基于GIS空间分析技术的城市路网可靠性评价方法研究

吴 驰，胡伟平，王红亮，刘 锐

(华南师范大学地理科学学院，广东广州 510631)

城市道路网络构成城市的骨架，是城市社会经济活动和客货运输的载体.城市道路网络的规划布置是否合理、是否与城市特点相适应，在很大程度上决定着城市交通运输的效率和交通结构的发展[1],城市路网左右着城市发展的方向和规模，因此，对城市路网的研究分析已经成为一个重要的方向.特别是当城市路网中有不确定因素加入时，就需要对道路运行状态和未来规划发展进行更准确、更全面的评价，以便适应城市的新发展.

1 可靠性方法研究现状

1.1 可靠性概念

道路的可靠性研究源于20世纪80年代，其表示道路在受到外界因素干扰的情况下，道路整体状况的表现，其中包括连通性和道路的连通效率，改变了以往用出行时间或道路拥挤程度的概念来描述路网，而从网络的可靠性方面来研究道路路网，将拓扑等高级网络属性纳入研究范围.

1.2 路网可靠性评价方法

目前, 国内外评价路网可靠性的方法主要有：终端可靠性评估方法、博弈论技术、蒙特卡罗方法、吸收马尔科夫链方法等.这几种方法虽然指标不相同，但都通过计算模型和计算方法来求解路网的可靠性指标.

称终端可靠性评估方法主要用以描述路网结点之间保持连通的概率，它可以定义为路网中任意2个节点之间至少存在1条路径连通的概率[1].表示在特定OD对之间存在一条路径连通的情况，用以判别每一路段上连通或是中断.对于路网中各个路段，首先标识各个路段的状态，状态分为0(中断)和1(连通).

蒙特卡罗方法又称随机抽样方法，一般用以评价路网容量指标，其基本思想是：当要解决的某个问题的答案是某种事件产生的概率时，它通过实验的方法，得到该事件出现的频率，以此作为问题的解[2].

2 基于GIS空间分析技术的路网可靠性评价方法

2.1 GIS空间分析技术的应用

GIS空间分析(Spatial Analysis)以地理空间为对象，侧重于空间信息的提取和空间信息传输，分析地理目标的位置和形态特征.目前，GIS的空间分析在城市路网评价中的应用主要有①空间几何分析，主要是针对要素的几何形状进行的，例如对线道路要素进行裁剪，面要素进行空间相交叠加等；②空间网络分析，主要是对各种空间网络实体(交通、物流等)的分析，例如道路路径分析，连通分析，顺(逆)流分析等；③数字图像分析，是指对数字图像进行空间纠正，变换等操作，在路网的应用上,主要体现为道路要素的自动提取.

2.2 评价模型建立

模型采用GIS空间分析技术，从路网连通性的角度出发，着重评价路网网络之间保持连通的概率，主要选取不同的道路网络节点，对结点之间的连通概率进行可靠性检验，其具体建模思路如下：

(1)对数据库中POI(Points of Interest, 感兴趣区域)区域内的数据建立几何网络数据，并确保数据在逻辑网络上的互通；

(2)对所有路网数据构建逻辑网络，该流网络为无流向网络，无转弯规则，并以道路实际长度为路网权重；

(3)对整个POI区域进行划分，规则是行政边界或经济区域边界，并筛选出各个区域内的代表性点，作为评价结点.点的筛选可以是区域内的重要交通结点；

(4)对各个小区域内的结点进行跨区域连通测试，统计其在某一等级道路上的可连通线路数；

(5)分析出所有选取结点的可连通线路数，并进行归一化处理，得出可靠性系数，其模型表现为：

2.3 评价方法技术路线

路网可达性评价采用ESRI公司的ArcGIS Engine组件和开发Microsoft公司的Net Framework，本文评价系统的开发语言环境为Microsoft Visual Studio(C#). 方法评价流程见图1.

