基于GIS網(wǎng)絡(luò)分析的西安市城區(qū)地鐵站點(diǎn)可達(dá)性評(píng)價(jià)

王亞妮

(西安文理學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，西安 710065)

“十四五”期間，西安市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程將再翻一番，西安市將形成12條運(yùn)營(yíng)線路、總長(zhǎng)為422 km的運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，城市軌道交通逐漸形成公共交通系統(tǒng)的主干.

隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)，如何建設(shè)高效的軌道交通系統(tǒng)，改善地鐵站點(diǎn)換乘公交線網(wǎng)的可達(dá)性，已經(jīng)成為各大城市公共交通優(yōu)化的重點(diǎn)[1].地鐵交通網(wǎng)絡(luò)是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可缺少的重要條件，在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有非常重要的作用[2].城市公共交通網(wǎng)絡(luò)的研究歷來(lái)是交通工程、交通規(guī)劃學(xué)者研究的熱點(diǎn)[3].

可達(dá)性(accessibility)又稱通達(dá)性，是人們克服距離和時(shí)間等阻力、到達(dá)服務(wù)設(shè)施或活動(dòng)場(chǎng)所的愿望和能力的定量表達(dá)[4].許多學(xué)者利用可達(dá)性指標(biāo)評(píng)價(jià)城市交通網(wǎng)絡(luò)的便捷性以及優(yōu)化策略.金鳳君等[5]認(rèn)為在一定經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段，交通可達(dá)性的波動(dòng)與經(jīng)濟(jì)的波動(dòng)之間具有顯著的同步響應(yīng)關(guān)系；劉承良等[6]以武漢都市圈為例，構(gòu)建系列通達(dá)性數(shù)理模型，定量分析了武漢都市圈路網(wǎng)發(fā)育的空間結(jié)構(gòu)性規(guī)律.魏攀一等[7]通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)可達(dá)性概念的總結(jié),結(jié)合軌道交通系統(tǒng)自身特點(diǎn),對(duì)軌道交通可達(dá)性進(jìn)行了定義.陳小鴻等[8]以軌道交通對(duì)都市圈不同區(qū)位和不同增長(zhǎng)模式的適配程度為切入點(diǎn), 提煉空間—交通互動(dòng)作用在出行時(shí)間與活動(dòng)空間、時(shí)間尺度與空間形態(tài)、新城發(fā)展與區(qū)域城鎮(zhèn)格局、交通設(shè)施與增長(zhǎng)形態(tài)四個(gè)方面的規(guī)律.吳紅波等[9]提出一種基于地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System, GIS)的網(wǎng)絡(luò)分析和距離成本加權(quán)算法，研究城市公交車路網(wǎng)的空間距離和時(shí)間可達(dá)性.陳周等[10]結(jié)合GIS地理空間信息分析工具，以時(shí)間、路網(wǎng)路段長(zhǎng)度和道路等級(jí)作為阻抗，利用網(wǎng)絡(luò)分析中的服務(wù)區(qū)分析進(jìn)行上海市市中心緊急避難所的可達(dá)性分析.

本文以西安市主城區(qū)地鐵站點(diǎn)作為主要研究對(duì)象，采用可達(dá)性分析指標(biāo)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析，從時(shí)間和距離成本兩個(gè)角度，運(yùn)用GIS網(wǎng)絡(luò)分析方法揭示西安市地鐵站點(diǎn)可達(dá)性量化指標(biāo)，據(jù)此提出地鐵站點(diǎn)及線路的優(yōu)化建議，為相關(guān)建設(shè)設(shè)計(jì)單位提供科學(xué)的決策依據(jù)，促進(jìn)西安市城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和城市的發(fā)展.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

西安市位于渭河流域中部關(guān)中盆地，107.40 °E～109.49 °E和33.42 °N～34.45 °N之間，是中國(guó)西北部最大的中心城市.全市總面積10 752 km2(含西咸新區(qū))，常住人口1 295.29萬(wàn)人(2020年).本文選取的研究區(qū)為西安市主城區(qū)地鐵覆蓋的區(qū)域，包括新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、雁塔區(qū)等6個(gè)主城區(qū)的城區(qū)范圍，涉及8條運(yùn)營(yíng)中的地鐵，105座車站(圖1).

圖1 研究區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 空間數(shù)據(jù)處理

本研究所用的地鐵線路數(shù)據(jù)、地鐵站數(shù)據(jù)和居民小區(qū)數(shù)據(jù)均來(lái)源于OpenStreetMap，通過(guò)Overpass API官方鏡像導(dǎo)出map文件，再通過(guò)QGIS矢量化分層轉(zhuǎn)成Shapefile格式導(dǎo)入到ArcGIS軟件平臺(tái)，對(duì)路網(wǎng)拓?fù)湟?guī)則進(jìn)行檢查修改錯(cuò)誤，共分為地鐵站點(diǎn)、地鐵線路、居民小區(qū)、主城區(qū)劃四個(gè)矢量圖層，133 820個(gè)居民小區(qū)面狀要素，12 599條城區(qū)道路(圖2).

