基于GIS网络分析的西安市城区地铁站点可达性评价

王亚妮

(西安文理学院 生物与环境工程学院，西安 710065)

“十四五”期间，西安市轨道交通运营里程将再翻一番，西安市将形成12条运营线路、总长为422 km的运营网络，城市轨道交通逐渐形成公共交通系统的主干.

随着地铁网络的不断建设，如何建设高效的轨道交通系统，改善地铁站点换乘公交线网的可达性，已经成为各大城市公共交通优化的重点[1].地铁交通网络是区域社会经济发展的不可缺少的重要条件，在城市经济发展中具有非常重要的作用[2].城市公共交通网络的研究历来是交通工程、交通规划学者研究的热点[3].

可达性(accessibility)又称通达性，是人们克服距离和时间等阻力、到达服务设施或活动场所的愿望和能力的定量表达[4].许多学者利用可达性指标评价城市交通网络的便捷性以及优化策略.金凤君等[5]认为在一定经济发展阶段，交通可达性的波动与经济的波动之间具有显著的同步响应关系；刘承良等[6]以武汉都市圈为例，构建系列通达性数理模型，定量分析了武汉都市圈路网发育的空间结构性规律.魏攀一等[7]通过对传统可达性概念的总结,结合轨道交通系统自身特点,对轨道交通可达性进行了定义.陈小鸿等[8]以轨道交通对都市圈不同区位和不同增长模式的适配程度为切入点, 提炼空间—交通互动作用在出行时间与活动空间、时间尺度与空间形态、新城发展与区域城镇格局、交通设施与增长形态四个方面的规律.吴红波等[9]提出一种基于地理信息系统(Geographical Information System, GIS)的网络分析和距离成本加权算法，研究城市公交车路网的空间距离和时间可达性.陈周等[10]结合GIS地理空间信息分析工具，以时间、路网路段长度和道路等级作为阻抗，利用网络分析中的服务区分析进行上海市市中心紧急避难所的可达性分析.

本文以西安市主城区地铁站点作为主要研究对象，采用可达性分析指标对研究对象进行分析，从时间和距离成本两个角度，运用GIS网络分析方法揭示西安市地铁站点可达性量化指标，据此提出地铁站点及线路的优化建议，为相关建设设计单位提供科学的决策依据，促进西安市城市地铁网络的建设和城市的发展.

1 数据来源

1.1 研究区域概况

西安市位于渭河流域中部关中盆地，107.40 °E～109.49 °E和33.42 °N～34.45 °N之间，是中国西北部最大的中心城市.全市总面积10 752 km2(含西咸新区)，常住人口1 295.29万人(2020年).本文选取的研究区为西安市主城区地铁覆盖的区域，包括新城区、碑林区、莲湖区、灞桥区、未央区、雁塔区等6个主城区的城区范围，涉及8条运营中的地铁，105座车站(图1).

图1 研究区域

1.2 数据来源

1.2.1 空间数据处理

本研究所用的地铁线路数据、地铁站数据和居民小区数据均来源于OpenStreetMap，通过Overpass API官方镜像导出map文件，再通过QGIS矢量化分层转成Shapefile格式导入到ArcGIS软件平台，对路网拓扑规则进行检查修改错误，共分为地铁站点、地铁线路、居民小区、主城区划四个矢量图层，133 820个居民小区面状要素，12 599条城区道路(图2).

图2 西安市轨道交通网络示意图

1.2.2 速度的确定

根据权威机构西安发布(2020)公开数据显示，西安市三环内机动车平均时速32 km/h，早高峰平均时速30.52 km/h，晚高峰平均时速24.16 km/h，均不同程度加剧，特别是晚高峰加剧明显.因此，对于城区道路速度的确定，还需要考虑早晚高峰因素，以符合西安市交通道路通行速度的实际情况.参考国家《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)标准，结合西安早晚高峰平均时速，本文设定了西安市相关道路汽车通行速度和人行速度，如表1所示.

表1 西安市城区不同等级道路的速度

1.2.3 服务半径的确定

服务半径是指人们通过步行到达居住区级公共服务设施的最大步行距离.根据《城市道路交通规划设计规范》相关规定，本文选用1 000 m作为地铁站点的服务半径.

2 研究方法

2.1 评价指标

市区内任一点到达地铁站点的可达性指标为：

Qn=min(Mm，Tnm)

式中n为市区范围内任意一点，Tnm为区域中点n通过交通网络中通行时间最短的路线到达地铁站点m的通行时间，Mm为地铁站点m的权重.

