胡　紅，賴(lài)鑫生

(上饒師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

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基于ArcGIS和Python集成開(kāi)發(fā)可達(dá)性分析工具的研究

胡紅，賴(lài)鑫生

(上饒師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

為降低可達(dá)性度量的實(shí)現(xiàn)難度，彌補(bǔ)現(xiàn)有GIS軟件沒(méi)有集成可達(dá)性分析模型或方法的不足，在詳盡分析有關(guān)模型或方法與GIS集成研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出以改進(jìn)潛能模型作度量模型，按GIS內(nèi)部集成方式，使用面向ArcGIS 10的Python腳本編程技術(shù)集成開(kāi)發(fā)可達(dá)性分析工具的設(shè)想，對(duì)可達(dá)性潛能模型分析原理、工具開(kāi)發(fā)環(huán)境配置、使用數(shù)據(jù)的預(yù)處理要求、工具的具體設(shè)計(jì)流程和實(shí)現(xiàn)方法等作了詳細(xì)敘述。最后以評(píng)價(jià)某市小學(xué)教育資源空間布局合理性為例，闡述工具在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)采取的使用方法和流程，實(shí)例評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證工具開(kāi)發(fā)的有效性。

ArcGIS；Python；集成開(kāi)發(fā)；可達(dá)性分析工具；潛能模型

可達(dá)性(accessibility)一詞現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于城市公共設(shè)施服務(wù)評(píng)價(jià)、城市規(guī)劃合理性分析以及同城化研究與比較[1]等多個(gè)方面，其被廣泛采用的定義為：可達(dá)性是人們以某種方式克服空間阻力到達(dá)目標(biāo)地的能力值、難易值，或是人們?cè)谝欢臻g范圍內(nèi)可獲得的資源數(shù)量[2-4]。而用于可達(dá)性度量的模型和方法的主要分類(lèi)有：基于GIS空間統(tǒng)計(jì)與分析的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)法(如比例法[5])、出行成本法(如最小鄰近距離法、費(fèi)用加權(quán)距離法[6]、網(wǎng)絡(luò)分析法等)、機(jī)會(huì)累積法(如等值線法[7]、移動(dòng)或兩步移動(dòng)搜尋法[8-9]等)、空間相互作用法(如潛能或改進(jìn)潛能模型法[10]、胡弗模型法[11]、核心密度法[4]等)、時(shí)間地理學(xué)法[12]以及基于矩陣或空間句法的拓?fù)浞╗13]等。劉長(zhǎng)富，彭菁，宋正娜等對(duì)這些模型和方法的優(yōu)缺點(diǎn)作了充分的比較和分析，認(rèn)為實(shí)際應(yīng)用中選用何種模型或方法取決于設(shè)施種類(lèi)、研究區(qū)域或單元的大小，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為模型或方法的表達(dá)式、計(jì)算式越復(fù)雜越好[2,4,5]。

許多學(xué)者近年來(lái)偏向使用GIS技術(shù)進(jìn)行可達(dá)性研究。然而，由于可達(dá)性相關(guān)研究所涉及的地理空間及一般屬性數(shù)據(jù)量普遍較大、處理流程復(fù)雜，且現(xiàn)有GIS軟件沒(méi)有集成可達(dá)性度量的相關(guān)模型和方法，因此，現(xiàn)實(shí)工作中可達(dá)性度量的實(shí)現(xiàn)難度較大。學(xué)者往往需要把多種工具組合在一起，人工干預(yù)每一項(xiàng)操作、人工管理繁雜的原始資料和過(guò)渡性數(shù)據(jù)。

模型或方法與GIS集成既可以發(fā)揮GIS在空間數(shù)據(jù)管理與分析方面的優(yōu)勢(shì),也可以發(fā)揮模型或方法在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用分析的優(yōu)勢(shì)[14]，降低模型或方法的實(shí)際應(yīng)用難度。但迄今為止，除紀(jì)亞洲[15]等人利用ArcGIS ModelBuilder建模方法集成應(yīng)用自定義城市綠地空間可達(dá)性評(píng)價(jià)分析模型外,有關(guān)這一方面的直接研究并不多見(jiàn)。由此，本文擬以GIS集成開(kāi)發(fā)思想為指導(dǎo)，利用面向ArcGIS的Python腳本編程技術(shù)[16]集成開(kāi)發(fā)基于ArcGIS和潛能模型的可達(dá)性分析工具，并在實(shí)際事例中應(yīng)用和驗(yàn)證這一工具的有效性，以期能降低可達(dá)性度量的實(shí)現(xiàn)難度，彌補(bǔ)現(xiàn)有GIS軟件沒(méi)有集成可達(dá)性分析模型或方法的不足，進(jìn)一步推動(dòng)可達(dá)性在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1　模型或方法與GIS集成的研究現(xiàn)狀

