基于空间可达性栅格建模的公共设施布局规划分析方法

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1、基于空间可达性栅格建模的公共设施布局规划分析方法1祁毅徐建刚（南京大学城市与资源学系，南京210093）摘要：栅格数据作为空间地理数据的一种形式，具有独特的特点。本文在探讨了基于GIS栅格数据进行空间可达性建模原理的基础上，通过江苏省吴江市东部半城市化地区实例，建立了区域地理要素数据栅格化、居民出行成本栅格最短路径计算、公共服务区的自动生成以及服务人口估算等GIS空间分析方法步骤。实例分析结果表明该方法可以广泛应用于城市与区域公共服务设施的布局与规划。关键字：地理信息系统（GIS）栅格数据空间分析公共设施布局规划在人文地理学领域，可达性（Accessibility，也称为通达度）被用来解

2、释社会现象的空间变化。正如Karlqvist所说的那样：“通过最小的活动量，获得最大的接触机会，是人类活动的基本规律，而通达性是刻画这一基本规律的关键概念”[1]。可达性的度量方法主要有四种：距离、拓扑、重力和累积机会法[2]。其中，运用GIS空间分析技术进行距离度量法计算是最容易实现的。目前，空间可达性的计算主要采用矢量数据结构下的交通网络最短路径算法，将交通线路图进行拓扑变换，即将普通的交通图转换为拓扑图[3]。由于交通网络为线状结构，不能覆盖整个区域，因此难以对居住区等面状空间对象进行可达性分析。栅格数据是一种空间全覆盖的矩阵形式数据，具有结构简单、易于建模叠置分析等特点。然而长期

3、以来，由于栅格数据量庞大，难以进行高精度空间分析。相比矢量数据，栅格数据的应用范围受到了很大的限制。时至今日，随着计算机软硬件的飞速发展，GIS空间分析功能已经有了长足的进步。在最近推出的国际上最为著名的通用GIS软件——ArcGIS9.0版软件中提供了一些新的空间分析方法[4]。例如，空间分析（SpatialAnalysis）和地理统计（GeoStatistics）业已成为其基本模块。我们在最近完成的吴江市东部次区域的城市化发展研究中，发展了一套对各种公共服务设施——如商业网点、学校和医院等，进行空间可达性建模从而对其服务区域等方面进行客观评价方法体系，实践表明这套方法是科学有效的。本

4、文以医院作为医疗卫生服务设施为例，进行分析计算，同时说明相应理论和方法。1.相关概念和计算方法栅格数据使用一定尺寸的网格来划分空间，认为每个网格内的空间具有相同的属性，具有确定的数值（网格的属性）。使用栅格数据，可以对某一个或一组空间数值在空间上的分布进行简单有效的描述。对栅格数据，传统的空间分析方法，如叠置、切割、求交等都可以进行操作和计算。为了在栅格数据上计算每个网格到某个目的网格（或网格集）的最短加权距离，需要使用最短路径算法，由于栅格数据的特殊性，这里先对最短路径算法在栅格数据上的实现作一个简单说明。Dijkstra最短路径算法计算的是一个“图”结构上的某个结点到所有节点的最短路

5、径[5]。在栅格图像上应用时，最重要的问题就是如何将栅格数据抽象成图的结构加以计算。计算首先需要取得成本栅格图（CostRaster），该图将研究区使用一定精度的正交格网分割为栅格图像，每个栅格的属性值表示其“成本”第9页·共9页（Cost），这里即表示通过它所需要的时间消耗程度。如图1所示，由于栅格图像的特殊性，每个非边缘网格的周围有且仅有8个其他的网格，以每个网格的中心为“节点”（Node），可以抽象为8条“边”（Side）。对边的“长度”取值，使用以下简单定义：如果边连接两个直接水平或垂直相邻的网格，则使用两个网格的值的平均值表示该边的长度；若边连接的网格斜相邻，则使用该两个网格的

6、数值的平均值乘以的结果来表示该边的长度。如图1所示，中间的结点到其左边节点的边的长度为，与右下节点的边的长度为。图2栅格图像数据上的“源”（每个“源”作为单一节点，与周围直接相邻的n个网格节点共有n条边）213247351节点边图1由栅格数据构建“图”结构在计算过程中，将每个源设定为单一节点，其所属栅格的成本值定为0，每个源周围的n个栅格与该源形成n条边（如图2所示）。这样便构建了完整的“图”结构，可以进行最短路径计算了。64.56.5523.56.52.50源图3结果示例再以图1为例，若右下角网格作为一个“源”，则成本加权最短路径计算结果如图3所示。结果共有2个：每个节点到该源的累积总

7、“成本”值（AccumulatedCost）；每个节点到最短路径上前一个节点的路径方向（Direction）。因为方向有且仅有8个，所以可以用一个有且仅有8个元素的集合编码来表示，表示图上即表示为方向栅格图（DirectionRaster），每个网格的值是8个元素中的一个，表示下一个网格相对其的方向。在多源的情况下，还可以得到每个网格可以花费最低成本到达的源——即服务提供者——这一结果，表现在图上即为分配栅格图（Allocation