基于GIS的交通可达性研究

魏 瑶，李燕敏，田正华

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

随着城市交通需求的日益增长，交通问题也随之而来。城市交通拥堵现象严重，交通运输资源不均，机动车辆污染扩大等交通问题层出不穷。从交通的角度出发，城市交通网络系统的综合评价成为缓解这些问题的一个重要环节。在此环节中一项重要的评价指标就是空间可达性的评价。而国内外以GIS地理数据库为平台的交通研究也在日益完备，可在GIS数据库的平台建立交通可达性评价的适宜性模型。

1 可达性指标及度量数据源

可达性是在特定交通环境中，从一个地点到达其他地点的过程的难易程度[1]。从这个概念讲，空间可达性评价的数据源包含了交通种类、交通服务水平、土地利用情况、交通起讫区位特征等方面的内容。起讫点运输过程中用以克服交通阻抗所花费的时间赋予可达性在时间意义上的特征，也可折射出对应的的社会经济价值。

评价的区域空间单位确定为交通小区。交通小区的概念指用地性质、居民特征、交通特性等特点相同的空间区域的范围，该范围随时间的变化而产生变化，在交通划分的形式上表现为一个区域。该区域有关联性、同质性、动态性和自组织性的特点。一般以交通小区来确定城市交通路网中的起始点和目标点[2]。本文主要利用聚类分析法划分交通小区区域，利用遥感影像数据、地图兴趣点数据、电子地图、矢量化遥感影像等获得南京市区的基础性地理数据，包括市区行政区划、各等级道路、汽车站点、商场、公园等社会服务设施数据。将以上可达性评价涉及到的相关地理数据经过GIS平台进行数据预处理，包括投影变换、几何校正等。

数据预处理后用聚类分析法对所选地理区域进行初步划分，为确保所划分的区域用地性质一致，便于后续经济、人口等信息的提取，利用区域内的道路、街道管辖区、河流等将该区域划分为5个区域。依据交通规划中定义的交通小区的划分原则，以城墙、铁路、主要道路、城墙或封闭的高速路作为边界，再将5个区域划分成若干交通小区[3]。划分过程中需尽可能确保区域的用地性质一致。便于后续提取区域内人口经济等属性数据。

2 空间可达性评价及度量模型

2.1 人口空间化

利用区域空间的相互作用模型来解算空间可达性过程中，需要明确交通目标点的吸引力和起始点的需求量。而起始点的需求量常用人口特征来衡量，一般采用人口数据空间化的方法进行区域人口的分布情况统计。常用的人口空间化主要利用遥感技术实现，采用的方法为土地利用密度法。

土地利用密度法按照各空间单元内居住用地图斑总面积与各行政区辖区内居住用地图斑总面积之比来分配家庭户数的方法[4]，各行政区辖区家庭户数可通过统计年鉴获得，居住用地图斑数据可科通过遥感数据矢量化获得。各交通小区家庭数量和交通小区内居住用地图斑面积成正比，则可以计算得出每一个交通小区的家庭数量。最后根据每户平均人口数2.77，获得各个交通小区的估算人口数。

2.2 可达性分析

依据GIS空间分析建立交通节点，将空间区域简化为以空间单元质心为节点的方法建立相关属性的分布网络。考虑到可达性评价是以社会经济活动为基准的研究，故选取空间单元质心的人口属性进行分析。一般采用求加权平均值的方法提取区域单元的人口质心，算法如下。

(1)

其中，Wi为单元内第i个离散居民聚集区的人口数，Xi，Yi为i聚集区的空间坐标，XG，YG为空间单元的质心坐标。依此方法从居住用地图斑数据中解算出市区144个交通小区的人口质心。

2.3 道路数据的组织与路网建模

在GIS中建立路网数据库，将道路网络抽象成拓扑结构网络，道路链接点作为交通节点，交通流的方向在节点处改变，主要节点包括路网中的道路交叉口、城镇、高架互通口等位置，路段作为拓扑结构的边要素，边要素涉及的主要指标作为拓扑结构的权值，包括路段距离、耗时、费用等信息。抽象后的交通网络在矢量图形上就表现为点线面的几何要素。而这些要素就描述了路网实体空间信息的定位。如交通节点、某一路段的位置、两路段之间的几何关系均可在空间拓扑关系图中展示。而关联于空间路网的其他相关信息则囊括在节点或线路所对应的属性表中。以此为基本空间数据，利用空间网络分析可得到区域的交通阻抗，在对路网拓扑结构进行分析时，应用GIS相关模块进行建模分析可有效提高网络分析的效率。建立主要路网GIS地理信息数据库，以15年市区内各等级公路，城市道路为基础数据，经过空间数据的矢量配准，建立路网拓扑关系，检查修改空间路网分布，加入路网各个属性信息，再加入各交通节点及属性信息。在拓扑结构中以设置距离和时间为道路阻抗计算的主要参数进行最短路径计算。单行线路的算法限定为惟一沿规定方向前进，建模时注意道路与高架之间的连通规则，最终建立道路路网分布如图1所示。

