基于GIS和開放數(shù)據(jù)的公交可達(dá)性測(cè)度研究

謝國(guó)微 錢林波 龐煜

摘 ?要：公交系統(tǒng)是城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，公交可達(dá)性作為評(píng)價(jià)公交系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)對(duì)于保證公交系統(tǒng)暢通運(yùn)行，提高出行者出行質(zhì)量具有重要的參考價(jià)值。文章借鑒空間阻隔模型和累積機(jī)會(huì)模型的思路，建立公交可達(dá)性的測(cè)度模型，引入精確度較高的交通開放數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中建立公交數(shù)據(jù)庫(kù)，基于ArcGIS的空間分析工具設(shè)計(jì)了公交可達(dá)性測(cè)度流程。最后以南京市秦淮區(qū)作為研究區(qū)域，進(jìn)行了實(shí)例分析，研究表明該測(cè)度方法具有一定的實(shí)用價(jià)值，能夠?yàn)槌鞘薪煌ㄏ到y(tǒng)規(guī)劃、土地利用規(guī)劃以及居民出行提供參考。

?關(guān)鍵詞：公交可達(dá)性;秦淮區(qū);ArcGIS;開放數(shù)據(jù)

?中圖分類號(hào)：F570 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The public transportation system is an important part of the urban transportation system. As an important indicator for evaluating the public transportation system， public transportation accessibility has important reference value for ensuring the smooth operation of the public transportation system and improving the quality of travel. The thesis draws on the ideas of the spatial barrier model and the cumulative opportunity model， establishes a measurement model of transit accessibility， introduces high-precision open traffic data， establishes a transit database in ArcGIS software， and designs measurement process of transit accessibility based on ArcGIS spatial analysis tools. Finally， the Qinhuai district of Nanjing city is used as the research area to carry out a case analysis. The research shows that the measurement method has a certain practical value and can provide references for urban transportation system planning， land use planning and residents' travel.

Key words： public transport accessibility; Qinhuai district; ArcGIS; open data

0 ?引 ?言

便捷的公共交通系統(tǒng)可以很大程度上滿足城市居民的基本出行需求。然而，大城市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，城市居民對(duì)于公共交通的需求也急劇增加，而城市公共交通規(guī)劃周期往往較長(zhǎng)，管理水平滯后嚴(yán)重，規(guī)劃建設(shè)速度難以跟上城市的發(fā)展，導(dǎo)致公交線網(wǎng)和站點(diǎn)的布設(shè)出現(xiàn)諸多不合理之處，影響了居民出行方式的選擇，因此，需要通過科學(xué)的方式對(duì)城市公交系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

?可達(dá)性的概念由Hansen[1]于1959年首次提出，他將其定義為節(jié)點(diǎn)間相互作用能力的強(qiáng)弱。之后不同領(lǐng)域的學(xué)者根據(jù)不同的研究對(duì)象和研究角度，提出了各自的可達(dá)性定義。在交通領(lǐng)域，公交可達(dá)性的一般定義為出行者選擇城市公共交通作為出行方式，出行的方便程度。公交可達(dá)性作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)城市公交系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠反映城市公交現(xiàn)狀，是城市公交線網(wǎng)規(guī)劃以及周邊土地利用規(guī)劃的重要依據(jù)。

可達(dá)性的測(cè)度研究方面，理論層面上，以可達(dá)性的測(cè)度模型研究為主，陸化普[2]和陳潔[3]對(duì)公交可達(dá)性的幾種基礎(chǔ)測(cè)度模型進(jìn)行了介紹和分析，包括空間阻隔模型、累積機(jī)會(huì)模型、重力模型、效用模型、時(shí)空約束模型等。目前對(duì)于可達(dá)性的測(cè)度方法通常也以上述模型為基礎(chǔ)進(jìn)行修正或組合構(gòu)建新的可達(dá)性模型來(lái)進(jìn)行測(cè)度。實(shí)踐層面，倫敦市交通局近年來(lái)建立了一套相對(duì)完善的公交可達(dá)性評(píng)價(jià)體系（Public Transport Access Level，PTAL）[4]并投入到了應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者則致力于通過地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）進(jìn)行可達(dá)性的實(shí)際測(cè)度研究[5-7]。

