利用空间句法模型研究京津冀路网的通达性

2016-11-11郑新奇白书建

测绘通报 2016年10期

关键词：通达路网句法

梁　宇，郑新奇，白书建

(中国地质大学(北京)信息工程学院，北京 100083)

利用空间句法模型研究京津冀路网的通达性

梁宇，郑新奇，白书建

(中国地质大学(北京)信息工程学院，北京 100083)

空间句法属于通达性研究方法中的拓扑度量法，是一种通过数学方式描述空间结构的方法。它最初仅被用于研究建筑学，之后扩展到地理学与计算机科学等方面。当前在国内，利用其研究城市通达性、城市群的联系等已经取得了丰硕的成果。针对目前通达性研究缺少方法集成的情况，本文将空间句法与距离度量法等其他方法相结合，提出了崭新的分析模型，研究了地区的道路通达性，使用空间句法原理，利用ArcGIS和Axwoman对京津冀地区的路网进行了系统性研究。首先得到地区栅格图并矢量化，向其添加道路等级、道路实际距离等相关权重值，然后计算出各条道路的拓扑属性值，进行各项分析并讨论发展与规划。研究得出，将多种通达性度量方法相集成研究道路的通达性能够取得很好的效果。当前，京津冀地区的路网中心位于北京附近，但是除京津两市之外，其余地区尚未形成明显的路网中心，且相互间的联系有待进一步加强。此外，张家口、承德等外围城市发展水平较弱，应作为重点发展地区。

通达性；空间句法；京津冀；轴线

通达性也称可达性，它对增强城市间的联系具有重要意义[1]，已被广泛地应用于社会生活的各个方面[2]。近年来，关于通达性的研究非常多，如龚杰晖等研究了确定地理网络中心的算法[3]；胡于杰等研究了利用最短距离模型研究路网中心的方法[4]。研究通达性的方法有距离度量法、拓扑度量法、重力度量法和累积机会法4种，空间句法属于其中的拓扑度量法。利用空间句法研究通达性可以定量描述分析路网结构，为其提供了直观且便于理解的表达形式[5]。基于上述优点，空间句法成为研究通达性的重要方法之一。

当前，在方法方面，张愚等对空间句法的理论、方法和实践进行了研究[6]；傅搏峰等对空间句法在城市交通领域进行了分析[7]。在应用方面，何子张等对厦门市的城市形态及总体规划进行了分析[8]；易增林等利用空间句法探讨了芜湖市的城市形态[9]。在研究地域方面，由于国家层面的重视，当前学界对京津冀投入了广泛的热情，如朱桃杏等对京津冀地区的铁路网络结构进行了研究[10]。

但是，上述研究都存在一些问题：首先，仅仅依靠空间句法一种研究方法导致研究的结论缺少相关的理论支撑；其次，研究的对象偏少，忽略了居民出行的差异性；此外，研究中考虑因素偏少，道路的速度等级、距离等能够对通达性产生直接影响的因素并未被纳入研究。当前，关于空间句法的应用领域还主要局限于城市的中心性[11]、城市形态演变[12]等方面，缺少更加深入的内涵。

本文将解决通达性研究中研究方法单一的问题，在详细考虑影响通达性的各种因素后，分析京津冀地区的通达性情况并给出相应建议,将空间句法的基本理论与通达性研究方法中的距离度量法、重力度量法相结合，提出一种集成的方法。首先，向每一条轴线赋予道路等级、道路实际距离以及道路运输能力3项权重值，以实现融入距离度量法的目的；然后，在分析的过程中对影响范围通过具有重力度量法思想的密度分析进行操作，确定其对周围地区的影响程度；最后，在产生结果后分析京津冀地区的通达性情况，提出该地区路网进一步发展的建议。

一、研究方法

1. 通达性的定义及研究方法

通达性由英国著名学者汉森首先提出，其定义为节点之间相互作用的机会的大小[13]。研究方法主要有4种：距离度量法、拓扑度量法、重力度量法、累积机会法[14]。

2. 空间句法的基本原理

(1) 空间句法的理论基础

空间句法由英国学者比尔·希列尔在20世纪70年代的环境范型和“逻辑空间”的研究基础上首次提出[7]，是一种通过数学中的拓扑方式描述空间组成机构的方法。它最初是一个建筑学的概念，以人的空间活动在很大程度上受空间形态或结构影响为假设，借助计算机模拟，定量描述空间的形态[7]。它的出现和发展为对空间的理解提供了新的视角[15]。

