基于高分辨率遥感的城市路网分析及建设方案优化研究

张林华

摘要 城市路网分析为城市交通规划、管理和优化提供了关键的信息和科学依据，但传统分析存在局限性。因此，研究提出一种以高分辨率遥感技术与地理信息系统为基础的城市路网分析方法，并针对性地提出建设方案的优化意见。利用研究提出的方法后，路网分析平均检测率为91.77%、平均虚警率为3.62%、平均检测质量为93.56%、方法平均运行时间为9.61 s，所有指标均优于对比方法。研究为城市路网发展提出的建设性优化意见，对城市可持续性发展具有重要意义。

关键词 城市路网分析；高分辨率遥感技术；地理信息系统；方案优化

中图分类号 U495文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0030-03

0 引言

在当代城市化的浪潮中，城市交通系统的规划和管理成为确保城市可持续发展的重要任务[1]。城市路网的合理设计和高效运行直接影响着居民的出行体验、城市经济的繁荣以及环境的可持续性[2]。然而，传统的城市规划和交通管理方法在面对不断增长的城市规模和复杂的交通需求时显得力不从心[3]。首先，由于数据的不足和精度不高，对城市路网的实际情况理解有限[4]。其次，静态的规划方法难以应对城市交通系统的复杂动态性，例如拥堵、交叉口效能等问题[5]。在这一背景下，高分辨率遥感（High-Resolution Remote Sensing，HRRS）技术崭露头角，为城市路网的深入研究提供了全新的视角。因此，研究采用高分辨率遥感影像作为主要数据源，运用计算机视觉技术进行城市路网的特征提取与分割；然后，结合地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的功能，进行路网的全面分析，包括路网的连接性、密度、负荷度等多方面指标。研究旨在揭示城市路网的瓶颈与潜在优化空间，为城市路网规划和建设提供更为科学、精准的决策支持。

1 基于高分辨率遥感的城市路网分析

1.1 城市路网分析方法评价体系构建

城市路网是由城市内各种道路、交叉口、行人区域、交通标识与设施、交叉口控制、公共交通设施等组成的庞大网络系统。合理设计的城市路网能够提高交通效率，减少拥堵，改善城市居民的出行体验，然而传统的城市路网分析与规划方法存在数据不足和精度不高等问题。因此，研究提出以HRRS技术为基础，结合GIS的城市路网分析方法。在分析之前，首先研究构建城市路网评价体系，通过明确的评价指标和方法，客观、全面地评估城市路网的各个方面，为制定合理的城市交通规划和路网设计提供支持。研究将路网交通系统分为四部分，如图1所示：

由图1可知，城市路网交通系统由城市路网系统、城市交通监测系统、城市交通流和城市交通控制系统四个部分构成，各自承担着关键作用。城市路网系统作为基础，通过其连接性、密度和交叉口结构等特征，为城市提供了交通通道，直接影响着交通的流动性和效率。城市交通监测系统通过实时监测和数据收集，提供对交通状况的准确了解，为交通管理者提供实时决策支持，确保交通系统处于良好状态。城市交通流则是城市路网中运动的实体，包括车辆和行人，其分布和变化直接关系到交通的拥堵程度和效率。最后，城市交通控制系统通过智能化的设备如交通信号灯，协调交叉口的通行，优化信号周期，提高通行能力，是确保城市交通系统正常运行的关键组成部分。这四者相互作用，共同推动城市交通系统健康、稳定、持续地发展，不断提高城市交通的效能和可持续性。

根据城市路网交通系统组成部分，研究从路网结构性能与路网交通质量两方面构建城市路网评价体系。具体来说，在路网结构性能评价中，需要考虑路网密度、路网连通度、路网理想规模接近度、路网等级水平和路网铺面率等五个方面的指标。路网密度作为评价城市道路空间分布合理性的关键指标，应分别考虑城市高速路、一级路和二级路的密度，以反映不同等级道路的空间分布合理程度。路网连通度通过考察各节点的连通性，反映网络的公路网络布局的结构特点。路网理想规模接近度则需要综合考虑人口、区域面积和经济发展水平等因素，为路网规模提供全面评价。

