李 秋 芳，李 仁 杰,2，傅 學 慶,2，張 軍 海,2*

(1.河北師范大學資源與環(huán)境科學學院，河北 石家莊 050024；2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設實驗室，河北 石家莊 050024)

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基于空間句法的城市立體交通通達性模型及其應用
——以石家莊市為例

李 秋 芳1，李 仁 杰1,2，傅 學 慶1,2，張 軍 海1,2*

(1.河北師范大學資源與環(huán)境科學學院，河北 石家莊 050024；2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設實驗室，河北 石家莊 050024)

當前通達性研究多單方面關注地面交通或地下軌道交通，缺少對地面、地下一體化立體交通通達性的研究。利用空間句法形態(tài)分析變量，分別表述地面和地下交通的通達性，并以地面公交站點通過的公交車數量作為權重因子，構建地下交通通達性向地面交通傳遞的紐帶，最終建立城市立體交通空間通達性模型。研究表明，該模型可用于立體交通通達性的計算，定量描述結果更符合城市交通通達性現實狀況，可作為城市科學布局與發(fā)展的依據。

空間句法；立體交通；通達性；集成度；石家莊市

空間句法提供的對城市結構形態(tài)的描述可用于解釋人的空間行為和社會活動，為城市規(guī)劃和設計提供了指南[1]，廣泛應用于城市中心分布規(guī)律[2,3]、城市街道布局特征[4,5]、城市土地利用[6,7]、城市游憩空間結構特征[8]及商品交易市場空間結構[9]等領域。由于城市交通網絡形態(tài)特征的優(yōu)劣直接影響到城市交通效益的發(fā)揮[10]，交通通達性則是交通效益的直接表征，決定著城市與區(qū)域之間物質流、能量流和信息流的通暢程度[11]。近年來，空間句法應用于城市交通通達性的案例越來越多[12-14]，但研究多單方面關注地面交通或地下軌道交通，缺少對地面、地下一體化立體交通通達性的研究，不能全面表征城市交通通達性實際狀況，弱化了其對城市交通科學規(guī)劃和管理的現實指導意義。

本文嘗試利用空間句法形態(tài)分析變量，分別表述地面和地下交通通達性，以地面公交站點通過的公交車數量作為權重因子，構建地下交通通達性向地面交通傳遞的紐帶，最終建立城市立體交通空間通達性模型。以正在建設地下軌道交通的石家莊市為例，嘗試以立體交通通達性分析揭示未來城市交通格局，為城市交通管理和可持續(xù)規(guī)劃設計提供參考。

1 研究方法

1.1 空間句法

空間句法著眼于自由空間的表示，描述以拓撲關系為代表的一種關系，關注基于拓撲距離的網絡通達性和關聯性?？臻g句法是利用構形關系分析任何空間元素的幾何代表[15]，分析流程可簡述為：1)空間分割；2)建立小尺度空間連接圖；3)形態(tài)分析變量計算?？臻g分割將城市自由空間呈現的大尺度空間分割為小尺度空間，分割后的城市自由空間或街道網由一系列軸線連接，形成由最少數目的最長直線組成的軸線地圖，具有城市形態(tài)的代表性。連接圖重在描述由節(jié)點之間的連接關系所組成的結構系統，為空間構形提供有效描述方法，也是構形量化表達的重要途徑。

空間句法模型的主要形態(tài)分析變量有連接值、控制值、平均深度值、集成度。集成度反映一個單元空間與系統中所有其他空間的集聚或離散程度，描述局部與整體間的關系，是個較為綜合的指標。本文把集成度值作為衡量通達性的指標，將空間句法分析模型集成到GIS平臺中，進而實現空間分割和形態(tài)分析變量的計算、存儲、管理、分析和可視化。

1.2 通達性模型的建立

城市地面交通和地下交通兩個空間層面相結合構成了城市立體交通模式。立體交通通達性是指地面道路網交通系統和地鐵交通系統共同構成的城市空間通達性指標。由于現代城市居民的出行目的地最終體現在地表空間的某一具體位置，通過地下軌道交通方式的出行行為最終要匯聚到地面交通中，因此應通過一種合適的參數將地下交通通達性整合到地面交通通達性模型中。本研究借助特征點討論立體交通的可達性。從城市公共交通的構成要素看，地下軌道交通出站點周圍的地面公交站點及其經過的公交車數量是地下交通向地面交通系統轉換的關鍵因子，也成為基于地面與地下交通通達性整合構建立體交通通達性模型的紐帶。