圖2 西安市軌道交通網(wǎng)絡(luò)示意圖

1.2.2 速度的確定

根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)西安發(fā)布(2020)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，西安市三環(huán)內(nèi)機(jī)動(dòng)車平均時(shí)速32 km/h，早高峰平均時(shí)速30.52 km/h，晚高峰平均時(shí)速24.16 km/h，均不同程度加劇，特別是晚高峰加劇明顯.因此，對(duì)于城區(qū)道路速度的確定，還需要考慮早晚高峰因素，以符合西安市交通道路通行速度的實(shí)際情況.參考國(guó)家《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-2012)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合西安早晚高峰平均時(shí)速，本文設(shè)定了西安市相關(guān)道路汽車通行速度和人行速度，如表1所示.

表1 西安市城區(qū)不同等級(jí)道路的速度

1.2.3 服務(wù)半徑的確定

服務(wù)半徑是指人們通過(guò)步行到達(dá)居住區(qū)級(jí)公共服務(wù)設(shè)施的最大步行距離.根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，本文選用1 000 m作為地鐵站點(diǎn)的服務(wù)半徑.

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

市區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)到達(dá)地鐵站點(diǎn)的可達(dá)性指標(biāo)為：

Qn=min(Mm，Tnm)

式中n為市區(qū)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)，Tnm為區(qū)域中點(diǎn)n通過(guò)交通網(wǎng)絡(luò)中通行時(shí)間最短的路線到達(dá)地鐵站點(diǎn)m的通行時(shí)間，Mm為地鐵站點(diǎn)m的權(quán)重.

2.2 服務(wù)區(qū)分析

分析居民到達(dá)最近地鐵站點(diǎn)的時(shí)間成本的大小，可以反應(yīng)地鐵站點(diǎn)的便捷性程度.本文利用 ArcGIS Network Analyst 擴(kuò)展模塊，設(shè)置時(shí)間作為阻抗條件，分別設(shè)置1 min、5 min、10 min、15 min作為時(shí)間阻抗，而10 min到達(dá)最近地鐵站點(diǎn)已經(jīng)是居民可以接受的最大時(shí)間成本.

2.3 成本加權(quán)距離分析

地鐵站點(diǎn)的建設(shè)應(yīng)盡可能的靠近居民區(qū)，站點(diǎn)間的間隔應(yīng)控制在一定的區(qū)間范圍，一般以500 m、1 000 m作為服務(wù)半徑.首先將路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，利用ArcGIS“Feature to Raster”工具，將路網(wǎng)數(shù)據(jù)處理成柵格數(shù)據(jù)，然后再利用柵格重采樣工具，進(jìn)行采樣分析，把研究區(qū)域范圍的柵格數(shù)據(jù)以柵格計(jì)算的方式進(jìn)行裁剪，最后利用CostDistance工具計(jì)算成本加權(quán)距離計(jì)算地鐵站點(diǎn)的距離成本.

3 結(jié)果與分析

3.1 地鐵站點(diǎn)時(shí)間可達(dá)性分析

基于ArcGIS Network Analyst服務(wù)區(qū)分析工具，加載地鐵站點(diǎn)作為服務(wù)點(diǎn)，以人們通常能接受的時(shí)間間隔范圍：1 min、5 min、10 min和15 min作為分析設(shè)置的時(shí)間阻抗加入到分析參數(shù)中，計(jì)算研究區(qū)內(nèi)各地鐵站點(diǎn)的時(shí)間可達(dá)性，結(jié)果如圖3所示.

圖3表明，中心城區(qū)的碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、碑林區(qū)以及雁塔區(qū)科技路高新區(qū)的地鐵站點(diǎn)時(shí)間可達(dá)性好，可達(dá)時(shí)間基本在5 min之內(nèi)，而其他區(qū)則到達(dá)地鐵站點(diǎn)的時(shí)間大多需要10 min，個(gè)別區(qū)域由于線路沒(méi)有覆蓋，超過(guò)了10 min.由此可見(jiàn)，地鐵線路和地鐵站點(diǎn)的密度決定了地鐵站點(diǎn)的可達(dá)性和便捷性.總體而言，地鐵線路和站點(diǎn)密度最高的主要是中心老城區(qū)，然后沿地鐵線路進(jìn)行沿伸.未央?yún)^(qū)和灞橋區(qū)作為新開(kāi)發(fā)的區(qū)縣，地鐵線路和站點(diǎn)密度暫時(shí)比較稀疏，因此地鐵站點(diǎn)的可達(dá)性也比較差.灞橋區(qū)南部由于多山，人口密度少，所以地鐵線路的建設(shè)在灞橋南部區(qū)域比較少.未央?yún)^(qū)由于靠近咸陽(yáng)，鄰近西咸國(guó)際機(jī)場(chǎng)，人口密度稀疏，所以地鐵站點(diǎn)覆蓋也比較少，可達(dá)性較差，藍(lán)色和深綠色區(qū)域較多.

