基于空间阻隔和空间句法的城市路网可达性分析及比较

王 元，郑贵省，王 鹏

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161;2.军事交通学院基础部，天津300161)

可达性(accessibility)的概念最早由美国学者于1959年提出，并将其定义为“交通网络中节点相互作用的机会大小”。此后，可达性在城市规划、交通地理、区域经济等众多科学领域里受到广泛关注，也因此产生了对于可达性概念的不同理解。对于可达性概念理解的差异，本质上来源于可达性不同层面的涵义［1］。从交通运输这一客观层面理解，可达性即为各点之间交通的便捷程度，简单地说，指从一个地方到另一个地方的容易程度。

按照交通网络的表现不同，可达性度量的方法主要分为基于几何网络的可达性度量方法和基于拓扑网络的可达性度量方法。建立在几何网络上的可达性度量方法主要包括空间阻隔法、距离法、累积机会法、等值线法、重力模型法、平衡系数法、时空法以及效用法等。建立在拓扑网络上的可达性度量方法，可划分为基于矩阵的拓扑法与基于空间句法的拓扑法。两类中应用最为广泛的度量方法分别是空间阻隔法和空间句法，本文结合实例采用上述两种方法分析了城市路网的可达性，并对两种方法的分析结果作了分析和比较。

1 可达性度量方法

1.1 空间阻隔法

空间阻隔法单纯地基于图形理论来研究区域中网络节点的可达性，认为可达性计算就是计算空间阻隔程度，阻隔程度越低，可达性越好。它不考虑出行的目的，评价指标为

式中:Ai为区域内节点i的可达性;A为整个网络的可达性;n为目的地节点个数;dij为节点i、j间的空间阻隔，可以为距离、时间或费用等，在此表示区域内节点i通过交通网络到达节点j的最短通行时间。

指标Ai表示交通网络里任一节点到其他所有节点的出行时间的平均值，描绘了到达该点的便捷程度。指标A用整个道路网络的可达性平均时间来反映了整个道路网络的可达性水平。

1.2 空间句法

空间句法是从数理量化的角度来研究空间形态的一种理论，这里所指的“空间”是指与实体相对立的物质形态，即人们可穿行和使用的物质虚体。空间句法所关注的并非空间目标间的实际距离，而是彼此间的通达性和关联性。

空间句法基本原理是对空间进行尺度划分和空间分割，3种基本的空间分割方法是轴线法、凸状法和视区法。根据不同的空间尺度，空间分割的方法不同，本文基于城市层面的空间研究采用轴线法。轴线分析法是指用穿过所有街道的最少最长的轴线来表示城市中的道路网络，从而将整个路网分割为一系列较小的空间，即街道段;然后将这些街道段表达为无向、无权重的图的顶点，构成新的网络拓扑图［2］;最后运用图论的方法推导出一系列形态分析变量，如连接值、控制值、节点深度、局部集成度与整体集成度、不对称性等一系列基于拓扑计算的形态变量。其中，平均深度值可表示该点所居位置便捷度的比较值，不对称性值可表示该点居于整体性系统中的便捷程度，可用来衡量可达性水平。

(1)深度值。规定两个邻接节点间的距离为一步，则从一个节点到另一个节点间的最短路程(即最少步数)就是这两个节点间的深度值。它主要表达空间转换的次数，而不是指实际距离。

(2)平均深度值。系统中某个节点到其他所有节点的最短路程(即最少步数)的平均值，即称为该节点的平均深度值，平均深度值MDi可表示为

式中:dij为节点i和节点j间的空间阻隔;n为拓扑关系图中的节点数目。

(3)不对称性(relative asymmetry)。由于平均深度值的大小在很大程度上取决于系统中节点的数目。为剔除系统中元素数量的干扰，PSteadman［3］改进了计算方法，用相对不对称值RAi将其标准化。因此，不对称性值用于对比两个关系图解中不同节点的便捷程度，即

(4)可达性评价指标。为符合数值越高可达性越高的习惯，以RAi的倒数作为可达性指标:

2 可达性实例分析

2.1 分析步骤

以天津市和平区的公路网络数据为研究的基础数据，图1为提取出的和平区的道路网络图。根据JT—GD20—2006《公路路线设计规范》，并结合实际情况，为不同等级公路赋予行车速度属性:高速公路 120 km/h，国道 100 km/h，省道 80 km/h，县道 60 km/h，其他公路 30 km/h［4］。

图1 天津市和平区道路网

分别采用空间阻隔法和空间句法对天津市和平区道路网的可达性进行定量分析及比较。采用ArcGIS软件进行分析，建立路网的Network数据集。

(1)空间阻隔法。采用ArcGIS软件中的Network Analyst网络分析工具模块，构建OD成本矩阵来分析各节点间的最短行程时间。首先，根据各路段的里程和行车速度属性计算各路段的行程时间并添加作为一个属性字段;之后，构建OD成本分析矩阵并以行程时间作为阻抗字段，添加所有的交通节点为起始点和目的地点;经过分析即可得到各节点间的最短行程时间，处理后即可得到各节点的可达性指标。

(2)空间句法。采用ArcGIS的插件Axwomen6.0，首先按照空间句法的原理绘制轴线图。根据空间句法分析原理，在轴线分析图的构建中，除了考虑河流、桥梁及其他重要建筑物、构筑物等对空间的分割作用外，同时考虑不同道路的等级关系:高速公路、快速路作为同一级别，相互之间交叉时互相分割为不同路段;主干路之间相互交叉时互相分割为不同路段;主干路与快速路、高速公路相交时分割为不同路段。之后根据轴线图建立的拓扑关系计算空间句法变量［5］。

