基于GIS的青島市中心城區道路網絡可達性研究

劉 娜，廣曉平

（1.蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國交通基礎設施的不斷建設與完善，交通網絡作為國民經濟運行的基礎載體，直接影響著區域經濟發展。城市交通路網的可達程度能反映一個城市的空間延展以及城市內部各區域之間相互作用的廣度與深度，因此研究城市交通路網可達性，在一定程度上能正確評價城市路網結構，針對城市路網缺陷提供相應的優化策略，對于土地利用規劃，新建、改建和打通斷頭路等具有重要意義與經濟價值。

可達性的概念由Hansen于1959年提出[1]，其在交通行業做出了卓越貢獻。隨著計算機技術的高速發展，可達性研究在國內外均取得了很大進展，主要表現為：基于地理信息系統（GIS）技術，采用靜態或動態研究的方式，通過不同可達性指標構建綜合可達性模型，研究區域交通路網可達性、空間特征及其演變規律[2-4]；以交通網絡為中心，選取可達性模型研究城市內部醫療、公園、商場等公共服務設施的可達性，并以此分析城市內部交通網絡對城市內部空間結構的影響，提出規劃措施[5-8]；以區域交通網絡綜合可達性為基礎，研究路網與土地利用、城市擴張以及人口數量之間的相關性[9]；通過選擇不同的可達性評價方法，研究加入高速鐵路或軌道交通后區域綜合可達性的變化特征[10-11]。

本文基于GIS平臺，利用網絡分析功能結合空間插值的方法定量分析了青島市中心城區交通網絡在不同指標下的可達性，并通過綜合可達性研究評價了青島市交通路網現狀，為青島市交通路網優化提供了理論依據。

1 研究區概況

本文選取青島市中心城區作為研究區，包括市北區、李滄區部分區域、嶗山區部分區域以及市南區。截至2017年底，青島市城市路網總密度為5.35 km/km2，其中市南區為9.42 km/km2、市北區為6.97 km/km2、嶗山區為5.28 km/km2、李滄區為5.14 km/km2，這4個區域屬于城市路網密集分布區域，因此具有研究城市路網的代表性。青島市中心城區交通網絡如圖1所示。

圖1 青島市中心城區交通網絡圖

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 基于最小阻抗的可達性評價方法

Allen最早提出了基于最小阻抗的可達性評價方法，認為中心點的可達性評價指標可用中心點到所有目的點的平均最小阻抗表示。利用交通網絡中兩個節點之間的最短時間距離或空間距離來計算可達性，計算所得距離值越小，表明該節點（交叉口）可達性越好。路網節點可達性與整個路網可達性可表示為：

式中，dij為節點i、j之間的可達性，表示節點i、j之間的最短時間距離或最短空間距離；Ai為路網節點i的可達性；A為整個路網的可達性；n為整個道路網絡中的節點個數。

2.1.2 交叉口服務指數模型

交叉口服務指數模型用于評價交通網絡中各節點處機動能力的強弱。交叉口機動性是指道路交叉口以一定的速度服務水平到達某一地域的能力，在一定程度上可反映交通的快捷程度以及路網結構的合理性。一般來說，路網結構越合理，基礎設施越完善，在一定時間內能到達的范圍就越大，其交叉口服務指數也就越大，即機動性越強。交叉口服務指數可表示為：

式中，Ki為節點i的交叉口服務指數；Si為節點i在10 min內可到達的區域面積；S為研究區總面積。

2.1.3 道路加權核密度模型

城市內部道路建設水平的高低可由道路密度來衡量。考慮到不同等級的道路對可達性因子的影響，本文采用核密度分析法擬合得到光滑錐狀表面，可反映研究區內各類型要素的密度分布特征。為了獲得節點x處的密度值f(x)，假設x1、x2、…、xn為獨立分布的F的n個樣本點，綜合考慮道路等級、實際通行速度、道路在整個路網中的相對重要性等因素，將研究區的道路分為主要道路、次要道路和支路3個等級進行加權處理，并分別賦予相應的權重（10、6和4）。模型常用Rosenblatt-Parzen核密度估計法，具體公式為：

