基于空间句法的城市立体交通通达性模型及其应用——以石家庄市为例

李 秋 芳，李 仁 杰,2，傅 学 庆,2，张 军 海,2*

(1.河北师范大学资源与环境科学学院，河北 石家庄 050024；2.河北省环境演变与生态建设实验室，河北 石家庄 050024)



基于空间句法的城市立体交通通达性模型及其应用
——以石家庄市为例

李 秋 芳1，李 仁 杰1,2，傅 学 庆1,2，张 军 海1,2*

(1.河北师范大学资源与环境科学学院，河北 石家庄 050024；2.河北省环境演变与生态建设实验室，河北 石家庄 050024)

当前通达性研究多单方面关注地面交通或地下轨道交通，缺少对地面、地下一体化立体交通通达性的研究。利用空间句法形态分析变量，分别表述地面和地下交通的通达性，并以地面公交站点通过的公交车数量作为权重因子，构建地下交通通达性向地面交通传递的纽带，最终建立城市立体交通空间通达性模型。研究表明，该模型可用于立体交通通达性的计算，定量描述结果更符合城市交通通达性现实状况，可作为城市科学布局与发展的依据。

空间句法；立体交通；通达性；集成度；石家庄市

空间句法提供的对城市结构形态的描述可用于解释人的空间行为和社会活动，为城市规划和设计提供了指南[1]，广泛应用于城市中心分布规律[2,3]、城市街道布局特征[4,5]、城市土地利用[6,7]、城市游憩空间结构特征[8]及商品交易市场空间结构[9]等领域。由于城市交通网络形态特征的优劣直接影响到城市交通效益的发挥[10]，交通通达性则是交通效益的直接表征，决定着城市与区域之间物质流、能量流和信息流的通畅程度[11]。近年来，空间句法应用于城市交通通达性的案例越来越多[12-14]，但研究多单方面关注地面交通或地下轨道交通，缺少对地面、地下一体化立体交通通达性的研究，不能全面表征城市交通通达性实际状况，弱化了其对城市交通科学规划和管理的现实指导意义。

本文尝试利用空间句法形态分析变量，分别表述地面和地下交通通达性，以地面公交站点通过的公交车数量作为权重因子，构建地下交通通达性向地面交通传递的纽带，最终建立城市立体交通空间通达性模型。以正在建设地下轨道交通的石家庄市为例，尝试以立体交通通达性分析揭示未来城市交通格局，为城市交通管理和可持续规划设计提供参考。

1 研究方法

1.1 空间句法

空间句法着眼于自由空间的表示，描述以拓扑关系为代表的一种关系，关注基于拓扑距离的网络通达性和关联性。空间句法是利用构形关系分析任何空间元素的几何代表[15]，分析流程可简述为：1)空间分割；2)建立小尺度空间连接图；3)形态分析变量计算。空间分割将城市自由空间呈现的大尺度空间分割为小尺度空间，分割后的城市自由空间或街道网由一系列轴线连接，形成由最少数目的最长直线组成的轴线地图，具有城市形态的代表性。连接图重在描述由节点之间的连接关系所组成的结构系统，为空间构形提供有效描述方法，也是构形量化表达的重要途径。

空间句法模型的主要形态分析变量有连接值、控制值、平均深度值、集成度。集成度反映一个单元空间与系统中所有其他空间的集聚或离散程度，描述局部与整体间的关系，是个较为综合的指标。本文把集成度值作为衡量通达性的指标，将空间句法分析模型集成到GIS平台中，进而实现空间分割和形态分析变量的计算、存储、管理、分析和可视化。

1.2 通达性模型的建立

城市地面交通和地下交通两个空间层面相结合构成了城市立体交通模式。立体交通通达性是指地面道路网交通系统和地铁交通系统共同构成的城市空间通达性指标。由于现代城市居民的出行目的地最终体现在地表空间的某一具体位置，通过地下轨道交通方式的出行行为最终要汇聚到地面交通中，因此应通过一种合适的参数将地下交通通达性整合到地面交通通达性模型中。本研究借助特征点讨论立体交通的可达性。从城市公共交通的构成要素看，地下轨道交通出站点周围的地面公交站点及其经过的公交车数量是地下交通向地面交通系统转换的关键因子，也成为基于地面与地下交通通达性整合构建立体交通通达性模型的纽带。

(1)公交站点的地面通达性模型。以公交站点通过的公交车次数为权重，用公交站点所在的地面道路的集成度值加权的结果作为公交站点的地面交通通达性值。模型表示为：

(1)

