福州市城市交通違法行為的空間分布規(guī)律分析

梁娟珠， 徐森

(福州大學(xué) 數(shù)字中國研究院(福建)， 福建 福州 350003)

進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車保有量逐年增加，交通問題日益凸顯.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年，我國因交通事故造成的死亡人數(shù)為63 194人，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)138 456萬元.研究表明，交通事故往往是由于駕駛員占用對(duì)方車道、操作不當(dāng)和超速等交通違法行為引發(fā)的[1-2].這些交通違法行為通常是在空間區(qū)域內(nèi)發(fā)生，因此，通過地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)對(duì)交通違法行為進(jìn)行空間分析，獲取城市交通違法規(guī)律，可從源頭上減少交通事故的發(fā)生.

近年來，許多學(xué)者對(duì)空間分析技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，研究數(shù)據(jù)也從最開始的面數(shù)據(jù)逐步延伸到點(diǎn)數(shù)據(jù)[3]，豐富了空間分析的研究內(nèi)容.陳趙娣等[4]對(duì)杭州市2014年1月至2015年6月的入室盜竊數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分布特征的相關(guān)性分析，探究杭州市入室盜竊的分布模式和熱點(diǎn)位置.王增利等[5]提出一種基于時(shí)空影響范圍的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，研究入室盜竊的空間分布特征和時(shí)間分布特征.王穎志等[6]利用時(shí)空分析技術(shù)，對(duì)華東部分城市的交通事故數(shù)據(jù)(2013-2015年)進(jìn)行事故多發(fā)點(diǎn)鑒別.梁娟珠等[7]采用GIS和遙感技術(shù)對(duì)長汀縣的水土流失風(fēng)險(xiǎn)分布與影響因素進(jìn)行分析.馬靜等[8]通過河北省2010年人口數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，采用空間分析技術(shù)對(duì)空氣污染和死亡人數(shù)進(jìn)行分析.紀(jì)小美等[9]通過空間分析技術(shù)和社會(huì)記憶理論對(duì)南京主城區(qū)街巷地名變遷的時(shí)空格局和動(dòng)因機(jī)制進(jìn)行探討.古恒宇等[10]綜合運(yùn)用GIS空間分析方法和空間句法為深圳市相關(guān)規(guī)劃部門的公共游艇碼頭選址提供參考方案.此外，空間分析技術(shù)還對(duì)疾病的防控具有重要意義，張永樹等[11]通過空間分析技術(shù)對(duì)艾滋病的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行全方位分析，從而對(duì)疫情防控?zé)狳c(diǎn)區(qū)域和高風(fēng)險(xiǎn)傳播方向進(jìn)行精準(zhǔn)防控.目前，少有學(xué)者對(duì)交通違法行為進(jìn)行空間分析[12-13]，更多是從駕駛員的心理[14]、行為[15]和駕車意識(shí)[16]等方面進(jìn)行分析.基于此，本文采用空間分析技術(shù)對(duì)福州市城市交通違法行為與空間分布規(guī)律進(jìn)行研究.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

福州市位于福建省東部沿海地區(qū)，118°08′～120°31′E，25°15′～26°29′N，全市共管轄鼓樓、臺(tái)江、倉山、晉安、馬尾和長樂6個(gè)區(qū)，閩侯、連江、羅源、閩清、永泰、平潭6個(gè)縣及縣級(jí)市福清.福州市海拔為600～1 000 m[17]，山地和丘陵占全市地貌的72.68%，整體地形較復(fù)雜.天氣呈季節(jié)性變化，春季陰雨綿綿，夏季臺(tái)風(fēng)頻繁，秋季天高云淡，冬季基本無雪.

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

數(shù)據(jù)來源包括：1) 2018年1月1日至2018年8月31日福州市交通違法記錄(福建省公安廳數(shù)據(jù))；2) 福州市1∶10 000的區(qū)縣行政區(qū)劃圖(研究區(qū)部分附屬島嶼暫未修建道路，故數(shù)據(jù)不包括部分島嶼)；3) 福州市1∶10 000的道路網(wǎng)數(shù)據(jù).隨著交通違法行為執(zhí)法力度的加大，交通違法數(shù)據(jù)包括機(jī)動(dòng)車、行人和非機(jī)動(dòng)車的違法記錄，為了減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，將行人和非機(jī)動(dòng)車違法記錄剔除，共選取2 689 609條機(jī)動(dòng)車違法記錄進(jìn)行空間分析.

