基于高分辨率遙感的城市路網(wǎng)分析及建設(shè)方案優(yōu)化研究

張林華

摘要 城市路網(wǎng)分析為城市交通規(guī)劃、管理和優(yōu)化提供了關(guān)鍵的信息和科學(xué)依據(jù)，但傳統(tǒng)分析存在局限性。因此，研究提出一種以高分辨率遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的城市路網(wǎng)分析方法，并針對性地提出建設(shè)方案的優(yōu)化意見。利用研究提出的方法后，路網(wǎng)分析平均檢測率為91.77%、平均虛警率為3.62%、平均檢測質(zhì)量為93.56%、方法平均運行時間為9.61 s，所有指標(biāo)均優(yōu)于對比方法。研究為城市路網(wǎng)發(fā)展提出的建設(shè)性優(yōu)化意見，對城市可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞 城市路網(wǎng)分析；高分辨率遙感技術(shù)；地理信息系統(tǒng)；方案優(yōu)化

中圖分類號 U495文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0030-03

0 引言

在當(dāng)代城市化的浪潮中，城市交通系統(tǒng)的規(guī)劃和管理成為確保城市可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)[1]。城市路網(wǎng)的合理設(shè)計和高效運行直接影響著居民的出行體驗、城市經(jīng)濟(jì)的繁榮以及環(huán)境的可持續(xù)性[2]。然而，傳統(tǒng)的城市規(guī)劃和交通管理方法在面對不斷增長的城市規(guī)模和復(fù)雜的交通需求時顯得力不從心[3]。首先，由于數(shù)據(jù)的不足和精度不高，對城市路網(wǎng)的實際情況理解有限[4]。其次，靜態(tài)的規(guī)劃方法難以應(yīng)對城市交通系統(tǒng)的復(fù)雜動態(tài)性，例如擁堵、交叉口效能等問題[5]。在這一背景下，高分辨率遙感（High-Resolution Remote Sensing，HRRS）技術(shù)嶄露頭角，為城市路網(wǎng)的深入研究提供了全新的視角。因此，研究采用高分辨率遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源，運用計算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行城市路網(wǎng)的特征提取與分割；然后，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的功能，進(jìn)行路網(wǎng)的全面分析，包括路網(wǎng)的連接性、密度、負(fù)荷度等多方面指標(biāo)。研究旨在揭示城市路網(wǎng)的瓶頸與潛在優(yōu)化空間，為城市路網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)提供更為科學(xué)、精準(zhǔn)的決策支持。

1 基于高分辨率遙感的城市路網(wǎng)分析

1.1 城市路網(wǎng)分析方法評價體系構(gòu)建

城市路網(wǎng)是由城市內(nèi)各種道路、交叉口、行人區(qū)域、交通標(biāo)識與設(shè)施、交叉口控制、公共交通設(shè)施等組成的龐大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。合理設(shè)計的城市路網(wǎng)能夠提高交通效率，減少擁堵，改善城市居民的出行體驗，然而傳統(tǒng)的城市路網(wǎng)分析與規(guī)劃方法存在數(shù)據(jù)不足和精度不高等問題。因此，研究提出以HRRS技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS的城市路網(wǎng)分析方法。在分析之前，首先研究構(gòu)建城市路網(wǎng)評價體系，通過明確的評價指標(biāo)和方法，客觀、全面地評估城市路網(wǎng)的各個方面，為制定合理的城市交通規(guī)劃和路網(wǎng)設(shè)計提供支持。研究將路網(wǎng)交通系統(tǒng)分為四部分，如圖1所示：

由圖1可知，城市路網(wǎng)交通系統(tǒng)由城市路網(wǎng)系統(tǒng)、城市交通監(jiān)測系統(tǒng)、城市交通流和城市交通控制系統(tǒng)四個部分構(gòu)成，各自承擔(dān)著關(guān)鍵作用。城市路網(wǎng)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，通過其連接性、密度和交叉口結(jié)構(gòu)等特征，為城市提供了交通通道，直接影響著交通的流動性和效率。城市交通監(jiān)測系統(tǒng)通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，提供對交通狀況的準(zhǔn)確了解，為交通管理者提供實時決策支持，確保交通系統(tǒng)處于良好狀態(tài)。城市交通流則是城市路網(wǎng)中運動的實體，包括車輛和行人，其分布和變化直接關(guān)系到交通的擁堵程度和效率。最后，城市交通控制系統(tǒng)通過智能化的設(shè)備如交通信號燈，協(xié)調(diào)交叉口的通行，優(yōu)化信號周期，提高通行能力，是確保城市交通系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵組成部分。這四者相互作用，共同推動城市交通系統(tǒng)健康、穩(wěn)定、持續(xù)地發(fā)展，不斷提高城市交通的效能和可持續(xù)性。

