基于GIS的青島市中心城區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)可達性研究

劉 娜，廣曉平

（1.蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)與完善，交通網(wǎng)絡(luò)作為國民經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)載體，直接影響著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。城市交通路網(wǎng)的可達程度能反映一個城市的空間延展以及城市內(nèi)部各區(qū)域之間相互作用的廣度與深度，因此研究城市交通路網(wǎng)可達性，在一定程度上能正確評價城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，針對城市路網(wǎng)缺陷提供相應(yīng)的優(yōu)化策略，對于土地利用規(guī)劃，新建、改建和打通斷頭路等具有重要意義與經(jīng)濟價值。

可達性的概念由Hansen于1959年提出[1]，其在交通行業(yè)做出了卓越貢獻。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，可達性研究在國內(nèi)外均取得了很大進展，主要表現(xiàn)為：基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，采用靜態(tài)或動態(tài)研究的方式，通過不同可達性指標構(gòu)建綜合可達性模型，研究區(qū)域交通路網(wǎng)可達性、空間特征及其演變規(guī)律[2-4]；以交通網(wǎng)絡(luò)為中心，選取可達性模型研究城市內(nèi)部醫(yī)療、公園、商場等公共服務(wù)設(shè)施的可達性，并以此分析城市內(nèi)部交通網(wǎng)絡(luò)對城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的影響，提出規(guī)劃措施[5-8]；以區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)綜合可達性為基礎(chǔ)，研究路網(wǎng)與土地利用、城市擴張以及人口數(shù)量之間的相關(guān)性[9]；通過選擇不同的可達性評價方法，研究加入高速鐵路或軌道交通后區(qū)域綜合可達性的變化特征[10-11]。

本文基于GIS平臺，利用網(wǎng)絡(luò)分析功能結(jié)合空間插值的方法定量分析了青島市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)在不同指標下的可達性，并通過綜合可達性研究評價了青島市交通路網(wǎng)現(xiàn)狀，為青島市交通路網(wǎng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文選取青島市中心城區(qū)作為研究區(qū)，包括市北區(qū)、李滄區(qū)部分區(qū)域、嶗山區(qū)部分區(qū)域以及市南區(qū)。截至2017年底，青島市城市路網(wǎng)總密度為5.35 km/km2，其中市南區(qū)為9.42 km/km2、市北區(qū)為6.97 km/km2、嶗山區(qū)為5.28 km/km2、李滄區(qū)為5.14 km/km2，這4個區(qū)域?qū)儆诔鞘新肪W(wǎng)密集分布區(qū)域，因此具有研究城市路網(wǎng)的代表性。青島市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 青島市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)圖

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 基于最小阻抗的可達性評價方法

Allen最早提出了基于最小阻抗的可達性評價方法，認為中心點的可達性評價指標可用中心點到所有目的點的平均最小阻抗表示。利用交通網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點之間的最短時間距離或空間距離來計算可達性，計算所得距離值越小，表明該節(jié)點（交叉口）可達性越好。路網(wǎng)節(jié)點可達性與整個路網(wǎng)可達性可表示為：

式中，dij為節(jié)點i、j之間的可達性，表示節(jié)點i、j之間的最短時間距離或最短空間距離；Ai為路網(wǎng)節(jié)點i的可達性；A為整個路網(wǎng)的可達性；n為整個道路網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)。

2.1.2 交叉口服務(wù)指數(shù)模型

交叉口服務(wù)指數(shù)模型用于評價交通網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點處機動能力的強弱。交叉口機動性是指道路交叉口以一定的速度服務(wù)水平到達某一地域的能力，在一定程度上可反映交通的快捷程度以及路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性。一般來說，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)越合理，基礎(chǔ)設(shè)施越完善，在一定時間內(nèi)能到達的范圍就越大，其交叉口服務(wù)指數(shù)也就越大，即機動性越強。交叉口服務(wù)指數(shù)可表示為：

式中，Ki為節(jié)點i的交叉口服務(wù)指數(shù)；Si為節(jié)點i在10 min內(nèi)可到達的區(qū)域面積；S為研究區(qū)總面積。

