò)程中需盡可能確保區(qū)域的用地性質(zhì)一致。便于后續(xù)提取區(qū)域內(nèi)人口經(jīng)濟(jì)等屬性數(shù)據(jù)。

2 空間可達(dá)性評(píng)價(jià)及度量模型

2.1 人口空間化

利用區(qū)域空間的相互作用模型來(lái)解算空間可達(dá)性過(guò)程中，需要明確交通目標(biāo)點(diǎn)的吸引力和起始點(diǎn)的需求量。而起始點(diǎn)的需求量常用人口特征來(lái)衡量，一般采用人口數(shù)據(jù)空間化的方法進(jìn)行區(qū)域人口的分布情況統(tǒng)計(jì)。常用的人口空間化主要利用遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用的方法為土地利用密度法。

土地利用密度法按照各空間單元內(nèi)居住用地圖斑總面積與各行政區(qū)轄區(qū)內(nèi)居住用地圖斑總面積之比來(lái)分配家庭戶數(shù)的方法[4]，各行政區(qū)轄區(qū)家庭戶數(shù)可通過(guò)統(tǒng)計(jì)年鑒獲得，居住用地圖斑數(shù)據(jù)可科通過(guò)遙感數(shù)據(jù)矢量化獲得。各交通小區(qū)家庭數(shù)量和交通小區(qū)內(nèi)居住用地圖斑面積成正比，則可以計(jì)算得出每一個(gè)交通小區(qū)的家庭數(shù)量。最后根據(jù)每戶平均人口數(shù)2.77，獲得各個(gè)交通小區(qū)的估算人口數(shù)。

2.2 可達(dá)性分析

依據(jù)GIS空間分析建立交通節(jié)點(diǎn)，將空間區(qū)域簡(jiǎn)化為以空間單元質(zhì)心為節(jié)點(diǎn)的方法建立相關(guān)屬性的分布網(wǎng)絡(luò)?？紤]到可達(dá)性評(píng)價(jià)是以社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)為基準(zhǔn)的研究，故選取空間單元質(zhì)心的人口屬性進(jìn)行分析。一般采用求加權(quán)平均值的方法提取區(qū)域單元的人口質(zhì)心，算法如下。

(1)

其中，Wi為單元內(nèi)第i個(gè)離散居民聚集區(qū)的人口數(shù)，Xi，Yi為i聚集區(qū)的空間坐標(biāo)，XG，YG為空間單元的質(zhì)心坐標(biāo)。依此方法從居住用地圖斑數(shù)據(jù)中解算出市區(qū)144個(gè)交通小區(qū)的人口質(zhì)心。

2.3 道路數(shù)據(jù)的組織與路網(wǎng)建模

在GIS中建立路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，將道路網(wǎng)絡(luò)抽象成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，道路鏈接點(diǎn)作為交通節(jié)點(diǎn)，交通流的方向在節(jié)點(diǎn)處改變，主要節(jié)點(diǎn)包括路網(wǎng)中的道路交叉口、城鎮(zhèn)、高架互通口等位置，路段作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的邊要素，邊要素涉及的主要指標(biāo)作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的權(quán)值，包括路段距離、耗時(shí)、費(fèi)用等信息。抽象后的交通網(wǎng)絡(luò)在矢量圖形上就表現(xiàn)為點(diǎn)線面的幾何要素。而這些要素就描述了路網(wǎng)實(shí)體空間信息的定位。如交通節(jié)點(diǎn)、某一路段的位置、兩路段之間的幾何關(guān)系均可在空間拓?fù)潢P(guān)系圖中展示。而關(guān)聯(lián)于空間路網(wǎng)的其他相關(guān)信息則囊括在節(jié)點(diǎn)或線路所對(duì)應(yīng)的屬性表中。以此為基本空間數(shù)據(jù)，利用空間網(wǎng)絡(luò)分析可得到區(qū)域的交通阻抗，在對(duì)路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)用GIS相關(guān)模塊進(jìn)行建模分析可有效提高網(wǎng)絡(luò)分析的效率。建立主要路網(wǎng)GIS地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，以15年市區(qū)內(nèi)各等級(jí)公路，城市道路為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)空間數(shù)據(jù)的矢量配準(zhǔn)，建立路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，檢查修改空間路網(wǎng)分布，加入路網(wǎng)各個(gè)屬性信息，再加入各交通節(jié)點(diǎn)及屬性信息。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中以設(shè)置距離和時(shí)間為道路阻抗計(jì)算的主要參數(shù)進(jìn)行最短路徑計(jì)算。單行線路的算法限定為惟一沿規(guī)定方向前進(jìn)，建模時(shí)注意道路與高架之間的連通規(guī)則，最終建立道路路網(wǎng)分布如圖1所示。