(1)公交站點的地面通達性模型。以公交站點通過的公交車次數為權重，用公交站點所在的地面道路的集成度值加權的結果作為公交站點的地面交通通達性值。模型表示為：

(1)

(2)公交站點的地下通達性模型。地下交通通達性經過地鐵站點傳遞到地面后，距離地鐵站點越近的公交站點，地下通達性值越高，反之，地下通達性值就越低。因此，以公交站點與地鐵站點的距離作為權重，地鐵站點的集成度值加權的結果作為公交站點的地下交通通達性值。結合實際情況，人們通常選擇距離最近的地鐵站點實現地下交通出行，可根據地鐵站點的位置，確定在不同位置的公交站點出行時對地鐵站點的選擇，進而確定地下交通通達性。模型表示為：

(2)

式中：I″i為公交站點i處的地下交通通達性值；dij為公交站點i與距離最近的地鐵站點j間的距離；Ivj為地下軌道交通網絡中地鐵站點j的集成度值；k為地鐵站點的數量；n為第j個地鐵站點范圍內公交站點的數量，隨j的變化而變化。

在實際交通狀況中，當dij足夠小，即公交站點和地鐵站點的距離很近時，公交站點位置處進入地下交通系統的便捷程度近似于地鐵站點位置，二者地下交通通達性值近似，即I″i≈Ivj，根據實際情況式(2)可寫成：

(3)

(3)公交站點的立體交通通達性模型。把公交站點的地面交通通達性值和地下交通通達性值疊加，作為公交站點位置的城市立體交通通達性值。模型如下：

(4)

2 實證研究

2.1 數據獲取與處理

石家莊城市交通規(guī)劃的軌道交通由6條線組成，1、2、3號線為骨干線，目前1、3號線正在施工。本文以石家莊市主要路網、公交站點和地鐵1、2、3號線站點為研究對象，分析軌道交通建成后的城市空間通達性。

地面交通路網數據以天地圖影像為基礎，矢量化生成街道路網。公交站點數據根據圖吧網上的石家莊公交車站點列表，在交通路網矢量數據基礎上進行定位和矢量化，并記錄每一公交站點經過的公交車次數。公交站點有上下行站點之分，一般分布在道路的兩側，水平方向上有一段距離，本文把上下行同一名稱的站點歸并為一個點。為了簡化，按照鄰近原則把公交站點定位到道路的十字交叉口位置和道路的中點位置，歸并的公交站點中相同的公交車次數不累計。地鐵站點數據根據石家莊地鐵網(http://www.0311ditie.com/)公布的《城市軌道交通建設規(guī)劃(2012-2020)》中1、2、3號地鐵線路一期工程的站點位置，結合矢量化的交通路網數據生成。街道路網數據、公交站點數據與地鐵站點數據如圖1所示。

在ArcGIS10中利用Axwoman6.0模塊由街道路網數據自動生成軸線地圖，計算空間句法各形態(tài)分析變量，圖2為生成的空間集成度圖。由于地鐵站點數據不能直接計算形態(tài)分析變量，研究中借鑒軸線地圖思想，通過將站點數據轉換成軸線地圖以獲得地鐵站點的形態(tài)分析變量。軸線地圖中各軸線與點狀數據一一對應，并且軸線之間的空間關系與對應的點數據之間的空間關系保持一致。

2.2 地面交通通達性

由街道路網集成度軸線圖(圖2)可以看出，街道路網通達性具有明顯的結構差異。軸線顏色越深表明道路的集成度值越大，其通達能力越強，該道路和其他道路的聯系越緊密，越容易實現和其他空間的互動。這些高集成度的交通道路不僅是城市中心地帶和周邊各個地區(qū)聯系的紐帶，也是城市內部人類交流活動的活躍地帶。軸線顏色越淺表明道路的集成度值越小，其通達能力越弱，便捷程度越差。在集成度軸線圖上可以看出，友誼大街、中華大街、建設大街、體育大街、建華大街、談固大街等南北向的城市主干道以及和平路、中山路、裕華路、槐安路等城市東西向主干道為高集成度的道路，承載著石家莊市區(qū)的主要交通流。