不少學(xué)者已對(duì)常見(jiàn)應(yīng)用評(píng)價(jià)、模擬或預(yù)測(cè)模型與GIS的集成和應(yīng)用作了大量研究，如：張瑜等借助GIS與數(shù)學(xué)模型集成技術(shù)，研究分析了區(qū)域耕地的有效磷富集狀況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分異特征[17]；位佳等借助 GIS 與烤煙產(chǎn)值最佳估測(cè)模型集成技術(shù)，開(kāi)展了福建煙區(qū)烤煙產(chǎn)值分區(qū)的研究[18]；張建新等利用ArcGIS ModelBuilder設(shè)計(jì)了自動(dòng)處理影像數(shù)據(jù)的方法和模型，使用模型與GIS集成的方法擴(kuò)展了ArcGIS 軟件在影像數(shù)據(jù)處理方面的功能[19]；戴慧等利用ArcEngine組件開(kāi)發(fā)技術(shù)集成14 個(gè)國(guó)土生態(tài)安全定量評(píng)價(jià)模型，研發(fā)了一個(gè)通用性強(qiáng)的國(guó)土生態(tài)安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)[20]；向詩(shī)劍等以一種松耦合的、基于矢量的集成方式探索了一種集成ABM與GIS分析新能源汽車(chē)擴(kuò)散的實(shí)現(xiàn)方法[21]；黃國(guó)如等實(shí)現(xiàn)了城市雨洪模型SWMM與ArcGIS的集成[22]；張攀攀等實(shí)現(xiàn)了大氣環(huán)境模型與GIS的緊密集成[23]；黃宏勝以完全集成方式實(shí)現(xiàn)了資源環(huán)境模型和GIS的集成應(yīng)用[24]。

上述研究顯示，學(xué)者對(duì)模型或方法與GIS集成的研究主要聚焦在模型或方法與GIS軟件或組件的集成應(yīng)用(如文獻(xiàn)[17-18])和集成開(kāi)發(fā)(如文獻(xiàn)[15,19-24])的技術(shù)與方法的研究，集成形式主要有3種：①GIS系統(tǒng)與模型或方法應(yīng)用系統(tǒng)間的松散集成(如文獻(xiàn)[17-18,21-22])；②GIS組件與模型或方法應(yīng)用系統(tǒng)間的緊密集成(如文獻(xiàn)[20,23])；③模型以拓展模塊形式在GIS環(huán)境中無(wú)縫友好的完全集成(如文獻(xiàn)[15,19,24])。

比較而言，上述①、②兩種集成形式由于能獲得統(tǒng)一的用戶界面及操作，且在實(shí)現(xiàn)方式上有GIS組件或系統(tǒng)本身提供的有力支持(如簡(jiǎn)潔而完備的腳本語(yǔ)言、自帶建模工具以及組件對(duì)象本身屬性和方法的應(yīng)用)，因而更能降低模型或方法在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)難度，所以與此相關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù),如GIS組件集成開(kāi)發(fā)技術(shù)、Model Builder空間分析建模技術(shù)、面向ArcGIS的Python腳本編程技術(shù)等即成為當(dāng)前模型或方法與GIS集成應(yīng)用研究的主要方向。

2　可達(dá)性潛能模型分析工具的開(kāi)發(fā)實(shí)踐

鑒于上述分析，本文簡(jiǎn)要介紹按GIS內(nèi)部集成方式、使用面向ArcGIS的Python腳本編程技術(shù)集成開(kāi)發(fā)可達(dá)性潛能模型分析工具的理論依據(jù)、技術(shù)方法和實(shí)現(xiàn)流程，以促進(jìn)學(xué)者將其它相關(guān)模型或方法與GIS集成，提高可達(dá)性及GIS在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用程度。