根據(jù)城市路網(wǎng)交通系統(tǒng)組成部分，研究從路網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能與路網(wǎng)交通質(zhì)量兩方面構(gòu)建城市路網(wǎng)評價體系。具體來說，在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能評價中，需要考慮路網(wǎng)密度、路網(wǎng)連通度、路網(wǎng)理想規(guī)模接近度、路網(wǎng)等級水平和路網(wǎng)鋪面率等五個方面的指標(biāo)。路網(wǎng)密度作為評價城市道路空間分布合理性的關(guān)鍵指標(biāo)，應(yīng)分別考慮城市高速路、一級路和二級路的密度，以反映不同等級道路的空間分布合理程度。路網(wǎng)連通度通過考察各節(jié)點的連通性，反映網(wǎng)絡(luò)的公路網(wǎng)絡(luò)布局的結(jié)構(gòu)特點。路網(wǎng)理想規(guī)模接近度則需要綜合考慮人口、區(qū)域面積和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素，為路網(wǎng)規(guī)模提供全面評價。

在路網(wǎng)交通質(zhì)量評價中，應(yīng)考慮路網(wǎng)平均車速、路網(wǎng)負(fù)荷度、路網(wǎng)擁擠率和路網(wǎng)可達(dá)性。路網(wǎng)平均車速以及路網(wǎng)負(fù)荷度從車速、道路通行能力和設(shè)計容量的角度，綜合評估路網(wǎng)的運輸能力和負(fù)荷情況。路網(wǎng)擁擠率則通過評估擁堵路段的長度與總路網(wǎng)長度的比例，為擁堵程度提供量化的指標(biāo)。路網(wǎng)可達(dá)性從時間和空間兩個方面，綜合評價居民外出所需的平均最短時間和距離，為城市形態(tài)研究提供重要的基礎(chǔ)指標(biāo)。

1.2 結(jié)合HRRS技術(shù)與GIS的城市路網(wǎng)分析

HRRS技術(shù)通過提供高精度、實時的影像數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對城市路網(wǎng)細(xì)部特征的準(zhǔn)確提取。GIS作為一個綜合性的工具，能夠整合并分析各類地理數(shù)據(jù)，包括HRRS技術(shù)獲取的高分辨率影像，從而為城市路網(wǎng)的空間分析和模擬提供強(qiáng)大的支持。因此，需要構(gòu)建HRRS影像處理流程。首先通過對高分辨率遙感影像的處理，然后采用加權(quán)法對彩色影像進(jìn)行灰度化，如式（1）所示：

g=0.3R+0.59G+0.11B （1）

式中，g——灰度值；R、G、B——紅綠藍(lán)三色分量。加權(quán)法充分考慮了不同顏色通道的亮度貢獻(xiàn)，使得灰度圖更能反映原始彩色影像的亮度和對比度特征。然后通過直方對比度變換和圖均衡化，調(diào)整圖像的對比度。接著，應(yīng)用中值濾波進(jìn)行平滑處理以減少噪聲影響。研究設(shè)計特定的數(shù)學(xué)模板用于道路提取，并通過數(shù)學(xué)模板的匹配方法識別和強(qiáng)調(diào)道路特征。匹配的原理如式（2）所示：

（2）

式中，D（i， j）——數(shù)學(xué)模板與HRRS影像的相似度；f——影像；t——模板；i、j——在x、y軸上的位移距離。D（i， j）越小，則數(shù)學(xué)模板與HRRS影像相似度越高，即影像與實際路網(wǎng)結(jié)構(gòu)越匹配。研究根據(jù)D（i， j）的數(shù)值能對影像進(jìn)行調(diào)整。為提高匹配精度，研究從四個角度對模板進(jìn)行約束，如式（3）所示：