2.3.1 数据预处理 本文分析数据选用ESRI PersonalGeodatabase个人数据库形式，创建FeatureDataset数据集，并构建效用网络(Utility Network)，采用INetworkCollection类进行几何网络创建(CreateGeometricNetwork).其创建方法为：

//通过数据集声明网络类

INetworkCollection m_NetworkCollection=(INetworkCollection)m_FeatureDataset;

//构建效用类型的几何网络数据

IGeometricNetwork m_GeometricNetwork=m_NetworkCollection.CreateGeometricNetwork(“几何网络路网”, esriNetworkType.esriNTUtilityNetwork, true));

对数据精度进行归一化处理，所有线要素连通精度为0.001 m(即2条线要素相连节点在0.001 m以内默认为连通).

图1 方法评价流程图Figure 1 Flowchart for road network reliability evaluation

2.3.2 空间查找分析 取出一个待运算区域面要素(Feature)，查找所有与其相邻的区域，关键实现代码如下：

//声明空间过滤器

ISpatialFilter m_SpatialFilter=new SpatialFilterClass();

//当前区域图形要素

m_SpatialFilter.Geometry=m_CurFeature.ShapeCopy;

//查找方法为空间相交

m_SpatialFilter.SpatialRel=esriSpatialRelEnum.esriSpatialRelIntersects;

//进行空间相交查找

IFeatureCursor m_FeatureCursor=m_FeatureClass.Search(m_SpatialFilter, false);

2.3.3 评价结点筛选的原则、方法与过程 评价结点的筛选主要遵循的原则：筛选结点位置位于POI区域几何中心结点的缓冲范围内；筛选结点所连通的道路个数最多；在所连通道路个数相同的情况下，选择离几何中心结点最近的筛选结点.

具体筛选方法如下：①从分区域面要素提取中心点

//声明中点要素

IPoint m_CenterPoint=new ESRI.ArcGIS.Geometry.Point();

//m_Feature为分区域面要素并进行接口转换

IArea m_Area=m_Feature.Shape as IArea;

//获取当前面要素的中心点

m_CenterPoint=m_Area.Centroid;

②对几何中心点进行距离缓冲操作

//调用拓扑运算器

ITopologicalOperator m_TopologicalOperator;

//进行拓扑缓冲操作，返回面要素

IPolygon m_Polygon=m_TopologicalOperator.Buffer(100) as Polygon;

③在缓冲面范围内，寻找道路连通数最大、离几何中心点最近的评价结点

//调用拓扑运算器，对缓冲面要素进行空间相交操作，返回查询路网结点

IPointCollection m_PointCol=m_TopologicalOperator.Intersect(m_Polygon, esriGeometryDimension.esriGeometry0Dimension);

筛选过程见图2.

图2 评价结点筛选模型Figure 2 Screening model for evaluation node

2.3.4 几何网络分析 ①查找当前结点与相邻区域结点的路线：

//声明初始化一个网络流向的对象，并把所建立的几何网络赋值为其赋值

ITraceFlowSolverGEN traceFlowSolver=new TraceFlowSolverClass() as ITraceFlowSolverGEN;

//以下代码为设置查找路线的起点与终点，并获取相关边参数

IPointToEID m_ipPointToEID=new PointToEIDClass();

m_ipPointToEID.GetNearestEdge(BeginPoint, out intEdgeID, out ipFoundEdgePoint, out dblEdgePercent);

m_ipPointToEID.GetNearestEdge(EndPoint, out intEdgeID, out ipFoundEdgePoint, out dblEdgePercent);

//以下代码设置网络流向权重

INetSolverWeights m_NetSolverWeights=traceFlowSolver as INetSolverWeights;

m_NetSolverWeights.FromToEdgeWeight=m_NetWeight;

m_NetSolverWeights.ToFromEdgeWeight=m_NetWeight;

//以下代码调用网络流方法进行最短路径查找，并把查找边线赋值于m_EdgEnumNetEID

traceFlowSolver.FindPath(esriFlowMethod.esriFMConnected,esriShortestPathObjFn.esriSPObjFnMinSum,out m_JunEnumNetEID, out m_EdgEnumNetEID, intCount - 1, ref vaRes);

//以下代码取出两结点直接可连通最短路线

IEIDHelper ipEIDHelper=new EIDHelperClass();

IEnumEIDInfo ipEnumEIDInfo=ipEIDHelper.CreateEnumEIDInfo(m_EdgEnumNetEID);

