可达性模型及其在城市规划中的应用

许明才200531540028可达性模型及其在城市规划中的应用摘要：本文首先对可达性的涵义进行全面阐述；在此基础上，从网络特性的角度对拓扑法、距离法、累积机会法、等值线法、重力模型法、平衡系数法、时空法、效用法等目前常用的可达性度量方法进行系统分类，并且对各种度量方法进行综合比较与评述；然后，针对在城市规划应用方面，对各种度量方法的应用研究现状进行详细论述与剖析。1.可达性涵义可达性受到不同研究领域学者的广泛关注。也因此产生了对可达性概念的不同理解其中较有代表性的包括：可达性是指在社会中产生的包括直接来源于个体作用与来源于整个社会如交通拥堵、环境污染等副产品作用的必然花费；是指个人参与活动的自由度；可达性是指在一定的交通系统中。到达某一地点的难易程度；可达性是指在合适的时间选择某种交通设施到达目的地的能力；是由土地利用一交通系统所决定的、人／货物通过一定的交通方式到达目的地或参与活动的方便程度。可达性是指不同空间分布的点或区域之间相互影响的潜力；可达性是指城市用地在时空上可接近的方便程度等。尽管对可达性概念的理解不同，但是对可达性本质特征却有相同的理解：①计算出来的可达性值的大小本身不具解释力，只有在某特定区域中，各个地点的可达性值进行比较，才具有解释力。可达性许明才200531540028不是地点自身的品质，而是反映该地点在整个区域中所处的地位或区位。②如果两点问的通达不是单向的，则可达性值具有双向对等性：A通达至B的值等于B通达至A的值。③可达性虽然是两个地点间克服空间阻隔发生作用的指标，但是这种相互作用一般是发生在两个活动实体(如居民与就业岗位)之间，即计算实体间的可达性是以空间作为中介的，空间上的可达性即等同于人的活动可达性。对于可达性概念理解的差异。本质上是来源于可达性不同层面的涵义。一为客观层面(交通运输或通讯可达性)，即各点之间交通、交流的便捷程度。也就是区位评价；二为主观层面(心理可达性)。即按人的意愿产生的对某一空间点或区域的主观选择优先级。目前有关可达性的研究大多是面向客观层面即交通运输或通讯可达性。对于该层面的可达性的理解。包括两种类型：一种是从网络的空间配置角度考虑。以人流、物流、信息流的便利程度来度量某一点位的可达性大小。不同网络设施或网络目标对于待度量的点而言可能具有不同的权重。此时网络形态、密度、结构等与可达性度量密切相关。针对点或区域可达性的计算，可以得到有量纲的绝对数值。另一种是从Tobler地理学第一定律出发。认为空间上两点间的相互作用，随着距离的增大而减小，并且从社会经济学的角度，考虑两点间的吸引力规模，将待度量的点与外部所有其他点之间可能的影响之和视为外界施加到该点上的总潜能，亦即该点的可达性。分析由于空间位置差异而形成的需求点和吸引点之间潜在吸引力的规模和变化过程。此时。需要考虑所度量的点位的需求规模和吸引点的引力规模，而与交通网络空间形态许明才200531540028无关。针对点或区域可达性的计算，只能得到相对的无量纲的计算结果，其在比较环境下才有意义。目前已有的可达性研究基本围绕上述两种类型展开，并根据应用需求差异，从理论和方法上发展了不同模型、参数和应用技术流程。2.可达性度量方法分类与比较分析目前常用的可达性度量方法主要包括：距离法、累积机会法、等值线法、重力模型法、概率法、频率法、平衡系数法、时空法、效用法、基于矩阵的拓扑法、基于空间句法的拓扑法等等。其中，针对交通网络空间格局演变对城镇体系发展影响研究常运用距离法、累计机会法、等值线法、重力模型法、基于矩阵的拓扑法；针对新建交通基础设施的区域经济效应评价常运用距离法、累计机会法、等值线法、重力模型法、效用法、平衡系数法；选址分析与区位评价常运用距离法、累计机会法、等值线法、重力模型法；针对城市园林与建筑设计、景观规划常运用基于空间句法的拓扑法与重力模型法；此外，有关社会文化等相关研究可能会涉及多种拓扑法。按照网络特征的差异，可达性度量方法可按图1所示体系进行分类。