城市数据实践：武汉市对外交通门户的市内公交通达度研究
武汉市对外交通门户的市内公交通达度研究
大家好，我叫王娟，是华中师范大学人文地理专业的一名博士生，研究方向为城市旅游与交通。对于一个本科和硕士都是旅游管理专业的学生来说，转到人文地理专业最大的挑战在于地理基础理论的缺乏和专业技能的不足，理论知识可以通过广泛阅读来加强，而空间统计、空间分析等专业技能一直是我的弱项，为此也尝试过很多方法，却总收效甚微。直到去年下半年，在微信中偶然看到城市数据研习社推出的“面向规划实践的数据能力增强计划”，其课程体系中的“基于GIS平台的城市空间分析基础模块”和“城市规划场景应用模块”包含了我一直希望学习的内容，并且与当今越来越受重视的地理信息大数据结合紧密，于是果断报名。通过视频课程的学习以及和大家在QQ群中的交流，掌握了GIS的基本技能，在大鹏老师和小智老师的指导下，完成了本次作业。
1 研究设计
1.1 研究背景
随着航空网络、高速铁路网络和高速公路网络的不断完善，我国城际流动通达性不断增强，中国人的长途出行达到前所未有的方便程度，长途旅行的体验已有质的提升，然而，受城市内部交通设施不足的限制，城市内部流动性和出行体验仍然相对较低。
（图片来源于网络）
1.2 研究区域
此次研究区域为武汉市全境，武汉市下辖13个市辖区(图1)，总面积8494.41平方公里，常住人口1060.77万。武汉地处华中腹地，长江、汉水交汇于市中心，地理格局独特，历来被称为“九省通衢”之地，是全国重要的交通节点。目前，铁路方面，武汉拥有武汉站、汉口站、武昌站三座特等火车站，通往北京、上海、广州、成都、西安、青岛、福州、南宁8个方向的“米”字型高铁网络已基本成型(图2)；航空方面，武汉天河国际机场为国家一级民用机场，2017年3月底，T3航站楼投入使用，使得武汉成为继北京、上海、广州之后全国第四大航空枢纽。市内交通方面，武汉“三环十八射”的城市快速路网基本建成，拥有跨长江桥梁9座、过长江隧道1条；远景规划的32条地铁线路，目前已开通6条，机场、火车站已全部接入轨道交通网络。
图1 武汉行政区划图（作者自绘）
图2 武汉高铁米字型网络（图片来源于网络）
根据《武汉市城市总体规划（2009-2020）》，武汉市城市空间结构由“1个主城、24个新城组团、15个中心镇和30个一般镇”构成，呈现“多层次、网络状的四级城镇体系”（图3）。
图3 武汉市城市空间结构图
1.3 研究对象与内容
从现有的交通格局来看，武汉“交通发达”这件事似乎是确凿无疑了，加之武汉三站一机场已实现地铁互联互通，武汉市内交通状况也得到了一定的改善。但是，由于武汉行政面积和城区面积都比较大，且汉口、武昌、汉阳三镇在城市功能上有明显区分，加之长江、汉江和100多个大小湖泊以及为数众多的铁道线路的阻隔，使得居民的交通需求长期得不到满足，道路拥堵和公共交通拥挤仍然是武汉人每天必须面对的课题。那么，在高铁和地铁时代，武汉交通门户的市内公共交通通达性究竟如何？本研究将通过考察武汉四大交通门户的公共交通（公交+地铁）的市内交通等时圈来进行评估。
1.4 数据处理
本研究数据均为“城市数据研习社”提供，分为起点和终点两个部分。起点数据为武汉天河机场、武汉站、汉口站、武昌站四大交通门户的经纬度坐标。终点数据为“城市实时交通出行数据”，首先由GIS创建渔网得到终点坐标，然后由城市数据研习社根据起点坐标和终点坐标从电子导航地图批量爬取而来。爬取的结果数据包含起点与终点的经纬度、从起点通过地铁+公交的方式到达每个终点的距离和耗时等。每个起点对应7590个终点，四个起点总共获得数据30360条。
2 四大门户等时圈覆盖的区域
对4个起点分别做插值分析，在符号系统中，按照1800秒、2700秒、3600秒至14400秒将栅格分成8类，分别对应30min、45min、1h至4h以上的交通等时圈，得到武汉四大门户交通等时圈，四大交通门户等时圈覆盖的区域情况如下：
2.1 天河机场各交通等时圈覆盖的城市区域