2.1 可達(dá)性潛能模型分析原理

潛能模型作為可達(dá)性度量模型是區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)、地理學(xué)借鑒物理萬(wàn)有引力定律研究社會(huì)、 經(jīng)濟(jì)空間相互作用的成果。潛能模型提出至今，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極應(yīng)用和改進(jìn)。本文以Guagliardo[25]、鄭朝洪[26]、宋正娜[5]等人提及的改進(jìn)潛能模型為工具度量可達(dá)性的方法，其計(jì)算表達(dá)式表示如下：

(1)

2.2工具開(kāi)發(fā)環(huán)境的配置

Python是Guido van Rossum于1991年推出的一種功能強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮拈_(kāi)源編程語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單易學(xué)、不受局限、跨平臺(tái)使用等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，從ArcGIS 10開(kāi)始，Python被ESRI進(jìn)一步整合到ArcGIS 10的用戶界面，成為用戶進(jìn)行地理處理工作流的首選腳本語(yǔ)言。而Arcpy是ESRI在ArcGIS 10中推出Python站點(diǎn)包，其中包含有91個(gè)函數(shù)、37個(gè)類(lèi)、5個(gè)模塊。利用Python和Arcpy用戶能訪問(wèn)ArcGIS中所有獲得許可的函數(shù)和功能模塊，編寫(xiě)出完備的應(yīng)用程序(不僅僅是腳本語(yǔ)言角色)，將不同組件或?qū)ο蟆罢澈稀痹谝黄穑_(kāi)發(fā)出和ArcGIS中其他常規(guī)工具一樣使用的用戶自定義工具、拓展ArcGIS在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，使用戶能高效而快捷地實(shí)現(xiàn)地理處理任務(wù)的自動(dòng)化。

雖然工具功能代碼文件可以利用常用文本編輯器及ArcGIS 10自帶的Python集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDLE(又稱(chēng)Python Shell)創(chuàng)建和編輯，但是PythonWin是一個(gè)比IDLE更便于開(kāi)發(fā)、更適于在Windows平臺(tái)上穩(wěn)定使用的優(yōu)秀編輯器，它具有代碼折疊、代碼提示、語(yǔ)法著色、監(jiān)視、交互式調(diào)試、錯(cuò)誤提示等能讓程序員盡可能清晰、快捷地瀏覽、高效地輸入和修改代碼的功能和優(yōu)點(diǎn)。因此，本文選用Win7+ArcGIS 10.2+PythonWin 2.7.3作為可達(dá)性潛能模型分析工具開(kāi)發(fā)的環(huán)境配置，并在ArcGIS Geoprocessing Options中將PythonWin設(shè)為默認(rèn)的腳本工具編輯器和調(diào)試程序以方便代碼編輯和運(yùn)行調(diào)試。

2.3工具使用數(shù)據(jù)及預(yù)處理要求

使用數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行預(yù)處理是工具正常運(yùn)行的重要保障。本工具正常運(yùn)行需用戶先行在需求點(diǎn)、設(shè)施點(diǎn)圖層的屬性數(shù)據(jù)表中分別設(shè)置有指代需求點(diǎn)可達(dá)性影響因素(與式(1)中Pk對(duì)應(yīng))和設(shè)施點(diǎn)本身吸引力(與式(1)中Mj對(duì)應(yīng))的字段，而后再利用ArcGIS OD成本矩陣(Origin-Destination cost matrix，源點(diǎn)—目的地成本矩陣)分析功能生成各需求點(diǎn)(源點(diǎn))到所有設(shè)施點(diǎn)(目的地)的OD成本矩陣分析圖層(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“OD分析層”)。圖1展示了需求點(diǎn)、設(shè)施點(diǎn)兩圖層屬性數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)要求，其中”P(pán)op”、”MJ”兩字段分別與式(1)中的Pk和Mj對(duì)應(yīng)，OD分析層的”Total_長(zhǎng)度”字段則與式(1)中的D對(duì)應(yīng)。

圖1　需求點(diǎn)、設(shè)施點(diǎn)、OD分析層的屬性數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

