基于人口和路网的上海紧急避难所可达性分析

陈 周，王东旭，费鲜芸，王筱雪

（1.江苏海洋大学,江苏 连云港 222000；2.北京超图软件有限公司,北京 100015）

可达性是影响个人和社会区域化发展的重要因素,也是学术界的热点方向之一。可达性是一个空间概念,具有时间意义、经济和社会价值[1]。GIS技术、空间分析理论的快速发展为可达性分析提供了高效、快捷的分析方法,如利用神经网络、贝叶斯估计方法和空间相互作用模型对空间网络、流数据、网络自相关等进行研究；引入矩阵方法,通过构造网络中的加权最短距离来衡量可达性变化[2]。在城市交通规划领域,可达性的概念最早由Hansen提出。他将可达性定义为潜在互动的机会,并将其应用于城市土地利用的研究中。由于认知角度和侧重点的差异,学者们对可达性进行了不同的阐释,至今仍很难在可达性的精确定义上达成一致。一般来讲,可达性是指在特定交通系统中从出发地到活动地点的便利程度[3]。

紧急避难所关系到人民群众和社会安全,因此紧急避难所的可达性分析具有实际效益,出发点即为居民所在的居住地、工作地等,目的地则是紧急避难所所在地。紧急避难所的可达性是指基于交通网络和人口数据,从某一给定区域到达紧急避难所的便利程度[4-8]。本文结合GIS地理空间信息分析工具,以时间、路网路段长度和道路等级作为阻抗,利用网络分析中的服务区分析进行上海市市中心紧急避难所的可达性分析。

在进行城市紧急避难所可达性分析时,由于城市环境过于复杂,难以确定可达性的影响因素,如城市化水平、城市规划合理性、城市路网密集度、路网车流量、人口数据、人口属性数据等均会影响紧急避难所的可达性；紧急避难所可达性评价方法不足,由于目前对紧急避难所可达性分析的研究较少,且不同城市的发展状况不同,因此评价方法也大不相同,评价方法的参考性不高；数据的可获得性不高,分析时需要城市各方面的大量数据,而多方面的数据不易收集。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

本文选取的研究区为上海市主要市区。上海市简称“沪”或“申”,是我国重要的经济、文化、贸易、科技中心,最高的日人流量超过300万。对于这样的一个超级大都市,紧急避难所的区位规划将关系到上海市的整体城市建设,因此对上海市市中心进行紧急避难所可达性分析是非常有价值的。研究区包括虹口区、普陀区、长宁区,徐汇区、黄浦区和静安区等6个区,总计面积为197.463 6 km2；包含62个街道、村镇,人口总数为5 370 997 人；紧急避难所为255个。路网数据包括道路段10 948段,其中支线连接386段、轨道288段、三级道路连接13段、三级道路684段、阶梯302段、通往各设施的道路3 487段、次干道连接29段、次干道719段、居住区道路1 668段、主干道连接64段、主干道899段、人行道248段、小路121段、高速公路连接5段、高速公路23段、街区31段、步行道1 636段、自行车道117段、未分类道路228段。

1.2 数据来源

1.2.1 空间数据来源

本文采用的数据包括上海市市中心紧急避难所经纬位置信息、路网数据以及街道、村镇人口数据。紧急避难所数据来源于百度POI,路网数据来源于OpenStreetMap网站,人口数据来源于全国第六次人口普查。路网数据如图1所示,人口数据和紧急避难所数据如图2所示。

图1 路网数据图

图2 人口数据和紧急避难所分布图

1.2.2 速度确定

对于城市内部的公路交通来说,道路本身特性只是决定道路速度的条件之一。城市中人口流动随工作时间的变化而变化,在上班和下班时间,即7:00～9:00和16:30～19:00,交通的通行速度将会明显下降。道路上汽车等交通物的增加,将会阻碍人们前往紧急避难所的速度[9-12],因此紧急避难所的可达性,也将考虑这一点。

OpenStreetMap网站对我国道路交通网进行了相关道路的速度规定。结合上海市的具体情况,本文给出了相关道路的汽车通行速度以及相关道路实测的人步行速度,如表1所示。

表1 上海市不同等级道路的速度

2 研究结果与分析

2.1 紧急避难所的区位分析

可达性分析的基础是对紧急避难所的区位进行合理性分析。本文主要通过人口数据和路网数据对紧急避难所的区位合理性进行研究。

2.1.1 核函数分析

核函数分析用于计算每个输出像元周围的要素密度,本文中是计算输出像元周围的点要素密度。对紧急避难所、人口数据点、公共设施点进行核函数分析,用以验证紧急避难所布局的合理性[13-15]。通过核函数分析,得到人口数据的密度分布和紧急避难所的密度分布,再比较二者的高密度区域是否有所重合,若二者的高密度区域大致重合,则表明紧急避难所的布局较为合理。

