基于路径规划服务的交通等时线绘制方法

2017-12-19孙华灿

城市道桥与防洪 2017年11期

关键词：栅格绘制交通

孙华灿

（江苏省城镇化和城乡规划研究中心，上海市210036）

基于路径规划服务的交通等时线绘制方法

孙华灿

（江苏省城镇化和城乡规划研究中心，上海市210036）

交通可达性是衡量城乡空间功能与社会经济活动关系的重要指标。根据交通可达性研究的应用需求，针对既有栅格分析法存在基础网络构建工作量大、评价参数客观性欠缺、方法可移植性不强等不足，提出了一种新的基于开放数据平台的交通等时线分析方法。分析了交通等时线的基本要素，阐述了交通等时区和等时线具体绘制步骤和要点。以淮安中央商务区为例，验证了新方法的有效性。

时空地理；交通可达性；等时线；路径规划；二次开发；API

0 引言

交通等时线，其概念来源于时空地理学的空间约束表达，是从某一点出发，以到达该点时间相同的约束点连接而成的闭合线，相邻两条等时线之间的区域为等时区。等时线/区是从个体角度出发，综合考虑空间因素和时间因素，研究在特定的时空约束下的可达时空范围的方法。时间地理学理论认为，时空背景下的个体活动受到三种制约因素的影响，分别为能力制约（Capability Constraints）、权威制约（Authority Constraints）和组合制约（Coupling Constrains）（Hagerst rand 1970）。只有在特定的时空约束条件下，个体行为及其可达性表达才有具体的意义[1]。对于可达性而言，时间是一个重要的衡量指标，因为它是交通基础设施网络的连通性、各种交通方式技术特性和交通出行环境综合作用的结果。通过一次交通出行，个体得以完成以时间换取空间的时空转换过程。因此，通过交通等时线可以评估在各种制约条件下个体机会活动空间的时空边界，从而为通勤范围估算、社区活动影响范围界定、公共设施服务选址评估等提供重要的量化支撑。“等时线图之功用，对于非常时期之军事运输，以及承平时期公文邮政之传递，旅客商品之往来等，皆可按图索骥，求取其所需时间值速率，而全国各地交通设施之规划，亦可与等时线图中求之。”[2]但是，由于影响因素众多，国内资料获取困难，再加上制图工作繁重，故而很少见到交通等时线地图[3]。随着GIS技术的发展，基于遥感影像图的栅格分析法[4]及其改进方法[5，6]被广泛接受并使用。

然而，既有的研究方法均需要自行建立综合交通网络拓扑结构，而且对不同等级道路行驶速度和网格采取自主赋值的方法，不仅基础工作量极大，而且主观性较强，难以反映实际交通状况和交通环境的制约，方法效率较低，可移植性不强。随着卫星定位服务技术的发展，诸如谷歌地图、百度地图、腾讯地图等一批通用开放地图平台随之崛起。它们提供的交通路径查询和优化功能为时空可达性的评价提供了一个新的视角[7]。与传统方法相比，基于开放地图平台绘制交通等时线或等时区可以直接省去道路基础网络和拓扑关系构建步骤，从而大大简化分析的工作量。同时，面向公众开放的导航地图数据，包括空间和属性数据具有客观性、统一性和精确性等特点，因此基于其开发的等时线绘制程序具有很强的真实性和普适性。

1 交通等时线的基本要素

等时线的主要要素包括计算时间的起始点、等时点和交通方式。

起始点是等时线评估的中心。等时线围绕起始点向外扩散。起始点的选择标准大可到全国范围内的政治或经济中心，中可到在区域或城市群范围内的核心城市或者城市范围内的商业中心、行政中心、大型综合交通枢纽等，小可到城市公园、社区中心或者一座单体。具体选址应根据等时线评估的要求而定。起始点应尽量落在分析点中心，由程序自动识别最近的路网接入点，以免由于实际交通运行规则增加不必要的时间消耗。

等时点是等时线的核心要素集。等时点的时间单位划分由研究范围结合交通效率愿景而确定。社区生活圈范围通常按5min、10min、15min取值，中心城区范围通常以30min、60min、90min为单位，都市圈或城市群则通常以小时单位，但通常不超过3 h。时间间隔的多少决定了等时线的疏密和覆盖范围大小。对于同一时间单位而言，等时点的密度越高，等时线越准确，等时线的形状也越平滑，但是相应的等时点采集的工作量也越大。

交通方式是个体克服空间阻隔能力制约的重要体现。等时线反映的交通便捷性由道路网络和交通方式共同决定。等时线既可以是基于单一方式的可达性评价，也可以是基于多种交通方式的综合选优。在同一幅图上，对不同交通方式而言，尽量选择同一个起始点，使不同方式等时线的分析结果具备充分的可比性。

2 交通等时线的绘制方法

基于导航地图绘制交通等时线，其基本过程通过地图开放平台的API（Application Programming Interface,应用程序编程接口）对地图功能进行自主调用与个性化开发，获得自定义数据集，然后进行空间分析与处理。国内比较常用的地图API主要包括腾讯地图API、高德地图API、百度地图API、天地图API等。不同地图API采用独立的开发环境和技术，针对的服务平台多样，功能也有所差异，但基本架构都比较相近（见图1）。等时线制作主要采用地图的路径导航服务功能，通过批量点对之间的路径搜索获得时间点，然后根据时间点分布，借助GIS空间分析功能按定义的时间单位提取等时线或直接使用等时区作为相关分析结果。

总体过程分为数据准备、数据采集和数据分析三大部分。其中：数据准备可以直接在高德开放平台中用代码指定，但准备过程不及Arc Map直观、方便，故而推荐在Arc Map中处理；数据采集则完全利用API功能实现；数据分析与数据准备一样，还是推荐回归到Arc Map，借助其内置工具箱进行处理。