IEIDInfo ipEIDInfo=ipEnumEIDInfo.Next();

IFeature m_LineFeature=ipEIDInfo.Feature;

②对已经找到路线添加barrier点(阻碍点)，使其不能连通：

//以下代码为路网线路添加阻碍点

ISelectionSetBarriers m_selSetBarriers=new SelectionSetBarriersClass();

//m_FeatureClassID, m_FeatureID为阻碍点的ID值

m_selSetBarriers.Add(m_FeatureClassID, m_FeatureID);

//获取网络流向的对象

INetSolver ipNetSolver=traceFlowSolver as INetSolver;

//在网络流中设置Barrier点

ipNetSolver.SelectionSetBarriers=m_selSetBarriers;

2.3.5 可靠性系数 根据可靠性模型，对计算所得的所有结点的线路数分别进行归一化处理，得出可靠性系数：

//以下代码计算出该路网模型的可靠性系数

for (int i=0;i

dolTotalReaValue=dolTotalReaValue + dolReaValue[i];

dolReliability [i]= dolReaValue [i] / dolTotalReaValue / n;//某一个区域点的可靠性系数

2.4 算例分析

2.4.1 研究区域 算例数据截取广佛中心区域，从113°0′1″E～113°45′4″E，23°30′2″N～22°50′4″N.具体包括广州10区(花都、从化、南沙部分)和增城市西部，佛山禅城区全部、南海区和顺德区部分区域，东莞市西部区域，具体区位如图3.

图3 广州-佛山中心区位图Figure 3 The center location of Guangzhou &Foshan

算例数据主要来源于广东省2007年交通路网数据和中巴资源卫星2008年遥感数据，路网的组成有高速路、国道、省道、县乡道路、环城快速路、城市中心街道道路(如图4).

图4 研究区域路网数据Figure 4 The studied area of road network

2.4.2 研究区域划分及评价结点筛选 对研究区域进行网格划分，其原则主要是按照等面积区域划分，在划分的同时保证区域内的道路密度和道路类型，因此，采用空间相交的方法，划分为16等分，并对各个区域按照从左至右，从上而下的原则进行区域编号，依次记录为P1，P2,P3，…，P16.具体划分如图5.

对区域内的路网进行等级归类，由于高速路、快速路具有封闭性的特点，所以高速路、快速路归为一类；国道省道为过境道路，归为第二类；一般道路包括郊区的县乡道和城区的街道归为第三类.对路网进行等级划分后，根据评价结点筛选原则进行网格内结点筛选，具体结果如图6.

图5 研究区域网格划分Figure 5 The grids of the region studied

2.4.3 各区分析结果

(1)不同等级道路可靠性检验结果 对道路网络进行等级划分的连通可靠性检验，主要有与领域的连通性检验和领域评价结点的连通性检验，具体结果见图7，表中16个格网对应着图5的网格划分.

(2)不同等级道路可靠性值计算结果 计算所有各个等级道路分析区域的平均可靠性通道个数，对各个区域的可靠性通道个数进行归一化处理，计算出各个区域的可靠性值，统计结果见图8.

(3)不同等级道路可靠性值图形化结果 为便于直观分析，将各个等级道路的可靠性值进行Kriging空间插值计算，并进行栅格化处理，具体处理结果如图9.

2.5 讨论

(1)采用空间连通性对研究区域进行可靠性检验，基本上反映了广佛区域路网的物理特征；

(2)研究区域内路网可靠性值表现较高的地方，主要集中于广州市的荔湾区、越秀区、天河区、海珠区、番禺区、白云区南部、黄埔区西部，佛山市的禅城区、南海区东部.而可靠性值较弱的区域主要是广州市的东北部和西南部；

(3)研究区域中，由于广州内环线、外环线、广园快速路、华南快速路、广佛快速路的存在，致使高速路、快速路的可靠性分析的高值区域表现在广佛中心区域；

(4)从检验结果得出，不同等级道路在同一网格区域的可靠性结果差异较大，特别是国道、省道等过境道路在城市中心区域表现值较弱.而相反，在城市的郊区，国道省道表现出了较高的可靠性值，特别是在研究区域的西南部，该地方有105国道、257省道、111省道、362省道等多条道路过境，同时该地区也是广州新客运站地区，因此该地方的过境可靠性值较高；