图1 路网分布

2.4 吸引力指标选取

利用空间相互作用模型进行空间可达性分析首先需要确定交通行为的起讫点信息。可达性分析的目标点一般选取商场、学校、医院等社会服务设施，以及交通节点、城镇等。具体数据的获取主要从土地利用现状图或遥感土地利用解译与分类中来。除了目标点的确认之外还需考虑目标点的交通吸引力。对于吸引力指标的选取，需考虑现实交通行为目的和供需点的特征来定义。最终根据居民出行调查走访问卷等形式，确定目标点的吸引力指标见表1。

表1 常见吸引点数据及指标

3 交通阻抗分析

交通阻抗一般以出行时间、出行费用和出行距离做为衡量指标。出行时间计从起始点出发至到达目标点的有效时间，出行费用计从起始点至目标点所产生的实际费用，出行距离可计起始点至目标点的直线距离，也可计网络距离。

在交通网络中，起讫点之间的可达路径可以多种选择，根据需求的不同会产生几种不同的路径方案，例如路程最近、时间最短、费用最少等，这几种方案可归纳为路线的某种阻抗值最小的问题上[5]。基于此，在交通可达性度量中阻抗值主要来自源于起讫点之间的最短路径。交适阻抗可以用起讫点之间的网络最短距离表示，最短距离可以是空间距离、时间距离、费用距离。对于基本的道路网络，出行方式为汽车、非机动车、步行等，起始点与目标点间的交通阻抗，由3部分组成：起点O到道路网络中最近点B间的距离D1，目的点D到道路词最近点B间的距离D3，OB与DB间通过道路网络的最短距离D2。交通阻抗计算公式如下。

D=D1+D2+D3

(2)

式中D1，D3通常用直线距离代替，D2为OB与DB所有可能通行路径中的最短路径距离。最短路径利用Dijkatra算法解算。

4 基于GIS的空间可达性测算

在ARCGIS中进行空间可达性评价可采用多种空间分析方法。缓冲区分析法、最邻近分析法、栅格成本距离分析法、矢量数据网络分析法是比较常用的几种方法[6]。矢量数据网络分析法是在建立好的道路网络中解算通行条件下的最短路径，应用相关空间分析工具建模，解算相关道路可达性指标。具体思路如下：首先，在建立的数据库中分层出道路网络相关数据，包括各等级道路网络及属性数据，主要路网节点数据等。其次，在路网中构建起讫点之间的OD成本矩阵，将OD矩阵得到的线要素转换得到路径分析的停靠点。最后，通过GIS网络分析得到节点间在网络中的最短距离，通过邻域分析得到节点到网络的最近距离，通过空间连接等操作得到节点间交通阻抗。然后依据可达性度量模型解算出可达性值，最后对解算值做标准化处理。

以市区21家三甲医院为例，可使用GIS中的网络分析，借助加权空间阻隔模型，解算目的地的可达性指标。首先在GIS中创建交通小区的质心图层和目的地点图层，在交通网络数据库中创建起讫点的OD成本矩阵。利用矩阵生成线图层，利用GIS网络最短路径分析得到交通小区至医院的最短距离，解算出起讫点之间的交通阻抗。通过属性值字段计算得到加权平均出行距离，以此作为可达性值。再使用GIS中的modelbuilder对加权空间阻隔模型的空间可达性分析建模，通过可视化表达得到三甲医院可达性分布和空间格局分别见图2和图3。

图2 网络最短路径可达性分析

图3 可达性空间格局

从图3可得到市区三甲医院可达性的空间格局：以主城区中心为核心向周围逐渐递减，这与三甲医院主要集中在中心城区，及中心城区交通路网发达密切相关。

可达性数值有多种表达形式，表达值量纲单位和量级不尽相同，之间没有直接可比性，难免影响可达性数值的分析比对，为了消除量纲影响，需要对不同数值做数据标准化处理，以解决不同量纲之间的可比性。经过数据标准化处理后，可达性评价指标处于同一数量级，适合进行对比评价。用可达性的均值(E)和标谁差(D)进行可达性的标准化。经过处理的可达性数据符合标准正态分布，即均值为0，标准差为1，转化函数为：

(3)

其中E为可达性的均值，D为可达性的标准差。

5 结 论

本文以加权空间阻隔模型对市区三甲医院做可达性评价为例，通过计算各个行政区的交通路网密度，与可达性进行相关性分析，相关系数R2=0.881 735，表明行政区道路网密度与医院可达性有很大的相关性，模拟曲线为y=17.216x+2.956 7。此曲线可为该区的交通规划提供参考和辅助性的决策支持。

[1] 杨涛，过秀成.城市交通可达性新概念及其应用研巧[J].中国公路学报，1995，8(2):25-30.

[2] 冉令辉，程承旗，喻新.基于窩分辨率遥感影像的城市小区交遥可达性评价—以厦门市为例[J].测绘科学，2009，34(5):70-72.

[3] 曹小曙，薛德升，阔小培.中国干线公路网络联结的城市通达性[J].地理学报，2005，(6):903-910.

[4] 正娜，陈委，张桂香.公共服务设施空间可达性及其度量方法[J].地理科学进展，2010，29(10):1217-1224.

[5] 唐名华.基于地理信息系统(GIS)的多种出行目的的城市交通可达性分析评价方法与技术[D].重庆：重庆大学， 2005.

[6] 宋勤昌，刘乃搔，任酉贵.基于GIS的区域交通通达性模型的研究与开发[J].吉林大学学报：地球科学版，2006，36(4):182-184.