基于高分辨率遙感的城市路網分析及建設方案優化研究

張林華

摘要 城市路網分析為城市交通規劃、管理和優化提供了關鍵的信息和科學依據，但傳統分析存在局限性。因此，研究提出一種以高分辨率遙感技術與地理信息系統為基礎的城市路網分析方法，并針對性地提出建設方案的優化意見。利用研究提出的方法后，路網分析平均檢測率為91.77%、平均虛警率為3.62%、平均檢測質量為93.56%、方法平均運行時間為9.61 s，所有指標均優于對比方法。研究為城市路網發展提出的建設性優化意見，對城市可持續性發展具有重要意義。

關鍵詞 城市路網分析；高分辨率遙感技術；地理信息系統；方案優化

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0030-03

0 引言

在當代城市化的浪潮中，城市交通系統的規劃和管理成為確保城市可持續發展的重要任務[1]。城市路網的合理設計和高效運行直接影響著居民的出行體驗、城市經濟的繁榮以及環境的可持續性[2]。然而，傳統的城市規劃和交通管理方法在面對不斷增長的城市規模和復雜的交通需求時顯得力不從心[3]。首先，由于數據的不足和精度不高，對城市路網的實際情況理解有限[4]。其次，靜態的規劃方法難以應對城市交通系統的復雜動態性，例如擁堵、交叉口效能等問題[5]。在這一背景下，高分辨率遙感（High-Resolution Remote Sensing，HRRS）技術嶄露頭角，為城市路網的深入研究提供了全新的視角。因此，研究采用高分辨率遙感影像作為主要數據源，運用計算機視覺技術進行城市路網的特征提取與分割；然后，結合地理信息系統（Geographic Information System，GIS）的功能，進行路網的全面分析，包括路網的連接性、密度、負荷度等多方面指標。研究旨在揭示城市路網的瓶頸與潛在優化空間，為城市路網規劃和建設提供更為科學、精準的決策支持。

1 基于高分辨率遙感的城市路網分析

1.1 城市路網分析方法評價體系構建

城市路網是由城市內各種道路、交叉口、行人區域、交通標識與設施、交叉口控制、公共交通設施等組成的龐大網絡系統。合理設計的城市路網能夠提高交通效率，減少擁堵，改善城市居民的出行體驗，然而傳統的城市路網分析與規劃方法存在數據不足和精度不高等問題。因此，研究提出以HRRS技術為基礎，結合GIS的城市路網分析方法。在分析之前，首先研究構建城市路網評價體系，通過明確的評價指標和方法，客觀、全面地評估城市路網的各個方面，為制定合理的城市交通規劃和路網設計提供支持。研究將路網交通系統分為四部分，如圖1所示：

由圖1可知，城市路網交通系統由城市路網系統、城市交通監測系統、城市交通流和城市交通控制系統四個部分構成，各自承擔著關鍵作用。城市路網系統作為基礎，通過其連接性、密度和交叉口結構等特征，為城市提供了交通通道，直接影響著交通的流動性和效率。城市交通監測系統通過實時監測和數據收集，提供對交通狀況的準確了解，為交通管理者提供實時決策支持，確保交通系統處于良好狀態。城市交通流則是城市路網中運動的實體，包括車輛和行人，其分布和變化直接關系到交通的擁堵程度和效率。最后，城市交通控制系統通過智能化的設備如交通信號燈，協調交叉口的通行，優化信號周期，提高通行能力，是確保城市交通系統正常運行的關鍵組成部分。這四者相互作用，共同推動城市交通系統健康、穩定、持續地發展，不斷提高城市交通的效能和可持續性。

根據城市路網交通系統組成部分，研究從路網結構性能與路網交通質量兩方面構建城市路網評價體系。具體來說，在路網結構性能評價中，需要考慮路網密度、路網連通度、路網理想規模接近度、路網等級水平和路網鋪面率等五個方面的指標。路網密度作為評價城市道路空間分布合理性的關鍵指標，應分別考慮城市高速路、一級路和二級路的密度，以反映不同等級道路的空間分布合理程度。路網連通度通過考察各節點的連通性，反映網絡的公路網絡布局的結構特點。路網理想規模接近度則需要綜合考慮人口、區域面積和經濟發展水平等因素，為路網規模提供全面評價。

在路網交通質量評價中，應考慮路網平均車速、路網負荷度、路網擁擠率和路網可達性。路網平均車速以及路網負荷度從車速、道路通行能力和設計容量的角度，綜合評估路網的運輸能力和負荷情況。路網擁擠率則通過評估擁堵路段的長度與總路網長度的比例，為擁堵程度提供量化的指標。路網可達性從時間和空間兩個方面，綜合評價居民外出所需的平均最短時間和距離，為城市形態研究提供重要的基礎指標。

