梁　宇，鄭新奇，白書建

(中國地質(zhì)大學(北京)信息工程學院，北京 100083)

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利用空間句法模型研究京津冀路網(wǎng)的通達性

梁宇，鄭新奇，白書建

(中國地質(zhì)大學(北京)信息工程學院，北京 100083)

空間句法屬于通達性研究方法中的拓撲度量法，是一種通過數(shù)學方式描述空間結(jié)構的方法。它最初僅被用于研究建筑學，之后擴展到地理學與計算機科學等方面。當前在國內(nèi)，利用其研究城市通達性、城市群的聯(lián)系等已經(jīng)取得了豐碩的成果。針對目前通達性研究缺少方法集成的情況，本文將空間句法與距離度量法等其他方法相結(jié)合，提出了嶄新的分析模型，研究了地區(qū)的道路通達性，使用空間句法原理，利用ArcGIS和Axwoman對京津冀地區(qū)的路網(wǎng)進行了系統(tǒng)性研究。首先得到地區(qū)柵格圖并矢量化，向其添加道路等級、道路實際距離等相關權重值，然后計算出各條道路的拓撲屬性值，進行各項分析并討論發(fā)展與規(guī)劃。研究得出，將多種通達性度量方法相集成研究道路的通達性能夠取得很好的效果。當前，京津冀地區(qū)的路網(wǎng)中心位于北京附近，但是除京津兩市之外，其余地區(qū)尚未形成明顯的路網(wǎng)中心，且相互間的聯(lián)系有待進一步加強。此外，張家口、承德等外圍城市發(fā)展水平較弱，應作為重點發(fā)展地區(qū)。

通達性；空間句法；京津冀；軸線

通達性也稱可達性，它對增強城市間的聯(lián)系具有重要意義[1]，已被廣泛地應用于社會生活的各個方面[2]。近年來，關于通達性的研究非常多，如龔杰暉等研究了確定地理網(wǎng)絡中心的算法[3]；胡于杰等研究了利用最短距離模型研究路網(wǎng)中心的方法[4]。研究通達性的方法有距離度量法、拓撲度量法、重力度量法和累積機會法4種，空間句法屬于其中的拓撲度量法。利用空間句法研究通達性可以定量描述分析路網(wǎng)結(jié)構，為其提供了直觀且便于理解的表達形式[5]?；谏鲜鰞?yōu)點，空間句法成為研究通達性的重要方法之一。

當前，在方法方面，張愚等對空間句法的理論、方法和實踐進行了研究[6]；傅搏峰等對空間句法在城市交通領域進行了分析[7]。在應用方面，何子張等對廈門市的城市形態(tài)及總體規(guī)劃進行了分析[8]；易增林等利用空間句法探討了蕪湖市的城市形態(tài)[9]。在研究地域方面，由于國家層面的重視，當前學界對京津冀投入了廣泛的熱情，如朱桃杏等對京津冀地區(qū)的鐵路網(wǎng)絡結(jié)構進行了研究[10]。

但是，上述研究都存在一些問題：首先，僅僅依靠空間句法一種研究方法導致研究的結(jié)論缺少相關的理論支撐；其次，研究的對象偏少，忽略了居民出行的差異性；此外，研究中考慮因素偏少，道路的速度等級、距離等能夠?qū)νㄟ_性產(chǎn)生直接影響的因素并未被納入研究。當前，關于空間句法的應用領域還主要局限于城市的中心性[11]、城市形態(tài)演變[12]等方面，缺少更加深入的內(nèi)涵。

本文將解決通達性研究中研究方法單一的問題，在詳細考慮影響通達性的各種因素后，分析京津冀地區(qū)的通達性情況并給出相應建議,將空間句法的基本理論與通達性研究方法中的距離度量法、重力度量法相結(jié)合，提出一種集成的方法。首先，向每一條軸線賦予道路等級、道路實際距離以及道路運輸能力3項權重值，以實現(xiàn)融入距離度量法的目的；然后，在分析的過程中對影響范圍通過具有重力度量法思想的密度分析進行操作，確定其對周圍地區(qū)的影響程度；最后，在產(chǎn)生結(jié)果后分析京津冀地區(qū)的通達性情況，提出該地區(qū)路網(wǎng)進一步發(fā)展的建議。

一、研究方法

1. 通達性的定義及研究方法

通達性由英國著名學者漢森首先提出，其定義為節(jié)點之間相互作用的機會的大小[13]。研究方法主要有4種：距離度量法、拓撲度量法、重力度量法、累積機會法[14]。

2. 空間句法的基本原理

(1) 空間句法的理論基礎

空間句法由英國學者比爾·希列爾在20世紀70年代的環(huán)境范型和“邏輯空間”的研究基礎上首次提出[7]，是一種通過數(shù)學中的拓撲方式描述空間組成機構的方法。它最初是一個建筑學的概念，以人的空間活動在很大程度上受空間形態(tài)或結(jié)構影響為假設，借助計算機模擬，定量描述空間的形態(tài)[7]。它的出現(xiàn)和發(fā)展為對空間的理解提供了新的視角[15]。

