基于空間阻隔和空間句法的城市路網可達性分析及比較

王 元，鄭貴省，王 鵬

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院基礎部，天津300161)

可達性(accessibility)的概念最早由美國學者于1959年提出，并將其定義為“交通網絡中節點相互作用的機會大小”。此后，可達性在城市規劃、交通地理、區域經濟等眾多科學領域里受到廣泛關注，也因此產生了對于可達性概念的不同理解。對于可達性概念理解的差異，本質上來源于可達性不同層面的涵義［1］。從交通運輸這一客觀層面理解，可達性即為各點之間交通的便捷程度，簡單地說，指從一個地方到另一個地方的容易程度。

按照交通網絡的表現不同，可達性度量的方法主要分為基于幾何網絡的可達性度量方法和基于拓撲網絡的可達性度量方法。建立在幾何網絡上的可達性度量方法主要包括空間阻隔法、距離法、累積機會法、等值線法、重力模型法、平衡系數法、時空法以及效用法等。建立在拓撲網絡上的可達性度量方法，可劃分為基于矩陣的拓撲法與基于空間句法的拓撲法。兩類中應用最為廣泛的度量方法分別是空間阻隔法和空間句法，本文結合實例采用上述兩種方法分析了城市路網的可達性，并對兩種方法的分析結果作了分析和比較。

1 可達性度量方法

1.1 空間阻隔法

空間阻隔法單純地基于圖形理論來研究區域中網絡節點的可達性，認為可達性計算就是計算空間阻隔程度，阻隔程度越低，可達性越好。它不考慮出行的目的，評價指標為

式中:Ai為區域內節點i的可達性;A為整個網絡的可達性;n為目的地節點個數;dij為節點i、j間的空間阻隔，可以為距離、時間或費用等，在此表示區域內節點i通過交通網絡到達節點j的最短通行時間。

指標Ai表示交通網絡里任一節點到其他所有節點的出行時間的平均值，描繪了到達該點的便捷程度。指標A用整個道路網絡的可達性平均時間來反映了整個道路網絡的可達性水平。

1.2 空間句法

空間句法是從數理量化的角度來研究空間形態的一種理論，這里所指的“空間”是指與實體相對立的物質形態，即人們可穿行和使用的物質虛體。空間句法所關注的并非空間目標間的實際距離，而是彼此間的通達性和關聯性。

空間句法基本原理是對空間進行尺度劃分和空間分割，3種基本的空間分割方法是軸線法、凸狀法和視區法。根據不同的空間尺度，空間分割的方法不同，本文基于城市層面的空間研究采用軸線法。軸線分析法是指用穿過所有街道的最少最長的軸線來表示城市中的道路網絡，從而將整個路網分割為一系列較小的空間，即街道段;然后將這些街道段表達為無向、無權重的圖的頂點，構成新的網絡拓撲圖［2］;最后運用圖論的方法推導出一系列形態分析變量，如連接值、控制值、節點深度、局部集成度與整體集成度、不對稱性等一系列基于拓撲計算的形態變量。其中，平均深度值可表示該點所居位置便捷度的比較值，不對稱性值可表示該點居于整體性系統中的便捷程度，可用來衡量可達性水平。

(1)深度值。規定兩個鄰接節點間的距離為一步，則從一個節點到另一個節點間的最短路程(即最少步數)就是這兩個節點間的深度值。它主要表達空間轉換的次數，而不是指實際距離。

(2)平均深度值。系統中某個節點到其他所有節點的最短路程(即最少步數)的平均值，即稱為該節點的平均深度值，平均深度值MDi可表示為

式中:dij為節點i和節點j間的空間阻隔;n為拓撲關系圖中的節點數目。

(3)不對稱性(relative asymmetry)。由于平均深度值的大小在很大程度上取決于系統中節點的數目。為剔除系統中元素數量的干擾，PSteadman［3］改進了計算方法，用相對不對稱值RAi將其標準化。因此，不對稱性值用于對比兩個關系圖解中不同節點的便捷程度，即

(4)可達性評價指標。為符合數值越高可達性越高的習慣，以RAi的倒數作為可達性指標:

2 可達性實例分析

2.1 分析步驟

以天津市和平區的公路網絡數據為研究的基礎數據，圖1為提取出的和平區的道路網絡圖。根據JT—GD20—2006《公路路線設計規范》，并結合實際情況，為不同等級公路賦予行車速度屬性:高速公路 120 km/h，國道 100 km/h，省道 80 km/h，縣道 60 km/h，其他公路 30 km/h［4］。

圖1 天津市和平區道路網

分別采用空間阻隔法和空間句法對天津市和平區道路網的可達性進行定量分析及比較。采用ArcGIS軟件進行分析，建立路網的Network數據集。

(1)空間阻隔法。采用ArcGIS軟件中的Network Analyst網絡分析工具模塊，構建OD成本矩陣來分析各節點間的最短行程時間。首先，根據各路段的里程和行車速度屬性計算各路段的行程時間并添加作為一個屬性字段;之后，構建OD成本分析矩陣并以行程時間作為阻抗字段，添加所有的交通節點為起始點和目的地點;經過分析即可得到各節點間的最短行程時間，處理后即可得到各節點的可達性指標。

(2)空間句法。采用ArcGIS的插件Axwomen6.0，首先按照空間句法的原理繪制軸線圖。根據空間句法分析原理，在軸線分析圖的構建中，除了考慮河流、橋梁及其他重要建筑物、構筑物等對空間的分割作用外，同時考慮不同道路的等級關系:高速公路、快速路作為同一級別，相互之間交叉時互相分割為不同路段;主干路之間相互交叉時互相分割為不同路段;主干路與快速路、高速公路相交時分割為不同路段。之后根據軸線圖建立的拓撲關系計算空間句法變量［5］。