總體而言，可達(dá)性是一個(gè)較為抽象的概念，在指標(biāo)選取上也比較靈活。可達(dá)性的相關(guān)測(cè)度理論研究較為成熟，但在實(shí)踐中，依然存在許多問題，尤其在公交可達(dá)性的測(cè)度中，需要考慮出行鏈的影響，在以拓?fù)鋵W(xué)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)分析中，難以將其考慮在內(nèi)，此外，公交可達(dá)性測(cè)度需要大量的數(shù)據(jù)支持，傳統(tǒng)交通數(shù)據(jù)獲取困難，且精度不高，具有滯后性，導(dǎo)致研究結(jié)果誤差較大?；诖?，本文將公交可達(dá)性拆分為宏觀和微觀兩個(gè)層面，將互聯(lián)網(wǎng)地圖開放數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，結(jié)合GIS技術(shù)，設(shè)計(jì)了公交可達(dá)性測(cè)度方法，并以南京市秦淮區(qū)作為研究區(qū)域，進(jìn)行公交可達(dá)性的測(cè)度和分析。

1 ?數(shù)據(jù)來(lái)源和處理

本文通過Python和ArcGIS的Arcpy模塊調(diào)用高德開放平臺(tái)的API接口，批量下載交通開放數(shù)據(jù)。

（1）交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

?獲取的交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括醫(yī)院、學(xué)校、車站等POI（興趣點(diǎn)）的名稱和坐標(biāo)、行政區(qū)劃、公交線路及城市路網(wǎng)的分布和長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，另外還獲取了路段的實(shí)時(shí)車速。本文以秦淮區(qū)五個(gè)工作日（2020.11.02～2020.11.07）的早高峰（7：00～9：00）和晚高峰（17：00～19：00）的平均車速作為秦淮區(qū)高峰時(shí)段的路段車速。公交車相比社會(huì)車輛而言，會(huì)受到公交停站等因素的影響，所以公交車速往往較慢。根據(jù)高德地圖《2020年度中國(guó)主要城市交通分析報(bào)告》[9]，南京市高峰社會(huì)車輛—公交車速比為2.099，因而還需根據(jù)路段車速估算公交車速，這里取系數(shù)0.5估算公交車的運(yùn)行車速。

（2）公交路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)

公交路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)是指高德地圖通過用戶出行的起訖點(diǎn)，為其規(guī)劃的最優(yōu)公共交通通勤路線方案，該方案有多種出行模式可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行變更，其中包括：無(wú)地鐵方案、最少步行方案、最經(jīng)濟(jì)方案、最快捷方案、最少換乘方案。通過批量選擇起訖點(diǎn)，獲取相關(guān)的公交路線規(guī)劃數(shù)據(jù)，其中包含：起止點(diǎn)名稱和經(jīng)緯度、總距離、步行距離、車內(nèi)時(shí)間、首末端步行時(shí)間、換乘次數(shù)。

2 ?公交可達(dá)性測(cè)度方法

2.1 ?公交可達(dá)性層次劃分

?本文根據(jù)不同的評(píng)價(jià)對(duì)象以及不同的評(píng)價(jià)側(cè)重點(diǎn)將公交可達(dá)性分為宏觀公交可達(dá)性和微觀公交可達(dá)性。

?宏觀公交可達(dá)性：宏觀公交可達(dá)性僅考慮公交車的運(yùn)行過程，體現(xiàn)公交運(yùn)營(yíng)速度、站點(diǎn)和線網(wǎng)布設(shè)、周邊土地利用等特征，不考慮出行鏈因素。

微觀公交可達(dá)性：微觀公交可達(dá)性用于評(píng)價(jià)居民選擇公交方式出行的便利程度，包括乘客從起點(diǎn)到終點(diǎn)的全過程，除了在車階段，還包括換乘階段和首末端步行階段。

2.2 ?公交可達(dá)性研究節(jié)點(diǎn)

為了便于定量分析，選擇有代表性的研究節(jié)點(diǎn)來(lái)衡量可達(dá)性，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性值反映區(qū)域的可達(dá)性。本文選擇了兩類研究節(jié)點(diǎn)：

公交站點(diǎn)：公交往往在固定的站點(diǎn)停靠，與出行者進(jìn)行交互的地點(diǎn)也僅為公交站點(diǎn)。因而選擇公交站點(diǎn)作為宏觀公交可達(dá)性的研究節(jié)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)算公交站點(diǎn)的可達(dá)性來(lái)衡量區(qū)域整體的公交可達(dá)性。

