劉 娜，廣曉平

（1.蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)與完善，交通網(wǎng)絡(luò)作為國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)載體，直接影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。城市交通路網(wǎng)的可達(dá)程度能反映一個(gè)城市的空間延展以及城市內(nèi)部各區(qū)域之間相互作用的廣度與深度，因此研究城市交通路網(wǎng)可達(dá)性，在一定程度上能正確評價(jià)城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，針對城市路網(wǎng)缺陷提供相應(yīng)的優(yōu)化策略，對于土地利用規(guī)劃，新建、改建和打通斷頭路等具有重要意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

可達(dá)性的概念由Hansen于1959年提出[1]，其在交通行業(yè)做出了卓越貢獻(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，可達(dá)性研究在國內(nèi)外均取得了很大進(jìn)展，主要表現(xiàn)為：基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，采用靜態(tài)或動態(tài)研究的方式，通過不同可達(dá)性指標(biāo)構(gòu)建綜合可達(dá)性模型，研究區(qū)域交通路網(wǎng)可達(dá)性、空間特征及其演變規(guī)律[2-4]；以交通網(wǎng)絡(luò)為中心，選取可達(dá)性模型研究城市內(nèi)部醫(yī)療、公園、商場等公共服務(wù)設(shè)施的可達(dá)性，并以此分析城市內(nèi)部交通網(wǎng)絡(luò)對城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的影響，提出規(guī)劃措施[5-8]；以區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)綜合可達(dá)性為基礎(chǔ)，研究路網(wǎng)與土地利用、城市擴(kuò)張以及人口數(shù)量之間的相關(guān)性[9]；通過選擇不同的可達(dá)性評價(jià)方法，研究加入高速鐵路或軌道交通后區(qū)域綜合可達(dá)性的變化特征[10-11]。

本文基于GIS平臺，利用網(wǎng)絡(luò)分析功能結(jié)合空間插值的方法定量分析了青島市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)在不同指標(biāo)下的可達(dá)性，并通過綜合可達(dá)性研究評價(jià)了青島市交通路網(wǎng)現(xiàn)狀，為青島市交通路網(wǎng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文選取青島市中心城區(qū)作為研究區(qū)，包括市北區(qū)、李滄區(qū)部分區(qū)域、嶗山區(qū)部分區(qū)域以及市南區(qū)。截至2017年底，青島市城市路網(wǎng)總密度為5.35 km/km2，其中市南區(qū)為9.42 km/km2、市北區(qū)為6.97 km/km2、嶗山區(qū)為5.28 km/km2、李滄區(qū)為5.14 km/km2，這4個(gè)區(qū)域?qū)儆诔鞘新肪W(wǎng)密集分布區(qū)域，因此具有研究城市路網(wǎng)的代表性。青島市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 青島市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)圖

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 基于最小阻抗的可達(dá)性評價(jià)方法

Allen最早提出了基于最小阻抗的可達(dá)性評價(jià)方法，認(rèn)為中心點(diǎn)的可達(dá)性評價(jià)指標(biāo)可用中心點(diǎn)到所有目的點(diǎn)的平均最小阻抗表示。利用交通網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短時(shí)間距離或空間距離來計(jì)算可達(dá)性，計(jì)算所得距離值越小，表明該節(jié)點(diǎn)（交叉口）可達(dá)性越好。路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可達(dá)性與整個(gè)路網(wǎng)可達(dá)性可表示為：

式中，dij為節(jié)點(diǎn)i、j之間的可達(dá)性，表示節(jié)點(diǎn)i、j之間的最短時(shí)間距離或最短空間距離；Ai為路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的可達(dá)性；A為整個(gè)路網(wǎng)的可達(dá)性；n為整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.1.2 交叉口服務(wù)指數(shù)模型

交叉口服務(wù)指數(shù)模型用于評價(jià)交通網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處機(jī)動能力的強(qiáng)弱。交叉口機(jī)動性是指道路交叉口以一定的速度服務(wù)水平到達(dá)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(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性。一般來說，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)越合理，基礎(chǔ)設(shè)施越完善，在一定時(shí)間內(nèi)能到達(dá)的范圍就越大，其交叉口服務(wù)指數(shù)也就越大，即機(jī)動性越強(qiáng)。交叉口服務(wù)指數(shù)可表示為：