采用GIS技術(shù)對(duì)交通違法行為進(jìn)行分析的基礎(chǔ)是交通違法點(diǎn)的定位[18].GIS技術(shù)一般通過經(jīng)緯度

圖1 交通違法點(diǎn)分布和行政區(qū)劃圖Fig.1 Traffic violation points distribution and administrative zoning map

坐標(biāo)確定交通違法點(diǎn)的位置，但交通違法數(shù)據(jù)只有對(duì)違法地點(diǎn)的描述，缺乏經(jīng)緯度坐標(biāo)，因此，需對(duì)交通違法地址進(jìn)行地理編碼，將文本地址轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標(biāo).比較百度、高德、騰訊3家地圖廠商提供的應(yīng)用程序接口(API)可知，高德地理編碼API的整體質(zhì)量較高，故采用高德API.

共解析出246 394條經(jīng)緯度記錄不屬于福州市轄區(qū)，最終得到2 443 215條福州市交通違法記錄.福州市機(jī)動(dòng)車的交通違法空間分布和行政區(qū)劃圖，如圖1所示.

2 研究方法

2.1 最鄰近指數(shù)法

通過地理編碼得到交通違法點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用GIS軟件對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析.采用最鄰近指數(shù)法判斷交通違法行為在空間分布類型上是否為聚集型分布狀態(tài)[19]，即

(1)

(2)

(3)

(4)

通過標(biāo)準(zhǔn)差SEr得出最鄰近指數(shù)顯著性的檢驗(yàn)指標(biāo)Z為

(5)

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法

采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法分析福州市交通違法總體變化特征[20].標(biāo)準(zhǔn)差橢圓由圓心、方位角、長/短半軸等重要因素組成.

1) 圓心是事物在空間分布相對(duì)位置的中心[21]，其橫、縱坐標(biāo)的計(jì)算公式為

(6)

(7)

2) 方位角確定橢圓的方向，以X軸為準(zhǔn)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn).

3) 橢圓的長半軸表示交通違法分布的方向，短半軸表示交通違法分布的范圍.如果橢圓接近一個(gè)圓，表示交通違法行為在空間上沒有任何方向分布特征.

2.3 層次聚類法

圖2 層次聚類基本原理圖Fig.2 Basic principle diagram of hierarchical clustering

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓只能從整體上把握交通違法行為的空間分布趨勢(shì)，并不能反映交通違法行為聚集的區(qū)域，而層次聚類可將離事件點(diǎn)距離最近的點(diǎn)合并成一個(gè)簇.聚類過程有兩種，一是自下向上，即凝聚；二是自上向下，即分類[22].對(duì)交通違法行為而言，可利用層次聚類中的凝聚算法進(jìn)行空間分析，即根據(jù)每個(gè)交通違法點(diǎn)之間的距離，設(shè)置極限距離，以及每個(gè)聚集單元包含的最小交通違法行為點(diǎn)數(shù)目，需同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，才會(huì)生成第一級(jí)聚類(一階聚類)，然后，一階聚類在空間閾值距離的限制下生成二階聚類，依次生成高階聚類，其基本原理如圖2所示.

2.4 核密度估計(jì)法

采用核密度估計(jì)法分析福州市各縣市區(qū)交通違法行為空間分布情況，核密度估計(jì)法是為了彌補(bǔ)參數(shù)模型取得不滿意結(jié)果而提出的一種非參數(shù)估計(jì)方法[23].由地理學(xué)第一定律可知：點(diǎn)之間的距離越近，其關(guān)聯(lián)越緊密，表示事件發(fā)生的概率較高；反之，則事件發(fā)生的概率較低.根據(jù)概率理論，核密度估計(jì)法的定義如下：假設(shè)x1,x2,x3,…,xn是從密度函數(shù)f中抽取的個(gè)體，f在待估點(diǎn)x的值為f(x)，其核密度估計(jì)值fn(x)為

.

(8)

3 交通違法行為空間分析

3.1 聚集性分析

交通違法數(shù)據(jù)通過地理編碼以點(diǎn)形式在空間分布，按照福建省交通管理部門2014年出臺(tái)的《福建省道路交通安全違法行為處理對(duì)照表》，將2018年交通違法數(shù)據(jù)分成7類，并將這7類交通違法行為進(jìn)行最鄰近指數(shù)計(jì)算，結(jié)果如表1所示.由表1可知：7類交通違法行為的最鄰近指數(shù)R都明顯小于1，表明福州市各類交通違法行為在空間分布上為聚集型；顯著性檢驗(yàn)指標(biāo)P<0.01,Z<-2.58，說明福州市各類交通違法行為呈顯著的聚集型空間分布.

表1 7類交通違法行為最鄰近指數(shù)分析表Tab.1 Seven types of traffic violations nearest neighbor index analysisTable

圖3 交通違法行為的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓圖Fig.3 Ellipse of standard deviation for traffic violations

3.2 方向分布特征分析

為了解福州市交通違法行為總體空間聚集和發(fā)展方向，將7類交通違法行為數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析，結(jié)果如圖3所示.由圖3可得以下3個(gè)結(jié)論.