式中，n為樣本數；xi為獨立樣本；x-xi為估計點到樣本點xi的距離；h為帶寬，取值對計算結果影響較大；K為核函數。

2.1.4 路網連通度評價模型

路網連通度是指研究區內各節點之間依靠道路相互連通的強度，能體現路網中各節點間相互連通的狀況，并根據路網中節點與邊相互之間不同的連通方式來體現路網的分布特征。路網連通度越大，說明該路網中的斷頭路越少，道路的便利程度越強。路網連通度的計算公式為：

式中，L為研究區內道路的總里程（單位為km）；H為相鄰兩個交通節點間的空間平均直線距離（單位為km）；A為區域面積（單位為km2）；n為研究區內應連接的節點數；ξ為研究區內路網的變形因子，一般由實際線路總里程與直線總里程的比值來確定。

2.2 數據獲取與處理

本文以山東省青島市中心城區的交通網絡為研究對象，以青島市1∶1 000交通地圖為基礎數據，建立了GIS空間數據庫。建立網絡數據集前需對路網進行空間配準矢量化和拓撲檢查，并設置要素類屬性，進而建立城市路網模型。路網建設的基本工作流程如圖2所示。

圖2 路網建立的具體流程圖

3 交通網絡可達性分析

3.1 基于最小阻抗的可達性分析

本文基于GIS平臺，選取時間或距離阻抗建立OD矩陣，以此來查找和測量交通網絡中從多個起始點到多個目的地的最小成本路徑，并將求解結果作為基礎數據，統計交通路網中各節點的可達性。在統計結果的基礎上，利用反距離加權插值法（IDW）進行插值可視化操作，得到青島市中心城區的路網可達性分布圖（圖3、4），圖中顏色越深表明可達性越好。

由圖3、4可知，無論從時間可達性還是空間可達性分析，青島市中心城區均為典型的單中心多圈層形式分布的交通路網，中部地區可達性較高，交通便捷，西南部地區可達性相對較低，交通便捷程度較差。由于市中心的主干道分布較密，其他次要道路與支路分布相對較疏，因此整體的可達性呈由中心向四周遞減的趨勢。通過對比發現，空間可達性模型可達性較好的區域與時間可達性模型大致吻合，可達性最好的區域北至長沙路，南至銀川東路，西至人民路，東到科苑經三路。由于西南部地區屬于市南區，該區域分布著青島市3/4的旅游度假區，可達性指數衰減最快。

圖3 基于最短時間阻抗的可達性分析圖

圖4 基于最短距離阻抗的可達性分析圖

3.2 基于交叉口服務指數模型的可達性分析

本文基于ArcGIS平臺，以青島市中心城區路網模型為基礎，利用交叉口服務指數模型生成了交叉口服務指數分布圖。模型中斷值設置為10 min，以此來模擬分析研究區路網各節點的機動車出行能力強弱。基于時間阻抗的交叉口服務指數分布如圖5所示，可以看出，顏色越淺的區域機動性越差，出行范圍面積越小，其交叉口服務指數越小。從交叉口服務指數的空間結構來看，與基于最小阻抗的可達性相比，整個研究區的交通網絡呈現一種介于單中心與多中心之間的分布形式。青島市中心城區中部地區的重慶南路、瑞昌路、山東路路段機動性最好，該區域車行速度較高且交叉路口少，機動能力強，交通便捷程度較高。中心城區外圍沿線區域機動性較差，尤其是西南角的四川路、匯泉路、興隆路、萊蕪路、廣饒路以及東南角的海口路、海游路、東海東路的出行范圍較小，機動性較差。其原因在于，西南角車速較低且交通基礎設施不完善，而東南角路口眾多，導致出行范圍較小，交通便捷程度反而不高。

3.3 基于道路加權核密度模型的可達性分析

本文基于ArcGIS平臺，利用核密度估計模型對青島市中心城區路網中的道路要素和節點要素進行了核密度分析。為確定中心城區路網密度的區位差異，本文結合ArcGIS默認的h值，經多次試驗選定最佳h值為800，得出一個明顯的邊界范圍，結果如圖6、7所示，可以看出，研究區顏色由深變淺，表示核密度值由大變小。