以高德地图开放平台为例，绘制交通等时线的具体步骤如下：

（1）指定中心点P0（X0，Y0）。通过输入经纬度或利用高德地图坐标拾取工具确定。

（2）确定搜索范围。基于目标点，通过单条路径试算估算一定的范围或者直接提取指定行政区域，通过Arc Map工具箱中的渔网（fishnet）命令生成栅格图，同时生成栅格中心点阵。

（3）在Arc Map中通过数据管理工具箱，为点阵添加基于W GS1984坐标系的经纬度坐标Pi（Xi，Yi）。构建以P0和Pi的点对集。

（4）利用高德地图的路径规划服务请求各目标点Pi到中心点P0的导航路径，获取路径的实际里程和通行时间。

（5）在Arc Map中将目标点对应的里程和时间值关联赋值给栅格或点阵。

（6）基于栅格图生成交通等时面，或者直接基于点阵生成交通等时线。

图1 地图API基本架构[8]

在以上步骤中，（1）～（3）为数据准备阶段，（4）为采集阶段，（5）～（6）为分析整理阶段。第1步中心点的选择应充分考虑实际交通规则，尽可能保障基地各方向的连通性。第2步栅格的大小将决定了等时线覆盖范围的精准性，并且必须保证Arc Map图层与高德地图坐标系（web墨卡托）一致，以实现Arc Map中点阵能准确投射在高德地图上。第4步路径规划有步行、骑行、公交和自驾等4种方式可选，其中自驾和公交路径规划策略有多种可选。自驾策略有最快捷、最经济、最短距离和考虑实时路况4种模式。公交除了最快捷、最经济外，还有最少换乘、最小步行、最舒适和不乘地铁模式，基本上覆盖了不同人群的多种需求。

3 绘制实例

以分析淮安市水渡口中央商务区可达性为例，阐述本文提出的方法及其应用结果。根据工作日晚高峰时间的百度热力图，判断中央商务区主要人口集中在中央国际新亚广场和金鹰国际购物中心。为了兼顾两个人口集聚核心，研究将交通东路的淮海东路公交站作为起点。以此起点为中心，建立60 km×60 km的矩形区域（覆盖高速环内主城区），然后用渔网工具箱将此区域细分为10000个400 m×400 m的栅格和栅格中心对应的点阵。对点阵添加经纬度坐标后导出至Excel，形成符合自定义程序的列表格式（见表1），然后运行自定义程序（见图2），获得指定步行或自驾的路径规划数据。通过图上FID与表中ID字段之间的关联，将路径规划数据反馈给栅格图和点阵。对栅格图通过分级色彩专题图获得15min间隔的等时区，栅格化后采用制图工具提出颜色边界做平滑处理即可获得等时线图（见图3）。

表1 路径规划表数据结构示意

图2 等时间辅助工具界面

图3 淮安市中心商务区15 min等时线图

由等时线图结合淮安市空间现状和发展规划，可以进一步开展关于城市客运枢纽选址、城市中心体系优化以及楼盘售价与交通可达性相关关系方面的分布[9]等研究。本文主要介绍等时线的采集与绘制方法，相关研究有待进一步开展。

4 结论与展望

基于交通地理学理论的交通可达性在城市空间布局规划、产业关系分析、设施选址优化中具有十分重要的研究意义。随着交通运输网络的不断完善和相关问题研究的深入，交通可达性的研究趋向综合性和微观尺度发展，评价的时效性和精确性要求越来越苛刻。

基于开放数据平台二次开发的交通等时线绘制方法，相比于传统可达性时距获取具有以下优点：地图服务商的道路网络数据比基于遥感影像数字化获取的数据更为精细，包含上至高速公路、下至建筑巷道级别的道路，并且如实反映了道路互通关系、交通运行规则等复杂路网信息；通过策略选择，可达性的速度测定可以反馈实时路况，比以往基于规划时速赋值更为精确，能够反映交通网络的实时通达性，可以弥补以往可达性研究在时态变化上的不足。在极大简化基础工作量的同时，该方法能够充分应对颗粒度细化、数据精准化的趋势要求，其应用价值值得进一步关注和挖掘。

[1] 方志祥，李清泉，萧世伦.利用时间地理进行位置相关的时空可达性表达[J].武汉大学学报:信息科学版,2010,35(9):1091-1095.

[2] 胡焕庸.国内交通舆等时线图[J].地理学报,1936(4):761-774.

[3] 孙育秋，郭梅菊.交通等时制图初探——以1:250万四川省交通等时图为例[J].地图,1991(3):18-20，14.

[4] 蒋海兵，徐建刚.基于交通可达性的中国地级以上城市腹地划分[J].兰州大学学报:自然科学版,2010,46(4):58-64.

[5] 何亚坤，艾廷华，禹文豪.等时线模型支持下的路网可达性分析[J].测绘学报,2014,43(11):1190-1196.

[6] 吴旗韬，张虹鸥，孙威，等.基于矢量—栅格集成法的厦深高铁影响空间分布：以广东东部地区为例[J].地理科学进展,2015,34(6):707-715.

[7] 刘淼，徐猛.基于互联网地图服务的交通时间数据使用实测及其应用设想[EB/OL].(2016-08-19)[2017-06-15].ht t p://bbs.caup.net/read-ht m-t i d-34978-page-1.ht m l.

[8] 毛先成，黄秀兰.web开发方法的研究与实现[J]．地理空间信息,2008,10（6）:9-12.

[9] 浩飞龙，王士君，谢栋灿，等.基于互联网地图服务的长春市商业中心可达性分析[J].经济地理，2017，37(2):68-75.

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