2.1.3 道路加權(quán)核密度模型

城市內(nèi)部道路建設(shè)水平的高低可由道路密度來衡量。考慮到不同等級的道路對可達性因子的影響，本文采用核密度分析法擬合得到光滑錐狀表面，可反映研究區(qū)內(nèi)各類型要素的密度分布特征。為了獲得節(jié)點x處的密度值f(x)，假設(shè)x1、x2、…、xn為獨立分布的F的n個樣本點，綜合考慮道路等級、實際通行速度、道路在整個路網(wǎng)中的相對重要性等因素，將研究區(qū)的道路分為主要道路、次要道路和支路3個等級進行加權(quán)處理，并分別賦予相應(yīng)的權(quán)重（10、6和4）。模型常用Rosenblatt-Parzen核密度估計法，具體公式為：

式中，n為樣本數(shù)；xi為獨立樣本；x-xi為估計點到樣本點xi的距離；h為帶寬，取值對計算結(jié)果影響較大；K為核函數(shù)。

2.1.4 路網(wǎng)連通度評價模型

路網(wǎng)連通度是指研究區(qū)內(nèi)各節(jié)點之間依靠道路相互連通的強度，能體現(xiàn)路網(wǎng)中各節(jié)點間相互連通的狀況，并根據(jù)路網(wǎng)中節(jié)點與邊相互之間不同的連通方式來體現(xiàn)路網(wǎng)的分布特征。路網(wǎng)連通度越大，說明該路網(wǎng)中的斷頭路越少，道路的便利程度越強。路網(wǎng)連通度的計算公式為：

式中，L為研究區(qū)內(nèi)道路的總里程（單位為km）；H為相鄰兩個交通節(jié)點間的空間平均直線距離（單位為km）；A為區(qū)域面積（單位為km2）；n為研究區(qū)內(nèi)應(yīng)連接的節(jié)點數(shù)；ξ為研究區(qū)內(nèi)路網(wǎng)的變形因子，一般由實際線路總里程與直線總里程的比值來確定。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本文以山東省青島市中心城區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)為研究對象，以青島市1∶1 000交通地圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了GIS空間數(shù)據(jù)庫。建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集前需對路網(wǎng)進行空間配準矢量化和拓撲檢查，并設(shè)置要素類屬性，進而建立城市路網(wǎng)模型。路網(wǎng)建設(shè)的基本工作流程如圖2所示。

圖2 路網(wǎng)建立的具體流程圖

3 交通網(wǎng)絡(luò)可達性分析

3.1 基于最小阻抗的可達性分析

本文基于GIS平臺，選取時間或距離阻抗建立OD矩陣，以此來查找和測量交通網(wǎng)絡(luò)中從多個起始點到多個目的地的最小成本路徑，并將求解結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計交通路網(wǎng)中各節(jié)點的可達性。在統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用反距離加權(quán)插值法（IDW）進行插值可視化操作，得到青島市中心城區(qū)的路網(wǎng)可達性分布圖（圖3、4），圖中顏色越深表明可達性越好。

由圖3、4可知，無論從時間可達性還是空間可達性分析，青島市中心城區(qū)均為典型的單中心多圈層形式分布的交通路網(wǎng)，中部地區(qū)可達性較高，交通便捷，西南部地區(qū)可達性相對較低，交通便捷程度較差。由于市中心的主干道分布較密，其他次要道路與支路分布相對較疏，因此整體的可達性呈由中心向四周遞減的趨勢。通過對比發(fā)現(xiàn)，空間可達性模型可達性較好的區(qū)域與時間可達性模型大致吻合，可達性最好的區(qū)域北至長沙路，南至銀川東路，西至人民路，東到科苑經(jīng)三路。由于西南部地區(qū)屬于市南區(qū)，該區(qū)域分布著青島市3/4的旅游度假區(qū)，可達性指數(shù)衰減最快。