2.4基于ArcGIS和Python實(shí)現(xiàn)工具分析功能的方法

工具詳細(xì)設(shè)計(jì)流程為：①利用PythonWin編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)工具功能的Python程序代碼，并將它保存成后綴為.py的文件；②在ArcGIS系列軟件ArcMap的Catalog中找到“我的工具箱”結(jié)點(diǎn)，右鍵單擊新建一工具箱，用于存放即將創(chuàng)建的新工具；③右鍵單擊新建工具箱，通過(guò)腳本添加向?qū)г谝来螐棾龅?個(gè)對(duì)話框中分別完成以下a、b、c 3項(xiàng)工作：

a.設(shè)置腳本工具的名稱(chēng)、標(biāo)簽、描述和樣式表。

b.指定工具的功能代碼文件，即上述①中的.py文件。

c.設(shè)置腳本工具參數(shù)(包括參數(shù)顯示名稱(chēng)、數(shù)據(jù)類(lèi)型、默認(rèn)值及方向等)。

本設(shè)計(jì)將工具樣式表文本框設(shè)置為空，這樣工具就獲得了和ArcToolBox中所有工具一樣的界面樣式，具體可見(jiàn)圖2。

圖2　工具運(yùn)行界面

表1是本工具各參數(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)信息。用戶通過(guò)圖2所示界面提交的參數(shù)主要通過(guò)Arcpy的GetParameter、GetParameterAsText函數(shù)傳遞給程序變量。

表1　工具參數(shù)設(shè)計(jì)信息

工具主要功能是在用戶給定的出行摩擦系數(shù)下通過(guò)Python語(yǔ)言和Arcpy站點(diǎn)包按改進(jìn)潛能模型計(jì)算式(如式(1)所示)快速計(jì)算出所有設(shè)施點(diǎn)的可達(dá)性值，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1)導(dǎo)入arcpy、sys、os模塊，接收用戶輸入?yún)?shù)，利用python語(yǔ)言的isdigit函數(shù)判斷用戶輸入的出行摩擦系數(shù)B是否為整數(shù)，如是整數(shù)則取VBFld值為“V”+B ，否則為“V”+B.replace(“.”,“_”)，而后利用python調(diào)用arcpy的AddField_management函數(shù)為OD分析層添加名為VBFld值的字段。

2)運(yùn)用同樣方法為設(shè)施點(diǎn)圖層、需求點(diǎn)圖層、OD分析層的屬性數(shù)據(jù)表添加名為VjBFld、AiBFld、ABFld值的字段。

3)使用Python自定義函數(shù)ConShp(ODAnaLyr,joinField1,ConShp,joinField2,joinName,exp,calFld)連接OD分析層和需求點(diǎn)層，計(jì)算每個(gè)需求點(diǎn)服務(wù)需求給相應(yīng)設(shè)施點(diǎn)可達(dá)性造成影響的影響分量，分量值寫(xiě)入OD分析層屬性數(shù)據(jù)表的VBFld字段。

4)使用Python自定義函數(shù)js_aivj(fc,fld,r1,r2)計(jì)算每個(gè)設(shè)施點(diǎn)受所有需求點(diǎn)影響的總和，和值寫(xiě)入設(shè)施點(diǎn)圖層屬性數(shù)據(jù)表的VjBFld字段。

5)使用Python自定義函數(shù)ConShp(ODAnaLyr,joinField1,ConShp,joinField2,joinName,exp,calFld)連接OD分析層和設(shè)施點(diǎn)層，計(jì)算每個(gè)需求點(diǎn)至相應(yīng)設(shè)施點(diǎn)的可達(dá)性分量，分量值寫(xiě)入OD分析層屬性數(shù)據(jù)表的ABFld字段。

6)使用Python自定義函數(shù)js_aivj(fc,fld,r1,r2)計(jì)算每個(gè)需求點(diǎn)至相應(yīng)設(shè)施點(diǎn)的可達(dá)性和，和值寫(xiě)入設(shè)施點(diǎn)圖層屬性數(shù)據(jù)表的AiBFld字段。

7)利用arcpy.TableToExcel_conversion()將設(shè)施點(diǎn)圖層、需求點(diǎn)圖層、OD分析層的屬性數(shù)據(jù)表分別導(dǎo)出生成Excel數(shù)據(jù)表格文件。

實(shí)現(xiàn)以上功能的關(guān)鍵在于如何使用Python語(yǔ)言和Arcpy站點(diǎn)包編制ConShp()、js_aivj()兩個(gè)函數(shù)。以下是這兩個(gè)函數(shù)的關(guān)鍵代碼：

def ConShp(ODAnaLyr,joinField1,ConShp,joinField2, joinName,exp,calFld):