武汉天河国际机场，位于黄陂区，是中国八大区域性枢纽机场之一。目前，主要依靠出租车和机场大巴与市区连接，此外，已接入地铁2号线。从城市聚集区来看，武汉主城区大多位于天河机场2h小时公共交通等时圈内，其中汉口核心片区、武昌核心片区西部，汉阳核心片区北部均位于1.5-2h小时公共交通等时圈内，新城组团大多位于天河机场2h-3h公共交通等时圈内(图4)。从行政区划来看，位于汉口的江汉区、硚口区、江岸区的大部分，汉阳区、武昌区以及东西湖区、黄陂区的小部分位于天河机场1.5小时公共交通等时圈内；位于长江以南的洪山区，与天河机场的公共交通距离大多在3小时以上，蔡甸、江夏、新洲、汉南等区基本需要4小时或4小时以上(图5)。
图4 天河机场公共交通等时圈覆盖的城市区域（左）
图5 天河机场公共交通等时圈覆盖的行政区域（右）
2.2 汉口站各交通等时圈覆盖的城市区域
汉口火车站位于江汉区，是普速列车和高铁动车共用的火车站，现已连接包括地铁2号线在内的20余条公交线路。从城市聚集区来看，武汉主城区大多位于汉口站1h公共交通等时圈，其中汉口中心片区基本在45min等时圈内，此外武昌和汉阳中心片区也基本处于汉口站1h公共交通等时圈内，江北的新城组团大多在1.5h等时圈内，江南的新城组团大多在1.5h-2h等时圈内（图6）。从行政区划来看，汉口站1小时公共交通等时圈覆盖了江汉区、江岸区、硚口区的大部分区域，其中江汉区全境到达汉口站均仅需要45min，汉阳区、武昌区约有50%的面积处于1h公共交通等时圈内（图7）。
图6 汉口站公共交通等时圈覆盖的城市区域（左）
图7 汉口站公共交通等时圈覆盖的行政区域（右）
2.3 武汉站各交通等时圈覆盖的城市区域
武汉火车站地处洪山区，目前已连接包括1条地铁（4号线）、1条空铁快运、1条高铁巴士在内的15余条公共交通线路。从城市聚集区来看，武汉主城区大多位于武汉站1.5-2h小时公共交通等时圈，其中武昌—徐东片区，武昌—光谷片区的西部大多在1小时公共交通等时圈内，而新城组团，大多需要2-3小时的时间到达武汉站(图8)。从行政区划来看，长江以南的青山区、武昌区的大部分和洪山区的小部分基本位于武汉站1.5小时公共交通等时圈内，长江以北的江汉区、江岸区也有过半数面积位于1.5小时公共交通等时圈内，而靠近汉江的硚口区、汉阳区则约有三分之一的面积处于1.5小时公共交通等时圈内(图9)。
图8 武汉站公共交通等时圈覆盖的城市区域（左）
图9 武汉站公共交通等时圈覆盖的行政区域（右）
2.4 武昌站各交通等时圈覆盖的城市区域
武昌火车站位于武昌区，是中国重要的铁路枢纽，目前已连接包括地铁4号线在内的24条公交线路。从城市聚集区来看，武汉主城区大多位于武昌站1.5小时公共交通等时圈，并且约有一半的主城区在武昌火车站1h等时圈内，其中武昌核心区二环内的汉阳核心片区和汉口核心片区基本都在45min公共交通等时圈内 (图10)。从行政区划来看，长江以南的武昌区、洪山区、青山区的大部分和长江以北的江汉区、江岸区、硚口区、汉阳区等地基本位于武昌站1.5小时公共交通等时圈内(图11)。
图10 武昌站公共交通等时圈覆盖的城市区域（左）
图11 武昌站公共交通等时圈覆盖的行政区域（右）
3 几个场景
为加深对四大交通门户等时圈的了解，在分析了三站一机场分别覆盖的区域之后，可以从各交通门户等时圈覆盖的设施数、人口数、三大火车站的影响范围，以及识别最方便的门户和区域这四个场景进行考察。
3.1 场景1：各交通门户等时圈覆盖的设施数
在这个场景中，为更直接的反映交通门户覆盖的设施数，首先使用POI数据对现有的城市设施聚集度进行识别。POI (Point of Interest)，兴趣点数据，是一种代表真实地理实体的点状数据，包含经纬度、地址等空间信息和名称、类别等属性信息[1]，具有数据量大、实时性强的特点，电子地图中每一个地名、建筑、住宅小区、公园、学校、医院、公司、商场等都是一个兴趣点[2]。首先对武汉市11万多条POI数据进行整理，将餐饮服务、零售行业、物流快递等14个小类归纳成“生活服务”、“科教文卫”、“工作场所”、“休闲娱乐”、“交通设施”和“住宅小区”6个大类，转换并投影为坐标系。使用空间链接工具，将数据按照之前创建的网格进行统计，得到每个网格中相应设施点的个数，对每个网格设施点个数进行加总后，使用核密度估算法，识别城市设施点分布的聚集区域（图12）。
图12 武汉13个主要设施集中地
