基于人口和路網(wǎng)的上海緊急避難所可達性分析

陳 周，王東旭，費鮮蕓，王筱雪

（1.江蘇海洋大學(xué),江蘇 連云港 222000；2.北京超圖軟件有限公司,北京 100015）

可達性是影響個人和社會區(qū)域化發(fā)展的重要因素,也是學(xué)術(shù)界的熱點方向之一。可達性是一個空間概念,具有時間意義、經(jīng)濟和社會價值[1]。GIS技術(shù)、空間分析理論的快速發(fā)展為可達性分析提供了高效、快捷的分析方法,如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯估計方法和空間相互作用模型對空間網(wǎng)絡(luò)、流數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)自相關(guān)等進行研究；引入矩陣方法,通過構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)中的加權(quán)最短距離來衡量可達性變化[2]。在城市交通規(guī)劃領(lǐng)域,可達性的概念最早由Hansen提出。他將可達性定義為潛在互動的機會,并將其應(yīng)用于城市土地利用的研究中。由于認(rèn)知角度和側(cè)重點的差異,學(xué)者們對可達性進行了不同的闡釋,至今仍很難在可達性的精確定義上達成一致。一般來講,可達性是指在特定交通系統(tǒng)中從出發(fā)地到活動地點的便利程度[3]。

緊急避難所關(guān)系到人民群眾和社會安全,因此緊急避難所的可達性分析具有實際效益,出發(fā)點即為居民所在的居住地、工作地等,目的地則是緊急避難所所在地。緊急避難所的可達性是指基于交通網(wǎng)絡(luò)和人口數(shù)據(jù),從某一給定區(qū)域到達緊急避難所的便利程度[4-8]。本文結(jié)合GIS地理空間信息分析工具,以時間、路網(wǎng)路段長度和道路等級作為阻抗,利用網(wǎng)絡(luò)分析中的服務(wù)區(qū)分析進行上海市市中心緊急避難所的可達性分析。

在進行城市緊急避難所可達性分析時,由于城市環(huán)境過于復(fù)雜,難以確定可達性的影響因素,如城市化水平、城市規(guī)劃合理性、城市路網(wǎng)密集度、路網(wǎng)車流量、人口數(shù)據(jù)、人口屬性數(shù)據(jù)等均會影響緊急避難所的可達性；緊急避難所可達性評價方法不足,由于目前對緊急避難所可達性分析的研究較少,且不同城市的發(fā)展?fàn)顩r不同,因此評價方法也大不相同,評價方法的參考性不高；數(shù)據(jù)的可獲得性不高,分析時需要城市各方面的大量數(shù)據(jù),而多方面的數(shù)據(jù)不易收集。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取的研究區(qū)為上海市主要市區(qū)。上海市簡稱“滬”或“申”,是我國重要的經(jīng)濟、文化、貿(mào)易、科技中心,最高的日人流量超過300萬。對于這樣的一個超級大都市,緊急避難所的區(qū)位規(guī)劃將關(guān)系到上海市的整體城市建設(shè),因此對上海市市中心進行緊急避難所可達性分析是非常有價值的。研究區(qū)包括虹口區(qū)、普陀區(qū)、長寧區(qū),徐匯區(qū)、黃浦區(qū)和靜安區(qū)等6個區(qū),總計面積為197.463 6 km2；包含62個街道、村鎮(zhèn),人口總數(shù)為5 370 997 人；緊急避難所為255個。路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括道路段10 948段,其中支線連接386段、軌道288段、三級道路連接13段、三級道路684段、階梯302段、通往各設(shè)施的道路3 487段、次干道連接29段、次干道719段、居住區(qū)道路1 668段、主干道連接64段、主干道899段、人行道248段、小路121段、高速公路連接5段、高速公路23段、街區(qū)31段、步行道1 636段、自行車道117段、未分類道路228段。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 空間數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)包括上海市市中心緊急避難所經(jīng)緯位置信息、路網(wǎng)數(shù)據(jù)以及街道、村鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)。緊急避難所數(shù)據(jù)來源于百度POI,路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于OpenStreetMap網(wǎng)站,人口數(shù)據(jù)來源于全國第六次人口普查。路網(wǎng)數(shù)據(jù)如圖1所示,人口數(shù)據(jù)和緊急避難所數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 路網(wǎng)數(shù)據(jù)圖

