基于两步移动搜寻算法的空间可达性服务设计

郭立强 李晓明

基于两步移动搜寻算法的空间可达性服务设计

郭立强 李晓明

空间可达性作为地理空间信息应用领域的重点研究方向，如何基于网络服务实现空间可达性服务成为目前研究新的方向。本文基于目前现状，通过对空间可达性进行深入学习研究，并选择两步移动搜寻算法作为度量空间可达性的评价算法，基于OGCWPS服务规范要求，实现空间可达性服务的设计与实现。

空间可达性一直是地理信息科学研究中的主要学科流域，对空间可达性评价方法的研究以及其在具体实践中的应用也成为地理信息科学的研究热点。而空间可达性的研究由于其数据量大，操作复杂等问题，其应用也一直受限于网络环境。而网络地理信息系统（Web Geographic Information System）WebGIS的出现，满足了广大用户对分布于网络上的空间地理信息数据和地理处理服务的使用需求，基于OGC（ Open Geospatial Consortium开放地理信息联盟） WPS的标准规范协议实现空间可达性服务，也是其研究和应用新的方向。

研究现状

空间可达性研究现状

“可达性”一词在很多学科领域（如城乡规划、区域经济学、地理学、交通运输经济学等）经常被研究学者提及和采用，早在19世纪六七十年代可达性就已经成为西方学者的研究热点，但其本质涵义都是评价地理空间某一实体点到目标点的难以程度，为了进一步的阐明对概念的理解，Handy在其文献中阐述说可达性的概念与其在实际的应用中存在差异，在回顾了可达性测算的各种算法的基础上，构建了可达性指标计算和实际应用中的研究框架。在对空间可达性进行研究时就是以某种社会公共服务为需求（如公园、绿地、医院、学校等设施）为背景衬托，来评价达到这种需求的空间难易程度。

其中基于重力模型的算法一直是可达性研究的主要评价方法，基于现有的研究方法，国外学者通过长期对比研究又提出了改进的模型算法——基于重力模型的改进的移动两步搜寻算法（2-step floating catchment area），对现有的模型算法进行了改进，提高了模型的有效性。空间可达性模型服务应用于Web Service 也是空间可达性发展的热点。

Web Service及OGCWPS规范概述

Web Service本质上就是不直接接触远程的计算机，通过网络访问远程计算机上的数据服务，就像调用本地计算机上的功能一样，实现以跨平台的方式将不同平台的系统整合在一起实现资源的共享和重用，从而来提高生产效率。Web Service的一般架构主要包括三个角色：即服务提供者、服务请求者、服务注册器，本研究选取WPS作为网络服务。

WPS（Web Processing Service）即网络处理服务基于现有的web环境和技术平台，能够通过网络平台为用户提供对空间地理信息进行空间分析与处理的服务调用接口，可以为用户在网络环境下进行空间分析的功能。WPS服务的三个基础标准接口协议为：请求服务的元数据 （GetCapabilities）、请求有关可运行在服务上的进程的详细信息 （DescribeProcess）、请求运行一个由WPS 服务实现的进程 （Execute）。其接口如图1所示。

空间可达性评价方法研究

空间可达性基本概念

空间可达性的含义还是比较宽泛和灵活，当我们提及空间可达性时是根据某种特定的需求，比如城市绿地可达性、公园基础设施的可达性、医疗设施可达性、就业机会的可达性等等。一般地，有些学者认为可达性就是根据需要克服空间距离阻抗、时间阻抗等来达到目的的可能性和难易程度。顾名思义，可达性就是在特定时间内所能达到的机会或者服务的数量多少，若所能接触到的发展机会越多，则说明可达性越高；反之则可达性越低。

图1　OGC WPS服务协议接口

根据现有的研究情况，将空间可达性分为区域可用性和区域可达性。区域可用性即某一区域拥有的资源的多少以便供出行者使用，但是在研究区域可用性时需要提前做出假设：（1）假定该区域内的人到达该区域内的资源具有相同的可达性；（2）假定该区域内的人只在本区域内获得所需的资源供给；但现实中这两个假设都是不成立的，就（1）而言，某一研究区域内的居民限于多方面因素（主观和客观）的制约，不可能都具有相同的可达性，此外，在限定研究区域的大小时要考虑边界效应。而区域可达性就是我们研究的空间可达性，就上述问题做了改进，充分考虑到供给和需求两者之间的相互作用，但其在实际应用中要涉及到很多的数据，计算起来相对复杂。