(2) 空間句法的相關概念

空間句法將實際的空間抽象出來，變成能夠參與數(shù)學計算的元素，主要通過連接值、控制值、深度值、集成度值表達空間之間的相互關系。

1) 連接值表示的是軸線圖中與第i個節(jié)點相連接的節(jié)點數(shù)量k，一般用Ci表示。它反映了節(jié)點在整個空間中的連接能力，連接值越高，其通達性也就越高，即

Ci=k

2) 控制值表示某條軸線對與之相交的空間的控制程度，一般用CTRLi表示。它反映了軸線對整個空間的控制程度，值越高，該條軸線也就越重要，即

CTRLi=1/C1+1/C2+…+1/Ck

3) 深度值表示的是圖中某一個節(jié)點到達其他所有節(jié)點的最少連接次數(shù)，分為全局深度值和局部深度值，一般以LD和GD表示。實際應用中還用到平均深度值(MD)，反映其到其他節(jié)點的平均最短距離，即

4) 集成度值反映網(wǎng)絡中的節(jié)點與其他節(jié)點的聚集或離散程度，可分為全局集成度(Ii)和局部集成度(LIi),集成度越高，其通達性也就越好，即

式中，Dn的計算公式為

(3) 空間軸線的分割方法

空間分割是空間句法的基礎，其依據(jù)的是人對空間的感知。擴大到通達性的領域之后，現(xiàn)有的空間句法理論由于軸線的距離有長有短，在實際的應用中已經(jīng)遇到了巨大的問題。對此，有人認為可以首先畫一條最長的軸線來代表一條街道,然后畫第二長的軸線與第一線相交,直至整個空間由一系列軸線連接[16]；有人認為可以利用等級較高的軸線將等級較低的軸線進行分割[17]；還有學者直接采用寬度20 m以上的道路對區(qū)域進行分割[18]。

本文借鑒通達性研究方法中的通達性矩陣[19]、列車車次數(shù)量[1]、旅行時間[20]等信息，提出對軸線按照地級或縣級行政單位進行劃分，并且對距離較長的軸線按照市級、縣級邊界再重新分割。

3. 京津冀地區(qū)道路研究方法

通過電子地圖渠道獲得交通圖并軸線化，利用Axwoman處理之后得到矢量地圖。之后，向其中添加道路等級、道路速度和道路實際距離3項屬性值。其中，規(guī)定高速公路(鐵路)為2，普通公路(鐵路)為1，兩個城市之間兼有二者為3，國家主要干線再額外加1；軸線的實際距離由ArcGIS計算幾何直接生成；道路速度則參考相關規(guī)章制度規(guī)定：普通鐵路、高速公路為120，高速鐵路為350或250，普通公路為60。最后，使用ArcGIS進行深入分析并出圖。

本文的流程如圖1所示。

圖1　研究流程

(1) 中心性分析

中心性分析研究京津冀地區(qū)的路網(wǎng)中心和局部中心。中心性越高則表明該地區(qū)對整體而言擁有更高的便利程度。通過此方法也可以計算出局部中心性較高的地區(qū)，但該地區(qū)面積相對較小，故不再進行此類分析。

中心性分析使用總深度值、全局集成度值和權重值中的道路速度、道路等級。在ArcGIS 10.1中導入矢量圖后，將總深度值進行分級顯示，利用不同的色彩體現(xiàn)出路網(wǎng)的中心性；隨后，考慮加權后的總深度值，鑒于ArcGIS數(shù)據(jù)的特點，本文將線狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)點生成網(wǎng)絡關系圖后利用網(wǎng)絡分析和成本矩陣生成實際距離，進而得到總距離值；之后用核密度分析得到中心性柵格圖，在屬性表中將權重值中的道路速度、道路等級，以及全局集成度、總深度值進行綜合考慮，將其標準化之后各取25%的權重，從而給出總的中心性權重值；最后通過核密度分析生成中心性分析柵格圖，并且以等值線的形式輸出。一般來說，等值線應當以近似同心圈層的形式分布[21]。

(2) 密度分析

密度分析研究京津冀地區(qū)的路網(wǎng)密度，密度較高則表明地區(qū)內(nèi)擁有更多的道路可供選擇，即到達路網(wǎng)可以通過相對較短的距離。

密度分析使用其中的連接值、控制值及權重值中的道路等級。將以上3個屬性值進行標準化后各取1/3的權重，進而給出總的密度分析權重值。然后利用ArcGIS中的線密度分析生成相應的柵格圖，以等值線的形式出圖。

(3) 強度差異分析

強度差異分析研究在相同的便利程度范圍內(nèi)存在瓶頸的地區(qū)。如果某地區(qū)的等值線呈現(xiàn)出向內(nèi)部凹進的形態(tài)，表明該地區(qū)與附近地區(qū)的出行便利程度存在明顯的強度差異，即地區(qū)的交通在這一地區(qū)產(chǎn)生了瓶頸，在相關的決策層面應當著重關注這些地區(qū)。