式中，Ki為節(jié)點(diǎn)i的交叉口服務(wù)指數(shù)；Si為節(jié)點(diǎn)i在10 min內(nèi)可到達(dá)的區(qū)域面積；S為研究區(qū)總面積。

2.1.3 道路加權(quán)核密度模型

城市內(nèi)部道路建設(shè)水平的高低可由道路密度來衡量?？紤]到不同等級的道路對可達(dá)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(qū)內(nèi)各類型要素的密度分布特征。為了獲得節(jié)點(diǎn)x處的密度值f(x)，假設(shè)x1、x2、…、xn為獨(dú)立分布的F的n個(gè)樣本點(diǎn)，綜合考慮道路等級、實(shí)際通行速度、道路在整個(gè)路網(wǎng)中的相對重要性等因素，將研究區(qū)的道路分為主要道路、次要道路和支路3個(gè)等級進(jìn)行加權(quán)處理，并分別賦予相應(yīng)的權(quán)重（10、6和4）。模型常用Rosenblatt-Parzen核密度估計(jì)法，具體公式為：

式中，n為樣本數(shù)；xi為獨(dú)立樣本；x-xi為估計(jì)點(diǎn)到樣本點(diǎn)xi的距離；h為帶寬，取值對計(jì)算結(jié)果影響較大；K為核函數(shù)。

2.1.4 路網(wǎng)連通度評價(jià)模型

路網(wǎng)連通度是指研究區(qū)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間依靠道路相互連通的強(qiáng)度，能體現(xiàn)路網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)間相互連通的狀況，并根據(jù)路網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)與邊相互之間不同的連通方式來體現(xiàn)路網(wǎng)的分布特征。路網(wǎng)連通度越大，說明該路網(wǎng)中的斷頭路越少，道路的便利程度越強(qiáng)。路網(wǎng)連通度的計(jì)算公式為：

式中，L為研究區(qū)內(nèi)道路的總里程（單位為km）；H為相鄰兩個(gè)交通節(jié)點(diǎn)間的空間平均直線距離（單位為km）；A為區(qū)域面積（單位為km2）；n為研究區(qū)內(nèi)應(yīng)連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)；ξ為研究區(qū)內(nèi)路網(wǎng)的變形因子，一般由實(shí)際線路總里程與直線總里程的比值來確定。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本文以山東省青島市中心城區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)為研究對象，以青島市1∶1 000交通地圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了GIS空間數(shù)據(jù)庫。建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集前需對路網(wǎng)進(jìn)行空間配準(zhǔn)矢量化和拓?fù)錂z查，并設(shè)置要素類屬性，進(jìn)而建立城市路網(wǎng)模型。路網(wǎng)建設(shè)的基本工作流程如圖2所示。

圖2 路網(wǎng)建立的具體流程圖

3 交通網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性分析

3.1 基于最小阻抗的可達(dá)性分析

本文基于GIS平臺，選取時(shí)間或距離阻抗建立OD矩陣，以此來查找和測量交通網(wǎng)絡(luò)中從多個(gè)起始點(diǎn)到多個(gè)目的地的最小成本路徑，并將求解結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)交通路網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性。在統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用反距離加權(quán)插值法（IDW）進(jìn)行插值可視化操作，得到青島市中心城區(qū)的路網(wǎng)可達(dá)性分布圖（圖3、4），圖中顏色越深表明可達(dá)性越好。

由圖3、4可知，無論從時(shí)間可達(dá)性還是空間可達(dá)性分析，青島市中心城區(qū)均為典型的單中心多圈層形式分布的交通路網(wǎng)，中部地區(qū)可達(dá)性較高，交通便捷，西南部地區(qū)可達(dá)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(dá)性呈由中心向四周遞減的趨勢。通過對比發(fā)現(xiàn)，空間可達(dá)性模型可達(dá)性較好的區(qū)域與時(shí)間可達(dá)性模型大致吻合，可達(dá)性最好的區(qū)域北至長沙路，南至銀川東路，西至人民路，東到科苑經(jīng)三路。由于西南部地區(qū)屬于市南區(qū)，該區(qū)域分布著青島市3/4的旅游度假區(qū)，可達(dá)性指數(shù)衰減最快。

