基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘的軌道交通車站步行可達(dá)性評估方法研究

劉海洲，邵毅明，彭 挺

學(xué)術(shù)探討

基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘的軌道交通車站步行可達(dá)性評估方法研究

劉海洲1, 2，邵毅明1，彭 挺2

（1. 重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶市交通規(guī)劃研究院，重慶 401147）

優(yōu)化軌道交通車站步行可達(dá)性對于提升城市品質(zhì)、充分發(fā)揮軌道交通對城市用地開發(fā)的帶動作用具有重要意義。針對既有研究在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、評估技術(shù)方法等方面的不足，探索利用互聯(lián)網(wǎng)快速獲取現(xiàn)狀步行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，并研究封閉小區(qū)背景下基于地塊的可達(dá)性計(jì)算方法。研究表明：所提出的軌道交通車站步行可達(dá)性評估方法具有較強(qiáng)的可操作性，并實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與處理過程的半自動化，提高了評估工作的效率。基于地塊的評估結(jié)果能夠用于后期的相關(guān)空間統(tǒng)計(jì)分析等，延展了評估結(jié)果的應(yīng)用場景。

軌道交通；步行交通；軌道車站；可達(dá)性評估；網(wǎng)絡(luò)爬蟲；空間疊加

目前一般通過計(jì)算軌道交通站點(diǎn)周邊500 m或800 m服務(wù)半徑內(nèi)的人口、崗位數(shù)量等來間接評價(jià)其服務(wù)水平或預(yù)測對應(yīng)的客流需求[1]。重慶山地城市特征明顯，部分區(qū)域地形高差變化較快，導(dǎo)致步行的實(shí)際可達(dá)區(qū)域往往遠(yuǎn)小于理論覆蓋范圍，這使得統(tǒng)計(jì)得到的人口、崗位數(shù)量偏大，客流預(yù)測結(jié)果的精確度也受到較為明顯的影響。因此，有必要結(jié)合步行網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際分布情況，更加科學(xué)地評估軌道車站對周邊用地的服務(wù)水平。

關(guān)于步行可達(dá)性的評估，既有研究主要分為定性分析和定量分析兩大類型。定性分析主要通過經(jīng)驗(yàn)判斷或人工調(diào)查的方法對現(xiàn)狀步行交通網(wǎng)絡(luò)所存在的問題進(jìn)行分析[2-5]。定量分析主要結(jié)合GIS軟件進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。冷紅等[6]以哈爾濱主城區(qū)為例，基于網(wǎng)絡(luò)分析方法，對公共開放空間的步行可達(dá)性進(jìn)行了模擬和分析。汪林等[7]分別基于矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)探討了地鐵站的步行可達(dá)性。任艷蕾等[8]基于柵格數(shù)據(jù)得到交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，并利用ArcGIS的OD成本矩陣分析了吸引點(diǎn)的步行可達(dá)性。房佳萱等[9]基于城市步行路網(wǎng)、公共服務(wù)興趣點(diǎn)和建筑分布等數(shù)據(jù)，評價(jià)了各類設(shè)施的步行可達(dá)性。彭輝等[10]針對各類設(shè)施設(shè)置不同的權(quán)重，研究了城市區(qū)域步行可達(dá)性綜合評價(jià)值。楊焱等[11]分析了路網(wǎng)阻隔、土地利用阻隔、圍墻阻隔、流線阻隔和天氣阻隔對地鐵站步行可達(dá)性的影響。游寧龍等[12]則基于GIS軟件對公園綠地的步行可達(dá)性進(jìn)行了評價(jià)。

既有研究主要從周邊各類設(shè)施可獲得性的角度，探討了步行可達(dá)性的綜合評價(jià)問題，對于優(yōu)化和改善城市步行交通系統(tǒng)具有重要意義，但在以下幾個方面還存在不足之處：①步行可達(dá)性的定量評估要求獲取準(zhǔn)確、詳細(xì)的步行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過人工調(diào)查的方法已越來越不能滿足使用需求，在沒有現(xiàn)狀步行網(wǎng)絡(luò)實(shí)時更新平臺支撐的情況下，有必要探討快速挖掘互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的技術(shù)方法；②既有研究注重于步行可達(dá)性評估結(jié)果的分析，但對于評估方法本身缺少必要的研究，如未考慮封閉小區(qū)步行通道僅限于小區(qū)內(nèi)部居民出行使用的實(shí)際情況；③可達(dá)性評估結(jié)果一般采用等時圈的形式，未考慮實(shí)際用地邊界的分布情況，導(dǎo)致后期用于相關(guān)的空間分析時精度受限。針對以上問題，重點(diǎn)探索利用互聯(lián)網(wǎng)快速獲取現(xiàn)狀步行通道數(shù)據(jù)的方法，并針對封閉式管理的小區(qū)，研究基于地塊的可達(dá)性計(jì)算方法，便于后續(xù)用于相關(guān)的空間統(tǒng)計(jì)分析。

