基于GIS和開放數據的公交可達性測度研究

謝國微 錢林波 龐煜

摘 ?要：公交系統是城市交通系統的重要組成部分，公交可達性作為評價公交系統的一項重要指標對于保證公交系統暢通運行，提高出行者出行質量具有重要的參考價值。文章借鑒空間阻隔模型和累積機會模型的思路，建立公交可達性的測度模型，引入精確度較高的交通開放數據，在ArcGIS軟件中建立公交數據庫，基于ArcGIS的空間分析工具設計了公交可達性測度流程。最后以南京市秦淮區作為研究區域，進行了實例分析，研究表明該測度方法具有一定的實用價值，能夠為城市交通系統規劃、土地利用規劃以及居民出行提供參考。

?關鍵詞：公交可達性;秦淮區;ArcGIS;開放數據

?中圖分類號：F570 ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The public transportation system is an important part of the urban transportation system. As an important indicator for evaluating the public transportation system， public transportation accessibility has important reference value for ensuring the smooth operation of the public transportation system and improving the quality of travel. The thesis draws on the ideas of the spatial barrier model and the cumulative opportunity model， establishes a measurement model of transit accessibility， introduces high-precision open traffic data， establishes a transit database in ArcGIS software， and designs measurement process of transit accessibility based on ArcGIS spatial analysis tools. Finally， the Qinhuai district of Nanjing city is used as the research area to carry out a case analysis. The research shows that the measurement method has a certain practical value and can provide references for urban transportation system planning， land use planning and residents' travel.

Key words： public transport accessibility; Qinhuai district; ArcGIS; open data

0 ?引 ?言

便捷的公共交通系統可以很大程度上滿足城市居民的基本出行需求。然而，大城市經濟迅速發展的同時，城市居民對于公共交通的需求也急劇增加，而城市公共交通規劃周期往往較長，管理水平滯后嚴重，規劃建設速度難以跟上城市的發展，導致公交線網和站點的布設出現諸多不合理之處，影響了居民出行方式的選擇，因此，需要通過科學的方式對城市公交系統進行評價和優化。

?可達性的概念由Hansen[1]于1959年首次提出，他將其定義為節點間相互作用能力的強弱。之后不同領域的學者根據不同的研究對象和研究角度，提出了各自的可達性定義。在交通領域，公交可達性的一般定義為出行者選擇城市公共交通作為出行方式，出行的方便程度。公交可達性作為一項評價城市公交系統的重要評價指標，能夠反映城市公交現狀，是城市公交線網規劃以及周邊土地利用規劃的重要依據。

可達性的測度研究方面，理論層面上，以可達性的測度模型研究為主，陸化普[2]和陳潔[3]對公交可達性的幾種基礎測度模型進行了介紹和分析，包括空間阻隔模型、累積機會模型、重力模型、效用模型、時空約束模型等。目前對于可達性的測度方法通常也以上述模型為基礎進行修正或組合構建新的可達性模型來進行測度。實踐層面，倫敦市交通局近年來建立了一套相對完善的公交可達性評價體系（Public Transport Access Level，PTAL）[4]并投入到了應用中，國內許多學者則致力于通過地理信息系統（Geographic Information System，GIS）進行可達性的實際測度研究[5-7]。

總體而言，可達性是一個較為抽象的概念，在指標選取上也比較靈活。可達性的相關測度理論研究較為成熟，但在實踐中，依然存在許多問題，尤其在公交可達性的測度中，需要考慮出行鏈的影響，在以拓撲學為基礎的網絡分析中，難以將其考慮在內，此外，公交可達性測度需要大量的數據支持，傳統交通數據獲取困難，且精度不高，具有滯后性，導致研究結果誤差較大。基于此，本文將公交可達性拆分為宏觀和微觀兩個層面，將互聯網地圖開放數據作為數據源，結合GIS技術，設計了公交可達性測度方法，并以南京市秦淮區作為研究區域，進行公交可達性的測度和分析。

