基于兩步移動搜尋算法的空間可達性服務設計

郭立強 李曉明

基于兩步移動搜尋算法的空間可達性服務設計

郭立強 李曉明

空間可達性作為地理空間信息應用領域的重點研究方向，如何基于網絡服務實現空間可達性服務成為目前研究新的方向。本文基于目前現狀，通過對空間可達性進行深入學習研究，并選擇兩步移動搜尋算法作為度量空間可達性的評價算法，基于OGCWPS服務規范要求，實現空間可達性服務的設計與實現。

空間可達性一直是地理信息科學研究中的主要學科流域，對空間可達性評價方法的研究以及其在具體實踐中的應用也成為地理信息科學的研究熱點。而空間可達性的研究由于其數據量大，操作復雜等問題，其應用也一直受限于網絡環境。而網絡地理信息系統（Web Geographic Information System）WebGIS的出現，滿足了廣大用戶對分布于網絡上的空間地理信息數據和地理處理服務的使用需求，基于OGC（ Open Geospatial Consortium開放地理信息聯盟） WPS的標準規范協議實現空間可達性服務，也是其研究和應用新的方向。

研究現狀

空間可達性研究現狀

“可達性”一詞在很多學科領域（如城鄉規劃、區域經濟學、地理學、交通運輸經濟學等）經常被研究學者提及和采用，早在19世紀六七十年代可達性就已經成為西方學者的研究熱點，但其本質涵義都是評價地理空間某一實體點到目標點的難以程度，為了進一步的闡明對概念的理解，Handy在其文獻中闡述說可達性的概念與其在實際的應用中存在差異，在回顧了可達性測算的各種算法的基礎上，構建了可達性指標計算和實際應用中的研究框架。在對空間可達性進行研究時就是以某種社會公共服務為需求（如公園、綠地、醫院、學校等設施）為背景襯托，來評價達到這種需求的空間難易程度。

其中基于重力模型的算法一直是可達性研究的主要評價方法，基于現有的研究方法，國外學者通過長期對比研究又提出了改進的模型算法——基于重力模型的改進的移動兩步搜尋算法（2-step floating catchment area），對現有的模型算法進行了改進，提高了模型的有效性?？臻g可達性模型服務應用于Web Service 也是空間可達性發展的熱點。

Web Service及OGCWPS規范概述

Web Service本質上就是不直接接觸遠程的計算機，通過網絡訪問遠程計算機上的數據服務，就像調用本地計算機上的功能一樣，實現以跨平臺的方式將不同平臺的系統整合在一起實現資源的共享和重用，從而來提高生產效率。Web Service的一般架構主要包括三個角色：即服務提供者、服務請求者、服務注冊器，本研究選取WPS作為網絡服務。

WPS（Web Processing Service）即網絡處理服務基于現有的web環境和技術平臺，能夠通過網絡平臺為用戶提供對空間地理信息進行空間分析與處理的服務調用接口，可以為用戶在網絡環境下進行空間分析的功能。WPS服務的三個基礎標準接口協議為：請求服務的元數據 （GetCapabilities）、請求有關可運行在服務上的進程的詳細信息 （DescribeProcess）、請求運行一個由WPS 服務實現的進程 （Execute）。其接口如圖1所示。

空間可達性評價方法研究

空間可達性基本概念

空間可達性的含義還是比較寬泛和靈活，當我們提及空間可達性時是根據某種特定的需求，比如城市綠地可達性、公園基礎設施的可達性、醫療設施可達性、就業機會的可達性等等。一般地，有些學者認為可達性就是根據需要克服空間距離阻抗、時間阻抗等來達到目的的可能性和難易程度。顧名思義，可達性就是在特定時間內所能達到的機會或者服務的數量多少，若所能接觸到的發展機會越多，則說明可達性越高；反之則可達性越低。

圖1　OGC WPS服務協議接口

根據現有的研究情況，將空間可達性分為區域可用性和區域可達性。區域可用性即某一區域擁有的資源的多少以便供出行者使用，但是在研究區域可用性時需要提前做出假設：（1）假定該區域內的人到達該區域內的資源具有相同的可達性；（2）假定該區域內的人只在本區域內獲得所需的資源供給；但現實中這兩個假設都是不成立的，就（1）而言，某一研究區域內的居民限于多方面因素（主觀和客觀）的制約，不可能都具有相同的可達性，此外，在限定研究區域的大小時要考慮邊界效應。而區域可達性就是我們研究的空間可達性，就上述問題做了改進，充分考慮到供給和需求兩者之間的相互作用，但其在實際應用中要涉及到很多的數據，計算起來相對復雜。