1) 不扣分行為及扣1，2，3，6分交通違法行為的方位角均大于90°，長半軸都向西北—東南方向延伸，且平均中心點(diǎn)都在福州市東南方向，表明2018年福州市此類交通違法行為在西北—東南方向的發(fā)生率比東北—西南方向更高.

2) 扣12分行為和吊銷駕駛證行為在現(xiàn)實(shí)中情節(jié)惡劣，屬于較嚴(yán)重行為.這兩種行為的方向性較為明顯，方位角都小于90°，長半軸都向東北—西南方向延伸，分布范圍較大.這兩類交通違法行為主要是經(jīng)交警巡邏發(fā)現(xiàn)或受害人報(bào)案登記，與前5類交通違法行為不同，多由道路上設(shè)置的電子眼進(jìn)行監(jiān)控，位置比較固定.總體上，這7類交通違法行為重疊區(qū)域明顯，說明7類交通違法行為比較集中.

3) 福州市交通違法行為在空間分布上既有差異性，也有相似性.雖然方向有明顯的偏差，但7類交通違法行為平均中心點(diǎn)都在福州市東南方向，未來福州市交通違法行為有逐漸向東南方向的福清市、平潭縣延伸的趨勢(shì).

采用CrimeStat-Ⅳ分析工具對(duì)福州市交通違法行為進(jìn)行聚類分析，分析結(jié)果通過ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行可視化展示，結(jié)果如圖4所示.

(a) 一階聚類 (b) 二階聚類 圖4 2018年交通違法行為層次聚類圖Fig.4 Hierarchical clustering diagram of traffic violations in 2018

由圖4(a)可知：福州市交通違法行為一階聚類分布范圍較廣，聚類數(shù)量多，主要在晉安區(qū)、倉山區(qū)、鼓樓區(qū)、臺(tái)江區(qū)，其次是長樂區(qū)、福清市、羅源縣及連江縣；不扣分交通違法行為一階聚類數(shù)量達(dá)132個(gè)，最大的面積僅有0.504 43 km2，說明駕駛員經(jīng)常有開車時(shí)抽煙、不避讓正在作業(yè)的道路養(yǎng)護(hù)車及工程作業(yè)車等不良開車習(xí)慣；扣6分的交通違法行為聚類數(shù)量只有1個(gè)，根據(jù)扣分文件標(biāo)準(zhǔn)，扣6分的交通違法行為主要是闖紅燈和超載等交通違法行為.隨著國民素質(zhì)的提升和國家嚴(yán)格的治超治限措施的出臺(tái)，近年來，扣6分的交通違法行為急劇減少.

由圖4(b)可知：扣6分、扣12分和吊銷駕駛證這3類交通違法行為的一階聚類數(shù)量較少，不足以形成二階聚類；二階聚類中最大面積達(dá)112.31 km2.

綜上所述，層次聚類對(duì)交通違法行為具有很好的量化功能，能為交通管理部門進(jìn)行交通違法行為分級(jí)分類提供參考依據(jù).

表2 交通違法行為分級(jí)Tab.2 Classification of severity of traffic violations

3.3 熱點(diǎn)識(shí)別分析

為了更有效地分析福州市交通違法行為，結(jié)合實(shí)際情況，將福州市交通違法行為按照一般交通違法行為和嚴(yán)重交通違法行為進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果如表2所示.

利用ArcGIS 10.2軟件中的Density工具對(duì)兩類違法等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行核密度分析，生成一般交通違法行為和嚴(yán)重交通違法行為的核密度熱點(diǎn)分布圖，如圖5所示.圖5中：編號(hào)1～5表示福州市的5個(gè)交通違法高發(fā)區(qū)域.

(a) 一般交通違法行為 (b) 嚴(yán)重交通違法行為 圖5 交通違法行為核密度熱點(diǎn)分布圖Fig.5 Distribution map of nuclear density hot spots of traffic violations

由圖5(a)可知：一般交通違法在全市各區(qū)縣均有分布，在一定程度上說明了福州市交通違法行為的治理不僅僅圍繞市中心，而是全市進(jìn)行管控和治理.由圖5(b)可知：嚴(yán)重交通違法行為主要分布在福州市東部沿海連江縣、福清市和平潭縣.近年來，福州市東部沿海區(qū)域路網(wǎng)比西部地區(qū)更為密集，福州市將更多的招商引資項(xiàng)目落戶東部地區(qū)，東部地區(qū)車流量逐漸增大，故交通違法行為也較多.