1 步行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取與處理

1.1 步行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的初步獲取

如圖1所示，地圖采用分層管理的模式，即分別對道路、建筑等不同類型的要素進(jìn)行存儲。

圖1 地圖分層管理示意

Figure 1 Hierarchical management

步行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息是否足夠詳細(xì)和準(zhǔn)確，顯著影響著微觀層面的可達(dá)性評估結(jié)果。因此，現(xiàn)面向單個軌道交通車站的步行可達(dá)性評估需求，利用步行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確和詳細(xì)的高德導(dǎo)航地圖，在標(biāo)準(zhǔn)地圖樣式的基礎(chǔ)上，刪除不需要的圖層(如行政邊界、綠地、河流、建筑、標(biāo)注等)，只保留各等級道路和天橋、地道等通道信息，并統(tǒng)一設(shè)定線條的顯示寬度和顏色，得到自定義地圖樣式。在此基礎(chǔ)上，通過python編程將研究范圍內(nèi)的自定義地圖以圖片的形式爬取到本地電腦，并記錄坐標(biāo)信息。

其中，采用python語言自動爬取地圖信息的基本過程為：①發(fā)布自定義的高德地圖樣式，得到訪問所需的ID號；②根據(jù)地圖樣式ID號，以某坐標(biāo)點(diǎn)為中心點(diǎn)，構(gòu)建調(diào)用自定義地圖的html；③結(jié)合電腦屏幕像素尺寸、地圖不同縮放級別對應(yīng)的像素分辨率等信息，通過Python語言編程，實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算截圖數(shù)量和截圖中心點(diǎn)坐標(biāo)，批量截取自定義地圖并保存坐標(biāo)信息等功能；④根據(jù)截圖瓦片和對應(yīng)的坐標(biāo)文件，采用ArcGIS軟件將數(shù)據(jù)拼接在一起。

1.2 數(shù)據(jù)的矢量化處理

利用ArcGIS軟件對步行網(wǎng)絡(luò)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，即根據(jù)像素對應(yīng)的顏色值將柵格數(shù)據(jù)重新劃分為兩類，并采用ArcScan模塊進(jìn)行矢量化處理(矢量化過程示意見圖2)。

圖2 柵格圖像矢量化示意

Figure 2 Vectorization of raster image

1.3 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)。獲取的步行網(wǎng)絡(luò)矢量數(shù)據(jù)為地理坐標(biāo)系統(tǒng)，即GCJ-02經(jīng)緯度坐標(biāo)。為便于后續(xù)計(jì)算，需要通過相關(guān)的測繪部門將其轉(zhuǎn)換為國家或地方投影坐標(biāo)。

剔除機(jī)動車專用通道。部分路段僅限機(jī)動車通行，未設(shè)置相應(yīng)的人行通道，如過江隧道、高架橋、立交匝道等區(qū)域。由于初步獲取的步行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)際上并未區(qū)分機(jī)動車專用通道，因此需要結(jié)合實(shí)地調(diào)查或地圖導(dǎo)航數(shù)據(jù)剔除部分無關(guān)通道或路段。

修正路段線形數(shù)據(jù)。在對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理時，若通道之間的平面距離較小(見圖3)，可能無法得到正確的矢量圖形，這類情況主要發(fā)生在高架橋、立體交叉口等交叉關(guān)系較為復(fù)雜的區(qū)域。通過調(diào)整矢量化過程中的最大線寬、噪聲級別、壓縮容差、平滑權(quán)重、空洞大小等參數(shù)，能夠有效控制矢量化過程中所出現(xiàn)的錯誤數(shù)量。針對個別無法避免的錯誤，需要人工予以糾正。

圖3 路段線形修正示意

Figure 3 Schematic of road alignment correction

修正節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系。在進(jìn)行矢量化處理時，無法識別道路的立體空間關(guān)系，因此分離式道路也將平面相交于一點(diǎn)，需要進(jìn)行人工修正(見圖4)。與此同時，由于道路兩側(cè)人行道中心線與人行天橋、過街地道的中心線往往并未重合，矢量化處理后將出現(xiàn)互不相連的情況(見圖5)，同樣需要人工予以修正。