核函数分析结果如图3所示,可以看出,人口数据的高密度点与紧急避难所并不完全重合,二者的高密度点紧密相邻；结合上海市市中心公共设施的核密度图发现,人口数据的高密度点大致与公共设施重合,说明上海市市中心的公共设施与人口紧密相关,公共设施建设非常合理；而紧急避难所的高密度区域主要在市中心的办公区域,这些地区主要是白天人口的聚集地,人口数据则是居住地,因此二者是相邻的关系。

图3 核函数分析图

2.1.2 几何重心

首先通过计算得到人口数据和紧急避难所的几何重心,如图4所示；再利用经纬度计算得到二者几何重心的直线距离S,从而判断紧急避难所的分布是否合理,结果如表2所示。

表2 人口数据和紧急避难所的几何重心距离

图4 人口数据和紧急避难所的几何重心图

式中,latitude1、latitude2、longitude1、longitude2分别为两地的经纬度坐标；R=6 378.137 km为地球的半径。

2.2 紧急避难所的可达性分析

2.2.1 可达性

可达性是指达到特定地点的难易程度。1959年Hansen首次提出可达性的概念[16-18],将其定义为交通网络中各节点相互作用的机会大小。空间可达性反映了空间实体之间克服距离障碍进行交流的难易程度。路网的可达性主要是在不同的道路网路布局[12]、路网等级以及路网车流量下的通达程度。到达紧急避难所的时间决定了其是否可以通达,若时间大于阈值,则表明紧急避难所不可达。

2.2.2 可达性分析

紧急避难所关系到社会安全和经济效率。上海市是我国的经济重心,对其紧急避难所进行研究具有很强的实际意义。本文以路网数据到达最近紧急避难所的路长、道路等级和行人跑步速度为主要因素进行服务区网络分析；以时间为评价因子,结果与就近紧急避难所的路长呈反比,与道路等级和行人跑步速度呈正比,道路等级和道路长度的影响大于行人跑步速度；以点状人口数据为危险事发点,以就近紧急避难所为目的地,以道路、跑步速度为参数进行可达性分析。上海市紧急避难所可达性分布如图5所示,可以看出,徐汇区的紧急避难所可达性非常高,静安区、黄浦区和长宁区的紧急避难所可达性也相对较高；但虹口区、普陀区的紧急避难所可达性相对较低。

图5 上海市紧急避难所可达性分析图

对图5进行数值计算得到上海市紧急避难所可达性范围,如表3所示,可以看出,上海市市中心77.19%地区的居民可在5 min内达到最近的紧急避难所,仍有22.81%地区的居民不能在5 min内达到；较为理想的状态是在3 min内即可到达最近的紧急避难所,而相应的区域只占总城区面积的20.13%。

表3 上海市紧急避难所可达性范围

2.3 紧急避难所设置优化建议

1）紧急避难所的整体分布呈集中状态,主要集中在徐汇区、静安区、黄浦区和长宁区；而普陀区、虹口区相对较少,可在普陀区与虹口区相应增加紧急避难所数量。

2）通过对比人口数据和紧急避难所的几何重心发现,徐汇区人口最多,而相应的紧急避难所重心却不在徐汇区,因此应适当增加徐汇区的紧急避难所,以优化整体的紧急避难所可达性。

3）5 min内无法到达就近紧急避难所的区域面积占比仍有22.81%,占比较高,且多数在市中心边缘地带,但该地段的人口数量却不是少数,因此相关部门可在人口多的市域边缘地带增加紧急避难所数量。

3 结 语

1）人口数据与紧急避难所的几何重心相距2.414 008 km,这个距离在城市道路中,居民的到达时间一定超出5 min。人口数据的重心偏向徐汇区方向,而紧急避难所的重心则在人口重心偏北方向,因此徐汇区仍需增加紧急避难所或将部分人口迁至普陀区和虹口区。

2）上海市市中心的紧急避难所主要集中在徐汇区、长宁区、静安区和黄浦区。普陀区和虹口区的紧急避难所较少,因此需在这两个区域内适当增加紧急避难所数量。

3）长宁区、静安区和黄浦区的紧急避难所数量以及区位分布合理、可达性高,而徐汇区、虹口区和普陀区的紧急避难所分布合理性和数量仍需提高。

4）上海市市中心紧急避难所的可达性整体水平一般。5 min内可达面积占比为77.19%,而3 min内可达面积占比仅为20.13%,因此整体水平有待提升。