（3）

式中，M——最佳匹配道路；l——道路的長度；w——道路的寬度；θ——道路前進(jìn)方向；s（x，y）——整個匹配影像。當(dāng)模板滿足M時，則找到最佳匹配道路。隨后，采用形態(tài)學(xué)運算和邊緣檢測進(jìn)一步改善道路形狀和連通性，突顯道路邊界。最后，應(yīng)用面向?qū)ο蟮膱D像處理方法，以更好地識別和分割圖像中的不同對象，例如道路和其他地物等。得到優(yōu)質(zhì)的HRRS影像后，研究能夠準(zhǔn)確提取城市路網(wǎng)的細(xì)部特征。

將HRRS影像輸入至GIS，能夠形成翔實的城市地理信息數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，研究能夠建模城市的道路網(wǎng)絡(luò)，包括道路、交叉口和路段等元素，為城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供數(shù)字化的表示。GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能允許進(jìn)行路徑規(guī)劃、最短路徑分析和交通流分析，從而評估交通擁堵、規(guī)劃新路線，并優(yōu)化交通流動性。通過交叉口分析，GIS可幫助評估交叉口的布局和通行能力，優(yōu)化設(shè)計和信號燈調(diào)度。同時，GIS的空間統(tǒng)計分析功能可評估城市不同區(qū)域的道路密度、交叉口分布和交通流量，為城市規(guī)劃提供支持。GIS通過可視化方式展示分析結(jié)果，為決策者提供直觀的信息，支持應(yīng)急管理、車輛行為模擬等方面的決策制定。綜合而言，GIS在城市路網(wǎng)分析中的作用不僅限于數(shù)據(jù)整合，更為城市規(guī)劃、管理和應(yīng)急響應(yīng)提供全面而科學(xué)的支持。

2 城市路網(wǎng)分析及建設(shè)方案優(yōu)化

2.1 HRRS技術(shù)與GIS的應(yīng)用效果驗證

為驗證研究內(nèi)容的有效性，需要對HRRS技術(shù)與GIS在城市路網(wǎng)實例分析中的應(yīng)用效果進(jìn)行檢測。因此，研究選取中國西南某城市城區(qū)與郊區(qū)接壤處。研究選擇此處考慮多方面因素。首先，這一地區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，既包括城市密集建筑和繁忙道路，又涉及相對較為寬闊的郊區(qū)道路，能全面檢驗HRRS技術(shù)與GIS在不同地理背景下的適用性。其次，交通模式的多樣性使得研究者能夠評估研究方法對不同交通情境的適應(yīng)性。此外，城區(qū)與郊區(qū)接壤處通常是城市規(guī)劃和發(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域，對于交通網(wǎng)絡(luò)的高效規(guī)劃和管理至關(guān)重要。因此，在這一區(qū)域應(yīng)用HRRS技術(shù)與GIS有助于更好地服務(wù)城市的規(guī)劃和發(fā)展需求。

研究采用3個指標(biāo)附帶運行時間，對路網(wǎng)分析的效果進(jìn)行評價。首先是檢測率，它衡量系統(tǒng)準(zhǔn)確識別實際存在的目標(biāo)（例如道路）的能力。其次是虛警率，表示系統(tǒng)錯誤地將不存在的目標(biāo)標(biāo)注為存在的概率。最后，檢測質(zhì)量綜合考慮檢測率和虛警率，為整體性能提供綜合評估。此外，研究選取4個方法進(jìn)行對比，分別是哈里斯角點探測（Harris Corner Detection，HCD）、均值漂移聚類（Mean-Shift Clustering，MSC）、遙感影像解譯（Remote Sensing Image Interpretation，RSII）以及基于圖的分割（Graph-based Segmentation，GBS）。應(yīng)用效果的檢測結(jié)果如表1所示。

由表1可知，HRRS技術(shù)與GIS在城區(qū)和郊區(qū)的城市路網(wǎng)分析中，各個指標(biāo)均優(yōu)于對比算法。具體來說，在城市城區(qū)，HRRS技術(shù)與GIS的四個指標(biāo)分別為93.34%、1.06%、95.18%以及8.94 s，而對于檢測率，四個對比方法中表現(xiàn)最好的是GBS，為91.07%，研究相比其提升了2.27%。對于虛警率，對比方法中表現(xiàn)最好的是GBS，為9.42%，研究相對其降低了8.36%。對于檢測質(zhì)量，表現(xiàn)最好的是MSC，為89.94%，研究提升5.24%。對于運行時間，表現(xiàn)最好的為GBS，為15.39 s，研究提升了6.45 s。在城市郊區(qū)，除HRRS技術(shù)與GIS外，表現(xiàn)最好的為MSC，各項指標(biāo)均位列第二，但研究與其相比四個指標(biāo)分別提升了9.05%、10%、5.77%以及21.59 s。