2 步行可達(dá)性評估

2.1 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)初步構(gòu)建

標(biāo)準(zhǔn)化處理后的步行網(wǎng)絡(luò)由首尾相接的各條線段組合而成，但線段之間的轉(zhuǎn)換銜接關(guān)系并未建立，因此無法進(jìn)行與路徑搜索有關(guān)的計(jì)算。針對如圖6所示的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，基于ArcGIS軟件可自動構(gòu)建對應(yīng)的鄰接關(guān)系矩陣(見表1)，進(jìn)一步將表中數(shù)據(jù)調(diào)整為路段的實(shí)際長度或步行所需的時間，即可進(jìn)行相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)分析。

圖4 立體交叉節(jié)點(diǎn)處理示意

Figure 4 Schematic for node treatment of interchange

圖5 人行天橋與道路人行道相交節(jié)點(diǎn)處理示意

Figure 5 Node treatment of pedestrian overpass and sidewalk

圖6 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)示意

Figure 6 Schematic of topological network

表1 鄰接關(guān)系矩陣示意

2.2 非公用步行通道轉(zhuǎn)彎設(shè)置

由于實(shí)際中封閉小區(qū)的存在，部分步行通道僅限于小區(qū)內(nèi)部的居民出行使用(見圖7)。為更真實(shí)地評估軌道交通車站的步行可達(dá)性，需要對這類步行通道進(jìn)行特殊處理。

圖7 封閉小區(qū)示意

Figure 7 Schematic of closed community

一般情況下，網(wǎng)絡(luò)的最短路徑搜索和路徑長度、行程時間是基于同一個鄰接關(guān)系矩陣而計(jì)算得到的，這使得無法在保證小區(qū)內(nèi)部居民正常使用非公用步行通道的情況下，避免外部的出行者穿越小區(qū)。

在傳統(tǒng)路徑搜索算法的基礎(chǔ)上，針對封閉小區(qū)內(nèi)部道路設(shè)置轉(zhuǎn)向處罰，并用于最短路徑搜索。以圖8所示的節(jié)點(diǎn)⑧為例，假設(shè)其與節(jié)點(diǎn)⑤、節(jié)點(diǎn)⑦和節(jié)點(diǎn)⑨之間的路段長度均為100 m，則當(dāng)節(jié)點(diǎn)⑤的出行者通過節(jié)點(diǎn)⑧到達(dá)節(jié)點(diǎn)⑦或節(jié)點(diǎn)⑨時，設(shè)置10倍的轉(zhuǎn)向處罰，即對應(yīng)的路徑長度將由200 m增加到2 000 m，從而避免非必須的過境出行使用封閉小區(qū)內(nèi)部道路。對于小區(qū)內(nèi)部的出行者而言，由于其必須使用這些道路才能完成出行目的，因此在計(jì)算最短路徑對應(yīng)的實(shí)際長度或時間時，不應(yīng)使用10倍的轉(zhuǎn)向處罰值。也就是說，本文所提出的轉(zhuǎn)向處罰僅用于最短路徑搜索，而不參與最短路徑長度或時間的計(jì)算。

圖8 非公用步行通道示意

Figure 8 Sketch of non-public pedestrian access

2.3 基于地塊的步行可達(dá)性評估

直接根據(jù)構(gòu)建的步行網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可達(dá)性評估，雖然能夠較為直觀地識別步行通道密度不足或連通性較差的區(qū)域，但由于不同時空圈層是通過插值的方法近似繪制而成，并未考慮實(shí)際的用地邊界情況，導(dǎo)致評估結(jié)果較難用于后期對精度要求較高的相關(guān)空間統(tǒng)計(jì)分析。如圖9所示，地塊①、地塊③、地塊④和地塊⑥部分區(qū)域在軌道車站出入口5 min步行等時圈范圍內(nèi)，由于地塊①和地塊⑥的小區(qū)出入口在遠(yuǎn)離軌道車站出入口一側(cè)，導(dǎo)致實(shí)際的步行時間大于5 min，即出行者從軌道站出入口出發(fā)，在5 min內(nèi)能夠到達(dá)地塊③和地塊④，而無法到達(dá)地塊①和地塊⑥。

圖9 軌道站出入口步行等時圈示意

Figure 9 Schematic of walking isochronous circle at the entrance and exit of railway station