许明才200531540028几何网络是交通网络的几何表现。基于几何网络的可达性度量方法使用空间距离、时间距离(跨越空间距离所需的时问)、经济距离(跨越空间距离所支付的费用)作为基本因子来度量可达性。建立在几何网络上的可达性度量方法主要包括距离法、累积机会法、等值线法、重力模型法、平衡系数法、时空法以及效用法等多种方法。距离法是最为简单、直观的可达性度量方法。该方法使用各种距离作为可达性指标。距离越小。可达性水平越高。其度量方式主要包括相对可达性和总体可达性两种，前者采用两点之间的距离来度量它们之间的可达性水平，后者采用某点到其兴趣点集的距离之和来度量该点的可达性水平。距离法考虑了个体在交通网络中流动的耗费，但没有考虑距离的衰减以及各点的作用力规模等因素。累计机会法和等值线法是在距离法的基础上发展而成的。其中，累计机会法是指在设定某一个出行成本(距离、时间、费用)的前提下，将从某地点出发能接近的机会的多少作为可达性指标。机会越多，可达性水平越高。这里的机会可以是就学、就业、医疗、购物、休闲机会等等。一个吸引点可以对应一个或者多个机会。等值线法进一步对出行成本进行分级，按不同成本等级分别累计可到达的吸引点的数许明才200531540028量。数量越多，可达性水平越高。累计机会法和等值线法本质上都是通过对某点交通出行的便捷程度的评价来衡量可达性水平，未考虑度量点和吸引点之间的相互作用及其空间效应随距离的衰减。重力模型法的思想来源于物理学的万有引力定律，1940、50年代斯图尔特将万有引力定律中的势能公式引入地理学。通过计算某度量点以外的所有吸引点施加到该点的势能总和来评价该点的可达性，其中吸引点对待度量点作用力的距离衰减函数是重力模型的关键。在实际应用中。常见的距离衰减函数包括指数函数、幂函数、线性函数、对数函数等，视实际计算的需要并结合研究区域的情况而定。重力模型法将空间上各吸引点的空间效应随距离而衰减与各吸引点自身的引力规模结合起来衡量可达性水平。吸引点和度量点之间的作用力规模越大、距离越小，则可达性水平越高。基于重力模型法的思想。还先后产生了概率法和频率法等可达性度量方法。概率法采用距离作为可达性指标。将前往吸引点的概率作为权重，对作用力进行修正。以使可达性度量更符合客观实际。概率法克服了传统的重力模型法中可达性评价结果不易用自然语言表达和在对多个方案进行操作时由于吸引点数目不一致导致计算结果无法比较的缺陷。频率法与概率法相似。不同之处在于它是将前往不同吸引点的频率作为权重。对作用力进行修正。平衡系数法是由Wilson运用统计方法中的熵最大定律推导出的可达性度量方法。该方法在传统重力模型法之上对各点位流量进行约束。进而构建约束引力模型，包括单约束引力模型和双约束引力模型。许明才200531540028当从需求点i出发的出行量Oi数目固定即需求点受约束时，称为单约束引力模型，此时存在吸引点对需求点的竞争；当Oi与从各需求点到吸引点j的到达量Dj数目均固定。即需求点与吸引点同时受约束时。需求竞争和供给竞争同时存在，称为双约束引力模型。时空法是在1970年代Hagerstrand提出的时问地理学基础上形成的同时考虑空间与时间的可达性度量方法。该方法从个体角度出发。通过个体在特定的时空约束下，能够到达的时间一空间区域以及相应活动的选择，来度量可达性水平。常用时空棱镜的方式进行计算，有两种具体计算方法：一种是计算时空棱镜的体积，以体积的大小表达可达性水平。在时间预算下，时空体积越大，个体参与活动的可能性越大，则可达性水平越高；另一种是统计时空棱镜内的诸如商业、娱乐网点数目作为评价的指标。当时空棱镜范围内没有任何可参与的活动。采用第二种计算方式更为可取。效用法是在当时已有的可达性度量方法均不同程度带有主观或者经验主义色彩、缺乏理论支撑的背景下，借用微观经济学中消费者理论发展而成的。该方法从经济学的角度。将个体的出行行为看作一种消费行为。并以这种消费行为在交通—土地系统中获得的最终效益作为该个体的可达性水平的评价标准。