(2) 空间句法的相关概念

空间句法将实际的空间抽象出来，变成能够参与数学计算的元素，主要通过连接值、控制值、深度值、集成度值表达空间之间的相互关系。

1) 连接值表示的是轴线图中与第i个节点相连接的节点数量k，一般用Ci表示。它反映了节点在整个空间中的连接能力，连接值越高，其通达性也就越高，即

Ci=k

2) 控制值表示某条轴线对与之相交的空间的控制程度，一般用CTRLi表示。它反映了轴线对整个空间的控制程度，值越高，该条轴线也就越重要，即

CTRLi=1/C1+1/C2+…+1/Ck

3) 深度值表示的是图中某一个节点到达其他所有节点的最少连接次数，分为全局深度值和局部深度值，一般以LD和GD表示。实际应用中还用到平均深度值(MD)，反映其到其他节点的平均最短距离，即

4) 集成度值反映网络中的节点与其他节点的聚集或离散程度，可分为全局集成度(Ii)和局部集成度(LIi),集成度越高，其通达性也就越好，即

式中，Dn的计算公式为

(3) 空间轴线的分割方法

空间分割是空间句法的基础，其依据的是人对空间的感知。扩大到通达性的领域之后，现有的空间句法理论由于轴线的距离有长有短，在实际的应用中已经遇到了巨大的问题。对此，有人认为可以首先画一条最长的轴线来代表一条街道,然后画第二长的轴线与第一线相交,直至整个空间由一系列轴线连接[16]；有人认为可以利用等级较高的轴线将等级较低的轴线进行分割[17]；还有学者直接采用宽度20 m以上的道路对区域进行分割[18]。

本文借鉴通达性研究方法中的通达性矩阵[19]、列车车次数量[1]、旅行时间[20]等信息，提出对轴线按照地级或县级行政单位进行划分，并且对距离较长的轴线按照市级、县级边界再重新分割。

3. 京津冀地区道路研究方法

通过电子地图渠道获得交通图并轴线化，利用Axwoman处理之后得到矢量地图。之后，向其中添加道路等级、道路速度和道路实际距离3项属性值。其中，规定高速公路(铁路)为2，普通公路(铁路)为1，两个城市之间兼有二者为3，国家主要干线再额外加1；轴线的实际距离由ArcGIS计算几何直接生成；道路速度则参考相关规章制度规定：普通铁路、高速公路为120，高速铁路为350或250，普通公路为60。最后，使用ArcGIS进行深入分析并出图。

本文的流程如图1所示。

图1　研究流程

(1) 中心性分析

中心性分析研究京津冀地区的路网中心和局部中心。中心性越高则表明该地区对整体而言拥有更高的便利程度。通过此方法也可以计算出局部中心性较高的地区，但该地区面积相对较小，故不再进行此类分析。

中心性分析使用总深度值、全局集成度值和权重值中的道路速度、道路等级。在ArcGIS 10.1中导入矢量图后，将总深度值进行分级显示，利用不同的色彩体现出路网的中心性；随后，考虑加权后的总深度值，鉴于ArcGIS数据的特点，本文将线状数据转点生成网络关系图后利用网络分析和成本矩阵生成实际距离，进而得到总距离值；之后用核密度分析得到中心性栅格图，在属性表中将权重值中的道路速度、道路等级，以及全局集成度、总深度值进行综合考虑，将其标准化之后各取25%的权重，从而给出总的中心性权重值；最后通过核密度分析生成中心性分析栅格图，并且以等值线的形式输出。一般来说，等值线应当以近似同心圈层的形式分布[21]。

(2) 密度分析

密度分析研究京津冀地区的路网密度，密度较高则表明地区内拥有更多的道路可供选择，即到达路网可以通过相对较短的距离。

密度分析使用其中的连接值、控制值及权重值中的道路等级。将以上3个属性值进行标准化后各取1/3的权重，进而给出总的密度分析权重值。然后利用ArcGIS中的线密度分析生成相应的栅格图，以等值线的形式出图。