為實(shí)現(xiàn)基于用地邊界的步行可達(dá)性評估，需要在收集現(xiàn)狀建設(shè)用地邊界數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用高德地圖提取小區(qū)出入口POI數(shù)據(jù)，并結(jié)合街景地圖人工補(bǔ)充開放小區(qū)出入口，整理得到較為準(zhǔn)確全面的用地邊界和出入口數(shù)據(jù)。其中POI數(shù)據(jù)的提取方法較為成熟，在此不再贅述。

通過ArcGIS最短路徑搜索算法，可計(jì)算任意小區(qū)出入口與軌道站出入口之間的最短步行時間，并通過空間疊加技術(shù)，將每個節(jié)點(diǎn)對之間的最短步行時間屬性賦值到對應(yīng)的用地上，即完成基于地塊的軌道車站出入口步行可達(dá)性評估。如圖10所示，通過空間疊加技術(shù)，得到地塊最近和最遠(yuǎn)出入口至軌道站出入口的最短步行時間(分別采用紅色和藍(lán)色數(shù)字表示)。

圖10 空間疊加計(jì)算示意

Figure 10 Schematic of spatial superposition calculation

3 實(shí)例分析

以重慶市主城區(qū)地鐵10號線鯉魚池軌道車站為例，其共建設(shè)5個出入口(現(xiàn)狀僅開通2A和3A兩個出入口)，且主要布置于建新東路兩側(cè)。軌道車站臨近長安汽車股份有限公司，周邊以居住和商業(yè)用地為主，南側(cè)部分用地處于拆遷狀態(tài)。周邊道路主要包括建新東路和鯉魚池路，其他道路連通性較差，尤其是步行至北濱一路需繞行較遠(yuǎn)。鯉魚池站周邊現(xiàn)狀情況如圖11所示。其中，為便于后續(xù)的直觀比較分析，以軌道車站的各個出入口為中心，分別繪制250 m和500 m服務(wù)半徑的包絡(luò)線。

圖11 鯉魚池車站周邊現(xiàn)狀情況

Figure 11 Current situation around Liyuchi railway station

1) 步行可達(dá)性評估。采用前文所述方法，獲取軌道車站周邊步行通道、地塊邊界及小區(qū)出入口等數(shù)據(jù)。參考相關(guān)研究成果，設(shè)定步行速度為1.2 m/s，并以軌道車站出入口為可達(dá)性評估的基點(diǎn)，計(jì)算得到出行者步行至周邊地塊所需的時間，如圖12所示。

按照1.2 m/s的步行速度，5 min和10 min對應(yīng)的理論步行距離分別為360 m和720 m。若假設(shè)出行路徑的非直線系數(shù)為1.4，則服務(wù)半徑應(yīng)分別達(dá)到250 m和500 m。因此，若250 m和500 m服務(wù)半徑內(nèi)的地塊至軌道車站出入口的最短步行時間，分別超過5 min和10 min，則對應(yīng)區(qū)域的步行通道可能存在密度不足或連通性較差等問題。

圖12 鯉魚池軌道車站步行可達(dá)性評估

Figure 12 Walking accessibility evaluation of Liyuchi railway station

與此同時，同一圈層內(nèi)的相鄰地塊至軌道車站出入口的最短步行時間應(yīng)大致相當(dāng)，若某地塊對應(yīng)的最短步行時間出現(xiàn)突變的情況，同樣表明該方向可能缺少便捷的步行通道。

借助于步行可達(dá)性評估結(jié)果，可以直觀地識別與軌道車站聯(lián)系不便的地塊。分別計(jì)算軌道車站2A出入口至現(xiàn)狀超大地塊—龍湖地產(chǎn)春森彼岸3個小區(qū)出入口的最短步行路徑，如圖13所示。可以看出，雖然東、西兩個區(qū)域至最近軌道車站出入口的空間直線距離分別僅為400 m和240 m，但實(shí)際的步行距離分別達(dá)到了1 600 m和1 250 m。一方面，受地形高差變化較大的影響，建新東路與北濱一路之間缺乏順直的步行通道，導(dǎo)致出行者沿現(xiàn)狀道路兩側(cè)的人行道行進(jìn)需繞行較遠(yuǎn)。另一方面，春森彼岸地塊開口主要靠南側(cè)布置，遠(yuǎn)離鯉魚池站軌道出入口。