1.2 結合HRRS技術與GIS的城市路網分析

HRRS技術通過提供高精度、實時的影像數據，能夠實現對城市路網細部特征的準確提取。GIS作為一個綜合性的工具，能夠整合并分析各類地理數據，包括HRRS技術獲取的高分辨率影像，從而為城市路網的空間分析和模擬提供強大的支持。因此，需要構建HRRS影像處理流程。首先通過對高分辨率遙感影像的處理，然后采用加權法對彩色影像進行灰度化，如式（1）所示：

g=0.3R+0.59G+0.11B （1）

式中，g——灰度值；R、G、B——紅綠藍三色分量。加權法充分考慮了不同顏色通道的亮度貢獻，使得灰度圖更能反映原始彩色影像的亮度和對比度特征。然后通過直方對比度變換和圖均衡化，調整圖像的對比度。接著，應用中值濾波進行平滑處理以減少噪聲影響。研究設計特定的數學模板用于道路提取，并通過數學模板的匹配方法識別和強調道路特征。匹配的原理如式（2）所示：

（2）

式中，D（i， j）——數學模板與HRRS影像的相似度；f——影像；t——模板；i、j——在x、y軸上的位移距離。D（i， j）越小，則數學模板與HRRS影像相似度越高，即影像與實際路網結構越匹配。研究根據D（i， j）的數值能對影像進行調整。為提高匹配精度，研究從四個角度對模板進行約束，如式（3）所示：

（3）

式中，M——最佳匹配道路；l——道路的長度；w——道路的寬度；θ——道路前進方向；s（x，y）——整個匹配影像。當模板滿足M時，則找到最佳匹配道路。隨后，采用形態學運算和邊緣檢測進一步改善道路形狀和連通性，突顯道路邊界。最后，應用面向對象的圖像處理方法，以更好地識別和分割圖像中的不同對象，例如道路和其他地物等。得到優質的HRRS影像后，研究能夠準確提取城市路網的細部特征。

將HRRS影像輸入至GIS，能夠形成翔實的城市地理信息數據庫。在數據庫的基礎上，研究能夠建模城市的道路網絡，包括道路、交叉口和路段等元素，為城市路網結構提供數字化的表示。GIS的網絡分析功能允許進行路徑規劃、最短路徑分析和交通流分析，從而評估交通擁堵、規劃新路線，并優化交通流動性。通過交叉口分析，GIS可幫助評估交叉口的布局和通行能力，優化設計和信號燈調度。同時，GIS的空間統計分析功能可評估城市不同區域的道路密度、交叉口分布和交通流量，為城市規劃提供支持。GIS通過可視化方式展示分析結果，為決策者提供直觀的信息，支持應急管理、車輛行為模擬等方面的決策制定。綜合而言，GIS在城市路網分析中的作用不僅限于數據整合，更為城市規劃、管理和應急響應提供全面而科學的支持。

2 城市路網分析及建設方案優化

2.1 HRRS技術與GIS的應用效果驗證

為驗證研究內容的有效性，需要對HRRS技術與GIS在城市路網實例分析中的應用效果進行檢測。因此，研究選取中國西南某城市城區與郊區接壤處。研究選擇此處考慮多方面因素。首先，這一地區地理環境復雜，既包括城市密集建筑和繁忙道路，又涉及相對較為寬闊的郊區道路，能全面檢驗HRRS技術與GIS在不同地理背景下的適用性。其次，交通模式的多樣性使得研究者能夠評估研究方法對不同交通情境的適應性。此外，城區與郊區接壤處通常是城市規劃和發展的關鍵區域，對于交通網絡的高效規劃和管理至關重要。因此，在這一區域應用HRRS技術與GIS有助于更好地服務城市的規劃和發展需求。

研究采用3個指標附帶運行時間，對路網分析的效果進行評價。首先是檢測率，它衡量系統準確識別實際存在的目標（例如道路）的能力。其次是虛警率，表示系統錯誤地將不存在的目標標注為存在的概率。最后，檢測質量綜合考慮檢測率和虛警率，為整體性能提供綜合評估。此外，研究選取4個方法進行對比，分別是哈里斯角點探測（Harris Corner Detection，HCD）、均值漂移聚類（Mean-Shift Clustering，MSC）、遙感影像解譯（Remote Sensing Image Interpretation，RSII）以及基于圖的分割（Graph-based Segmentation，GBS）。應用效果的檢測結果如表1所示。