?居民住宅：住宅區(qū)是居民出行的主要起點(diǎn)，公交系統(tǒng)應(yīng)保證居民從住宅區(qū)出發(fā)到達(dá)各個(gè)目的地相對(duì)便利。通常以居民從家中出發(fā)到達(dá)其他區(qū)域的便利程度作為評(píng)價(jià)公交出行是否方便的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此在微觀層面，選擇居民住宅作為研究節(jié)點(diǎn)。

2.3 ?公交可達(dá)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

時(shí)間指標(biāo)：時(shí)間是公共交通可達(dá)性最基本、最重要的評(píng)估指標(biāo)之一。時(shí)間越短，可達(dá)性越好。當(dāng)研究對(duì)象是公共交通系統(tǒng)時(shí)，時(shí)間指標(biāo)是公共交通的運(yùn)行時(shí)間;當(dāng)研究對(duì)象為出行者時(shí)，時(shí)間指標(biāo)則是步行時(shí)長(zhǎng)和在車時(shí)間。

空間指標(biāo)：空間指標(biāo)用于評(píng)估從起點(diǎn)開始，在一定時(shí)間內(nèi)可以到達(dá)的地點(diǎn)或范圍。常用的空間評(píng)價(jià)指標(biāo)有可達(dá)距離、可達(dá)區(qū)域面積。此外，空間可達(dá)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)還包括POI、工作崗位數(shù)量等機(jī)會(huì)指標(biāo)。

2.4 ?公交可達(dá)性測(cè)度模型

（1）空間阻隔模型

3 ?基于ArcGIS的公交可達(dá)性測(cè)度

本研究基于ArcGIS建立了公交數(shù)據(jù)庫(kù)，采用上文建立的公交可達(dá)性測(cè)度模型并運(yùn)用ArcGIS空間分析功能設(shè)計(jì)了公交可達(dá)性測(cè)度流程，最后利用ArcGIS的可視化建模模塊Modelbuilder整合測(cè)度流程。

如圖1所示，黃色矩形為工具，藍(lán)色圓形是輸入要素，綠色圓形是輸出要素。用連接線將工具與要素相連，根據(jù)需要定義參數(shù)，運(yùn)行模型后獲取數(shù)據(jù)結(jié)果。

4 ?實(shí)例分析

本文選擇南京市秦淮區(qū)作為研究區(qū)域進(jìn)行公交可達(dá)性的測(cè)度和分析，秦淮區(qū)位于南京市主城中部，是南京市六個(gè)主城區(qū)之一。目前，秦淮區(qū)內(nèi)共有12個(gè)行政街道，90條公交線路（包括2條大站快車線路），220個(gè)公交站點(diǎn)，公交線網(wǎng)總里程558.3km，有公交經(jīng)過的道路網(wǎng)總里程122.3km。

4.1 ?宏觀公交可達(dá)性

（1）時(shí)間可達(dá)性

通過ArcGIS軟件計(jì)算秦淮區(qū)高峰時(shí)段的時(shí)間可達(dá)性，并采用反距離權(quán)重插值法進(jìn)行可視化處理，以5分鐘的時(shí)間間隔對(duì)可達(dá)性進(jìn)行分級(jí)。

如圖2所示，秦淮區(qū)公交時(shí)間可達(dá)性最優(yōu)區(qū)域集中在洪武街道、夫子廟街道和大光路街道交匯處，隨后向外擴(kuò)散，距離中心區(qū)域越遠(yuǎn)，時(shí)間可達(dá)性就越差。其主要原因是中心區(qū)域站點(diǎn)分布比較密集，且中心點(diǎn)距離秦淮區(qū)其他各區(qū)域也相對(duì)較近，連通性較好。相反，光華路街道處于秦淮區(qū)最東部，與中心區(qū)域距離較遠(yuǎn)，連通性較差，土地開發(fā)程度與秦淮區(qū)中西部地區(qū)相比較差，站點(diǎn)密度小、數(shù)量少，因而時(shí)間可達(dá)性較差。

（2）空間可達(dá)性

通過反距離權(quán)重法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行插值分析并可視化，采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)可達(dá)性分級(jí)。自然間斷點(diǎn)分級(jí)法能直觀地顯示各個(gè)分級(jí)之間的差異性。