1 ?數據來源和處理

本文通過Python和ArcGIS的Arcpy模塊調用高德開放平臺的API接口，批量下載交通開放數據。

（1）交通基礎數據

?獲取的交通基礎數據包括醫院、學校、車站等POI（興趣點）的名稱和坐標、行政區劃、公交線路及城市路網的分布和長度等數據，另外還獲取了路段的實時車速。本文以秦淮區五個工作日（2020.11.02～2020.11.07）的早高峰（7：00～9：00）和晚高峰（17：00～19：00）的平均車速作為秦淮區高峰時段的路段車速。公交車相比社會車輛而言，會受到公交停站等因素的影響，所以公交車速往往較慢。根據高德地圖《2020年度中國主要城市交通分析報告》[9]，南京市高峰社會車輛—公交車速比為2.099，因而還需根據路段車速估算公交車速，這里取系數0.5估算公交車的運行車速。

（2）公交路徑規劃數據

公交路徑規劃數據是指高德地圖通過用戶出行的起訖點，為其規劃的最優公共交通通勤路線方案，該方案有多種出行模式可根據用戶的需求進行變更，其中包括：無地鐵方案、最少步行方案、最經濟方案、最快捷方案、最少換乘方案。通過批量選擇起訖點，獲取相關的公交路線規劃數據，其中包含：起止點名稱和經緯度、總距離、步行距離、車內時間、首末端步行時間、換乘次數。

2 ?公交可達性測度方法

2.1 ?公交可達性層次劃分

?本文根據不同的評價對象以及不同的評價側重點將公交可達性分為宏觀公交可達性和微觀公交可達性。

?宏觀公交可達性：宏觀公交可達性僅考慮公交車的運行過程，體現公交運營速度、站點和線網布設、周邊土地利用等特征，不考慮出行鏈因素。

微觀公交可達性：微觀公交可達性用于評價居民選擇公交方式出行的便利程度，包括乘客從起點到終點的全過程，除了在車階段，還包括換乘階段和首末端步行階段。

2.2 ?公交可達性研究節點

為了便于定量分析，選擇有代表性的研究節點來衡量可達性，根據節點的可達性值反映區域的可達性。本文選擇了兩類研究節點：

公交站點：公交往往在固定的站點停靠，與出行者進行交互的地點也僅為公交站點。因而選擇公交站點作為宏觀公交可達性的研究節點，根據測算公交站點的可達性來衡量區域整體的公交可達性。

?居民住宅：住宅區是居民出行的主要起點，公交系統應保證居民從住宅區出發到達各個目的地相對便利。通常以居民從家中出發到達其他區域的便利程度作為評價公交出行是否方便的評價標準。因此在微觀層面，選擇居民住宅作為研究節點。

2.3 ?公交可達性評價指標

時間指標：時間是公共交通可達性最基本、最重要的評估指標之一。時間越短，可達性越好。當研究對象是公共交通系統時，時間指標是公共交通的運行時間;當研究對象為出行者時，時間指標則是步行時長和在車時間。

空間指標：空間指標用于評估從起點開始，在一定時間內可以到達的地點或范圍。常用的空間評價指標有可達距離、可達區域面積。此外，空間可達性的評價指標還包括POI、工作崗位數量等機會指標。

2.4 ?公交可達性測度模型

（1）空間阻隔模型

3 ?基于ArcGIS的公交可達性測度

本研究基于ArcGIS建立了公交數據庫，采用上文建立的公交可達性測度模型并運用ArcGIS空間分析功能設計了公交可達性測度流程，最后利用ArcGIS的可視化建模模塊Modelbuilder整合測度流程。

如圖1所示，黃色矩形為工具，藍色圓形是輸入要素，綠色圓形是輸出要素。用連接線將工具與要素相連，根據需要定義參數，運行模型后獲取數據結果。

4 ?實例分析

本文選擇南京市秦淮區作為研究區域進行公交可達性的測度和分析，秦淮區位于南京市主城中部，是南京市六個主城區之一。目前，秦淮區內共有12個行政街道，90條公交線路（包括2條大站快車線路），220個公交站點，公交線網總里程558.3km，有公交經過的道路網總里程122.3km。