圖1 街道路網、公交站點現狀與規(guī)劃地鐵站點分布

Fig.1 Sketch chart of traffic network,bus stations and subway stations

圖2 街道路網集成度軸線圖

Fig.2 Axis figure of traffic integration

公交站點作為地面交通系統中重要的節(jié)點，也是地面交通通達性傳遞的樞紐。公交系統使公交站點在地面路網中具有一定的連續(xù)性，因此文中把公交交站點作為通達性傳遞的特殊點，將地面路網的通達性信息轉化成公交站點的通達性信息。經過抽象和歸并后，十字路口位置公交站點的地面通達性值為所在路口處道路集成度值的平均值；道路中點公交站點的地面通達性值為所在道路的集成度值。根據式(1)，可以計算出公交車次數加權的公交站點的地面通達性值。

2.3 地下交通通達性

2.3.1 地鐵站點通達性分析 根據石家莊市城市軌道建設規(guī)劃圖，地鐵1、2、3號線兩兩相交，可以直觀的分析出這3條地鐵線路的聯通關系，并且得出這3條線路的集成度值相等，所以地鐵線路通達性并不是本研究重點，地鐵站點間通達性研究才具有重要意義。表1列出了地鐵站點集成度值的計算結果。地鐵一期工程所有地鐵站點中，集成度值最高的是1、2號線換乘站人民廣場站，其次是1、3號線換乘站中山廣場站；地鐵1號線的解放廣場站、平安大街站、省博物館站，2號線的大戲院站、新世隆站以及3號線的東里站集成度值也較高。對于新百廣場、解放廣場、北國商城、省博物館等地區(qū)旺盛的交通需求具有明顯的支撐作用。3號線的西三教和東廣場站，2號線的東三教和塔談站，以及2、3號線換乘站石家莊站等是新火車站附近的地鐵站，集成度值僅次于解放廣場附近站點的集成度值，可以有效地為來往于新客站的市民服務。

2.3.2 地鐵站點通達性向地面的傳遞 本文采用Vonoroi數據結構，生成49個地鐵站點范圍柵格圖(圖3)，49個地鐵站點的服務范圍存在很大差異。市區(qū)中心，3條線路的地鐵站點分布較密集，各自最有效的服務區(qū)域范圍較小，3條地鐵線路交叉圍成的三角區(qū)域表現最明顯。而市區(qū)外圍，地鐵站點的分布密度變小，服務的區(qū)域范圍變大，尤其是各條線路的起始站和終點站，與市中心地鐵站點相比服務范圍明顯變大。圖中區(qū)域不同的顏色表示區(qū)域內地鐵站點不同的集成度值，顏色越深區(qū)域的地下通達性越好，反之，區(qū)域的地下通達性較差?？梢姡瑥氖袇^(qū)中心向市區(qū)外圍，地鐵站點的地下通達性逐漸減弱。

在不考慮特定出行目的情況下，單個區(qū)域范圍內的任何位置選擇該區(qū)域的地鐵站點進入地下交通最便利。不同區(qū)域范圍內公交站點的地下交通通達性受區(qū)域內地鐵站點通達性的影響，地下交通通達性不同；同一區(qū)域范圍內，不同位置的公交站點因與區(qū)域內地鐵站點的距離不同，地下交通通達性也不同。根據式(3)可以計算出各個區(qū)域范圍內所有公交站點的地下通達性值。

表1 地鐵站點集成度值計算結果

Table 1 Calculating results of subway station integration

序號站點名稱集成度1西王站0．3432時光街站0．3843長城橋站0．4334和平醫(yī)院站0．4935烈士陵園站0．5686中山廣場站0．6657解放廣場站0．6518平安大街站0．6379人民廣場站0．68610省博物館站0．61211體育場站0．54812北宋站0．49313談固站0．44514朝暉橋站0．40415白佛站0．36816留村站0．33617火炬廣場站0．308序號站點名稱集成度18石家莊火車站東站0．28419東杜莊站0．26220南村站0．24221西三莊站0．34322水上公園站0．38423市莊站0．49324小灰樓站0．56825東里站0．62426槐安橋站0．58827西三教站0．55628石家莊站0．59329東廣場站0．52230孫村站0．46331塔冢站0．41432東王站0．37233柏林莊站0．43334三教堂站0．280序號站點名稱集成度35位同站0．30636南王站0．33737西古城0．34938鐵道學院0．39139運河橋0．44140藍天圣木0．50441長安公園0．58443新世隆0．60442大戲院0．64344東崗頭0．57045東三教0．58146塔談0．51147塔談南0．44748南位0．39549嘉華0．352