圖1 路網(wǎng)分布

2.4 吸引力指標(biāo)選取

利用空間相互作用模型進(jìn)行空間可達(dá)性分析首先需要確定交通行為的起訖點(diǎn)信息?？蛇_(dá)性分析的目標(biāo)點(diǎn)一般選取商場(chǎng)、學(xué)校、醫(yī)院等社會(huì)服務(wù)設(shè)施，以及交通節(jié)點(diǎn)、城鎮(zhèn)等。具體數(shù)據(jù)的獲取主要從土地利用現(xiàn)狀圖或遙感土地利用解譯與分類中來(lái)。除了目標(biāo)點(diǎn)的確認(rèn)之外還需考慮目標(biāo)點(diǎn)的交通吸引力。對(duì)于吸引力指標(biāo)的選取，需考慮現(xiàn)實(shí)交通行為目的和供需點(diǎn)的特征來(lái)定義。最終根據(jù)居民出行調(diào)查走訪問(wèn)卷等形式，確定目標(biāo)點(diǎn)的吸引力指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)吸引點(diǎn)數(shù)據(jù)及指標(biāo)

3 交通阻抗分析

交通阻抗一般以出行時(shí)間、出行費(fèi)用和出行距離做為衡量指標(biāo)。出行時(shí)間計(jì)從起始點(diǎn)出發(fā)至到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的有效時(shí)間，出行費(fèi)用計(jì)從起始點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的實(shí)際費(fèi)用，出行距離可計(jì)起始點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的直線距離，也可計(jì)網(wǎng)絡(luò)距離。

在交通網(wǎng)絡(luò)中，起訖點(diǎn)之間的可達(dá)路徑可以多種選擇，根據(jù)需求的不同會(huì)產(chǎn)生幾種不同的路徑方案，例如路程最近、時(shí)間最短、費(fèi)用最少等，這幾種方案可歸納為路線的某種阻抗值最小的問(wèn)題上[5]?；诖?，在交通可達(dá)性度量中阻抗值主要來(lái)自源于起訖點(diǎn)之間的最短路徑。交適阻抗可以用起訖點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)最短距離表示，最短距離可以是空間距離、時(shí)間距離、費(fèi)用距離。對(duì)于基本的道路網(wǎng)絡(luò)，出行方式為汽車、非機(jī)動(dòng)車、步行等，起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)間的交通阻抗，由3部分組成：起點(diǎn)O到道路網(wǎng)絡(luò)中最近點(diǎn)B間的距離D1，目的點(diǎn)D到道路詞最近點(diǎn)B間的距離D3，OB與DB間通過(guò)道路網(wǎng)絡(luò)的最短距離D2。交通阻抗計(jì)算公式如下。

D=D1+D2+D3

(2)