(2)公交站点的地下通达性模型。地下交通通达性经过地铁站点传递到地面后，距离地铁站点越近的公交站点，地下通达性值越高，反之，地下通达性值就越低。因此，以公交站点与地铁站点的距离作为权重，地铁站点的集成度值加权的结果作为公交站点的地下交通通达性值。结合实际情况，人们通常选择距离最近的地铁站点实现地下交通出行，可根据地铁站点的位置，确定在不同位置的公交站点出行时对地铁站点的选择，进而确定地下交通通达性。模型表示为：

(2)

式中：I″i为公交站点i处的地下交通通达性值；dij为公交站点i与距离最近的地铁站点j间的距离；Ivj为地下轨道交通网络中地铁站点j的集成度值；k为地铁站点的数量；n为第j个地铁站点范围内公交站点的数量，随j的变化而变化。

在实际交通状况中，当dij足够小，即公交站点和地铁站点的距离很近时，公交站点位置处进入地下交通系统的便捷程度近似于地铁站点位置，二者地下交通通达性值近似，即I″i≈Ivj，根据实际情况式(2)可写成：

(3)

(3)公交站点的立体交通通达性模型。把公交站点的地面交通通达性值和地下交通通达性值叠加，作为公交站点位置的城市立体交通通达性值。模型如下：

(4)

2 实证研究

2.1 数据获取与处理

石家庄城市交通规划的轨道交通由6条线组成，1、2、3号线为骨干线，目前1、3号线正在施工。本文以石家庄市主要路网、公交站点和地铁1、2、3号线站点为研究对象，分析轨道交通建成后的城市空间通达性。

地面交通路网数据以天地图影像为基础，矢量化生成街道路网。公交站点数据根据图吧网上的石家庄公交车站点列表，在交通路网矢量数据基础上进行定位和矢量化，并记录每一公交站点经过的公交车次数。公交站点有上下行站点之分，一般分布在道路的两侧，水平方向上有一段距离，本文把上下行同一名称的站点归并为一个点。为了简化，按照邻近原则把公交站点定位到道路的十字交叉口位置和道路的中点位置，归并的公交站点中相同的公交车次数不累计。地铁站点数据根据石家庄地铁网(http://www.0311ditie.com/)公布的《城市轨道交通建设规划(2012-2020)》中1、2、3号地铁线路一期工程的站点位置，结合矢量化的交通路网数据生成。街道路网数据、公交站点数据与地铁站点数据如图1所示。

在ArcGIS10中利用Axwoman6.0模块由街道路网数据自动生成轴线地图，计算空间句法各形态分析变量，图2为生成的空间集成度图。由于地铁站点数据不能直接计算形态分析变量，研究中借鉴轴线地图思想，通过将站点数据转换成轴线地图以获得地铁站点的形态分析变量。轴线地图中各轴线与点状数据一一对应，并且轴线之间的空间关系与对应的点数据之间的空间关系保持一致。

2.2 地面交通通达性

由街道路网集成度轴线图(图2)可以看出，街道路网通达性具有明显的结构差异。轴线颜色越深表明道路的集成度值越大，其通达能力越强，该道路和其他道路的联系越紧密，越容易实现和其他空间的互动。这些高集成度的交通道路不仅是城市中心地带和周边各个地区联系的纽带，也是城市内部人类交流活动的活跃地带。轴线颜色越浅表明道路的集成度值越小，其通达能力越弱，便捷程度越差。在集成度轴线图上可以看出，友谊大街、中华大街、建设大街、体育大街、建华大街、谈固大街等南北向的城市主干道以及和平路、中山路、裕华路、槐安路等城市东西向主干道为高集成度的道路，承载着石家庄市区的主要交通流。

图1 街道路网、公交站点现状与规划地铁站点分布

Fig.1 Sketch chart of traffic network,bus stations and subway stations

图2 街道路网集成度轴线图

Fig.2 Axis figure of traffic integration

公交站点作为地面交通系统中重要的节点，也是地面交通通达性传递的枢纽。公交系统使公交站点在地面路网中具有一定的连续性，因此文中把公交交站点作为通达性传递的特殊点，将地面路网的通达性信息转化成公交站点的通达性信息。经过抽象和归并后，十字路口位置公交站点的地面通达性值为所在路口处道路集成度值的平均值；道路中点公交站点的地面通达性值为所在道路的集成度值。根据式(1)，可以计算出公交车次数加权的公交站点的地面通达性值。