效用法关键在于确定个体i在吸引点j可能获取的总体效益Vij，当总效益减去出行费用或时间之后，即为个体获得的最终效益Uij。时空法与效用法不仅考虑了交通因素和社会经济因素。还将可达性水平与个体出行行为直接建立起联系。许明才200531540028上述各种可达性度量方法均建立在几何网络之上。它们从不同角度出发。对现实中的几何网络尤其是道路交通网络的连通性、可达性水平进行度量与评价。与几何网络上的可达性研究不同的是。在区域航空网络、城市地铁网络中各点之间换乘次数、街区及场馆内部等的子空间之间的通视性度量等。诸如此类的可达性问题，拓扑距离比几何距离更重要。开展上述相关研究工作则需要应用基于拓扑网络的可达性度量方法。建立在拓扑网络上的可达性度量方法。根据度量因子所采用的运算方式差异，可划分为基于矩阵的拓扑法与基于空间句法的拓扑法。基于空间句法的拓扑法是利用空间句法理论中的形态分析变量来衡量可达性水平。该方法通过空间分割，以分割形成的子空间为图节点，将整个网络转换成为空间连接图，运用图论的方法推导出一系列形态分析变量，如连接值、控制值、节点深度、局部集成度与整体集成度等。以描述空间在不同水平上的结构特征。此外，该方法还具有集成兴趣点到空间连接图以实现扩展空间句法的功能。并且可以依据兴趣点的不同吸引程度对连接线赋予不同的权重，这些功能对于城市规划、园林与建筑设计、景观规划等领域中度量某一点或某一区域的区位优劣性具有十分重要的作用。综上所述，以上各种可达性度量方法均可应用于区域或网络中某一部分以及整个区域或网络的可达性度量。由于可达性度量指标的选许明才200531540028取以及度量方式的不同，使得各种方法的度量过程以及产生的度量结果各具特色。3.可达性度量方法在城市规划中的应用研究可达性度量方法在不同的应用需求下。能广泛适用于城市内部精细尺度及城市尺度。各种度量方法因为其应用领域与研究对象的各不相同，其代表性的研究工作也是各具特色。距离法广泛用于各种尺度的可达性度量。其中，空间距离法常作为基础可达性指标参与路网空间格局研究，费用距离法常用于个体出行、物流运输等预算规划，时间距离法则非常适用于最近吸引点具有绝对优先权的应急响应服务等应用领域。距离法具有直观、简洁的特点。适合于宏观层面的可达性评价不足之处在于其过于简单。尤其采用欧氏距离时甚至忽视了实际的路网空间形态。在实际生活中。单独使用距离、费用或时间来度量可达性将会受到很多限制。目前。除了诸如应急响应服务等较为特殊的应用之外。单纯的距离法已逐渐被累积机会法、等值线法、重力模型法等度量方法所取代。累积机会法、等值线法适用于不同时空条件下的交通设施状况、土地利用变化等比较研究。最为常见的如“服务半径”分析。通过绘制等距线、等时线来分析服务设施分布合理性。此外，比较不同位置居民一定出行时间内所能到达的工作、购物、医疗等机会点的数量。从而了解同一时期不同地区或者同一地区不同时期的公共设施的配许明才200531540028置状况。典型的如一日交流圈研究。重力模型法是目前应用最为广泛的可达性度量方法。该方法作为土地利用区位模型。广泛用于各种尺度下的可达性度量，最典型的如土地使用模式研究、经济发展潜力研究、交通规划研究、城镇发展研究等等。重力模型法最大的特色是将交通运输系统与社会经济活动纳入了统一的分析框架。因此可达性能同时反映交通运输系统的改善与社会经济活动的进展。由于模型及其距离衰减函数的灵活多样。在实际应用中。需要依据具体的研究需求确定模型、参数及其研究尺度。目前，重力模型法仍存在一些问题。第一，距离衰减函数的确定具有很大的主观性，不同衰减函数的衰减速率不同、适用性存在很大差异；第二，该方法将空间简化为点。被简化的原有空间区域的尺寸和形状都会影响到可达性的计算结果。需要在权衡数据量与精度的基础上确定空间简化方式。此外，个体差异如何表达、需求竞争如何体现、时间因素如何限定等，这些问题都将作为重力模型法的拓展研究方向，