基于大數(shù)據(jù)的城市區(qū)域步行可達(dá)性研究

彭 輝，熊 豪，田佳雨

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 西安 710000)

隨著西安市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增加，西安市機(jī)動(dòng)車在2017年年底達(dá)298.6萬(wàn)輛，機(jī)動(dòng)車消耗了大量的土地以及能源資源，以機(jī)動(dòng)車為導(dǎo)向的城市發(fā)展模式導(dǎo)致了城市的交通擁堵以及空氣污染。步行交通作為一種環(huán)保的出行方式，是緩解城市交通擁堵及污染的重要手段，對(duì)城市步行交通進(jìn)行定量的評(píng)測(cè)具有重要意義。可達(dá)性反映不同區(qū)域通達(dá)的便利程度，對(duì)步行交通的可達(dá)性測(cè)度是評(píng)價(jià)城市步行交通的一種重要方法。步行指數(shù) (walkability index) 是國(guó)際上一種量化測(cè)度步行性的方法,用于衡量某一街道或社區(qū)是否適宜市民步行出行,可用于城市步行友好度評(píng)估，主要通過(guò)計(jì)算單點(diǎn)和面域步行指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)居民步行到各類目的地的便利程度。胡瑞山[1]采用兩步移動(dòng)搜索法，在研究區(qū)域內(nèi)以行政村和醫(yī)院為分析單元，基于迪卡斯特拉算法計(jì)算出各村到醫(yī)院(衛(wèi)生院)的最短通行時(shí)間，進(jìn)而分析各村醫(yī)療空間可達(dá)性分布狀況。夏余麗[2]運(yùn)用空間句法及公交站點(diǎn)POI數(shù)據(jù)分析西安城市軌道交通可達(dá)性，分析結(jié)果量化了軌道交通的可達(dá)性，從而優(yōu)化公共交通布局。馬書紅[3]對(duì)公路網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性進(jìn)行研究，對(duì)比分析了幾種常用的可達(dá)性度量模型，通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)重力模型可以反映公路網(wǎng)的交通特性和節(jié)點(diǎn)間相互作用。可以看出：現(xiàn)階段的可達(dá)性分析單元的尺度為街道、行政村等，但步行是一種微觀的行為，大尺度的研究單元可能會(huì)忽略出行者的一些特性，所以本文以城市內(nèi)的建筑點(diǎn)作為可達(dá)性分析的研究單元，對(duì)區(qū)域內(nèi)的可達(dá)性分布做定量分析。

1 研究背景

1.1 研究區(qū)域概況

本文的研究區(qū)域?yàn)槲靼彩醒闼^(qū)。雁塔區(qū)位于西安市南城板塊，地鐵二號(hào)線和三號(hào)線通過(guò)雁塔區(qū)，其中二號(hào)線為南北走向有4個(gè)站點(diǎn)，三號(hào)線為東西走向有10個(gè)站點(diǎn)；雁塔區(qū)內(nèi)有195條常規(guī)公交線路，503個(gè)公交站點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文包含4個(gè)方面的數(shù)據(jù)，分別為城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)、城市建筑數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)、微博簽到數(shù)據(jù)。其中，POI是“point of interest”的縮寫，可以翻譯成“興趣點(diǎn)”，也有些叫作“point of information”，即“信息點(diǎn)”。

API即應(yīng)用程序編程接口，通過(guò)接口可以獲取在線地圖的數(shù)據(jù)，如城市道路數(shù)據(jù)、公交線路數(shù)據(jù)等。城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括雁塔區(qū)主干道、次干道、小區(qū)道路。路網(wǎng)數(shù)據(jù)由百度地圖API獲取拼接而成。城市建筑數(shù)據(jù)為雁塔區(qū)內(nèi)的39 897個(gè)建筑數(shù)據(jù)，建筑數(shù)據(jù)由百度地圖獲取，為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程，將建筑的平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)數(shù)據(jù)。POI數(shù)據(jù)即百度地圖上的氣泡圖表示的點(diǎn)數(shù)據(jù)，共獲取電子地圖上的景點(diǎn)、政府機(jī)構(gòu)、公司、商場(chǎng)、飯館等數(shù)據(jù)20 616條。微博簽到數(shù)據(jù)來(lái)自2017年互聯(lián)網(wǎng)，共21 294條。

2 步行可達(dá)性度量指標(biāo)

2.1 度量距離

表1 步行距離敏感性評(píng)價(jià)

2.2 度量權(quán)重

由于不同種類的POI點(diǎn)對(duì)出行者的重要程度不同，需要對(duì)不同POI點(diǎn)賦予不同的權(quán)重來(lái)反映POI點(diǎn)的重要程度。本文基于Duncan[8]建立的美國(guó)服務(wù)設(shè)施權(quán)重分類表，并結(jié)合中國(guó)服務(wù)設(shè)施的實(shí)際使用情況，采用專家打分賦予權(quán)重的方法，建立了雁塔區(qū)服務(wù)設(shè)施分類及權(quán)重表，如表2所示。