圖3 地鐵站點范圍

Fig.3 Range of subway stations

2.4 地面與地下通達性的耦合性

地面交通通達性和地下交通通達性根據空間句法集成度值的概念計算得到。地面路網的集成度值和地鐵站點的集成度值分別在不同的系統中計算，數值的大小不具有絕對意義，只在各自的系統中可以相互比較。數據歸一化處理可將不同量綱和不同數量級的數據轉變成具有相同量綱和相同數量級的具有可比性的數據，處理后的數據可以相互進行數學運算。線性函數法中的最大最小值法是常采用的表示方法，用于將樣本數據歸一化到[0，1]范圍內。利用最大最小值法對式(1)和式(3)計算出的公交站點地面交通通達性值和地下交通通達性值進行歸一化處理，然后根據式(4)對其進行疊加，得到各個公交站點的立體交通通達性值，表2為部分公交站點的通達性值計算結果。

2.5 城市立體交通通達性分析

通過計算發(fā)現，北國商城、紀念碑、河北大戲院站點的立體交通通達性值位居前三，且地面通達性和地下通達性值都較好。解放廣場、平安公園和談固3個站點的地面通達性值均在0.8以上，但地下交通通達性值相對不高(解放廣場站距最近的地鐵站點約277 m，平安公園站距最近的地鐵站點約848 m，談固站距最近的地鐵站點約526 m)，導致立體交通通達性排名沒有位居前列。政府西院、華城綠洲和武警總隊站的地面通達性較低，但距地鐵站點很近，地下通達性值都在0.8以上，因此立體交通通達性較好。立體交通通達性排名較落后的站點，其所在的區(qū)域道路網通達性較差，公交車次數較少(一般只有1～2條線路通過)，且與地鐵站點距離較遠(距離最近的地鐵站點1～3 km)，地面交通通達性值和地下交通通達性值都不高，因此整體通達性值不高。

表2 公交站點通達性值計算結果

Table 2 Calculating results of bus station accessibility

公交站點地面通達性歸一化結果地下通達性歸一化結果立體交通通達性北國商城1．0001．0002．000紀念碑0．7960．9461．742河北大戲院0．7610．9331．694河北醫(yī)大0．6670．7871．454萬象天成西0．5400．9051．445愛爾眼科醫(yī)院0．5660．8491．415鐵道大廈0．2980．9251．223省四院0．3460．8421．189和平醫(yī)院0．4530．7031．156運河橋客運站東0．5110．6241．135建華百貨大樓0．4260．7031．129西三教東0．3170．8001．117新世隆0．1650．8741．039解放廣場0．8650．1220．987白佛客運站0．4700．5100．980 公交站點地面通達性歸一化結果地下通達性歸一化結果立體交通通達性保龍倉談固店0．3320．6300．962中山路東二環(huán)0．3920．5660．958平安公園0．8370．0900．927談固0．8730．0540．926八一站0．2900．6100．900政府西院0．0650．8190．883省博物館0．7310．1330．864華城綠洲0．0040．8390．843武警總隊0．0190．8190．837 …………天翼路西口0．0000．0180．018長江燕山街口0．0160．0010．017大安舍0．0020．0110．012天山楓景小區(qū)0．0070．0030．010東杜莊橋0．0030．0050．009