2.2 服务区分析

分析居民到达最近地铁站点的时间成本的大小，可以反应地铁站点的便捷性程度.本文利用 ArcGIS Network Analyst 扩展模块，设置时间作为阻抗条件，分别设置1 min、5 min、10 min、15 min作为时间阻抗，而10 min到达最近地铁站点已经是居民可以接受的最大时间成本.

2.3 成本加权距离分析

地铁站点的建设应尽可能的靠近居民区，站点间的间隔应控制在一定的区间范围，一般以500 m、1 000 m作为服务半径.首先将路网数据进行栅格化，利用ArcGIS“Feature to Raster”工具，将路网数据处理成栅格数据，然后再利用栅格重采样工具，进行采样分析，把研究区域范围的栅格数据以栅格计算的方式进行裁剪，最后利用CostDistance工具计算成本加权距离计算地铁站点的距离成本.

3 结果与分析

3.1 地铁站点时间可达性分析

基于ArcGIS Network Analyst服务区分析工具，加载地铁站点作为服务点，以人们通常能接受的时间间隔范围：1 min、5 min、10 min和15 min作为分析设置的时间阻抗加入到分析参数中，计算研究区内各地铁站点的时间可达性，结果如图3所示.

图3表明，中心城区的碑林区、莲湖区、碑林区以及雁塔区科技路高新区的地铁站点时间可达性好，可达时间基本在5 min之内，而其他区则到达地铁站点的时间大多需要10 min，个别区域由于线路没有覆盖，超过了10 min.由此可见，地铁线路和地铁站点的密度决定了地铁站点的可达性和便捷性.总体而言，地铁线路和站点密度最高的主要是中心老城区，然后沿地铁线路进行沿伸.未央区和灞桥区作为新开发的区县，地铁线路和站点密度暂时比较稀疏，因此地铁站点的可达性也比较差.灞桥区南部由于多山，人口密度少，所以地铁线路的建设在灞桥南部区域比较少.未央区由于靠近咸阳，邻近西咸国际机场，人口密度稀疏，所以地铁站点覆盖也比较少，可达性较差，蓝色和深绿色区域较多.

图3 西安市城区地铁站点时间可达性

3.2 地铁站点距离可达性分析

基于ArcGIS距离加权成本工具，根据路网速度登记作为参考字段，进行矢量数据栅格化，对栅格化的路网数据进行重采样，获得路网重采样数据，赋值后的栅格数据超出研究区范围的，运用栅格逻辑运算使主城范围内值为真，从而得到保留.

制作主城区图层栅格图，求得各地铁站点的交通成本图.在获得路网栅格重采样图后，即可利用ArcGIS CostDistance成本加权距离分析工具得到地铁站点的距离可达性分析图(图4).根据图4可以得出，西安市地铁站点的距离可达性与实际可达性保持大致一致，呈现中心城区向四周扩展，沿地铁线路沿伸的特点.中心城区，如碑林区、莲湖区、雁塔区高新区域的地铁站点可达性距离基本在1 km以内，而其他区域由于线路密度、站点密度，可达距离较长，距离成本较高.由此，地铁站点的布设主要是根据居民区分布范围来进行布设，以求覆盖更多的居民，引导城市人口布局及加强交通中心，缓解城市的交通压力，从而改变人们的出行方式.

图4 西安市地铁站点的距离可达性

4 结论与建议

本文以西安市主城区路网为数据基础，基于GIS网络分析方法，对西安市地铁站点的可达性进行全局分析，研究结果表明：

(1)从整体看来，由于西安市地铁线路和站点以中心老城区为中心，中心城区莲湖区、碑林区、雁塔高新区等因为居住小区密集，地铁线路和站点也比较密集，因此地铁站点的可达性相对较好，可达时间在5 min之内，可达距离在1 000 m以内.对于新开发的城区，例如灞桥区、未央区西北部则地铁线路和站点比较稀疏，因此可达性时间和可达性距离相对较长，通行成本也相对高一些.

(2)地铁站点很好的引导了人口布局和缓解交通通行的压力.从结果来看，几乎每个地铁站点周边都能带动居民人口沿地铁线路和站点聚集，地铁站点也成为局部的交通中心.但同时，我们也发现，由于没有环线，西安地铁线路换乘站点较少，导致可达性空间分布主要以线路方向延伸，而换乘站点较多的中心城区，则可达性好的区域能够连成一片.因此，建议以西安市二环为参考区域，建设环城地铁线路，与现有地铁线路相交的地方设置换乘站点，能有效的缓解居民出行可达性、便捷性的问题.

(3)从局部区域看，西安市西北和东南方向由于开发时间较晚以及地形影响，居住人口稀疏.因此，地铁网络相对也比价稀疏，站点可达性比较差.建议在西北区域增加地铁线路和站点，改善该区域的交通出行情况.