2.3 地下交通通达性

2.3.1 地铁站点通达性分析 根据石家庄市城市轨道建设规划图，地铁1、2、3号线两两相交，可以直观的分析出这3条地铁线路的联通关系，并且得出这3条线路的集成度值相等，所以地铁线路通达性并不是本研究重点，地铁站点间通达性研究才具有重要意义。表1列出了地铁站点集成度值的计算结果。地铁一期工程所有地铁站点中，集成度值最高的是1、2号线换乘站人民广场站，其次是1、3号线换乘站中山广场站；地铁1号线的解放广场站、平安大街站、省博物馆站，2号线的大戏院站、新世隆站以及3号线的东里站集成度值也较高。对于新百广场、解放广场、北国商城、省博物馆等地区旺盛的交通需求具有明显的支撑作用。3号线的西三教和东广场站，2号线的东三教和塔谈站，以及2、3号线换乘站石家庄站等是新火车站附近的地铁站，集成度值仅次于解放广场附近站点的集成度值，可以有效地为来往于新客站的市民服务。

2.3.2 地铁站点通达性向地面的传递 本文采用Vonoroi数据结构，生成49个地铁站点范围栅格图(图3)，49个地铁站点的服务范围存在很大差异。市区中心，3条线路的地铁站点分布较密集，各自最有效的服务区域范围较小，3条地铁线路交叉围成的三角区域表现最明显。而市区外围，地铁站点的分布密度变小，服务的区域范围变大，尤其是各条线路的起始站和终点站，与市中心地铁站点相比服务范围明显变大。图中区域不同的颜色表示区域内地铁站点不同的集成度值，颜色越深区域的地下通达性越好，反之，区域的地下通达性较差。可见，从市区中心向市区外围，地铁站点的地下通达性逐渐减弱。

在不考虑特定出行目的情况下，单个区域范围内的任何位置选择该区域的地铁站点进入地下交通最便利。不同区域范围内公交站点的地下交通通达性受区域内地铁站点通达性的影响，地下交通通达性不同；同一区域范围内，不同位置的公交站点因与区域内地铁站点的距离不同，地下交通通达性也不同。根据式(3)可以计算出各个区域范围内所有公交站点的地下通达性值。

表1 地铁站点集成度值计算结果

Table 1 Calculating results of subway station integration

序号站点名称集成度1西王站0．3432时光街站0．3843长城桥站0．4334和平医院站0．4935烈士陵园站0．5686中山广场站0．6657解放广场站0．6518平安大街站0．6379人民广场站0．68610省博物馆站0．61211体育场站0．54812北宋站0．49313谈固站0．44514朝晖桥站0．40415白佛站0．36816留村站0．33617火炬广场站0．308序号站点名称集成度18石家庄火车站东站0．28419东杜庄站0．26220南村站0．24221西三庄站0．34322水上公园站0．38423市庄站0．49324小灰楼站0．56825东里站0．62426槐安桥站0．58827西三教站0．55628石家庄站0．59329东广场站0．52230孙村站0．46331塔冢站0．41432东王站0．37233柏林庄站0．43334三教堂站0．280序号站点名称集成度35位同站0．30636南王站0．33737西古城0．34938铁道学院0．39139运河桥0．44140蓝天圣木0．50441长安公园0．58443新世隆0．60442大戏院0．64344东岗头0．57045东三教0．58146塔谈0．51147塔谈南0．44748南位0．39549嘉华0．352

图3 地铁站点范围

Fig.3 Range of subway stations

2.4 地面与地下通达性的耦合性

地面交通通达性和地下交通通达性根据空间句法集成度值的概念计算得到。地面路网的集成度值和地铁站点的集成度值分别在不同的系统中计算，数值的大小不具有绝对意义，只在各自的系统中可以相互比较。数据归一化处理可将不同量纲和不同数量级的数据转变成具有相同量纲和相同数量级的具有可比性的数据，处理后的数据可以相互进行数学运算。线性函数法中的最大最小值法是常采用的表示方法，用于将样本数据归一化到[0，1]范围内。利用最大最小值法对式(1)和式(3)计算出的公交站点地面交通通达性值和地下交通通达性值进行归一化处理，然后根据式(4)对其进行叠加，得到各个公交站点的立体交通通达性值，表2为部分公交站点的通达性值计算结果。