图6 不同等级道路评价结点筛选图Figure 6 Screening of evaluation nodes of different classes of roads

图7 不同等级道路可靠性检验结果图Figure 7 The test results of reliability of different classes of roads

图8 不同等级道路可靠性值计算结果图Figure 8 The calculated reliability values of different classes of roads

图9 不同等级道路可靠性值图形化结果图Figure 9 The reliability values of different classes of roads

(5)城市道路和县乡道的分析结果与道路密度基本吻合，但是在研究区域的东南部为东莞城区，网格内路网发育较为良好，但是由于西边珠江的阻隔作用，该区域的可靠性值表现较为一般.

本文采用GIS空间分析方法来探讨城市路网的连通可靠性，并基于ESRI公司的ArcGIS Engine组件和Microsoft公司的Net Framework进行联合开发，建立城市路网可靠性评价模型，对城市的道路网络进行空间几何网络构建.通过网格划分的方式，利用网络拓扑结构特性，快速准确地对路网的连通性进行可靠性检验，能较全面、真实地反映城市道路的物理结构可靠性，对道路的未来发展规划提供一定的参考意义.

参考文献：

[1] 曹松,杨佩昆.城市道路网络结构布局相对评价指标研究[J].中国公路学报,2000,13(3):93-96.

ZENG Song, YANG Peikun. A study of evaluation of urban road network by relative index[J]. China Journal of Highway and Transport, 2000, 13(3):93-96.

[2] IIDA Y.Basic concepts and future directions of road network reliability analysis [J]. Journal of Advanced Transportation,1999, 33(2):125-134.

[3] MINE H, KAWAI H. Mathematics for reliability analysis[M].Tokyo: Sakura-Shoten, 1982.

[4] CHEN A, YANG H, LO H K, et al. Capacity reliability of a road network: an assessment methodology and numerical results [J].Transportation Research: part B, 2002, 36(3), 225-252.

[5] 王红亮,胡伟平,吴驰.空间权重矩阵对空间自相关的影响分析——以湖南省城乡收入差距为例[J].华南师范大学学报：自然科学版,2010(1):110-115.

WANG Hongliang, HU Weiping, WU Chi. Analyzing the effect of spatial weighted matrix on spatial autocorrelation：Taking hunan’s income gap between urban and rural areas as a case[J]. Journal of South China Normal University:Natural Science Edition, 2010(1):110-115.

[6] 王远飞,何洪林.空间数据分析方法[M].北京:科学出版社,2007:120-126.

[7] 陈艳艳,梁颖,杜华兵.可靠度在路网运营状态评价中的应用[J].土木工程学报,2003,36(1):36-40.

CHEN Yanyan, LIANG Ying, DU Huabing. The application of reliability in the road network performance evaluation[J]. China Civi Engineering Journal, 2003, 36(1):36-40.

[8] 郭仁忠.空间分析[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1997.

[9] 饭田恭敬.交通工程学[M].邵春福，译.北京：人民交通出版社,1994.

[10] 侯立文,蒋馥.城市道路网络可靠性的研究[J].系统工程,2000,18(5):44-48.

HOU Liwen, JIANG Fu. Study on the reliability of urban road network [J]. Systems Engineering, 2000,18(5):44-48.

[11] 朱顺应,王炜,邓卫,等.交通网络可靠度及其通路算法研究[J].中国公路学报,2000,13(1):91-94.

ZHU Shunying, WANG Wei, DENG Wei, et al. Research on traffic network reliability and access road algorithm[J]. China Journal of Highway and Transport, 2000, 13(1):91-94.

[12] ESRI.ArcGIS desktop help[EB/OL]. (2009-04-24)[2010-03-28]. http://webhelp.esri.com/arc-gisdesktop/9.3/.

[13] 王永梅,舒娱琴,胡伟平. 虚拟华师校园三维模型的构建[J].华南师范大学学报:自然科学版,2007(4):110-115.

WANG Yongmei,SHU Yuqin, HU Weiping. Establishment of 3D models for the campus of South China Normal University[J]. Journal of South China Normal University:Natural Science Edition, 2007(4):110-115.