圖2 人口數(shù)據(jù)和緊急避難所分布圖

1.2.2 速度確定

對于城市內(nèi)部的公路交通來說,道路本身特性只是決定道路速度的條件之一。城市中人口流動隨工作時間的變化而變化,在上班和下班時間,即7:00～9:00和16:30～19:00,交通的通行速度將會明顯下降。道路上汽車等交通物的增加,將會阻礙人們前往緊急避難所的速度[9-12],因此緊急避難所的可達性,也將考慮這一點。

OpenStreetMap網(wǎng)站對我國道路交通網(wǎng)進行了相關(guān)道路的速度規(guī)定。結(jié)合上海市的具體情況,本文給出了相關(guān)道路的汽車通行速度以及相關(guān)道路實測的人步行速度,如表1所示。

表1 上海市不同等級道路的速度

2 研究結(jié)果與分析

2.1 緊急避難所的區(qū)位分析

可達性分析的基礎(chǔ)是對緊急避難所的區(qū)位進行合理性分析。本文主要通過人口數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)對緊急避難所的區(qū)位合理性進行研究。

2.1.1 核函數(shù)分析

核函數(shù)分析用于計算每個輸出像元周圍的要素密度,本文中是計算輸出像元周圍的點要素密度。對緊急避難所、人口數(shù)據(jù)點、公共設(shè)施點進行核函數(shù)分析,用以驗證緊急避難所布局的合理性[13-15]。通過核函數(shù)分析,得到人口數(shù)據(jù)的密度分布和緊急避難所的密度分布,再比較二者的高密度區(qū)域是否有所重合,若二者的高密度區(qū)域大致重合,則表明緊急避難所的布局較為合理。

核函數(shù)分析結(jié)果如圖3所示,可以看出,人口數(shù)據(jù)的高密度點與緊急避難所并不完全重合,二者的高密度點緊密相鄰；結(jié)合上海市市中心公共設(shè)施的核密度圖發(fā)現(xiàn),人口數(shù)據(jù)的高密度點大致與公共設(shè)施重合,說明上海市市中心的公共設(shè)施與人口緊密相關(guān),公共設(shè)施建設(shè)非常合理；而緊急避難所的高密度區(qū)域主要在市中心的辦公區(qū)域,這些地區(qū)主要是白天人口的聚集地,人口數(shù)據(jù)則是居住地,因此二者是相鄰的關(guān)系。

圖3 核函數(shù)分析圖

2.1.2 幾何重心

首先通過計算得到人口數(shù)據(jù)和緊急避難所的幾何重心,如圖4所示；再利用經(jīng)緯度計算得到二者幾何重心的直線距離S,從而判斷緊急避難所的分布是否合理,結(jié)果如表2所示。

表2 人口數(shù)據(jù)和緊急避難所的幾何重心距離

圖4 人口數(shù)據(jù)和緊急避難所的幾何重心圖

式中,latitude1、latitude2、longitude1、longitude2分別為兩地的經(jīng)緯度坐標(biāo)；R=6 378.137 km為地球的半徑。

2.2 緊急避難所的可達性分析

2.2.1 可達性

可達性是指達到特定地點的難易程度。1959年Hansen首次提出可達性的概念[16-18],將其定義為交通網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點相互作用的機會大小。空間可達性反映了空間實體之間克服距離障礙進行交流的難易程度。路網(wǎng)的可達性主要是在不同的道路網(wǎng)路布局[12]、路網(wǎng)等級以及路網(wǎng)車流量下的通達程度。到達緊急避難所的時間決定了其是否可以通達,若時間大于閾值,則表明緊急避難所不可達。