综上所述：空间可达性就是指基于一定的交通成本，充分考虑服务供给和需求点之间的相互作用关系，对两点之间通达性的评价度量。

可达性评价影响因子

在实际的可达性研究中通常都是以空间内某一具体区域为研究对象，一般的以某种交通系统作为承载介质。根据可达性的概念和本质含义，可达性的评价受如下几个方面的影响。

交通系统：采取何种交通工具（飞机、火车、汽车、步行等）、交通规则（平均时速、通行限制）。

距离变量：如实际行走的距离、时间长度、费用等。

区域划分尺度：在进行区域可达性评价时，划分区域的尺度也不好把握，如果划分的尺度太小就会出现“孤岛”现象，如果尺度很大，则有可能导致可达性比较好的区域就集中在某几个中，这个清华大学的刘钊教授（2006）已经通过实验得出验证。

出行者的主观因素：如社会地位、经济水平、兴趣爱好、知识背景等，在出行者进行需求决策时会产生很大的影响。

出行者对可获得机会的理解。

可达性评价方法

由于对可达性在不同领域的应用，对空间可达性的评价方法也不尽相同。从现有的资料文献可知，一般地，目前主要的空间可达性评价方法有：基于图形论的、机会累积、空间网络相互作用、缓冲区分析法、最小距离法、出行成本代价法、重力指数法、基于矩阵的拓扑法、启发式A*算法、空间距离法、机会累计法、等值线法、基于重力模型方法、基于矩阵的拓扑法、平衡系数法等；本文选择由Radke和Mu提出的基于现有移动搜寻算法的改进算法——两步移动搜寻法（two-step floating catchment area method 2-step FCA method）。该方法以特定大小的区域作为普查单元，同时某普查单元可以享受到周边其他区域的资源和服务。该方法以服务提供点和服务需求点在的位置为两个参考点，具体方法步骤如下。

基于两步移动搜寻算法的空间可达性服务设计

基于上述两步移动搜寻算法和OGCWPS服务规范，建立空间可达性服务。该空间可达性服务在逻辑上有四层逻辑结构：用户层、网络服务器层、地理服务器层（可达性处理分析）、数据层（要素图层、数据）。如图2所示。

本文就选用WPS服务作为处理的基本服务，其实现接口有GetCapabilities、DescribeProcess、Execute三个接口。该空间可达性处理服务基于上述E2SFCA方法参数来进行计算，利用脚本语言Python编写该步算法的功能函数，其模型如图3所示。

基于两步移动搜寻算法的空间可达性服务系统实现

开发环境

图2　可达性服务逻辑结构图

图3　移动算法模型图

地理服务器：选用ESRI公司的ArcGIS 10.1 for Server，该地理服务器支持OGC规范的服务，能够对OGC服务进行托管，同时之前构建空间可达性服务也是通过ArcGIS module bulider和Python脚本语言来实现建模发布的。

空间数据库：空间数据库选用ArcSDE for SQLServer2008，用来存储空间属性数据等信息。

网络服务器：选用IIS作为网络服务器，该服务器部署简易方便操作。

系统开发环境：选用微软公司的.NET技术 、Visual Studio 2010、 Visual C#。、Ajax技术。

图4　可达性评价方法参数输入对话框1

图5　可达性评价方法参数输入对话框2

系统实现

本文选取武汉市地区的公园绿地作为研究对象进行研究测试。

进行空间可达性分析，点击可达性分析弹出分析要输入参数的对话框客户端调用GetCapabilities请求，将服务所需的参数列出来，然后用户输入服务半径、各要素图层等参数，运行结果具体如图4所示。

经过上述地理处理服务的执行，就计算出各服务需求点的空间可达性的数值，该服务需求点的数值就代表该点所在研究子区域的空间可达性的数值。如图6和7所示。

图6　空间可达性评价数值可视化

图7　研究区域可达性查询

某区域的颜色越深则代表该区域的可达性就越高，反之则越低。

总结

本文就空间可达性的概念、评价方法等进行了研究，并对比常用的一些评价方法，选择基于重力模型的两步移动算法作为空间可达性评价的方法，并对web service技术进行深入研究，同时对OGC服务规范进行研究学习，将WebGIS与web service技术进行结合，来弥补网络服务在进行地理空间信息处理等方面存在的不足。使空间可达性作为一种服务，从而改进WebGIS的网络互操作问题。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.020