圖3 基于最短時(shí)間阻抗的可達(dá)性分析圖

圖4 基于最短距離阻抗的可達(dá)性分析圖

3.2 基于交叉口服務(wù)指數(shù)模型的可達(dá)性分析

本文基于ArcGIS平臺，以青島市中心城區(qū)路網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，利用交叉口服務(wù)指數(shù)模型生成了交叉口服務(wù)指數(shù)分布圖。模型中斷值設(shè)置為10 min，以此來模擬分析研究區(qū)路網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的機(jī)動車出行能力強(qiáng)弱。基于時(shí)間阻抗的交叉口服務(wù)指數(shù)分布如圖5所示，可以看出，顏色越淺的區(qū)域機(jī)動性越差，出行范圍面積越小，其交叉口服務(wù)指數(shù)越小。從交叉口服務(wù)指數(shù)的空間結(jié)構(gòu)來看，與基于最小阻抗的可達(dá)性相比，整個(gè)研究區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)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(qū)中部地區(qū)的重慶南路、瑞昌路、山東路路段機(jī)動性最好，該區(qū)域車行速度較高且交叉路口少，機(jī)動能力強(qiáng)，交通便捷程度較高。中心城區(qū)外圍沿線區(qū)域機(jī)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?？诼?、海游路、東海東路的出行范圍較小，機(jī)動性較差。其原因在于，西南角車速較低且交通基礎(chǔ)設(shè)施不完善，而東南角路口眾多，導(dǎo)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(quán)核密度模型的可達(dá)性分析

本文基于ArcGIS平臺，利用核密度估計(jì)模型對青島市中心城區(qū)路網(wǎng)中的道路要素和節(jié)點(diǎn)要素進(jìn)行了核密度分析。為確定中心城區(qū)路網(wǎng)密度的區(qū)位差異，本文結(jié)合ArcGIS默認(rèn)的h值，經(jīng)多次試驗(yàn)選定最佳h值為800，得出一個(gè)明顯的邊界范圍，結(jié)果如圖6、7所示，可以看出，研究區(qū)顏色由深變淺，表示核密度值由大變小。

圖5 基于時(shí)間阻抗的交叉口服務(wù)指數(shù)分布圖

在青島市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)中，道路加權(quán)核密度較高的區(qū)域集中在路網(wǎng)東部，位于嶗山區(qū)與市北區(qū)交界處附近，呈多中心的分布形式，具體分為3個(gè)區(qū)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(qū)域是一個(gè)綜合區(qū)，住宅區(qū)分布較密集，路網(wǎng)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(qū)域有嶗山區(qū)政府、青島市人民檢察院、國家海洋局北海分局、嶗山區(qū)稅務(wù)局等行政機(jī)構(gòu)，屬于經(jīng)濟(jì)、文化、社會等交流頻繁地帶，路網(wǎng)密集；③海口路附近區(qū)域，海口路途徑青島大學(xué)和嶗山風(fēng)景區(qū)，受高校和景區(qū)的輻射影響，路網(wǎng)也較密集。另外，還有3個(gè)區(qū)域的路網(wǎng)密度較高，分別為：①松嶺路中國海洋大學(xué)附近，受高校輻射的影響，路網(wǎng)較密集；②四流南路附近，該區(qū)域既有居住商貿(mào)綜合功能片區(qū)，又有新經(jīng)濟(jì)綜合功能片區(qū)，路網(wǎng)較密集；③西南部的威海路附近，該區(qū)域?yàn)槭斜眳^(qū)政府全力打造的臺東商貿(mào)區(qū)，涵蓋威海路、延安二路、延安三路、長春路周邊區(qū)域，路網(wǎng)較密集。道路加權(quán)核密度較低的區(qū)域主要位于研究區(qū)的最南部和北部地區(qū)。南部地區(qū)屬于市南區(qū)旅游度假區(qū)，青島市近3/4的景區(qū)分布在市南區(qū)，因此路網(wǎng)密度最?。槐辈康貐^(qū)屬于李滄區(qū)，該區(qū)域發(fā)展較落后，商業(yè)主要集中在中西部，路網(wǎng)密度相對較小。道路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)要素核密度分析結(jié)果與道路核密度分析結(jié)果基本吻合。

圖6 道路核密度分析

圖7 道路節(jié)點(diǎn)核密度分析

3.4 基于道路連通度評價(jià)模型的可達(dá)性分析

本文利用道路連通度評價(jià)模型，取變形系數(shù)為1，求解得到青島市中心城區(qū)路網(wǎng)的總連通度C=1.53。由路網(wǎng)圖可知，青島市中心城區(qū)路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間多為三路或四路連通，且道路連通度介于1～2之間。根據(jù)相關(guān)規(guī)定可知，青島市中心城區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)的連通性較好，斷頭路較少，但并不成熟。