……

arcpy.MakeFeatureLayer_management (ODAnaLyr,templayer) #根據(jù)輸入要素類(lèi)創(chuàng)建臨時(shí)圖層

arcpy.AddJoin_management(templayer,joinField1,ConShp,joinField2) #圖層連接

arcpy.CalculateField_management (templayer,calFld,exp,“PYTHON”) #為圖層計(jì)算字段值，exp為計(jì)算表達(dá)式

…… #移除連接等等

def js_aivj(fc,fld,r1,r2):

count = int(arcpy.GetCount_management(fc).get

Output(0)) # 返回要素類(lèi)中包含的要素?cái)?shù)

…… #初始化avitems列表,元素個(gè)數(shù)count+1

with arcpy.da.SearchCursor(ODAnaLyr,[r1,r2]) as cursor:#遍歷行對(duì)象提取字段值，累加r2字段值至相應(yīng)列表元素

for row in cursor:

avitems[row[0]]=avitems[row[0]]+row[1]

#創(chuàng)建一個(gè)用于更新要素類(lèi)屬性行的游標(biāo)

cursor=arcpy.UpdateCursor(fc,″″,″″,″″,″Id″)

row=cursor.next()

i=1

while row:

row.setValue(fld,avitems[i]) #行對(duì)象賦字段值

cursor.updateRow(row) #更新、保持行對(duì)象

row=cursor.next()

i=i+1

3　應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證工具的有效性，特將上述開(kāi)發(fā)的可達(dá)性潛能模型分析工具應(yīng)用于江西上饒中心城區(qū)小學(xué)教育資源空間布局合理性評(píng)價(jià)實(shí)例。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明這一實(shí)例應(yīng)用的背景、過(guò)程、方法和結(jié)果。

3.1應(yīng)用背景

上饒市位于江西省東北部，東聯(lián)浙江，北接安徽，南挺福建，其中心城區(qū)計(jì)劃到2020年規(guī)劃建設(shè)用地規(guī)模達(dá)75.3 km2(約占城區(qū)總面積的50%)，道路主干網(wǎng)將發(fā)展成為“六橫九縱”的結(jié)構(gòu)，水南、三江、站前、帶湖、老城、新城等6個(gè)片區(qū)間至少有兩條主干道相連。伴隨這種空前發(fā)展的態(tài)勢(shì)，近10年來(lái)城區(qū)范圍內(nèi)新建樓盤(pán)達(dá)49座之多。不容置疑，倍受關(guān)注的城區(qū)小學(xué)教育資源可達(dá)性及其受人口規(guī)模影響的情況會(huì)隨著城區(qū)居住人口數(shù)量與空間分布結(jié)構(gòu)的變化發(fā)生較大改變。由此，本文利用上述自制的可達(dá)性潛能模型分析工具對(duì)該區(qū)現(xiàn)有小學(xué)教育資源的相關(guān)指標(biāo)作了如下分析和預(yù)測(cè)，以向相關(guān)規(guī)劃和管理部門(mén)提供決策參考。

3.2應(yīng)用數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

基于2.3提及的工具使用數(shù)據(jù)預(yù)處理要求，本應(yīng)用在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段所做的主要工作如下：

1)收集城區(qū)用地規(guī)劃電子地圖(2007-2020)、城區(qū)旅游電子地圖(2013-09)，利用ArcMap 10.2、ArcCatalog 10.2從收集到的電子地圖中提取生成表示城區(qū)17所小學(xué)、114個(gè)居民點(diǎn)、城區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)、行政區(qū)劃等的矢量空間圖層。

2)為降低評(píng)價(jià)工作復(fù)雜度，本文以學(xué)校師資數(shù)量的多少確定學(xué)校服務(wù)吸引力的大小(具體見(jiàn)表2)，并在上述矢量圖層的屬性數(shù)據(jù)表中錄入各地理對(duì)象的一般屬性信息數(shù)據(jù)，如：學(xué)校名稱(chēng)、師資數(shù)量、服務(wù)吸引力、片區(qū)歸屬、居民點(diǎn)名稱(chēng)、人口數(shù)量及道路名稱(chēng)等。