綜上所述，福州市交通違法行為主要在市中心和沿地鐵一號(hào)線方向密集分布.市中心屬于一個(gè)城市的中心，商場(chǎng)景區(qū)多，交通管治較為嚴(yán)格，電子警察布控完善.自然條件對(duì)福州市整體交通影響較大，山多水多，閩江穿城而過，《環(huán)境保護(hù)法》第35條規(guī)定政府在城鄉(xiāng)建設(shè)中需結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點(diǎn)，保護(hù)好植被和水域[25].福州市在道路規(guī)劃和修建時(shí)按照法律、法規(guī)最大限度地避開植被和水域，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，形成各地道路網(wǎng)完善程度不一的局面，進(jìn)而導(dǎo)致永泰縣、閩清縣和閩侯縣比福州市中心、長樂區(qū)和福清市的交通違法數(shù)量少，出現(xiàn)整體分布不均勻的現(xiàn)象.

基于層次聚類法和核密度估計(jì)法，將交通違法行為可視化分析結(jié)果置于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，將5個(gè)交通違法高發(fā)區(qū)域分為3類(Ⅰ～Ⅲ類).福州市交通違法行為3類高發(fā)區(qū)域，如表3所示.

表3 福州市交通違法行為3類高發(fā)區(qū)域Tab.3 Three types of high incidence areas of traffic violations in Fuzhou City

1) Ⅰ類交通違法行為高發(fā)區(qū)域.該類區(qū)域?yàn)榈缆肪W(wǎng)復(fù)雜，車多人多的市中心，包括烏山路、古田路、八一七北路等路段，這些道路處于城市中心，地理位置比較優(yōu)越，連接支路較多，車流量大，且該區(qū)域周圍遍布商場(chǎng)和景區(qū)，游客數(shù)量多，使駕駛員在駕車過程中受到一定的干擾.

2) Ⅱ類交通違法行為高發(fā)區(qū)域.該類區(qū)域?yàn)榈缆方徊婵?、立交樞紐，包括東三環(huán)快速路與機(jī)場(chǎng)高速互通樞紐、316國道與202省道交叉等路段.這些道路比較復(fù)雜，出入口較多，需要駕駛員頻繁地變道和減速，車流量較大時(shí)，出口處容易發(fā)生交通堵塞，導(dǎo)致多種交通違法行為的發(fā)生.

3) Ⅲ類交通違法行為高發(fā)區(qū)域.該類區(qū)域?yàn)榫用駞^(qū)和學(xué)校路段，包括連江縣104國道和沈海高速沿線，這些道路沿線學(xué)校和居民區(qū)較多，交通管理部門設(shè)置的道路交通標(biāo)識(shí)線和交通標(biāo)志指示牌多而復(fù)雜.此外，該類區(qū)域道路兩旁樹木和商鋪較多，容易對(duì)駕駛員造成視覺干擾，從而發(fā)生交通違法行為.

4 結(jié)論

采用最鄰近指數(shù)法分析福州市各類交通違法數(shù)據(jù)的聚集性，并利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、層次聚類和核密度估計(jì)法對(duì)福州市各類交通違法行為進(jìn)行熱點(diǎn)識(shí)別，基于文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下3個(gè)結(jié)論.

1) 在空間分布上，福州市各類交通違法行為主要聚集分布在三環(huán)內(nèi)和沿海區(qū)縣，整體呈現(xiàn)為顯著聚集狀態(tài).其中，各類交通違法中心點(diǎn)均在福州市東南方向，表明福州市未來交通違法高發(fā)地有可能在東南方向長樂區(qū)、福清市和平潭縣等地區(qū)，政府部門和交通管理部門應(yīng)提前對(duì)這些地區(qū)進(jìn)行交通管理規(guī)劃，防止交通違法行為發(fā)生.

2) 福州市一般交通違法行為比嚴(yán)重交通違法行為更多，同時(shí)也較為分散.但嚴(yán)重交通違法行為有時(shí)會(huì)帶來慘痛的傷亡，交管部門應(yīng)根據(jù)層次聚類和核密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)多個(gè)路段進(jìn)行設(shè)卡攔車檢查，減少嚴(yán)重交通違法行為帶來的傷亡和經(jīng)濟(jì)損失.

3) 福州市交通違法行為整體分布在市中心的八一七北路、古田路，福清市的清榮大道、清昌大道，連江縣104國道東邊的學(xué)校和居民區(qū)等路段，建議交通管理部門針對(duì)這些地區(qū)合理安排交警指揮交通，防止出現(xiàn)交通堵塞和追尾.同時(shí)，對(duì)福州市各學(xué)校和居民區(qū)周圍道路進(jìn)行交通環(huán)境治理，合理設(shè)置交通標(biāo)識(shí)線和交通標(biāo)志指示牌，引導(dǎo)駕駛員有序、安全駕駛.