3 研究過(guò)程

3.1 模型簡(jiǎn)介

在進(jìn)行可達(dá)性度量時(shí)，采用Reach模型僅計(jì)算給定搜索半徑內(nèi)每個(gè)起點(diǎn)周圍的目的地?cái)?shù)量(可以按照目的地屬性進(jìn)行加權(quán))，若進(jìn)行重力度量，還可計(jì)算每個(gè)目的地所需的旅行成本。根據(jù)Hansen(1959)，重力指數(shù)是最受歡迎的空間可達(dá)性措施之一。

假設(shè)起點(diǎn)i的可訪問(wèn)性與目的地j的吸引力(權(quán)重)成比例，并且與i和j之間的距離成反比。采用如下模型：

(1)

其中：i表示起點(diǎn)；j表示終點(diǎn)；r為搜索半徑；Gravity[i]r為從起點(diǎn)i出發(fā)的搜索半徑之內(nèi)的重力指數(shù)；W[j]為目的地權(quán)重；d[i,j]為i與j之間的測(cè)量距離；α為控制目的地吸引力(權(quán)重)的指數(shù)；β為調(diào)整距離衰減影響的指數(shù)。

步行以“米”為測(cè)量單位，β對(duì)應(yīng)0.002 17 m，α的取值設(shè)為1，以便于計(jì)算。

表2 POI點(diǎn)權(quán)重

3.2 分析工具及理論

根據(jù)Setsuk.A團(tuán)隊(duì)開發(fā)的UNA Toolbox for Rhino，進(jìn)行步行可達(dá)性分析。居民完成一次出行的過(guò)程為城市居民從建筑物i出發(fā)，由于建筑物可理想化為點(diǎn)，所以從建筑物到達(dá)道路的路徑為從建筑點(diǎn)向道路做垂線，當(dāng)?shù)竭_(dá)道路上后，沿著道路的方向按照半徑為r建立緩沖區(qū)，根據(jù)緩沖區(qū)中的POI數(shù)量以及距離，通過(guò)重力模型計(jì)算重力指數(shù)，一個(gè)點(diǎn)的重力模型可以可視化為圖1。該工具對(duì)各建筑點(diǎn)重力指數(shù)的值賦予不同的顏色，重力指數(shù)越高，可達(dá)性越高，顏色偏向紅色；而重力指數(shù)越低，可達(dá)性越低，顏色偏向藍(lán)色。

圖1 Reach重力模型示意圖

圖1中的點(diǎn)表示獲取的POI點(diǎn)，r表示Reach搜索半徑。模型中的指定閾值r不是以建筑物為圓心做一個(gè)歐幾里得距離半徑(如圖2)，而是建筑物在路網(wǎng)上的距離，即從建筑物出發(fā)到目的地經(jīng)過(guò)路網(wǎng)的實(shí)際距離(如圖3)。

4 結(jié)果及分析

4.1 可達(dá)性分析

本文共獲取39 897個(gè)建筑點(diǎn)，基于重力模型得到的重力指數(shù)被賦予各個(gè)建筑點(diǎn)。由于部分點(diǎn)在6個(gè)尺度內(nèi)的重力指數(shù)為0，去除這些點(diǎn)后對(duì)剩余的39 686個(gè)建筑點(diǎn)做描述性統(tǒng)計(jì)，可以得到表3和圖4。由表3可知：各個(gè)距離范圍內(nèi)，中位數(shù)均低于均值且偏度大于0，表明大部分建筑點(diǎn)的重力指數(shù)小于均值；極差很大且最小值很小，表明了重力指數(shù)分布差異較大。

圖2 歐幾里得半徑r示意圖

圖3 Reach半徑r示意圖

表3 重力指數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)

由圖4發(fā)現(xiàn)，隨著出行距離的增加，均值、中位數(shù)、極差的增長(zhǎng)率逐漸降低。根據(jù)表3中對(duì)不同出行距離的舒適度分類可以看出，出行距離的增加會(huì)降低出行的舒適度，從而減小城市居民的出行意愿，降低目的地POI點(diǎn)的吸引力。由圖4可以看出，3個(gè)參數(shù)增長(zhǎng)率的變化有一致性，在600 m出行距離時(shí)增長(zhǎng)率達(dá)到最大，隨后逐漸降低。這種變化趨勢(shì)符合重力模型的特點(diǎn)。由于區(qū)域內(nèi)的POI點(diǎn)數(shù)量有限，所以建筑點(diǎn)的重力指數(shù)隨著出行距離的增加，POI點(diǎn)的吸引作用是有限的，但是空間距離的阻隔效應(yīng)會(huì)逐漸增加，從而使步行可達(dá)性降低。