表2　學(xué)校服務(wù)吸引力大小

3)根據(jù)《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范GB50099-2011》提及的“城鎮(zhèn)完全小學(xué)的服務(wù)半徑宜為500 m”及“小學(xué)生上學(xué)時(shí)間控制在步行10 min左右”建議要求及實(shí)際情況考慮，本文假定小學(xué)生上學(xué)的最大行程分別為750 m，創(chuàng)建道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，然后分別以居民點(diǎn)為源點(diǎn)、學(xué)校為目標(biāo)點(diǎn)，利用ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析模塊中的OD成本分析功能求解各居民點(diǎn)到限定范圍內(nèi)(即750 m，下同)所有學(xué)校的最小成本(以距離衡量)矩陣，生成相應(yīng)的OD成本矩陣分析層。

3.3應(yīng)用方法及結(jié)果數(shù)據(jù)的分析和結(jié)論

3.3.1應(yīng)用方法及結(jié)果數(shù)據(jù)的獲取

在圖2所示的工具對(duì)話框中依次輸入假定的出行摩擦系數(shù)β和OD分析層、居民點(diǎn)圖層、學(xué)校分布點(diǎn)層及分析結(jié)果的存放路徑，點(diǎn)擊“確定”按鈕，即可由工具自動(dòng)運(yùn)行指定的Python腳本程序在10～20 s內(nèi)快速求解出各居民點(diǎn)至限定范圍內(nèi)所有學(xué)校的可達(dá)性值。

為使計(jì)算結(jié)果符合客觀實(shí)際，本研究分別假定出行摩擦系數(shù)值β為1，1.5，2，依次利用本工具求解假定出行摩擦系數(shù)下各學(xué)校受周邊人口規(guī)模影響的程度和各居民點(diǎn)居民就學(xué)的可達(dá)性值，而后通過(guò)計(jì)算方差及與實(shí)際調(diào)研相對(duì)比的方法分析已取得的3個(gè)值組，最終認(rèn)定β取1.5時(shí)其相應(yīng)值組最符合當(dāng)初的實(shí)地考察情況。表3為β取1.5時(shí)中心城區(qū)各小學(xué)受周邊人口規(guī)模影響的程度值，其分級(jí)符號(hào)渲染效果如圖3所示。

表3　各小學(xué)受周邊人口規(guī)模影響的程度值

圖3　各小學(xué)受周邊人口規(guī)模影響的分級(jí)符號(hào)渲染

表4是β取1.5時(shí)各居民點(diǎn)居民就讀小學(xué)的可達(dá)性值表。

3.3.2結(jié)果數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

統(tǒng)計(jì)表4數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，城區(qū)114個(gè)居民點(diǎn)中僅36個(gè)居民點(diǎn)至限定范圍內(nèi)所有小學(xué)的可達(dá)性高于平均水平，占整體的31.6%；不在任何小學(xué)服務(wù)范圍的居民點(diǎn)數(shù)多達(dá)51個(gè)，占整體的44.7%。

為進(jìn)一步了解城區(qū)小學(xué)服務(wù)狀況，本文根據(jù)已采樣的114個(gè)居民點(diǎn)可達(dá)性對(duì)全區(qū)各地可達(dá)性進(jìn)行析取克里格(Disjunctive Kriging)插值預(yù)測(cè)和分級(jí)渲染，得到如圖4所示的效果圖。

表4　各居民點(diǎn)居民就讀小學(xué)的可達(dá)性

注：限于篇幅，可達(dá)性為0的居民點(diǎn)并未列出，在此以…表示

將圖4所示的析取克里格插值預(yù)測(cè)圖層與城市分區(qū)圖層疊加相交，統(tǒng)計(jì)分區(qū)內(nèi)各層次可達(dá)性的占地面積可以發(fā)現(xiàn)：站前片區(qū)絕大部分區(qū)域就讀可達(dá)性較低，新城區(qū)次之；相反，水南片區(qū)、老城區(qū)就讀可達(dá)性普遍較高，而三江片區(qū)就讀可達(dá)性一般。具體詳情可見(jiàn)表5。