圖3 基于最短時間阻抗的可達性分析圖

圖4 基于最短距離阻抗的可達性分析圖

3.2 基于交叉口服務(wù)指數(shù)模型的可達性分析

本文基于ArcGIS平臺，以青島市中心城區(qū)路網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，利用交叉口服務(wù)指數(shù)模型生成了交叉口服務(wù)指數(shù)分布圖。模型中斷值設(shè)置為10 min，以此來模擬分析研究區(qū)路網(wǎng)各節(jié)點的機動車出行能力強弱?；跁r間阻抗的交叉口服務(wù)指數(shù)分布如圖5所示，可以看出，顏色越淺的區(qū)域機動性越差，出行范圍面積越小，其交叉口服務(wù)指數(shù)越小。從交叉口服務(wù)指數(shù)的空間結(jié)構(gòu)來看，與基于最小阻抗的可達性相比，整個研究區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)一種介于單中心與多中心之間的分布形式。青島市中心城區(qū)中部地區(qū)的重慶南路、瑞昌路、山東路路段機動性最好，該區(qū)域車行速度較高且交叉路口少，機動能力強，交通便捷程度較高。中心城區(qū)外圍沿線區(qū)域機動性較差，尤其是西南角的四川路、匯泉路、興隆路、萊蕪路、廣饒路以及東南角的海口路、海游路、東海東路的出行范圍較小，機動性較差。其原因在于，西南角車速較低且交通基礎(chǔ)設(shè)施不完善，而東南角路口眾多，導致出行范圍較小，交通便捷程度反而不高。

3.3 基于道路加權(quán)核密度模型的可達性分析

本文基于ArcGIS平臺，利用核密度估計模型對青島市中心城區(qū)路網(wǎng)中的道路要素和節(jié)點要素進行了核密度分析。為確定中心城區(qū)路網(wǎng)密度的區(qū)位差異，本文結(jié)合ArcGIS默認的h值，經(jīng)多次試驗選定最佳h值為800，得出一個明顯的邊界范圍，結(jié)果如圖6、7所示，可以看出，研究區(qū)顏色由深變淺，表示核密度值由大變小。

圖5 基于時間阻抗的交叉口服務(wù)指數(shù)分布圖

在青島市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)中，道路加權(quán)核密度較高的區(qū)域集中在路網(wǎng)東部，位于嶗山區(qū)與市北區(qū)交界處附近，呈多中心的分布形式，具體分為3個區(qū)域：①中部西至勁松一路，東至勁松八路，南至銀川東路，北至滁州路，該區(qū)域是一個綜合區(qū)，住宅區(qū)分布較密集，路網(wǎng)密集度最高；②東北部南至?？诼罚敝零y川東路，西至山東頭路，東至云嶺路，該區(qū)域有嶗山區(qū)政府、青島市人民檢察院、國家海洋局北海分局、嶗山區(qū)稅務(wù)局等行政機構(gòu)，屬于經(jīng)濟、文化、社會等交流頻繁地帶，路網(wǎng)密集；③?？诼犯浇鼌^(qū)域，?？诼吠緩角鄭u大學和嶗山風景區(qū)，受高校和景區(qū)的輻射影響，路網(wǎng)也較密集。另外，還有3個區(qū)域的路網(wǎng)密度較高，分別為：①松嶺路中國海洋大學附近，受高校輻射的影響，路網(wǎng)較密集；②四流南路附近，該區(qū)域既有居住商貿(mào)綜合功能片區(qū)，又有新經(jīng)濟綜合功能片區(qū)，路網(wǎng)較密集；③西南部的威海路附近，該區(qū)域為市北區(qū)政府全力打造的臺東商貿(mào)區(qū)，涵蓋威海路、延安二路、延安三路、長春路周邊區(qū)域，路網(wǎng)較密集。道路加權(quán)核密度較低的區(qū)域主要位于研究區(qū)的最南部和北部地區(qū)。南部地區(qū)屬于市南區(qū)旅游度假區(qū)，青島市近3/4的景區(qū)分布在市南區(qū)，因此路網(wǎng)密度最??；北部地區(qū)屬于李滄區(qū)，該區(qū)域發(fā)展較落后，商業(yè)主要集中在中西部，路網(wǎng)密度相對較小。道路網(wǎng)節(jié)點要素核密度分析結(jié)果與道路核密度分析結(jié)果基本吻合。