強度差異分析使用其中的連接值、控制值、總深度值、全局集成度值和所有的3項權重值。對軸線分別考慮以上因素，標準化之后分別賦予相同比例的權重，通過密度分析生成相應的柵格圖，然后通過柵格轉(zhuǎn)等值線法生成相應的等值線，最終成圖。

二、結(jié)果與討論

1. 研究區(qū)域概況

京津冀地區(qū)包含河北省11個地級市，以及北京、天津兩個直轄市，面積約20萬km2，人口約1億。該地區(qū)是我國的核心地帶，當前已初步規(guī)劃為中部核心功能區(qū)、西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)、中南部功能拓展區(qū)和東部濱海發(fā)展區(qū)4大組成部分。

2. 中心性分析

圖2依次表示了京津冀地區(qū)鐵路和公路的中心性分析情況。其中，柵格圖顏色越深則表明中心程度越高；中心性權重值由核密度分析生成柵格圖，以等值線的形式表示。

該地區(qū)路網(wǎng)的中心地區(qū)位于京津一帶，且以北京為中心，按照京石、京津兩條軸線發(fā)散。除此之外，京張、京承、京唐秦也有明顯的中心聚集趨勢，中部核心功能區(qū)中的另外3個城市天津、廊坊、保定及河北省的省會石家莊未表現(xiàn)出明顯的中心性，影響能力與北京相比差距較大，表明京津冀地區(qū)形成了北京一家獨大的路網(wǎng)結(jié)構。此外，在石家莊形成了較小的區(qū)域中心，表明與附近地區(qū)相比路網(wǎng)建設相對較好。保、滄、石、衡4個省轄市交界地帶中心性與周圍地區(qū)偏低，表明該地區(qū)在總的發(fā)展歷程中受到了忽視。

3. 密度分析

圖3為京津地區(qū)的鐵路、公路道路密度圖。利用字段計算器生成密度權重值后，通過線密度分析生成相應的道路密度圖。

圖3中路網(wǎng)密度較高的地區(qū)依舊位于京津兩市，顯示出與中心性有某種耦合的關系。當前該地區(qū)的路網(wǎng)建設已趨于飽和。但是，西北部、中南部及東部沿海地區(qū)還有待進一步完善。

4. 強度差異分析

圖4為該地區(qū)鐵路和公路的強度差異分析圖。在ArcGIS中生成強度差異權重值之后，利用軟件中的核密度分析生成強度差異柵格圖并利用等值線進行分級顯示，同時將程度極高、極低的等值線刪掉。

通過兩幅圖看出，強度差異明顯的地區(qū)尚未產(chǎn)生。但鐵路方面，京津廊保核心區(qū)及石衡滄沿線形成了強度較高的地區(qū)。石衡滄沿線有向內(nèi)凹進的現(xiàn)象，表明該地區(qū)或存在瓶頸，建設石衡滄城際鐵路應盡快提上日程。此外，京石及津保之間還未達到應有的強度，修建京石城際鐵路及保霸鐵路等其他通道很有必要。公路方面，該地區(qū)已經(jīng)較為完善，尤其是京津廊保核心區(qū)和濱海發(fā)展區(qū)；強度差異較為明顯的地區(qū)僅為張、承兩市之間。因此，繼續(xù)修建公路應當較為謹慎。

圖2　京津冀中心性分析

圖3　京津冀道路密度

圖4　京津冀強度差異

三、結(jié)束語

本文將空間句法、距離度量法、重力度量法與GIS結(jié)合，對京津冀地區(qū)的路網(wǎng)相繼進行了中心性分析、密度分析和強度差異分析。結(jié)果表明，這種集成方法對于研究城市群之間的路網(wǎng)通達性具有很好的效果。研究結(jié)果顯示，京津冀地區(qū)的路網(wǎng)中心位于京津兩市附近，以北京為中心，以京石、京津兩大發(fā)展軸呈發(fā)散的趨勢。天津、保定、石家莊未明顯表現(xiàn)出與區(qū)位相對應的中心性。此外，上述地區(qū)的路網(wǎng)密度也相對較高。強度差異方面，鐵路的差異較為明顯，應當適時修建石衡滄、津保、京石等新通道來完善路網(wǎng)結(jié)構；公路方面的差異比較小，路網(wǎng)當前已經(jīng)逐漸趨于成熟。

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The Accessibility Research of Jing-Jin-Ji Road Network Using Space Syntax Model

LIANG Yu,ZHENG Xinqi,BAI Shujian

梁宇，鄭新奇，白書建.利用空間句法模型研究京津冀路網(wǎng)的通達性[J].測繪通報，2016(10)：101-105.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0340.

2015-12-07

國土資源部公益性行業(yè)撞向科研經(jīng)費(201511010)

梁宇(1991—)，男，碩士生，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)及相關應用。E-mail：ly1112926@cugb.edu.cn

鄭新奇。E-mail：zhengxq@cugb.edu.cn

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0494-0911(2016)10-0101-05