綜而言之，上饒中心城區(qū)居民就讀小學(xué)的可達(dá)性水平較低，空間布局合理性差，主要表現(xiàn)為：①近半數(shù)居民點(diǎn)不在任何小學(xué)的服務(wù)范圍內(nèi)，這些居民不能與其他居民公平享用城區(qū)小學(xué)教育資源。②城北、城西南、城東南就讀可達(dá)性最低。③城市中部雖集中有大部分小學(xué)，但有的學(xué)校受人口影響過(guò)重(如表2所示的十三小、十二小、實(shí)驗(yàn)小學(xué))，有的學(xué)校服務(wù)吸引力過(guò)低(如表2所示的八小、九小、七小)，其就讀可達(dá)性一般。該研究結(jié)論與實(shí)際調(diào)研所掌握的情況基本一致，符合可達(dá)性潛能模型分析原理，表明了某設(shè)施可達(dá)性受供需雙方空間距離及自身引力等因素影響的實(shí)質(zhì)。

圖4　全區(qū)各地可達(dá)性析取克里格插值預(yù)測(cè)圖

表5　分區(qū)內(nèi)各層次可達(dá)性的占地面積及比例

4 　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)有關(guān)應(yīng)用評(píng)價(jià)、模擬或預(yù)測(cè)模型與方法和GIS集成的研究現(xiàn)狀作充分的比較、分析和總結(jié)，并以Win7+ArcGIS 10.2+PythonWin 2.7.3為開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用面向ArcGIS的Python腳本編程技術(shù)集成開(kāi)發(fā)了可達(dá)性潛能模型分析工具，對(duì)工具開(kāi)發(fā)的理論依據(jù)、技術(shù)方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程等作了詳細(xì)的介紹，使用該工具對(duì)相應(yīng)服務(wù)設(shè)施可達(dá)性及相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)的求解僅需15 s左右，解決了因現(xiàn)有GIS軟件沒(méi)有集成相關(guān)度量模型或方法而造成的可達(dá)性度量難的問(wèn)題，大大提高了對(duì)服務(wù)設(shè)施可達(dá)性進(jìn)行量算與評(píng)價(jià)的效率，實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明了工具開(kāi)發(fā)的有效性、正確性。

與其他開(kāi)發(fā)方式相比，基于ArcGIS和Python語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)可達(dá)性分析工具的方法具有基于GIS組件和可視化語(yǔ)言獨(dú)立開(kāi)發(fā)系統(tǒng)或功能模塊無(wú)法比擬的效率和成本優(yōu)勢(shì)，需要的ArcGIS功能可以通過(guò)Python語(yǔ)言和Arcpy直接調(diào)用，避免了數(shù)據(jù)在不同軟件間的臨時(shí)存儲(chǔ)和中間操作，撇棄了ModelBuilder人機(jī)交互差、無(wú)法迭代嵌套對(duì)每個(gè)要素類(lèi)中所有元素分別操作[19]的弱點(diǎn)。該研究有利于促進(jìn)有關(guān)模型與GIS在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步集成應(yīng)用，能為廣大學(xué)者解決其它模型應(yīng)用難的問(wèn)題提供新的思路。

應(yīng)用實(shí)例中，設(shè)施點(diǎn)自身吸引力評(píng)價(jià)因素單一，未能考慮多種因素對(duì)設(shè)施服務(wù)自身吸引力的影響；又由于地圖、人口等影響可達(dá)性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏、實(shí)際勘查難度大等原因，需求點(diǎn)至設(shè)施點(diǎn)的通行路徑、設(shè)施出入口等的采集并不完整。使用者在實(shí)際應(yīng)用本工具時(shí)如能消除這些不足，可提高評(píng)價(jià)結(jié)果的滿意度。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Research on integrated development of an accessibility analysis tool based on ArcGIS and Python

HU Hong, LAI Xinsheng

(College of Mathematics and Computer Science, Shangrao Normal University, Shangrao 334001, China)

In order to reduce the difficulty of accessibility measurement and make up for the shortcomings of existing GIS software not integrated with accessibility analysis model or method, based on a detailed analysis on the present research situation of models or methods and GIS integration, this paper proposes to develop an accessibility potential model analysis tool by using the python scripting for ArcGIS 10 and the GIS internal integration method. And then, it gives an detailed account of the development environment configuration, requirements of data preprocessing, design process and implementation method of this tool. Finally, the practical application method of this tool is described by an example of a spatial layout rationality evaluation on urban primary education resources, and the evaluation results demonstrate the effectiveness of tool development.

ArcGIS; Python; integrated development; accessibility analysis tool; potential model

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.11.009

2016-01-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61562071);江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20151BAB207020);上饒師范學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(2011001)

胡紅(1980-)，女，講師，碩士.

TP319; P208

A

1006-7949(2016)11-0043-07