為直觀展現市區(qū)范圍內交通通達性的分布特征，利用立體交通通達性值對公交站點的立體交通通達性結構特征進行空間插值分析。通過反距離權重插值法(IDW)得出公交站點立體交通通達性的空間分布模擬圖(圖4)。可以看出，城市立體空間的通達性呈現出從城市中心向城市周圍逐漸減弱的趨勢，通達性較好的區(qū)域分布與市區(qū)內地鐵線路的規(guī)劃有較強的一致性，如地鐵1號線上的西王站-留村站線路段、2號線上的運河橋-新世隆站線路段及3號線上的市莊站-石家莊站線路段通達性較好。地鐵1號站的留村站-南村站線路段、2號線的東崗頭站-嘉華站線路段及3號線的石家莊站-三教堂站線路段通達性相對較差，這些區(qū)域雖有地鐵站點，但站點附近的路網和公交設施都不完善，導致整體交通通達性較差。主城區(qū)二環(huán)以內的區(qū)域空間通達性值較高，但西北二環(huán)的西三莊、東南二環(huán)位同以東區(qū)域均為地鐵3號線的始末站，地下通達性相對較差，加之地面交通路網結構和公交設施不完善，這些區(qū)域的通達性并不高。

圖4 公交站點立體交通通達性空間分布

Fig.4 Chart for accessibility of three-dimensional traffic of bus stations

模型分析結果表明：1)結合地鐵1、2、3號線的修建對城市空間通達性的影響可知，西北、西南、東南和東北區(qū)域的通達性較差，4、5、6號地鐵線路作為輔助填充線，規(guī)劃時要充分考慮提高這些區(qū)域的通達性。2)市區(qū)部分路段的空間通達性較差，而現實狀況卻承載大量的交通流。如和平路、槐安路等作為中心城區(qū)的主干道以及聯系市區(qū)與東部開發(fā)區(qū)和西部地區(qū)的紐帶，吸引著較高的交通流量，計算結果反映出這兩條道路的空間通達性不能適應實際交通需求。3)市區(qū)內立體交通通達性值最高達2，最低只有0.009，不同區(qū)域間通達性差異較大。石家莊市區(qū)的交通布局有待優(yōu)化，城市主干道承載大部分交通壓力，應充分發(fā)揮支路的疏散作用。道路基礎設施的規(guī)劃建設要起到疏解市中心壓力，引導人流、車流的分流作用。同時，城市公共交通要根據地鐵的修建做合理的調整，重在提高公共交通在市區(qū)內不同區(qū)域的服務能力，在通達性較差的區(qū)域增設公交站點，加密公交線路等。

3 結語

城市交通網絡研究注重定性描述，定量分析的應用不足[16]。本文基于空間句法思想，建立了城市立體交通通達性計算模型，為城市交通通達性分析提供了新思路和方法。實例研究表明，該模型用于立體交通通達性的計算，結果更符合城市交通通達性現實狀況。立體交通通達性模型通過合適的權重因子轉換，充分考慮了地下軌道交通對地面通達性的貢獻，模型分析結果可作為城市空間布局的依據，為城市科學布局與發(fā)展提供參考。但影響城市交通通達性的因素多且復雜，本文模型未區(qū)分公交的上下行線路以及市區(qū)內不同區(qū)域公交線路分布的疏密等因素，與實際交通狀況存在一定差距，模型的應用有一定的局限性。因此，今后的研究應注重模型的優(yōu)化。

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Accessibility Model and Its Application for Three-Dimensional Traffic in City Based on Space Syntax: A Case Study of Shijiazhuang

LI Qiu-fang1,LI Ren-jie1,2,FU Xue-qing1,2,ZHANG Jun-hai1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050024; 2.HebeiKeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandEcologicalConstruction,Shijiazhuang050024,China)

It is showed concerns about surface-transportation or underground urban mass transit unilaterally for the research on accessibility.However,there are less studies for three-dimensional traffic accessibility.This paper analyzes the accessibility characteristics for both surface-transportation and underground urban mass transit using the morphological analysis variables of space syntax,taking Shijiazhuang for example,taking the number of buses that passing the bus station as a weight to build the link that the accessibility of underground urban mass transit pass to the surface-transportation,the spatial accessibility model of three-dimensional traffic is built.The results show that the accessibility calculation using this model is more close to the actual situation.The quantitative description of accessibility about three-dimensional traffic can be used as the basis for urban layout.Also,the paper provides a reference for planning and designing scientifically.

space syntax；three-dimensional traffic；accessibility；integration；Shijiazhuang

2014-02-25；

2014-04-28

河北省高校重點學科建設項目

李秋芳(1986-)，女，碩士研究生，研究方向為地理信息建模。*通訊作者E-mail:zhangresc@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.015

TU984

A

1672-0504(2015)02-0070-06