由表1可知，HRRS技術與GIS在城區和郊區的城市路網分析中，各個指標均優于對比算法。具體來說，在城市城區，HRRS技術與GIS的四個指標分別為93.34%、1.06%、95.18%以及8.94 s，而對于檢測率，四個對比方法中表現最好的是GBS，為91.07%，研究相比其提升了2.27%。對于虛警率，對比方法中表現最好的是GBS，為9.42%，研究相對其降低了8.36%。對于檢測質量，表現最好的是MSC，為89.94%，研究提升5.24%。對于運行時間，表現最好的為GBS，為15.39 s，研究提升了6.45 s。在城市郊區，除HRRS技術與GIS外，表現最好的為MSC，各項指標均位列第二，但研究與其相比四個指標分別提升了9.05%、10%、5.77%以及21.59 s。

2.2 建設方案優化與其效果驗證

針對HRRS技術與GIS在城市路網分析應用中的優秀效果，研究提出幾點城市路網建設方案的優化建議。首先，利用HRRS技術獲取高分辨率的地形和用地信息，結合GIS進行分析，為路網規劃提供翔實的基礎數據。其次，通過實時獲取城市交通流數據，包括道路流量和車輛速度等，利用GIS進行空間分析，識別瓶頸區域，優化交通流分布，提高整體交通效率。再利用GIS進行城市風險評估，結合HRRS獲取的地質和氣象信息，為路網規劃提供安全性保障。最后，借助GIS技術建立城市規劃的在線平臺，鼓勵社會參與，收集居民反饋，增強規劃的透明度和社會可持續性。

研究利用城市路網分析方法評價體系對建設方案的優化建議進行驗證，針對體系中的9大指標，對其進行歸一化處理，并監測實施建議前后的城市路網變化，結果如圖2所示。

由圖2（a）可知，實施建議后，路網密度從0.704提高到0.967。路網連通度由0.611提高到0.937，說明優化方案有助于提高路網的節點連接性。路網理想規模接近度從0.643提升到0.82，表示路網規模更接近理想情況。路網等級水平由0.781提高到0.862，表明路網在等級劃分和規劃上得到了一定的優化。路網鋪面率從0.62提高到0.865，表明路網的鋪設水平有了明顯提升。由圖2（b）可知，路網平均車速從0.719增加到0.97，表明交通流暢性得到了改善。路網負荷度由0.951減少至0.799，表示路網的負荷能力得到了一定改善，擁堵情況有所減輕。路網擁擠率從0.932減少至0.619，表明實施建議后，擁擠路段長度相對減少，路網整體擁擠情況有所改善。路網可達性由0.639提高到0.869，表明實施建議后，居民外出所需的平均最短時間和距離有了明顯優化。

3 結論

針對傳統城市路網分析方法中存在的數據不足和精度不高等問題，研究構建了城市路網分析方法評價體系，包括路網結構性能和路網交通質量兩方面，并結合HRRS技術與GIS進行了城市路網分析。選擇某城市城區與郊區接壤處作為實例，對研究內容進行了驗證。結果表明，HRRS技術與GIS在城市城區和郊區的實例中，檢測率、虛警率和檢測質量等指標均明顯優于對比算法，如城區中的HRRS+GIS的檢測率為93.34%、虛警率為1.06%、檢測質量為95.18%、運行時間為8.94s。進一步，研究提出了城市路網建設方案優化的幾點建議，通過對建議方案的評價體系進行驗證，研究觀察到在實施建議后城市路網的密度、連通度、理想規模接近度、等級水平和鋪面率等結構性能指標以及平均車速、負荷度、擁擠率和可達性等交通質量指標均取得了顯著改善。總體來說，研究在城市路網分析及建設方案優化領域取得了積極成果。未來研究中，可進一步優化方法細節，加強模型的實用性和可操作性。

參考文獻

[1]謝波， 肖揚謀. 城市道路網絡特征對交通事故作用機理的研究進展[J]. 地理科學進展， 2022（10）： 1956-1968.

[2]白玉， 涂彭越. 密路網區域交通組織策略及適應性[J]. 城市交通， 2023（2）： 50-59.

[3]陳燕， 周鎮宇， 蔣有君， 等. 長三角城市群路網密度與碳排放時空特征及耦合分析[J]. 華僑大學學報： 自然科學版， 2023（4）： 485-494.

[4]包銀鑫， 曹陽， 施佺. 基于改進時空殘差卷積神經網絡的城市路網短時交通流預測[J]. 計算機應用， 2022（1）： 258-264.

[5]李亞州， 池潤昊， 宋菲， 等. 基于高分辨率遙感圖像的道路提取研究[J]. 計算機與數字工程， 2022（2）： 419-423+430.