4.1 ?宏觀公交可達性

（1）時間可達性

通過ArcGIS軟件計算秦淮區高峰時段的時間可達性，并采用反距離權重插值法進行可視化處理，以5分鐘的時間間隔對可達性進行分級。

如圖2所示，秦淮區公交時間可達性最優區域集中在洪武街道、夫子廟街道和大光路街道交匯處，隨后向外擴散，距離中心區域越遠，時間可達性就越差。其主要原因是中心區域站點分布比較密集，且中心點距離秦淮區其他各區域也相對較近，連通性較好。相反，光華路街道處于秦淮區最東部，與中心區域距離較遠，連通性較差，土地開發程度與秦淮區中西部地區相比較差，站點密度小、數量少，因而時間可達性較差。

（2）空間可達性

通過反距離權重法對計算結果進行插值分析并可視化，采用自然間斷點分級法對可達性分級。自然間斷點分級法能直觀地顯示各個分級之間的差異性。

如圖3所示，秦淮區公交空間可達性最優區域集中在朝天宮街道、洪武街道和五老村街道的交界處，隨后向外擴散，隨著距離中心點越遠，空間可達性也逐漸下降。總體來說，東部區域空間可達性差，西北部區域空間可達性較好。其主要原因是：秦淮區西部區域是老城區，支路多，建筑密度大，而東部區域主要是園區和辦公區，支路少，路網密度小，整體上秦淮區的路網密度呈現西高東低的分布趨勢，路網密度的不同會使站點實際服務范圍有所差異，進而影響公交的空間可達性;另外，秦淮區東部和西部的POI（興趣點）密度差距大，東部地區的POI密度較小，如楊莊村委會站位于光華路街道，其500米服務范圍內的POI數量只有4，而西北部區域是以新街口商圈為中心的核心商業區，因而POI密度較大，如新街口·石鼓路站，處于五老村街道，其500米服務范圍內的POI數量達到了3 211。

4.2 ?微觀公交可達性

考慮到數據獲取的難度和時耗，因此僅選擇秦淮區內的居民住宅作為出發地，秦淮區的8所三甲醫院作為目的地，對秦淮區住宅的就醫公交可達性進行實例分析，采用自然間斷點分級法對可達性進行分級。

如圖4所示，以各三甲醫院為中心，就醫可達性呈現向外輻射，逐步減弱的態勢。整體而言，除了最南部和最東部區域，其余大部分區域的就醫可達性級別均在較高及以上。各醫院的高可達性覆蓋范圍有一定的差異，如相比較其他醫院，南京市中醫院的高可達性覆蓋范圍是最小的。且經過調查發現，與南京市中醫院臨近的紅花街道可達性較差，居民以該地區住宅為起點，乘坐公交前往南京市中醫院均需要進行至少一次的換乘，缺乏直達的公交，這說明了該地區以就醫為目的的公交出行方式較為不便。

5 ?總 ?結

?本文首先基于Python從高德開放平臺爬取了南京市秦淮區的交通數據。然后提出了公交可達性的評價指標、研究節點和評價層次，分別建立了宏觀和微觀層面的公交可達性測度模型，其中宏觀可達性包括時間和空間可達性。最后，基于ArcGIS空間分析技術設計了公交可達性測度流程，分析了南京市秦淮區的宏觀和微觀公交可達性。

?（1）在可達性的宏觀層面，秦淮區的時間和空間可達性均在中心點較高，然后向外輻射。西部地區比東部地區可達性更好。其中，由于東西部POI密度和路網密度的差異，東西部的空間可達性差異較為明顯。

?（2）在可達性的微觀層面，分析了秦淮區住宅的就醫可達性。距離醫院越近的地區，可達性就越高。研究發現，秦淮區中部和西部區域的就醫可達性較好，但東部和南部地區的就醫可達性較差，其中，南京市中醫院的高可達性覆蓋范圍最小，可能與其附近街道缺乏直達公交有關。

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收稿日期：2021-06-11

作者簡介：謝國微（1996-），男，浙江溫州人，南京林業大學汽車與交通工程學院碩士研究生，研究方向：交通規劃與管理;

錢林波（1962-），本文通訊作者，男，江蘇丹陽人，南京林業大學汽車與交通工程學院，教授級高級工程師，博士，研究方向：交通規劃與設計、城市交通治理、交通設計。