3.5 綜合可達(dá)性及其空間特征

由于上述研究中各項(xiàng)指標(biāo)量綱因素是相互獨(dú)立的，不能形成一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)來描述該區(qū)域路網(wǎng)可達(dá)性的整體格局，因此本文采用無量綱計(jì)算，得到一個(gè)綜合分值來分析區(qū)域路網(wǎng)的綜合可達(dá)性。為了使4個(gè)評價(jià)指標(biāo)間具有可比性，先對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行0～100無量綱處理[12]，再將各評價(jià)指標(biāo)等權(quán)相加，即可得到綜合可達(dá)性指數(shù)。無量綱化的可達(dá)性指數(shù)可表示為：

式中，Xi為研究區(qū)的可達(dá)性數(shù)值或指數(shù)；Xmin為研究區(qū)可達(dá)性的最小數(shù)值或最小指數(shù)；Xmax為研究區(qū)可達(dá)性的最大數(shù)值或最大指數(shù)。

綜合可達(dá)性指數(shù)可表示為：

式中，Xik為不同指標(biāo)下的研究區(qū)無量綱可達(dá)性指數(shù)；wk為各指標(biāo)權(quán)重。

在計(jì)算綜合可達(dá)性的過程中，各指標(biāo)往往是相互矛盾的，如時(shí)間可達(dá)性和空間可達(dá)性指標(biāo)值以小為優(yōu)，而出行服務(wù)指數(shù)、路網(wǎng)密度指數(shù)和路網(wǎng)連通性指標(biāo)值以大為優(yōu)。為了便于計(jì)算，規(guī)定所有指標(biāo)的數(shù)值越大，綜合可達(dá)性越高，因此需將所有指標(biāo)統(tǒng)一成值大為優(yōu)的形式。本文將時(shí)間可達(dá)性和空間可達(dá)性指標(biāo)的數(shù)值取相反數(shù)，使其滿足值大為優(yōu)的計(jì)算要求參與函數(shù)計(jì)算。研究區(qū)綜合可達(dá)性指數(shù)越大，整個(gè)區(qū)域的可達(dá)性就越好。

青島市中心城區(qū)路網(wǎng)綜合可達(dá)性分布如圖8所示，可以看出，青島市中心城區(qū)綜合可達(dá)性在空間上呈現(xiàn)出多中心多圈層形式分布的整體格局，其綜合可達(dá)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(dá)性最低值在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)外圍，其中市南區(qū)、西片區(qū)綜合可達(dá)性最差。

圖8 青島市中心城區(qū)路網(wǎng)綜合可達(dá)性分析

4 結(jié) 語

本文以GIS為技術(shù)支撐，利用基于最小阻抗的可達(dá)性模型、道路加權(quán)核密度模型、路網(wǎng)連通度評價(jià)模型以及交叉口服務(wù)指數(shù)模型來構(gòu)建綜合評價(jià)模型，并研究了青島市中心城區(qū)的綜合可達(dá)性。研究結(jié)果表明，青島市中心城區(qū)路網(wǎng)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(qū)域綜合可達(dá)性較高；市南區(qū)、西片區(qū)由于自然條件等原因，綜合可達(dá)性最差；李滄區(qū)作為功能性組團(tuán)發(fā)展起步較晚，道路建設(shè)相對不完善，應(yīng)加強(qiáng)該地區(qū)的交通投資建設(shè)，以促進(jìn)城市道路體系合理化建設(shè)。本文主要從靜態(tài)層面對青島市中心城區(qū)的路網(wǎng)可達(dá)性及其空間布局進(jìn)行了探討，但缺乏動態(tài)層面的研究，無法展現(xiàn)時(shí)間尺度下青島市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的演變趨勢。另外，隨著社會的發(fā)展，綜合交通對城市的影響日益明顯，未來可在常規(guī)公交、軌道交通以及高鐵對可達(dá)性的影響方面做進(jìn)一步研究，以此來提高可達(dá)性在引導(dǎo)和預(yù)測城市道路建設(shè)與社會發(fā)展方面的準(zhǔn)確性。