2.2 建設(shè)方案優(yōu)化與其效果驗證

針對HRRS技術(shù)與GIS在城市路網(wǎng)分析應(yīng)用中的優(yōu)秀效果，研究提出幾點城市路網(wǎng)建設(shè)方案的優(yōu)化建議。首先，利用HRRS技術(shù)獲取高分辨率的地形和用地信息，結(jié)合GIS進(jìn)行分析，為路網(wǎng)規(guī)劃提供翔實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其次，通過實時獲取城市交通流數(shù)據(jù)，包括道路流量和車輛速度等，利用GIS進(jìn)行空間分析，識別瓶頸區(qū)域，優(yōu)化交通流分布，提高整體交通效率。再利用GIS進(jìn)行城市風(fēng)險評估，結(jié)合HRRS獲取的地質(zhì)和氣象信息，為路網(wǎng)規(guī)劃提供安全性保障。最后，借助GIS技術(shù)建立城市規(guī)劃的在線平臺，鼓勵社會參與，收集居民反饋，增強(qiáng)規(guī)劃的透明度和社會可持續(xù)性。

研究利用城市路網(wǎng)分析方法評價體系對建設(shè)方案的優(yōu)化建議進(jìn)行驗證，針對體系中的9大指標(biāo)，對其進(jìn)行歸一化處理，并監(jiān)測實施建議前后的城市路網(wǎng)變化，結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）可知，實施建議后，路網(wǎng)密度從0.704提高到0.967。路網(wǎng)連通度由0.611提高到0.937，說明優(yōu)化方案有助于提高路網(wǎng)的節(jié)點連接性。路網(wǎng)理想規(guī)模接近度從0.643提升到0.82，表示路網(wǎng)規(guī)模更接近理想情況。路網(wǎng)等級水平由0.781提高到0.862，表明路網(wǎng)在等級劃分和規(guī)劃上得到了一定的優(yōu)化。路網(wǎng)鋪面率從0.62提高到0.865，表明路網(wǎng)的鋪設(shè)水平有了明顯提升。由圖2（b）可知，路網(wǎng)平均車速從0.719增加到0.97，表明交通流暢性得到了改善。路網(wǎng)負(fù)荷度由0.951減少至0.799，表示路網(wǎng)的負(fù)荷能力得到了一定改善，擁堵情況有所減輕。路網(wǎng)擁擠率從0.932減少至0.619，表明實施建議后，擁擠路段長度相對減少，路網(wǎng)整體擁擠情況有所改善。路網(wǎng)可達(dá)性由0.639提高到0.869，表明實施建議后，居民外出所需的平均最短時間和距離有了明顯優(yōu)化。

3 結(jié)論

針對傳統(tǒng)城市路網(wǎng)分析方法中存在的數(shù)據(jù)不足和精度不高等問題，研究構(gòu)建了城市路網(wǎng)分析方法評價體系，包括路網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能和路網(wǎng)交通質(zhì)量兩方面，并結(jié)合HRRS技術(shù)與GIS進(jìn)行了城市路網(wǎng)分析。選擇某城市城區(qū)與郊區(qū)接壤處作為實例，對研究內(nèi)容進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，HRRS技術(shù)與GIS在城市城區(qū)和郊區(qū)的實例中，檢測率、虛警率和檢測質(zhì)量等指標(biāo)均明顯優(yōu)于對比算法，如城區(qū)中的HRRS+GIS的檢測率為93.34%、虛警率為1.06%、檢測質(zhì)量為95.18%、運行時間為8.94s。進(jìn)一步，研究提出了城市路網(wǎng)建設(shè)方案優(yōu)化的幾點建議，通過對建議方案的評價體系進(jìn)行驗證，研究觀察到在實施建議后城市路網(wǎng)的密度、連通度、理想規(guī)模接近度、等級水平和鋪面率等結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)以及平均車速、負(fù)荷度、擁擠率和可達(dá)性等交通質(zhì)量指標(biāo)均取得了顯著改善?？傮w來說，研究在城市路網(wǎng)分析及建設(shè)方案優(yōu)化領(lǐng)域取得了積極成果。未來研究中，可進(jìn)一步優(yōu)化方法細(xì)節(jié)，加強(qiáng)模型的實用性和可操作性。

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