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(duì)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(cè)率為91.77%、平均虛警率為3.62%、平均檢測(cè)質(zhì)量為93.56%、方法平均運(yùn)行時(shí)間為9.61 s，所有指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)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(duì)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(hào) U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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(jì)和高效運(yùn)行直接影響著居民的出行體驗(yàn)、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(duì)不斷增長的城市規(guī)模和復(fù)雜的交通需求時(shí)顯得力不從心[3]。首先，由于數(shù)據(jù)的不足和精度不高，對(duì)城市路網(wǎng)的實(shí)際情況理解有限[4]。其次，靜態(tài)的規(guī)劃方法難以應(yīng)對(duì)城市交通系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)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(yùn)用計(jì)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(píng)價(jià)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(shí)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(jì)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(yàn)，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(píng)價(jià)體系，通過明確的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，客觀、全面地評(píng)估城市路網(wǎng)的各個(gè)方面，為制定合理的城市交通規(guī)劃和路網(wǎng)設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)、城市交通流和城市交通控制系統(tǒng)四個(gè)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(dòng)性和效率。城市交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集，提供對(duì)交通狀況的準(zhǔn)確了解，為交通管理者提供實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)的實(shí)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(hào)燈，協(xié)調(diào)交叉口的通行，優(yōu)化信號(hào)周期，提高通行能力，是確保城市交通系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵組成部分。這四者相互作用，共同推動(dòng)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(píng)價(jià)體系。具體來說，在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)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(jí)水平和路網(wǎng)鋪面率等五個(gè)方面的指標(biāo)。路網(wǎng)密度作為評(píng)價(jià)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(jí)路和二級(jí)路的密度，以反映不同等級(jí)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(diǎn)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(diǎn)。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(píng)價(jià)。

在路網(wǎng)交通質(zhì)量評(píng)價(jià)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(jì)容量的角度，綜合評(píng)估路網(wǎng)的運(yùn)輸能力和負(fù)荷情況。路網(wǎng)擁擠率則通過評(píng)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(shí)間和空間兩個(gè)方面，綜合評(píng)價(jià)居民外出所需的平均最短時(shí)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(shí)時(shí)的影像數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)城市路網(wǎng)細(xì)部特征的準(zhǔn)確提取。GIS作為一個(gè)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(duì)高分辨率遙感影像的處理，然后采用加權(quán)法對(duì)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(duì)比度特征。然后通過直方對(duì)比度變換和圖均衡化，調(diào)整圖像的對(duì)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(jì)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(shí)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(shí)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(duì)影像進(jìn)行調(diào)整。為提高匹配精度，研究從四個(gè)角度對(duì)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(gè)匹配影像。當(dāng)模板滿足M時(shí)，則找到最佳匹配道路。隨后，采用形態(tài)學(xué)運(yùn)算和邊緣檢測(cè)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(shí)別和分割圖像中的不同對(duì)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(shí)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(píng)估交通擁堵、規(guī)劃新路線，并優(yōu)化交通流動(dòng)性。通過交叉口分析，GIS可幫助評(píng)估交叉口的布局和通行能力，優(yōu)化設(shè)計(jì)和信號(hào)燈調(diào)度。同時(shí)，GIS的空間統(tǒng)計(jì)分析功能可評(píng)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(yàn)證

為驗(yàn)證研究內(nèi)容的有效性，需要對(duì)HRRS技術(shù)與GIS在城市路網(wǎng)實(shí)例分析中的應(yīng)用效果進(jìn)行檢測(cè)。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(duì)較為寬闊的郊區(qū)道路，能全面檢驗(yàn)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(píng)估研究方法對(duì)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(duì)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(gè)指標(biāo)附帶運(yùn)行時(shí)間，對(duì)路網(wǎng)分析的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先是檢測(cè)率，它衡量系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別實(shí)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(cuò)誤地將不存在的目標(biāo)標(biāo)注為存在的概率。最后，檢測(cè)質(zhì)量綜合考慮檢測(cè)率和虛警率，為整體性能提供綜合評(píng)估。此外，研究選取4個(gè)方法進(jìn)行對(duì)比，分別是哈里斯角點(diǎn)探測(cè)（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(cè)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(gè)指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)比算法。具體來說，在城市城區(qū)，HRRS技術(shù)與GIS的四個(gè)指標(biāo)分別為93.34%、1.06%、95.18%以及8.94 s，而對(duì)于檢測(cè)率，四個(gè)對(duì)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(duì)于虛警率，對(duì)比方法中表現(xiàn)最好的是GBS，為9.42%，研究相對(duì)其降低了8.36%。對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量，表現(xiàn)最好的是MSC，為89.94%，研究提升5.24%。對(duì)于運(yùn)行時(shí)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(xiàng)指標(biāo)均位列第二，但研究與其相比四個(gè)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(yàn)證

針對(duì)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(diǎn)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(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其次，通過實(shí)時(shí)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(shí)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(xiǎn)評(píng)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(tái)，鼓勵(lì)社會(huì)參與，收集居民反饋，增強(qiáng)規(guī)劃的透明度和社會(huì)可持續(xù)性。

研究利用城市路網(wǎng)分析方法評(píng)價(jià)體系對(duì)建設(shè)方案的優(yōu)化建議進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)體系中的9大指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，并監(jiān)測(cè)實(shí)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(shí)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(diǎn)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(jí)水平由0.781提高到0.862，表明路網(wǎng)在等級(jí)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(shí)施建議后，擁擠路段長度相對(duì)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(shí)施建議后，居民外出所需的平均最短時(shí)間和距離有了明顯優(yōu)化。

3 結(jié)論

針對(duì)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(píng)價(jià)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(shí)例，對(duì)研究內(nèi)容進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，HRRS技術(shù)與GIS在城市城區(qū)和郊區(qū)的實(shí)例中，檢測(cè)率、虛警率和檢測(cè)質(zhì)量等指標(biāo)均明顯優(yōu)于對(duì)比算法，如城區(qū)中的HRRS+GIS的檢測(cè)率為93.34%、虛警率為1.06%、檢測(cè)質(zhì)量為95.18%、運(yùn)行時(shí)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(diǎn)建議，通過對(duì)建議方案的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行驗(yàn)證，研究觀察到在實(shí)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(jí)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。總體來說，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(shí)用性和可操作性。

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