圖5 基于時間阻抗的交叉口服務指數分布圖

在青島市中心城區交通網絡中，道路加權核密度較高的區域集中在路網東部，位于嶗山區與市北區交界處附近，呈多中心的分布形式，具體分為3個區域：①中部西至勁松一路，東至勁松八路，南至銀川東路，北至滁州路，該區域是一個綜合區，住宅區分布較密集，路網密集度最高；②東北部南至海口路，北至銀川東路，西至山東頭路，東至云嶺路，該區域有嶗山區政府、青島市人民檢察院、國家海洋局北海分局、嶗山區稅務局等行政機構，屬于經濟、文化、社會等交流頻繁地帶，路網密集；③海口路附近區域，海口路途徑青島大學和嶗山風景區，受高校和景區的輻射影響，路網也較密集。另外，還有3個區域的路網密度較高，分別為：①松嶺路中國海洋大學附近，受高校輻射的影響，路網較密集；②四流南路附近，該區域既有居住商貿綜合功能片區，又有新經濟綜合功能片區，路網較密集；③西南部的威海路附近，該區域為市北區政府全力打造的臺東商貿區，涵蓋威海路、延安二路、延安三路、長春路周邊區域，路網較密集。道路加權核密度較低的區域主要位于研究區的最南部和北部地區。南部地區屬于市南區旅游度假區，青島市近3/4的景區分布在市南區，因此路網密度最小；北部地區屬于李滄區，該區域發展較落后，商業主要集中在中西部，路網密度相對較小。道路網節點要素核密度分析結果與道路核密度分析結果基本吻合。

圖6 道路核密度分析

圖7 道路節點核密度分析

3.4 基于道路連通度評價模型的可達性分析

本文利用道路連通度評價模型，取變形系數為1，求解得到青島市中心城區路網的總連通度C=1.53。由路網圖可知，青島市中心城區路網節點間多為三路或四路連通，且道路連通度介于1～2之間。根據相關規定可知，青島市中心城區的交通網絡的連通性較好，斷頭路較少，但并不成熟。

3.5 綜合可達性及其空間特征

由于上述研究中各項指標量綱因素是相互獨立的，不能形成一個統一的指標來描述該區域路網可達性的整體格局，因此本文采用無量綱計算，得到一個綜合分值來分析區域路網的綜合可達性。為了使4個評價指標間具有可比性，先對各評價指標進行0～100無量綱處理[12]，再將各評價指標等權相加，即可得到綜合可達性指數。無量綱化的可達性指數可表示為：

式中，Xi為研究區的可達性數值或指數；Xmin為研究區可達性的最小數值或最小指數；Xmax為研究區可達性的最大數值或最大指數。

綜合可達性指數可表示為：

式中，Xik為不同指標下的研究區無量綱可達性指數；wk為各指標權重。

在計算綜合可達性的過程中，各指標往往是相互矛盾的，如時間可達性和空間可達性指標值以小為優，而出行服務指數、路網密度指數和路網連通性指標值以大為優。為了便于計算，規定所有指標的數值越大，綜合可達性越高，因此需將所有指標統一成值大為優的形式。本文將時間可達性和空間可達性指標的數值取相反數，使其滿足值大為優的計算要求參與函數計算。研究區綜合可達性指數越大，整個區域的可達性就越好。

青島市中心城區路網綜合可達性分布如圖8所示，可以看出，青島市中心城區綜合可達性在空間上呈現出多中心多圈層形式分布的整體格局，其綜合可達性從市中心向市郊遞減，且在西南、北方向延伸幅度最大；西南方向遞減速度最快，其次為北、東南、西方向；總體來看，綜合可達性最低值在整個網絡外圍，其中市南區、西片區綜合可達性最差。

圖8 青島市中心城區路網綜合可達性分析

4 結 語

本文以GIS為技術支撐，利用基于最小阻抗的可達性模型、道路加權核密度模型、路網連通度評價模型以及交叉口服務指數模型來構建綜合評價模型，并研究了青島市中心城區的綜合可達性。研究結果表明，青島市中心城區路網整體呈多中心多圈層形式分布的空間格局，在西南、北方向延伸幅度最大，中部區域綜合可達性較高；市南區、西片區由于自然條件等原因，綜合可達性最差；李滄區作為功能性組團發展起步較晚，道路建設相對不完善，應加強該地區的交通投資建設，以促進城市道路體系合理化建設。本文主要從靜態層面對青島市中心城區的路網可達性及其空間布局進行了探討，但缺乏動態層面的研究，無法展現時間尺度下青島市路網結構的演變趨勢。另外，隨著社會的發展，綜合交通對城市的影響日益明顯，未來可在常規公交、軌道交通以及高鐵對可達性的影響方面做進一步研究，以此來提高可達性在引導和預測城市道路建設與社會發展方面的準確性。