同樣地可以發(fā)現(xiàn)融景城·朗峰、長安·麒麟公館、兩江職業(yè)教育中心、山水天城、勤儉二村小區(qū)等地塊與軌道車站之間也缺少便捷的步行聯(lián)系通道。在此基礎(chǔ)上，可以有針對性地提出如下的優(yōu)化建議：①后續(xù)結(jié)合城市更新等新增軌道出入口連接至北濱一路，通道距離約300 m；②建議龍湖·春森彼岸、融景城·朗峰新增行人出入口，并協(xié)調(diào)春森彼岸北側(cè)地塊物業(yè)，修建人行專用通道；③協(xié)調(diào)長安汽車股份有限公司，打通向西和向北的聯(lián)系道路，或新增專用的人行步道；④打通兩江職業(yè)教育中心南側(cè)的出入通道。鯉魚池軌道站周邊步行交通優(yōu)化建議見圖14。

從上述的實(shí)例分析看出，本文所提出的軌道交通車站步行可達(dá)性評估方法具有較強(qiáng)的可操作性。通過直觀的評估結(jié)果，相關(guān)工作人員可以較為快速、準(zhǔn)確地識別現(xiàn)狀步行網(wǎng)絡(luò)所存在的問題，進(jìn)而有針對性地提出優(yōu)化和改善建議。與此同時，由于步行網(wǎng)絡(luò)、小區(qū)出入口等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取與處理過程實(shí)現(xiàn)了半自動化，提高了評估的工作效率。

圖13 周邊地塊與鯉魚池軌道車站之間的步行通道示意

Figure 13 Sketch map of pedestrian access between the surrounding land block and Liyuchi railway station

圖14 鯉魚池軌道車站周邊步行交通優(yōu)化建議

Figure 14 Optimization of pedestrian traffic around Liyuchi railway station

4 結(jié)語

針對軌道交通車站既有步行可達(dá)性評估方法在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的快速獲取、非公用步行通道的差異化使用、定量化評估結(jié)果的可用性等方面的不足，提出基于導(dǎo)航地圖快速提取步行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的一整套技術(shù)方法。在構(gòu)建步行拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，考慮封閉小區(qū)對步行可達(dá)性評估的影響，對非公用步行通道進(jìn)行轉(zhuǎn)彎處罰，優(yōu)化最短路徑選擇方法。借助于ArcGIS的空間疊加技術(shù)，提出基于地塊的步行可達(dá)性評估方法，使得評估結(jié)果能夠用于后期的相關(guān)空間統(tǒng)計(jì)分析等，延展了評估結(jié)果的應(yīng)用場景。

由于研究時間有限，所提方法暫未實(shí)現(xiàn)機(jī)動車專用通道的自動篩選和處理，以及現(xiàn)狀地塊邊界的快速獲取，后續(xù)有必要在這些方面繼續(xù)深化研究。

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Evaluation Method of Walking Accessibility of Railway Station Based on Internet Data Mining

LIU Haizhou1, 2, SHAO Yiming1, PENG Ting2

(1. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074; 2. Chongqing Traffic Planning and Research Institute, Chongqing 401147)

It is important to optimize the walking accessibility of rail stations for improving the quality of urban environments and fully consider the driving role of rail transit in the development of urban land. In view of the shortcomings of existing research on basic data acquisition and evaluation methods, the technology of using an Internet platform to quickly obtain the current pedestrian network data is explored herein, and a block-based accessibility calculation method under the background of closed communities is studied. The research shows that the proposed method has strong operability and realizes semi- automation of basic data acquisition and processing, whereby the efficiency of the evaluation is improved. The evaluation results based on the land block can be used for the relevant spatial statistical analysis during the subsequent development stage, which extends the application scenario of the evaluation results.

rail transit; pedestrian traffic; rail station; accessibility assessment; web crawler; spatial superposition

U491.1

A

1672-6073(2021)02-0079-07

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.013

2020-02-17

2020-05-25

劉海洲，男，博士研究生，正高級工程師，從事道路和軌道交通規(guī)劃的研究，63666563@qq.com

邵毅明，男，教授，博士生導(dǎo)師

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部軟科學(xué)研究項(xiàng)目(2018-R2-014)

劉海洲，邵毅明，彭挺. 基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘的軌道交通車站步行可達(dá)性評估方法研究[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：79-85.

LIU Haizhou, SHAO Yiming, PENG Ting. Evaluation method of walking accessibility of railway station based on internet data mining[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 79-85.

（編輯：郝京紅）