2.2 分析结果

(1)空间阻隔法。如图2所示，图中较大节点表示可达性较高的路网节点。分析结果显示可达性较高的节点主要分布在南京路、鞍山道、万全道、哈密道、锦州道、长春道、新疆路、青海路、甘肃路、宁夏路、陕西路、山西路、林里路、蒙古路区域，以及个别节点较为密集且靠近主要路段的地域。

(2)空间句法。如图3所示，粗线表示的路段为可达性较高的路段。分析结果显示可达性较高的路段主要集中在营口道、南京路、和平路商业街以及多伦道围成的区域里，此外新兴路、贵州路、贵阳路、昆明路和西宁道也具有较高的可达性，具有最高可达性的路段为新华路。

3 可达性评价结果对比分析

3.1 特点分析

(1)从可达性分析结果看。空间阻隔法和空间句法分析城市路网的可达性总体一致，可达性较高的区域都主要分布在路网比较密集的鞍山道、南京路、营口道以及新华路所围成的区域内，但是也存在着一定的差异。空间阻隔法分析的具有较高可达性的区域集中在南京路、营口道和贵州路，气象台路、西康路和新兴路的可达性相对较低;而空间句法的分析结果显示气象台路、西康路和新兴路却具有较高的可达性。

图2 空间阻隔法分析结果

图3 空间句法分析结果

(2)从分析的原理上看。空间阻隔法建立在几何网络之上，以行程时间作为空间阻隔的程度来度量可达性;而空间句法是建立在拓扑网络之上的可达性度量方法，以拓扑距离为基础来度量路网的可达性。两者分析可达性的基础和角度不同。

(3)从可达性的概念出发。可达性主要受到土地利用、交通系统、时间和个体差异等4个因素的影响。空间阻隔法考虑的是交通和时间的因素，涉及的因素较少，易于理解。基于几何网络的其他可达性度量方法则是在空间阻隔法的基础之上考虑其他的影响因素而建立起来的。空间句法融合了个体对环境的心理认知，考虑了心理可达性，对路径的选择具有主动权。空间句法的理论认为人作为对“作用客体”选择与使用的行为主体，处于最能动的地位，不同主体的行为选择也存在一定的差异性，但由于行为主体对空间环境的认知及主体的社会需求存在极大的共性特征，空间格网在一定程度上决定了人流的运动，由此，在空间环境中，群体的行为选择与空间格网结构存在高度的关联性。

(4)从研究工作的特色来看。两种度量方法的研究工作也各具特色;空间阻隔法常作为基础可达性指标参与路网空间格局研究，具有直观、简洁的特点。空间句法将复杂的网络可达性运算转换成为矩阵运算，所需的数据量小、计算简单。

3.2 不足之处

(1)空间阻隔法。过于直观和简单，在实际应用中单独使用最短行程时间来度量可达性，考虑的因素较少，忽视了路网的空间形态，结果不够精确，也会受到很多的限制，如获取的数据有限等，还需要在此基础上进一步改进。

(2)空间句法。该理论目前处于发展完善的过程当中，其分析方法仍欠缺一定的严密性。由于现实世界的复杂性，空间句法在实际的应用中，所模拟的环境与现实有一定差异。如轴线模型中，所提取的道路网络本身只是一种近似模拟，现阶段的研究方法中并不能反映出立交桥、地铁等情况，其二维的平面表示方法也无法模拟高程差等所形成的三维世界。此外，我们在道路网络的提取中也存在着一定的人为主观因素，对于同一道路网络系统，不同人所提取的道路网络可能不尽相同［6］。

4 结语

基于几何网络的空间阻隔法和基于拓扑网络的空间句法均可应用于网络的可达性度量。由于两种方法可达性度量指标的选取以及度量方式的不同，使度量过程以及产生的度量结果各具特色。

路网可达性是一个综合问题，由于各种可达性度量方法针对不同的应用领域提出，侧重点各不相同，导致度量因子数目众多、适宜性差别巨大，因此，如何选择适宜的度量方法将是需要研究的问题。这就需要对多种可达性度量方法进行综合研究，在此基础上建立完善的可达性度量体系，进而构建可达性度量方法适宜性模型，以实现可达性度量方法的统一管理与度量因子的统一调用，并根据实际应用需求，对研究区进行可达性度量方法的适宜性测试与比较研究。此外，如何结合各种可达性度量方法的优势以多视角综合测度路网的可达性也是需要进一步研究的问题。

［1］ 陈洁，陆锋，程昌秀.可达性度量方法及应用研究进展评述［J］.地理科学研究进展，2007(5):100 －101.

［2］ 鲁海军，刘学军，程建权，等.基于空间句法的城市道路网可达性分析［J］.中国水运，2007(7):131－132.

［3］ 马晔，李晓龙.基于空间句法的上海、北京城市轨道交通网络拓扑分析及比较［J］.佳木斯大学学报，2011(5):680－690.

［4］ 吴超，王栋，吴黎明.基于GIS的南通市公路交通网络可达性研究［J］.信阳师范学院学报，2014(1):58－59.

［5］ 杜彩军，任伟，陈建华.基于空间句法分析的客运枢纽布局规划［J］.交通信息与安全，2013(4):114－115.

［6］ 曲静.基于空间句法的城市住区配套商业设施可达性研究［D］.合肥:合肥工业大学，2012.