2.2.2 可達性分析

緊急避難所關(guān)系到社會安全和經(jīng)濟效率。上海市是我國的經(jīng)濟重心,對其緊急避難所進行研究具有很強的實際意義。本文以路網(wǎng)數(shù)據(jù)到達最近緊急避難所的路長、道路等級和行人跑步速度為主要因素進行服務(wù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)分析；以時間為評價因子,結(jié)果與就近緊急避難所的路長呈反比,與道路等級和行人跑步速度呈正比,道路等級和道路長度的影響大于行人跑步速度；以點狀人口數(shù)據(jù)為危險事發(fā)點,以就近緊急避難所為目的地,以道路、跑步速度為參數(shù)進行可達性分析。上海市緊急避難所可達性分布如圖5所示,可以看出,徐匯區(qū)的緊急避難所可達性非常高,靜安區(qū)、黃浦區(qū)和長寧區(qū)的緊急避難所可達性也相對較高；但虹口區(qū)、普陀區(qū)的緊急避難所可達性相對較低。

圖5 上海市緊急避難所可達性分析圖

對圖5進行數(shù)值計算得到上海市緊急避難所可達性范圍,如表3所示,可以看出,上海市市中心77.19%地區(qū)的居民可在5 min內(nèi)達到最近的緊急避難所,仍有22.81%地區(qū)的居民不能在5 min內(nèi)達到；較為理想的狀態(tài)是在3 min內(nèi)即可到達最近的緊急避難所,而相應(yīng)的區(qū)域只占總城區(qū)面積的20.13%。

表3 上海市緊急避難所可達性范圍

2.3 緊急避難所設(shè)置優(yōu)化建議

1）緊急避難所的整體分布呈集中狀態(tài),主要集中在徐匯區(qū)、靜安區(qū)、黃浦區(qū)和長寧區(qū)；而普陀區(qū)、虹口區(qū)相對較少,可在普陀區(qū)與虹口區(qū)相應(yīng)增加緊急避難所數(shù)量。

2）通過對比人口數(shù)據(jù)和緊急避難所的幾何重心發(fā)現(xiàn),徐匯區(qū)人口最多,而相應(yīng)的緊急避難所重心卻不在徐匯區(qū),因此應(yīng)適當(dāng)增加徐匯區(qū)的緊急避難所,以優(yōu)化整體的緊急避難所可達性。

3）5 min內(nèi)無法到達就近緊急避難所的區(qū)域面積占比仍有22.81%,占比較高,且多數(shù)在市中心邊緣地帶,但該地段的人口數(shù)量卻不是少數(shù),因此相關(guān)部門可在人口多的市域邊緣地帶增加緊急避難所數(shù)量。

3 結(jié) 語

1）人口數(shù)據(jù)與緊急避難所的幾何重心相距2.414 008 km,這個距離在城市道路中,居民的到達時間一定超出5 min。人口數(shù)據(jù)的重心偏向徐匯區(qū)方向,而緊急避難所的重心則在人口重心偏北方向,因此徐匯區(qū)仍需增加緊急避難所或?qū)⒉糠秩丝谶w至普陀區(qū)和虹口區(qū)。

2）上海市市中心的緊急避難所主要集中在徐匯區(qū)、長寧區(qū)、靜安區(qū)和黃浦區(qū)。普陀區(qū)和虹口區(qū)的緊急避難所較少,因此需在這兩個區(qū)域內(nèi)適當(dāng)增加緊急避難所數(shù)量。

3）長寧區(qū)、靜安區(qū)和黃浦區(qū)的緊急避難所數(shù)量以及區(qū)位分布合理、可達性高,而徐匯區(qū)、虹口區(qū)和普陀區(qū)的緊急避難所分布合理性和數(shù)量仍需提高。

4）上海市市中心緊急避難所的可達性整體水平一般。5 min內(nèi)可達面積占比為77.19%,而3 min內(nèi)可達面積占比僅為20.13%,因此整體水平有待提升。