如圖3所示，秦淮區(qū)公交空間可達(dá)性最優(yōu)區(qū)域集中在朝天宮街道、洪武街道和五老村街道的交界處，隨后向外擴(kuò)散，隨著距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，空間可達(dá)性也逐漸下降?？傮w來(lái)說(shuō)，東部區(qū)域空間可達(dá)性差，西北部區(qū)域空間可達(dá)性較好。其主要原因是：秦淮區(qū)西部區(qū)域是老城區(qū)，支路多，建筑密度大，而東部區(qū)域主要是園區(qū)和辦公區(qū)，支路少，路網(wǎng)密度小，整體上秦淮區(qū)的路網(wǎng)密度呈現(xiàn)西高東低的分布趨勢(shì)，路網(wǎng)密度的不同會(huì)使站點(diǎn)實(shí)際服務(wù)范圍有所差異，進(jìn)而影響公交的空間可達(dá)性;另外，秦淮區(qū)東部和西部的POI（興趣點(diǎn)）密度差距大，東部地區(qū)的POI密度較小，如楊莊村委會(huì)站位于光華路街道，其500米服務(wù)范圍內(nèi)的POI數(shù)量只有4，而西北部區(qū)域是以新街口商圈為中心的核心商業(yè)區(qū)，因而POI密度較大，如新街口·石鼓路站，處于五老村街道，其500米服務(wù)范圍內(nèi)的POI數(shù)量達(dá)到了3 211。

4.2 ?微觀公交可達(dá)性

考慮到數(shù)據(jù)獲取的難度和時(shí)耗，因此僅選擇秦淮區(qū)內(nèi)的居民住宅作為出發(fā)地，秦淮區(qū)的8所三甲醫(yī)院作為目的地，對(duì)秦淮區(qū)住宅的就醫(yī)公交可達(dá)性進(jìn)行實(shí)例分析，采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)可達(dá)性進(jìn)行分級(jí)。

如圖4所示，以各三甲醫(yī)院為中心，就醫(yī)可達(dá)性呈現(xiàn)向外輻射，逐步減弱的態(tài)勢(shì)。整體而言，除了最南部和最東部區(qū)域，其余大部分區(qū)域的就醫(yī)可達(dá)性級(jí)別均在較高及以上。各醫(yī)院的高可達(dá)性覆蓋范圍有一定的差異，如相比較其他醫(yī)院，南京市中醫(yī)院的高可達(dá)性覆蓋范圍是最小的。且經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與南京市中醫(yī)院臨近的紅花街道可達(dá)性較差，居民以該地區(qū)住宅為起點(diǎn)，乘坐公交前往南京市中醫(yī)院均需要進(jìn)行至少一次的換乘，缺乏直達(dá)的公交，這說(shuō)明了該地區(qū)以就醫(yī)為目的的公交出行方式較為不便。

5 ?總 ?結(jié)

?本文首先基于Python從高德開放平臺(tái)爬取了南京市秦淮區(qū)的交通數(shù)據(jù)。然后提出了公交可達(dá)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)、研究節(jié)點(diǎn)和評(píng)價(jià)層次，分別建立了宏觀和微觀層面的公交可達(dá)性測(cè)度模型，其中宏觀可達(dá)性包括時(shí)間和空間可達(dá)性。最后，基于ArcGIS空間分析技術(shù)設(shè)計(jì)了公交可達(dá)性測(cè)度流程，分析了南京市秦淮區(qū)的宏觀和微觀公交可達(dá)性。

?（1）在可達(dá)性的宏觀層面，秦淮區(qū)的時(shí)間和空間可達(dá)性均在中心點(diǎn)較高，然后向外輻射。西部地區(qū)比東部地區(qū)可達(dá)性更好。其中，由于東西部POI密度和路網(wǎng)密度的差異，東西部的空間可達(dá)性差異較為明顯。

?（2）在可達(dá)性的微觀層面，分析了秦淮區(qū)住宅的就醫(yī)可達(dá)性。距離醫(yī)院越近的地區(qū)，可達(dá)性就越高。研究發(fā)現(xiàn)，秦淮區(qū)中部和西部區(qū)域的就醫(yī)可達(dá)性較好，但東部和南部地區(qū)的就醫(yī)可達(dá)性較差，其中，南京市中醫(yī)院的高可達(dá)性覆蓋范圍最小，可能與其附近街道缺乏直達(dá)公交有關(guān)。

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收稿日期：2021-06-11

作者簡(jiǎn)介：謝國(guó)微（1996-），男，浙江溫州人，南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：交通規(guī)劃與管理;

錢林波（1962-），本文通訊作者，男，江蘇丹陽(yáng)人，南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，研究方向：交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)、城市交通治理、交通設(shè)計(jì)。