2.5 城市立体交通通达性分析

通过计算发现，北国商城、纪念碑、河北大戏院站点的立体交通通达性值位居前三，且地面通达性和地下通达性值都较好。解放广场、平安公园和谈固3个站点的地面通达性值均在0.8以上，但地下交通通达性值相对不高(解放广场站距最近的地铁站点约277 m，平安公园站距最近的地铁站点约848 m，谈固站距最近的地铁站点约526 m)，导致立体交通通达性排名没有位居前列。政府西院、华城绿洲和武警总队站的地面通达性较低，但距地铁站点很近，地下通达性值都在0.8以上，因此立体交通通达性较好。立体交通通达性排名较落后的站点，其所在的区域道路网通达性较差，公交车次数较少(一般只有1～2条线路通过)，且与地铁站点距离较远(距离最近的地铁站点1～3 km)，地面交通通达性值和地下交通通达性值都不高，因此整体通达性值不高。

表2 公交站点通达性值计算结果

Table 2 Calculating results of bus station accessibility

公交站点地面通达性归一化结果地下通达性归一化结果立体交通通达性北国商城1．0001．0002．000纪念碑0．7960．9461．742河北大戏院0．7610．9331．694河北医大0．6670．7871．454万象天成西0．5400．9051．445爱尔眼科医院0．5660．8491．415铁道大厦0．2980．9251．223省四院0．3460．8421．189和平医院0．4530．7031．156运河桥客运站东0．5110．6241．135建华百货大楼0．4260．7031．129西三教东0．3170．8001．117新世隆0．1650．8741．039解放广场0．8650．1220．987白佛客运站0．4700．5100．980 公交站点地面通达性归一化结果地下通达性归一化结果立体交通通达性保龙仓谈固店0．3320．6300．962中山路东二环0．3920．5660．958平安公园0．8370．0900．927谈固0．8730．0540．926八一站0．2900．6100．900政府西院0．0650．8190．883省博物馆0．7310．1330．864华城绿洲0．0040．8390．843武警总队0．0190．8190．837 …………天翼路西口0．0000．0180．018长江燕山街口0．0160．0010．017大安舍0．0020．0110．012天山枫景小区0．0070．0030．010东杜庄桥0．0030．0050．009

为直观展现市区范围内交通通达性的分布特征，利用立体交通通达性值对公交站点的立体交通通达性结构特征进行空间插值分析。通过反距离权重插值法(IDW)得出公交站点立体交通通达性的空间分布模拟图(图4)。可以看出，城市立体空间的通达性呈现出从城市中心向城市周围逐渐减弱的趋势，通达性较好的区域分布与市区内地铁线路的规划有较强的一致性，如地铁1号线上的西王站-留村站线路段、2号线上的运河桥-新世隆站线路段及3号线上的市庄站-石家庄站线路段通达性较好。地铁1号站的留村站-南村站线路段、2号线的东岗头站-嘉华站线路段及3号线的石家庄站-三教堂站线路段通达性相对较差，这些区域虽有地铁站点，但站点附近的路网和公交设施都不完善，导致整体交通通达性较差。主城区二环以内的区域空间通达性值较高，但西北二环的西三庄、东南二环位同以东区域均为地铁3号线的始末站，地下通达性相对较差，加之地面交通路网结构和公交设施不完善，这些区域的通达性并不高。

图4 公交站点立体交通通达性空间分布

Fig.4 Chart for accessibility of three-dimensional traffic of bus stations

模型分析结果表明：1)结合地铁1、2、3号线的修建对城市空间通达性的影响可知，西北、西南、东南和东北区域的通达性较差，4、5、6号地铁线路作为辅助填充线，规划时要充分考虑提高这些区域的通达性。2)市区部分路段的空间通达性较差，而现实状况却承载大量的交通流。如和平路、槐安路等作为中心城区的主干道以及联系市区与东部开发区和西部地区的纽带，吸引着较高的交通流量，计算结果反映出这两条道路的空间通达性不能适应实际交通需求。3)市区内立体交通通达性值最高达2，最低只有0.009，不同区域间通达性差异较大。石家庄市区的交通布局有待优化，城市主干道承载大部分交通压力，应充分发挥支路的疏散作用。道路基础设施的规划建设要起到疏解市中心压力，引导人流、车流的分流作用。同时，城市公共交通要根据地铁的修建做合理的调整，重在提高公共交通在市区内不同区域的服务能力，在通达性较差的区域增设公交站点，加密公交线路等。