在路网交通质量评价中，应考虑路网平均车速、路网负荷度、路网拥挤率和路网可达性。路网平均车速以及路网负荷度从车速、道路通行能力和设计容量的角度，综合评估路网的运输能力和负荷情况。路网拥挤率则通过评估拥堵路段的长度与总路网长度的比例，为拥堵程度提供量化的指标。路网可达性从时间和空间两个方面，综合评价居民外出所需的平均最短时间和距离，为城市形态研究提供重要的基础指标。

1.2 结合HRRS技术与GIS的城市路网分析

HRRS技术通过提供高精度、实时的影像数据，能够实现对城市路网细部特征的准确提取。GIS作为一个综合性的工具，能够整合并分析各类地理数据，包括HRRS技术获取的高分辨率影像，从而为城市路网的空间分析和模拟提供强大的支持。因此，需要构建HRRS影像处理流程。首先通过对高分辨率遥感影像的处理，然后采用加权法对彩色影像进行灰度化，如式（1）所示：

g=0.3R+0.59G+0.11B （1）

式中，g——灰度值；R、G、B——红绿蓝三色分量。加权法充分考虑了不同颜色通道的亮度贡献，使得灰度图更能反映原始彩色影像的亮度和对比度特征。然后通过直方对比度变换和图均衡化，调整图像的对比度。接着，应用中值濾波进行平滑处理以减少噪声影响。研究设计特定的数学模板用于道路提取，并通过数学模板的匹配方法识别和强调道路特征。匹配的原理如式（2）所示：

（2）

式中，D（i， j）——数学模板与HRRS影像的相似度；f——影像；t——模板；i、j——在x、y轴上的位移距离。D（i， j）越小，则数学模板与HRRS影像相似度越高，即影像与实际路网结构越匹配。研究根据D（i， j）的数值能对影像进行调整。为提高匹配精度，研究从四个角度对模板进行约束，如式（3）所示：

（3）

式中，M——最佳匹配道路；l——道路的长度；w——道路的宽度；θ——道路前进方向；s（x，y）——整个匹配影像。当模板满足M时，则找到最佳匹配道路。随后，采用形态学运算和边缘检测进一步改善道路形状和连通性，突显道路边界。最后，应用面向对象的图像处理方法，以更好地识别和分割图像中的不同对象，例如道路和其他地物等。得到优质的HRRS影像后，研究能够准确提取城市路网的细部特征。

将HRRS影像输入至GIS，能够形成翔实的城市地理信息数据库。在数据库的基础上，研究能够建模城市的道路网络，包括道路、交叉口和路段等元素，为城市路网结构提供数字化的表示。GIS的网络分析功能允许进行路径规划、最短路径分析和交通流分析，从而评估交通拥堵、规划新路线，并优化交通流动性。通过交叉口分析，GIS可帮助评估交叉口的布局和通行能力，优化设计和信号灯调度。同时，GIS的空间统计分析功能可评估城市不同区域的道路密度、交叉口分布和交通流量，为城市规划提供支持。GIS通过可视化方式展示分析结果，为决策者提供直观的信息，支持应急管理、车辆行为模拟等方面的决策制定。综合而言，GIS在城市路网分析中的作用不仅限于数据整合，更为城市规划、管理和应急响应提供全面而科学的支持。

2 城市路网分析及建设方案优化

2.1 HRRS技术与GIS的应用效果验证

为验证研究内容的有效性，需要对HRRS技术与GIS在城市路网实例分析中的应用效果进行检测。因此，研究选取中国西南某城市城区与郊区接壤处。研究选择此处考虑多方面因素。首先，这一地区地理环境复杂，既包括城市密集建筑和繁忙道路，又涉及相对较为宽阔的郊区道路，能全面检验HRRS技术与GIS在不同地理背景下的适用性。其次，交通模式的多样性使得研究者能够评估研究方法对不同交通情境的适应性。此外，城区与郊区接壤处通常是城市规划和发展的关键区域，对于交通網络的高效规划和管理至关重要。因此，在这一区域应用HRRS技术与GIS有助于更好地服务城市的规划和发展需求。