圖4 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)系數(shù)

重力指數(shù)表示在空間距離的阻隔下所能接觸的服務(wù)設(shè)施的權(quán)重之和，重力指數(shù)越高表示建筑點(diǎn)的可達(dá)性越高。對(duì)應(yīng)建筑點(diǎn)的不同重力指數(shù)由高到低賦予彩虹色，即紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種顏色，紅色表示可達(dá)性最高，紫色表示可達(dá)性最低。從表3可以看出：300 m范圍內(nèi)的出行中位數(shù)低于均值，所以大部分區(qū)域的重力指數(shù)低于18，而小部分區(qū)域的重力指數(shù)在200左右，體現(xiàn)在圖5中則為86.3%區(qū)域呈現(xiàn)可達(dá)性低的藍(lán)色重力指數(shù)在12.213以下，而0.016%區(qū)域呈現(xiàn)紅色重力指數(shù)在200以上，表明POI點(diǎn)具有呈現(xiàn)聚集分布，即大量的POI點(diǎn)在部分區(qū)域內(nèi)聚集。在300 m出行范圍內(nèi)，紅色區(qū)域可以在舒適的步行狀態(tài)下接觸大量的生活服務(wù)設(shè)施，而占其中大多數(shù)的區(qū)域?yàn)樗{(lán)色，在舒適的步行狀態(tài)下獲得服務(wù)設(shè)施很少。整個(gè)區(qū)域的可達(dá)性分布的差異性很大，雁塔區(qū)西部和中部的可達(dá)性明顯高于東部，西部和中部可達(dá)性高的區(qū)域呈現(xiàn)出紅色，而東部區(qū)域可達(dá)性高的區(qū)域僅有少量的綠色重力指數(shù)在[12.213，18.912]區(qū)間內(nèi)，且比較分散。這是由于西部有高新經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，有大量企業(yè)，而中部區(qū)域有如小寨聚集大量商業(yè)街；但在雁塔區(qū)東部，有大量的旅游休閑設(shè)施，由于景區(qū)占地面積較大，且古建筑較多，使得該區(qū)域的POI分布稀疏，雁塔區(qū)的東南部為大量尚未開發(fā)的土地，故雁塔區(qū)東部97.5%的區(qū)域呈現(xiàn)綠色和藍(lán)色，重力指數(shù)在18.912以下。

圖5 300 m步行可達(dá)性分布圖

出行距離從300 m逐漸增長(zhǎng)為600、900、1 200、1 500 m，圖6的紅色區(qū)域有所增長(zhǎng)，面積在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的占比為0.86%。紅色區(qū)域代表了雁塔區(qū)步行可達(dá)性最高的區(qū)域，重力指數(shù)在348.5以上；橙色和黃色區(qū)域圍繞在紅色區(qū)域周圍，面積占比達(dá)5.8%，這些區(qū)域內(nèi)的建筑點(diǎn)可達(dá)性較好，重力指數(shù)在[198.2，348.5]范圍內(nèi)；綠色區(qū)域的面積變化最大，當(dāng)出行距離在1 500 m內(nèi)時(shí)大部分的建筑點(diǎn)的重力指數(shù)在42.1以上，即綠色區(qū)域，這些區(qū)域明顯分布在雁塔區(qū)東部以及西北部，面積占比達(dá)73.2%。1 200 m可達(dá)性分布圖和1 500 m可達(dá)性分布圖的差異不大，且從表3中的重力指數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)中各參數(shù)在1 200～1 500 m變化不大，在出行距離達(dá)到1 200～1 500 m的范圍內(nèi)，該區(qū)域POI點(diǎn)對(duì)出行者吸引力作用和空間距離的阻隔作用達(dá)到平衡。

圖6 600～1 500 m步行可達(dá)性分布圖

4.2 公交站點(diǎn)可達(dá)性

當(dāng)出行距離超過(guò)1 800 m時(shí)，出行者將會(huì)選擇其他交通工具，西安市公共交通主要由地鐵和公交組成，公交站點(diǎn)的可達(dá)性分析由地鐵站和公交站為基點(diǎn)。