圖3 西安市城區(qū)地鐵站點(diǎn)時(shí)間可達(dá)性

3.2 地鐵站點(diǎn)距離可達(dá)性分析

基于ArcGIS距離加權(quán)成本工具，根據(jù)路網(wǎng)速度登記作為參考字段，進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)柵格化，對(duì)柵格化的路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，獲得路網(wǎng)重采樣數(shù)據(jù)，賦值后的柵格數(shù)據(jù)超出研究區(qū)范圍的，運(yùn)用柵格邏輯運(yùn)算使主城范圍內(nèi)值為真，從而得到保留.

制作主城區(qū)圖層?xùn)鸥駡D，求得各地鐵站點(diǎn)的交通成本圖.在獲得路網(wǎng)柵格重采樣圖后，即可利用ArcGIS CostDistance成本加權(quán)距離分析工具得到地鐵站點(diǎn)的距離可達(dá)性分析圖(圖4).根據(jù)圖4可以得出，西安市地鐵站點(diǎn)的距離可達(dá)性與實(shí)際可達(dá)性保持大致一致，呈現(xiàn)中心城區(qū)向四周擴(kuò)展，沿地鐵線路沿伸的特點(diǎn).中心城區(qū)，如碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)高新區(qū)域的地鐵站點(diǎn)可達(dá)性距離基本在1 km以內(nèi)，而其他區(qū)域由于線路密度、站點(diǎn)密度，可達(dá)距離較長(zhǎng)，距離成本較高.由此，地鐵站點(diǎn)的布設(shè)主要是根據(jù)居民區(qū)分布范圍來(lái)進(jìn)行布設(shè)，以求覆蓋更多的居民，引導(dǎo)城市人口布局及加強(qiáng)交通中心，緩解城市的交通壓力，從而改變?nèi)藗兊某鲂蟹绞?

圖4 西安市地鐵站點(diǎn)的距離可達(dá)性

4 結(jié)論與建議

本文以西安市主城區(qū)路網(wǎng)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，基于GIS網(wǎng)絡(luò)分析方法，對(duì)西安市地鐵站點(diǎn)的可達(dá)性進(jìn)行全局分析，研究結(jié)果表明：

(1)從整體看來(lái)，由于西安市地鐵線路和站點(diǎn)以中心老城區(qū)為中心，中心城區(qū)蓮湖區(qū)、碑林區(qū)、雁塔高新區(qū)等因?yàn)榫幼⌒^(qū)密集，地鐵線路和站點(diǎn)也比較密集，因此地鐵站點(diǎn)的可達(dá)性相對(duì)較好，可達(dá)時(shí)間在5 min之內(nèi)，可達(dá)距離在1 000 m以內(nèi).對(duì)于新開(kāi)發(fā)的城區(qū)，例如灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)西北部則地鐵線路和站點(diǎn)比較稀疏，因此可達(dá)性時(shí)間和可達(dá)性距離相對(duì)較長(zhǎng)，通行成本也相對(duì)高一些.

(2)地鐵站點(diǎn)很好的引導(dǎo)了人口布局和緩解交通通行的壓力.從結(jié)果來(lái)看，幾乎每個(gè)地鐵站點(diǎn)周邊都能帶動(dòng)居民人口沿地鐵線路和站點(diǎn)聚集，地鐵站點(diǎn)也成為局部的交通中心.但同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)，由于沒(méi)有環(huán)線，西安地鐵線路換乘站點(diǎn)較少，導(dǎo)致可達(dá)性空間分布主要以線路方向延伸，而換乘站點(diǎn)較多的中心城區(qū)，則可達(dá)性好的區(qū)域能夠連成一片.因此，建議以西安市二環(huán)為參考區(qū)域，建設(shè)環(huán)城地鐵線路，與現(xiàn)有地鐵線路相交的地方設(shè)置換乘站點(diǎn)，能有效的緩解居民出行可達(dá)性、便捷性的問(wèn)題.

(3)從局部區(qū)域看，西安市西北和東南方向由于開(kāi)發(fā)時(shí)間較晚以及地形影響，居住人口稀疏.因此，地鐵網(wǎng)絡(luò)相對(duì)也比價(jià)稀疏，站點(diǎn)可達(dá)性比較差.建議在西北區(qū)域增加地鐵線路和站點(diǎn)，改善該區(qū)域的交通出行情況.