(3) 强度差异分析

强度差异分析研究在相同的便利程度范围内存在瓶颈的地区。如果某地区的等值线呈现出向内部凹进的形态，表明该地区与附近地区的出行便利程度存在明显的强度差异，即地区的交通在这一地区产生了瓶颈，在相关的决策层面应当着重关注这些地区。

强度差异分析使用其中的连接值、控制值、总深度值、全局集成度值和所有的3项权重值。对轴线分别考虑以上因素，标准化之后分别赋予相同比例的权重，通过密度分析生成相应的栅格图，然后通过栅格转等值线法生成相应的等值线，最终成图。

二、结果与讨论

1. 研究区域概况

京津冀地区包含河北省11个地级市，以及北京、天津两个直辖市，面积约20万km2，人口约1亿。该地区是我国的核心地带，当前已初步规划为中部核心功能区、西北部生态涵养区、中南部功能拓展区和东部滨海发展区4大组成部分。

2. 中心性分析

图2依次表示了京津冀地区铁路和公路的中心性分析情况。其中，栅格图颜色越深则表明中心程度越高；中心性权重值由核密度分析生成栅格图，以等值线的形式表示。

该地区路网的中心地区位于京津一带，且以北京为中心，按照京石、京津两条轴线发散。除此之外，京张、京承、京唐秦也有明显的中心聚集趋势，中部核心功能区中的另外3个城市天津、廊坊、保定及河北省的省会石家庄未表现出明显的中心性，影响能力与北京相比差距较大，表明京津冀地区形成了北京一家独大的路网结构。此外，在石家庄形成了较小的区域中心，表明与附近地区相比路网建设相对较好。保、沧、石、衡4个省辖市交界地带中心性与周围地区偏低，表明该地区在总的发展历程中受到了忽视。

3. 密度分析

图3为京津地区的铁路、公路道路密度图。利用字段计算器生成密度权重值后，通过线密度分析生成相应的道路密度图。

图3中路网密度较高的地区依旧位于京津两市，显示出与中心性有某种耦合的关系。当前该地区的路网建设已趋于饱和。但是，西北部、中南部及东部沿海地区还有待进一步完善。

4. 强度差异分析

图4为该地区铁路和公路的强度差异分析图。在ArcGIS中生成强度差异权重值之后，利用软件中的核密度分析生成强度差异栅格图并利用等值线进行分级显示，同时将程度极高、极低的等值线删掉。

通过两幅图看出，强度差异明显的地区尚未产生。但铁路方面，京津廊保核心区及石衡沧沿线形成了强度较高的地区。石衡沧沿线有向内凹进的现象，表明该地区或存在瓶颈，建设石衡沧城际铁路应尽快提上日程。此外，京石及津保之间还未达到应有的强度，修建京石城际铁路及保霸铁路等其他通道很有必要。公路方面，该地区已经较为完善，尤其是京津廊保核心区和滨海发展区；强度差异较为明显的地区仅为张、承两市之间。因此，继续修建公路应当较为谨慎。

图2　京津冀中心性分析

图3　京津冀道路密度

图4　京津冀强度差异

三、结束语

本文将空间句法、距离度量法、重力度量法与GIS结合，对京津冀地区的路网相继进行了中心性分析、密度分析和强度差异分析。结果表明，这种集成方法对于研究城市群之间的路网通达性具有很好的效果。研究结果显示，京津冀地区的路网中心位于京津两市附近，以北京为中心，以京石、京津两大发展轴呈发散的趋势。天津、保定、石家庄未明显表现出与区位相对应的中心性。此外，上述地区的路网密度也相对较高。强度差异方面，铁路的差异较为明显，应当适时修建石衡沧、津保、京石等新通道来完善路网结构；公路方面的差异比较小，路网当前已经逐渐趋于成熟。

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The Accessibility Research of Jing-Jin-Ji Road Network Using Space Syntax Model

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国土资源部公益性行业撞向科研经费(201511010)