綜上所述：空間可達性就是指基于一定的交通成本，充分考慮服務供給和需求點之間的相互作用關系，對兩點之間通達性的評價度量。

可達性評價影響因子

在實際的可達性研究中通常都是以空間內某一具體區域為研究對象，一般的以某種交通系統作為承載介質。根據可達性的概念和本質含義，可達性的評價受如下幾個方面的影響。

交通系統：采取何種交通工具（飛機、火車、汽車、步行等）、交通規則（平均時速、通行限制）。

距離變量：如實際行走的距離、時間長度、費用等。

區域劃分尺度：在進行區域可達性評價時，劃分區域的尺度也不好把握，如果劃分的尺度太小就會出現“孤島”現象，如果尺度很大，則有可能導致可達性比較好的區域就集中在某幾個中，這個清華大學的劉釗教授（2006）已經通過實驗得出驗證。

出行者的主觀因素：如社會地位、經濟水平、興趣愛好、知識背景等，在出行者進行需求決策時會產生很大的影響。

出行者對可獲得機會的理解。

可達性評價方法

由于對可達性在不同領域的應用，對空間可達性的評價方法也不盡相同。從現有的資料文獻可知，一般地，目前主要的空間可達性評價方法有：基于圖形論的、機會累積、空間網絡相互作用、緩沖區分析法、最小距離法、出行成本代價法、重力指數法、基于矩陣的拓撲法、啟發式A*算法、空間距離法、機會累計法、等值線法、基于重力模型方法、基于矩陣的拓撲法、平衡系數法等；本文選擇由Radke和Mu提出的基于現有移動搜尋算法的改進算法——兩步移動搜尋法（two-step floating catchment area method 2-step FCA method）。該方法以特定大小的區域作為普查單元，同時某普查單元可以享受到周邊其他區域的資源和服務。該方法以服務提供點和服務需求點在的位置為兩個參考點，具體方法步驟如下。

基于兩步移動搜尋算法的空間可達性服務設計

基于上述兩步移動搜尋算法和OGCWPS服務規范，建立空間可達性服務。該空間可達性服務在邏輯上有四層邏輯結構：用戶層、網絡服務器層、地理服務器層（可達性處理分析）、數據層（要素圖層、數據）。如圖2所示。

本文就選用WPS服務作為處理的基本服務，其實現接口有GetCapabilities、DescribeProcess、Execute三個接口。該空間可達性處理服務基于上述E2SFCA方法參數來進行計算，利用腳本語言Python編寫該步算法的功能函數，其模型如圖3所示。

基于兩步移動搜尋算法的空間可達性服務系統實現

開發環境

圖2　可達性服務邏輯結構圖

圖3　移動算法模型圖

地理服務器：選用ESRI公司的ArcGIS 10.1 for Server，該地理服務器支持OGC規范的服務，能夠對OGC服務進行托管，同時之前構建空間可達性服務也是通過ArcGIS module bulider和Python腳本語言來實現建模發布的。

空間數據庫：空間數據庫選用ArcSDE for SQLServer2008，用來存儲空間屬性數據等信息。

網絡服務器：選用IIS作為網絡服務器，該服務器部署簡易方便操作。

系統開發環境：選用微軟公司的.NET技術 、Visual Studio 2010、 Visual C#。、Ajax技術。

圖4　可達性評價方法參數輸入對話框1

圖5　可達性評價方法參數輸入對話框2

系統實現

本文選取武漢市地區的公園綠地作為研究對象進行研究測試。

進行空間可達性分析，點擊可達性分析彈出分析要輸入參數的對話框客戶端調用GetCapabilities請求，將服務所需的參數列出來，然后用戶輸入服務半徑、各要素圖層等參數，運行結果具體如圖4所示。

經過上述地理處理服務的執行，就計算出各服務需求點的空間可達性的數值，該服務需求點的數值就代表該點所在研究子區域的空間可達性的數值。如圖6和7所示。

圖6　空間可達性評價數值可視化

圖7　研究區域可達性查詢

某區域的顏色越深則代表該區域的可達性就越高，反之則越低。

總結

本文就空間可達性的概念、評價方法等進行了研究，并對比常用的一些評價方法，選擇基于重力模型的兩步移動算法作為空間可達性評價的方法，并對web service技術進行深入研究，同時對OGC服務規范進行研究學習，將WebGIS與web service技術進行結合，來彌補網絡服務在進行地理空間信息處理等方面存在的不足。使空間可達性作為一種服務，從而改進WebGIS的網絡互操作問題。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.020