圖6 道路核密度分析

圖7 道路節(jié)點核密度分析

3.4 基于道路連通度評價模型的可達性分析

本文利用道路連通度評價模型，取變形系數(shù)為1，求解得到青島市中心城區(qū)路網(wǎng)的總連通度C=1.53。由路網(wǎng)圖可知，青島市中心城區(qū)路網(wǎng)節(jié)點間多為三路或四路連通，且道路連通度介于1～2之間。根據(jù)相關(guān)規(guī)定可知，青島市中心城區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)的連通性較好，斷頭路較少，但并不成熟。

3.5 綜合可達性及其空間特征

由于上述研究中各項指標量綱因素是相互獨立的，不能形成一個統(tǒng)一的指標來描述該區(qū)域路網(wǎng)可達性的整體格局，因此本文采用無量綱計算，得到一個綜合分值來分析區(qū)域路網(wǎng)的綜合可達性。為了使4個評價指標間具有可比性，先對各評價指標進行0～100無量綱處理[12]，再將各評價指標等權(quán)相加，即可得到綜合可達性指數(shù)。無量綱化的可達性指數(shù)可表示為：

式中，Xi為研究區(qū)的可達性數(shù)值或指數(shù)；Xmin為研究區(qū)可達性的最小數(shù)值或最小指數(shù)；Xmax為研究區(qū)可達性的最大數(shù)值或最大指數(shù)。

綜合可達性指數(shù)可表示為：

式中，Xik為不同指標下的研究區(qū)無量綱可達性指數(shù)；wk為各指標權(quán)重。

在計算綜合可達性的過程中，各指標往往是相互矛盾的，如時間可達性和空間可達性指標值以小為優(yōu)，而出行服務(wù)指數(shù)、路網(wǎng)密度指數(shù)和路網(wǎng)連通性指標值以大為優(yōu)。為了便于計算，規(guī)定所有指標的數(shù)值越大，綜合可達性越高，因此需將所有指標統(tǒng)一成值大為優(yōu)的形式。本文將時間可達性和空間可達性指標的數(shù)值取相反數(shù)，使其滿足值大為優(yōu)的計算要求參與函數(shù)計算。研究區(qū)綜合可達性指數(shù)越大，整個區(qū)域的可達性就越好。

青島市中心城區(qū)路網(wǎng)綜合可達性分布如圖8所示，可以看出，青島市中心城區(qū)綜合可達性在空間上呈現(xiàn)出多中心多圈層形式分布的整體格局，其綜合可達性從市中心向市郊遞減，且在西南、北方向延伸幅度最大；西南方向遞減速度最快，其次為北、東南、西方向；總體來看，綜合可達性最低值在整個網(wǎng)絡(luò)外圍，其中市南區(qū)、西片區(qū)綜合可達性最差。

圖8 青島市中心城區(qū)路網(wǎng)綜合可達性分析

4 結(jié) 語

本文以GIS為技術(shù)支撐，利用基于最小阻抗的可達性模型、道路加權(quán)核密度模型、路網(wǎng)連通度評價模型以及交叉口服務(wù)指數(shù)模型來構(gòu)建綜合評價模型，并研究了青島市中心城區(qū)的綜合可達性。研究結(jié)果表明，青島市中心城區(qū)路網(wǎng)整體呈多中心多圈層形式分布的空間格局，在西南、北方向延伸幅度最大，中部區(qū)域綜合可達性較高；市南區(qū)、西片區(qū)由于自然條件等原因，綜合可達性最差；李滄區(qū)作為功能性組團發(fā)展起步較晚，道路建設(shè)相對不完善，應(yīng)加強該地區(qū)的交通投資建設(shè)，以促進城市道路體系合理化建設(shè)。本文主要從靜態(tài)層面對青島市中心城區(qū)的路網(wǎng)可達性及其空間布局進行了探討，但缺乏動態(tài)層面的研究，無法展現(xiàn)時間尺度下青島市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的演變趨勢。另外，隨著社會的發(fā)展，綜合交通對城市的影響日益明顯，未來可在常規(guī)公交、軌道交通以及高鐵對可達性的影響方面做進一步研究，以此來提高可達性在引導和預(yù)測城市道路建設(shè)與社會發(fā)展方面的準確性。