3 结语

城市交通网络研究注重定性描述，定量分析的应用不足[16]。本文基于空间句法思想，建立了城市立体交通通达性计算模型，为城市交通通达性分析提供了新思路和方法。实例研究表明，该模型用于立体交通通达性的计算，结果更符合城市交通通达性现实状况。立体交通通达性模型通过合适的权重因子转换，充分考虑了地下轨道交通对地面通达性的贡献，模型分析结果可作为城市空间布局的依据，为城市科学布局与发展提供参考。但影响城市交通通达性的因素多且复杂，本文模型未区分公交的上下行线路以及市区内不同区域公交线路分布的疏密等因素，与实际交通状况存在一定差距，模型的应用有一定的局限性。因此，今后的研究应注重模型的优化。

[1] 江斌,黄波,陆锋.GIS 环境下的空间分析和地学视觉化[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2] 李江,郭庆胜.基于句法分析的城市空间形态定量研究[J].武汉大学学报(工学版),2003,36(2):69-73.

[3] 邵润青.嘉兴城市中心区位与集成度分布的相关性[A].2005年城市规划年会论文集[C].北京:中国水利水电出版社,2005.

[4] 陈明星,沈非,查良松,等.基于空间句法的城市交通网络特征研究——以安徽省芜湖市为例[J].地理与地理信息科学,2005,21(2):39-42.

[5] 段瑞兰,郑新奇.基于空间句法的城市道路结构与地价关系研究[J].测绘科学,2004,29(5):6-9.

[6] 赵虎,李霖,朱海红.扩展空间句法在城市土地定级中的应用[J].测绘信息工程,2007,32(2):9-11.

[7] CHIARADIA A,HILLIER B,SCHWANDER C,et al.Spatial centrality,economic vitality/viability: Compositional and spatial effects in Greater London[A].Proceedings of the 7th International Space Syntax Symposium[C].Stockholm,2009.16.

[8] 吴志军,田逢军.基于空间句法的城市游憩空间形态特征分析——以南昌市主城区为例[J].经济地理,2012,32(6):156-161.

[9] 陈华杰,石忆邵.基于空间句法的商品交易市场空间结构——以义乌国际商贸城为例[J].地理学报,2011,66(6):805-812.

[10] 陈垚森,陈文成.基于空间句法的泉州城区道路网形态研究[J].热带地理.2011,31(6):604-615.

[11] 刘承良,余瑞林,熊剑平,等.武汉都市圈路网空间通达性分析[J].地理学报,2009,64(12):1488-1498.

[12] JIANG B,CLARAMUNT C,BATTY M.Geometric accessibility and geographic information: Extending desktop GIS to space syntax[J].Computers,Environment and Urban Systems,1999(23):127-146.

[13] 程昌秀,张文尝,陈洁,等.基于空间句法的地铁可达性评价分析——以2008年北京地铁规划图为例[J].地球信息科学,2007,9(6):31-35.

[14] LI J,DUAN J.Multi-scale representation of urban spatial morphology based on GIS and spatial syntax[J].Journal of Central China Normal University (Nat.Sci.),2004,38(3): 383-387.

[15] 段进,比尔·希列尔.空间句法与城市规划[M].南京:东南大学出版社,2007.

[16] 陈述彭.城市化与城市地理信息系统[M].北京:科学出版社,2001.

Accessibility Model and Its Application for Three-Dimensional Traffic in City Based on Space Syntax: A Case Study of Shijiazhuang

LI Qiu-fang1,LI Ren-jie1,2,FU Xue-qing1,2,ZHANG Jun-hai1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050024; 2.HebeiKeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandEcologicalConstruction,Shijiazhuang050024,China)

It is showed concerns about surface-transportation or underground urban mass transit unilaterally for the research on accessibility.However,there are less studies for three-dimensional traffic accessibility.This paper analyzes the accessibility characteristics for both surface-transportation and underground urban mass transit using the morphological analysis variables of space syntax,taking Shijiazhuang for example,taking the number of buses that passing the bus station as a weight to build the link that the accessibility of underground urban mass transit pass to the surface-transportation,the spatial accessibility model of three-dimensional traffic is built.The results show that the accessibility calculation using this model is more close to the actual situation.The quantitative description of accessibility about three-dimensional traffic can be used as the basis for urban layout.Also,the paper provides a reference for planning and designing scientifically.

space syntax；three-dimensional traffic；accessibility；integration；Shijiazhuang

2014-02-25；

2014-04-28

河北省高校重点学科建设项目

李秋芳(1986-)，女，硕士研究生，研究方向为地理信息建模。*通讯作者E-mail:zhangresc@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.015

TU984

A

1672-0504(2015)02-0070-06