4.2.1地鐵站點(diǎn)可達(dá)性

圖7為雁塔區(qū)各個(gè)建筑點(diǎn)最大步行可達(dá)性分布圖。圖8將地鐵線路和可達(dá)性分布圖進(jìn)行疊加分析，地鐵線路周圍的區(qū)域可達(dá)性較高。根據(jù)李孟冬[7]對(duì)軌道交通站點(diǎn)步行可達(dá)性的研究，城市居民對(duì)于附近站點(diǎn)的適宜性步行距離為750 m。從各個(gè)站點(diǎn)出發(fā)，沿著路網(wǎng)將步行距離750 m范圍內(nèi)全部建筑點(diǎn)和地鐵站點(diǎn)相連，即為地鐵站點(diǎn)的服務(wù)區(qū)域。如圖7、8所示，大部分可達(dá)性高的區(qū)域都在地鐵站點(diǎn)的服務(wù)范圍內(nèi)，表明大部分可達(dá)性高的區(qū)域擁有便捷的城市軌道資源。

圖7 1 800 m步行可達(dá)性分布圖

圖8 地鐵站點(diǎn)服務(wù)區(qū)可達(dá)性分布圖

4.2.2公交站點(diǎn)可達(dá)性

圖7中部藍(lán)色區(qū)域的步行可達(dá)性較低，所以為了接觸到更多的POI點(diǎn)，居民需要通過(guò)改變出行方式才能在一定的出行時(shí)間內(nèi)獲得更多的POI點(diǎn)。而由于現(xiàn)階段地鐵線路較少，所以公交仍是重要的中長(zhǎng)距離出行方式。本研究共收集了公交站點(diǎn)503個(gè)，通過(guò)各個(gè)建筑點(diǎn)周圍的公交站點(diǎn)的重力指數(shù)來(lái)研究雁塔區(qū)公交站點(diǎn)的可達(dá)性。一般而言，公交站點(diǎn)的覆蓋范圍為500 m，所以基于重力模型，以建筑點(diǎn)為起點(diǎn)、以公交站點(diǎn)為終點(diǎn)構(gòu)建重力模型。

圖9中站點(diǎn)可達(dá)性分布整體較為均勻，主要體現(xiàn)在站點(diǎn)可達(dá)性高的黃色和綠色區(qū)域分布均勻而且占比較大，這些區(qū)域的站點(diǎn)重力指數(shù)在24.4以上。這些區(qū)域在500 m的步行距離范圍內(nèi)可以接觸到較多的站點(diǎn)和公交線路，城市內(nèi)部的中長(zhǎng)距離出行較為方便，綠色以及黃色區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的88.6%以上。但是仍然存在著站點(diǎn)可達(dá)性較差的藍(lán)色區(qū)域，這些區(qū)域的最低站點(diǎn)重力指數(shù)為0.43，需要增設(shè)站點(diǎn)。雁塔區(qū)東北部的區(qū)域的步行可達(dá)性較差，但是站點(diǎn)可達(dá)性較高，表明該區(qū)域雖然服務(wù)設(shè)施分布較少，但是存在著大量需要中長(zhǎng)距離出行的人群。

圖9 公交站點(diǎn)可達(dá)性分布圖

4.3 人口密度疊加分析

根據(jù)微博簽到數(shù)據(jù)繪制人口分布熱力圖，將熱力圖和1 800 m步行可達(dá)性分布圖進(jìn)行疊加分析，如圖10所示。由圖10可以看出：地鐵線路的主要部分在人口密度大的地方；雁塔區(qū)西北部步行可達(dá)性呈現(xiàn)紅色區(qū)域，人口密度較低，表明這里的服務(wù)設(shè)施供過(guò)于求，但是整體上，人口熱力圖和步行可達(dá)性的分布有較好的一致性。

圖10 疊加人口密度的可達(dá)性分布圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在能接受的出行距離范圍內(nèi)，雁塔區(qū)整體的步行可達(dá)性較高，在可接受的出行距離范圍1 500 m內(nèi)，一半的建筑點(diǎn)的紅利指數(shù)在67以上，表明此區(qū)域具有友好的步行交通。雁塔區(qū)西部的可達(dá)性明顯高于東部，同樣的出行的距離內(nèi)，雁塔區(qū)西部區(qū)域內(nèi)的居民能夠接觸到更多的服務(wù)設(shè)施，區(qū)域內(nèi)的街道更加有“活力”，更易激發(fā)居民步行出行的興趣，居民出行選擇步行的概率更大。地鐵站點(diǎn)的服務(wù)區(qū)域能覆蓋大部分可達(dá)性較高的區(qū)域，地鐵和步行交通的緊密結(jié)合，使得雁塔區(qū)站點(diǎn)具有良好的步行可達(dá)性。雁塔區(qū)公交站點(diǎn)整體分布均勻，可達(dá)性高的區(qū)域占比88.6%，即使在步行可達(dá)性較差的區(qū)域內(nèi)也能有較高的公交站點(diǎn)可達(dá)性，即在相同時(shí)間內(nèi)，步行可達(dá)性較差區(qū)域內(nèi)的居民可以通過(guò)公交接觸到較多服務(wù)設(shè)施，從而滿足居民的出行需求。