式中D1，D3通常用直線距離代替，D2為OB與DB所有可能通行路徑中的最短路徑距離。最短路徑利用Dijkatra算法解算。

4 基于GIS的空間可達(dá)性測(cè)算

在ARCGIS中進(jìn)行空間可達(dá)性評(píng)價(jià)可采用多種空間分析方法。緩沖區(qū)分析法、最鄰近分析法、柵格成本距離分析法、矢量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析法是比較常用的幾種方法[6]。矢量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析法是在建立好的道路網(wǎng)絡(luò)中解算通行條件下的最短路徑，應(yīng)用相關(guān)空間分析工具建模，解算相關(guān)道路可達(dá)性指標(biāo)。具體思路如下：首先，在建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中分層出道路網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括各等級(jí)道路網(wǎng)絡(luò)及屬性數(shù)據(jù)，主要路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等。其次，在路網(wǎng)中構(gòu)建起訖點(diǎn)之間的OD成本矩陣，將OD矩陣得到的線要素轉(zhuǎn)換得到路徑分析的?？奎c(diǎn)。最后，通過(guò)GIS網(wǎng)絡(luò)分析得到節(jié)點(diǎn)間在網(wǎng)絡(luò)中的最短距離，通過(guò)鄰域分析得到節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)的最近距離，通過(guò)空間連接等操作得到節(jié)點(diǎn)間交通阻抗。然后依據(jù)可達(dá)性度量模型解算出可達(dá)性值，最后對(duì)解算值做標(biāo)準(zhǔn)化處理。

以市區(qū)21家三甲醫(yī)院為例，可使用GIS中的網(wǎng)絡(luò)分析，借助加權(quán)空間阻隔模型，解算目的地的可達(dá)性指標(biāo)。首先在GIS中創(chuàng)建交通小區(qū)的質(zhì)心圖層和目的地點(diǎn)圖層，在交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建起訖點(diǎn)的OD成本矩陣。利用矩陣生成線圖層，利用GIS網(wǎng)絡(luò)最短路徑分析得到交通小區(qū)至醫(yī)院的最短距離，解算出起訖點(diǎn)之間的交通阻抗。通過(guò)屬性值字段計(jì)算得到加權(quán)平均出行距離，以此作為可達(dá)性值。再使用GIS中的modelbuilder對(duì)加權(quán)空間阻隔模型的空間可達(dá)性分析建模，通過(guò)可視化表達(dá)得到三甲醫(yī)院可達(dá)性分布和空間格局分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 網(wǎng)絡(luò)最短路徑可達(dá)性分析

圖3 可達(dá)性空間格局

從圖3可得到市區(qū)三甲醫(yī)院可達(dá)性的空間格局：以主城區(qū)中心為核心向周圍逐漸遞減，這與三甲醫(yī)院主要集中在中心城區(qū)，及中心城區(qū)交通路網(wǎng)發(fā)達(dá)密切相關(guān)。

可達(dá)性數(shù)值有多種表達(dá)形式，表達(dá)值量綱單位和量級(jí)不盡相同，之間沒(méi)有直接可比性，難免影響可達(dá)性數(shù)值的分析比對(duì)，為了消除量綱影響，需要對(duì)不同數(shù)值做數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，以解決不同量綱之間的可比性。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可達(dá)性評(píng)價(jià)指標(biāo)處于同一數(shù)量級(jí)，適合進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。用可達(dá)性的均值(E)和標(biāo)誰(shuí)差(D)進(jìn)行可達(dá)性的標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)過(guò)處理的可達(dá)性數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，即均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1，轉(zhuǎn)化函數(shù)為：

(3)

其中E為可達(dá)性的均值，D為可達(dá)性的標(biāo)準(zhǔn)差。

5 結(jié) 論

本文以加權(quán)空間阻隔模型對(duì)市區(qū)三甲醫(yī)院做可達(dá)性評(píng)價(jià)為例，通過(guò)計(jì)算各個(gè)行政區(qū)的交通路網(wǎng)密度，與可達(dá)性進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)R2=0.881 735，表明行政區(qū)道路網(wǎng)密度與醫(yī)院可達(dá)性有很大的相關(guān)性，模擬曲線為y=17.216x+2.956 7。此曲線可為該區(qū)的交通規(guī)劃提供參考和輔助性的決策支持。

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