研究采用3个指标附带运行时间，对路网分析的效果进行评价。首先是检测率，它衡量系统准确识别实际存在的目标（例如道路）的能力。其次是虚警率，表示系统错误地将不存在的目标标注为存在的概率。最后，检测质量综合考虑检测率和虚警率，为整体性能提供综合评估。此外，研究选取4个方法进行对比，分别是哈里斯角点探测（Harris Corner Detection，HCD）、均值漂移聚类（Mean-Shift Clustering，MSC）、遥感影像解译（Remote Sensing Image Interpretation，RSII）以及基于图的分割（Graph-based Segmentation，GBS）。应用效果的检测结果如表1所示。

由表1可知，HRRS技术与GIS在城区和郊区的城市路网分析中，各个指标均优于对比算法。具体来说，在城市城区，HRRS技术与GIS的四个指标分别为93.34%、1.06%、95.18%以及8.94 s，而对于检测率，四个对比方法中表现最好的是GBS，为91.07%，研究相比其提升了2.27%。对于虚警率，对比方法中表现最好的是GBS，为9.42%，研究相对其降低了8.36%。对于检测质量，表现最好的是MSC，为89.94%，研究提升5.24%。对于运行时间，表现最好的为GBS，为15.39 s，研究提升了6.45 s。在城市郊区，除HRRS技术与GIS外，表现最好的为MSC，各项指标均位列第二，但研究与其相比四个指标分别提升了9.05%、10%、5.77%以及21.59 s。

2.2 建设方案优化与其效果验证

针对HRRS技术与GIS在城市路网分析应用中的优秀效果，研究提出几点城市路网建设方案的优化建议。首先，利用HRRS技术获取高分辨率的地形和用地信息，结合GIS进行分析，为路网规划提供翔实的基础数据。其次，通过实时获取城市交通流数据，包括道路流量和车辆速度等，利用GIS进行空间分析，识别瓶颈区域，优化交通流分布，提高整体交通效率。再利用GIS进行城市风险评估，结合HRRS获取的地质和气象信息，为路网规划提供安全性保障。最后，借助GIS技术建立城市规划的在线平台，鼓励社会参与，收集居民反馈，增强规划的透明度和社会可持续性。

研究利用城市路网分析方法评价体系对建设方案的优化建议进行验证，针对体系中的9大指标，对其进行归一化处理，并监测实施建议前后的城市路网变化，结果如图2所示。

由图2（a）可知，实施建议后，路网密度从0.704提高到0.967。路网连通度由0.611提高到0.937，说明优化方案有助于提高路网的节点连接性。路网理想规模接近度从0.643提升到0.82，表示路网规模更接近理想情况。路网等级水平由0.781提高到0.862，表明路网在等级划分和规划上得到了一定的优化。路网铺面率从0.62提高到0.865，表明路网的铺设水平有了明显提升。由图2（b）可知，路网平均车速从0.719增加到0.97，表明交通流畅性得到了改善。路网负荷度由0.951减少至0.799，表示路网的负荷能力得到了一定改善，拥堵情况有所减轻。路网拥挤率从0.932减少至0.619，表明实施建议后，拥挤路段长度相对减少，路网整体拥挤情况有所改善。路网可达性由0.639提高到0.869，表明实施建议后，居民外出所需的平均最短时间和距离有了明显优化。

3 结论

针对传统城市路网分析方法中存在的数据不足和精度不高等问题，研究构建了城市路网分析方法评价体系，包括路网结构性能和路网交通质量两方面，并结合HRRS技术与GIS进行了城市路网分析。选择某城市城区与郊区接壤处作为实例，对研究内容进行了验证。结果表明，HRRS技术与GIS在城市城区和郊区的实例中，检测率、虚警率和检测质量等指标均明显优于对比算法，如城区中的HRRS+GIS的检测率为93.34%、虚警率为1.06%、检测质量为95.18%、运行时间为8.94s。进一步，研究提出了城市路网建设方案优化的几点建议，通过对建议方案的评价体系进行验证，研究观察到在实施建议后城市路网的密度、连通度、理想规模接近度、等级水平和铺面率等结构性能指标以及平均车速、负荷度、拥挤率和可达性等交通质量指标均取得了显著改善。总体来说，研究在城市路网分析及建设方案优化领域取得了积极成果。未来研究中，可进一步优化方法细节，加强模型的实用性和可操作性。

参考文献

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