2.2 分析結果

(1)空間阻隔法。如圖2所示，圖中較大節點表示可達性較高的路網節點。分析結果顯示可達性較高的節點主要分布在南京路、鞍山道、萬全道、哈密道、錦州道、長春道、新疆路、青海路、甘肅路、寧夏路、陜西路、山西路、林里路、蒙古路區域，以及個別節點較為密集且靠近主要路段的地域。

(2)空間句法。如圖3所示，粗線表示的路段為可達性較高的路段。分析結果顯示可達性較高的路段主要集中在營口道、南京路、和平路商業街以及多倫道圍成的區域里，此外新興路、貴州路、貴陽路、昆明路和西寧道也具有較高的可達性，具有最高可達性的路段為新華路。

3 可達性評價結果對比分析

3.1 特點分析

(1)從可達性分析結果看。空間阻隔法和空間句法分析城市路網的可達性總體一致，可達性較高的區域都主要分布在路網比較密集的鞍山道、南京路、營口道以及新華路所圍成的區域內，但是也存在著一定的差異。空間阻隔法分析的具有較高可達性的區域集中在南京路、營口道和貴州路，氣象臺路、西康路和新興路的可達性相對較低;而空間句法的分析結果顯示氣象臺路、西康路和新興路卻具有較高的可達性。

圖2 空間阻隔法分析結果

圖3 空間句法分析結果

(2)從分析的原理上看。空間阻隔法建立在幾何網絡之上，以行程時間作為空間阻隔的程度來度量可達性;而空間句法是建立在拓撲網絡之上的可達性度量方法，以拓撲距離為基礎來度量路網的可達性。兩者分析可達性的基礎和角度不同。

(3)從可達性的概念出發。可達性主要受到土地利用、交通系統、時間和個體差異等4個因素的影響。空間阻隔法考慮的是交通和時間的因素，涉及的因素較少，易于理解。基于幾何網絡的其他可達性度量方法則是在空間阻隔法的基礎之上考慮其他的影響因素而建立起來的。空間句法融合了個體對環境的心理認知，考慮了心理可達性，對路徑的選擇具有主動權。空間句法的理論認為人作為對“作用客體”選擇與使用的行為主體，處于最能動的地位，不同主體的行為選擇也存在一定的差異性，但由于行為主體對空間環境的認知及主體的社會需求存在極大的共性特征，空間格網在一定程度上決定了人流的運動，由此，在空間環境中，群體的行為選擇與空間格網結構存在高度的關聯性。

(4)從研究工作的特色來看。兩種度量方法的研究工作也各具特色;空間阻隔法常作為基礎可達性指標參與路網空間格局研究，具有直觀、簡潔的特點。空間句法將復雜的網絡可達性運算轉換成為矩陣運算，所需的數據量小、計算簡單。

3.2 不足之處

(1)空間阻隔法。過于直觀和簡單，在實際應用中單獨使用最短行程時間來度量可達性，考慮的因素較少，忽視了路網的空間形態，結果不夠精確，也會受到很多的限制，如獲取的數據有限等，還需要在此基礎上進一步改進。

(2)空間句法。該理論目前處于發展完善的過程當中，其分析方法仍欠缺一定的嚴密性。由于現實世界的復雜性，空間句法在實際的應用中，所模擬的環境與現實有一定差異。如軸線模型中，所提取的道路網絡本身只是一種近似模擬，現階段的研究方法中并不能反映出立交橋、地鐵等情況，其二維的平面表示方法也無法模擬高程差等所形成的三維世界。此外，我們在道路網絡的提取中也存在著一定的人為主觀因素，對于同一道路網絡系統，不同人所提取的道路網絡可能不盡相同［6］。

4 結語

基于幾何網絡的空間阻隔法和基于拓撲網絡的空間句法均可應用于網絡的可達性度量。由于兩種方法可達性度量指標的選取以及度量方式的不同，使度量過程以及產生的度量結果各具特色。

路網可達性是一個綜合問題，由于各種可達性度量方法針對不同的應用領域提出，側重點各不相同，導致度量因子數目眾多、適宜性差別巨大，因此，如何選擇適宜的度量方法將是需要研究的問題。這就需要對多種可達性度量方法進行綜合研究，在此基礎上建立完善的可達性度量體系，進而構建可達性度量方法適宜性模型，以實現可達性度量方法的統一管理與度量因子的統一調用，并根據實際應用需求，對研究區進行可達性度量方法的適宜性測試與比較研究。此外，如何結合各種可達性度量方法的優勢以多視角綜合測度路網的可達性也是需要進一步研究的問題。

［1］ 陳潔，陸鋒，程昌秀.可達性度量方法及應用研究進展評述［J］.地理科學研究進展，2007(5):100 －101.

［2］ 魯海軍，劉學軍，程建權，等.基于空間句法的城市道路網可達性分析［J］.中國水運，2007(7):131－132.

［3］ 馬曄，李曉龍.基于空間句法的上海、北京城市軌道交通網絡拓撲分析及比較［J］.佳木斯大學學報，2011(5):680－690.

［4］ 吳超，王棟，吳黎明.基于GIS的南通市公路交通網絡可達性研究［J］.信陽師范學院學報，2014(1):58－59.

［5］ 杜彩軍，任偉，陳建華.基于空間句法分析的客運樞紐布局規劃［J］.交通信息與安全，2013(4):114－115.

［6］ 曲靜.基于空間句法的城市住區配套商業設施可達性研究［D］.合肥:合肥工業大學，2012.