对各个交通门户等时圈与POI设施空间链接的最终数据进行相交，按6大类汇总并计算比例，得到各个交通门户覆盖的设施数占比(图14)。如图14所示，汉口站在1h和1.5h公共交通等时圈内累计覆盖的设施数分别占总设施数的46.4%和76%；武昌站在1h公共交通等时圈内累计覆盖的设施数占总设施数的53.5%，1.5h累计覆盖79.5%；而天河机场在1h公共交通等时圈内仅能覆盖5.6%的设施数，1.5h内也仅能累计覆盖39%；武汉站在1h和1.5h内累计覆盖的设施数约14.4%和57%。可以说，对于大多数设施点而言，到汉口站和武昌站的耗时要比到天河机场与武汉站节省半小时。
图14 四大门户覆盖的设施数占比
3.2 场景2：各交通门户等时圈覆盖的人口数
通过使等时圈与第六次人口普查的街道常住人口数据相交，可得各交通门户等时圈覆盖的人口数并计算比例(图15)，可以看出，天河机场和武汉站覆盖的人口主要在1.5h-3h范围内（约占总人口的72%），仅有极少数人可在1h内到达（分别约为3.5%和8.6%）。汉口站与武昌站覆盖的人口大多在45min-1.5h内，分别约占到常住人口的52.5%和58%,且有约20%的人口可以再45min之内到达。
图15 四大门户覆盖的人口数占比
3.3 场景3：寻找最方便的门户和区域
从四大门户公共交通平均耗时来看，总体上，从武汉各个区域使用公交+地铁的方式到达四大交通门户的平均耗时较长，在30min之内能够到达的单位面积个数仅占全部面积的0.1%，1h之内累计能够到达的单位面积个数也仅占到1.9%，且有累计87.4%的单位面积需要耗时3h及以上才能到达四大门户(图17)。
图17 四大门户公共交通平均耗时
那么，哪个交通门户相对最方便的呢？统计四大门户在各等时圈内栅格数的比例，可知，汉口站和武昌站的公共交通通达度较高，是最方便快捷的交通门户。汉口站1h公共交通等时圈内的累计栅格数占到栅格总数4.4%，1.5h和2h之内能够到达的区域面积分别占到全市面积的11.1%和21.1%，武昌站稍次之，这三个指标分别为4%、10.9%和21%；而天河机场和武汉站则远不如汉口站和武昌站方便，能够在1h、1.5h和2h之内到达这两个交通门户的区域仅占到全市面积的1.5%、6%和15%左右(图18)。
图18 各交通门户1h、1.5h和2h累计覆盖的栅格数占比
从行政区的角度来说，统计各行政区域到达四大门户不同等时圈的栅格数，可知，武汉13个行政区中，江汉区是武汉到达四大门户最方便的区，92.2%的区域可在1.5h内到达四大交通门户，武昌、硚口、江岸、汉阳紧随其后，而新洲区、江夏区、汉南区则是武汉13个区中到达四大门户最不方便的区域(图19)。
图19 各行政区到达四大门户累计栅格占比
3.4 场景4：三大火车站的影响范围
武汉有三大火车站，虽然三大站主要停靠的列车各有侧重:武昌火车站主要停靠来自京广、武九线的列车；汉口火车站主要停靠沪汉蓉东西走向的列车，也兼顾停靠京广、汉丹线列车；武汉火车站主要停靠武广客运专线的高速列车。我们仍然不妨假设一个场景，即三大火车站所停靠的列车没有差别，那么武汉的各个区域前往哪个火车站的时间最短呢？
使用局部分析——最低位置工具，加载3个火车站的公共交通等时圈插值分析结果，并统计各站最低位置栅格的个数。可知，汉口站的影响范围最大，影响区域基本在长江以北，武昌站影响范围约为汉口站的一半，主要区域在江南的南部，包含武昌区、洪山区的大部分和江夏区，武汉站影响范围在江南的北部以及江北的南部(图20)。
图20 三大火车站的影响范围和最低位置栅格数
4 研究结论
本研究主要依据武汉四大交通门户的公共交通（公交+地铁）出行时间，运用空间连接、插值分析和最低距离分析等工具考察了武汉四大交通门户的公共交通通达性，得出一些简单的结论。
1. 与武汉的对外交通通达性相比，武汉市内的公共交通通达度仍然是短板，平均仅有12.5%的单位面积可以通过公交+地铁的方式在2h内到达四大交通门户，仅有约2%的单位面积可以通过公共交通方式在1h内到达。主城区基本处于汉口站和武昌站1h公共交通等时圈内，处于天河机场和武汉站1.5-2h公共交通等时圈内，四大交通门户的市内公共交通通达度仍然有待提升。
2. 从覆盖的设施数来看，汉口站和武昌站覆盖了较多的城市设施，汉口站在1h和1.5h公共交通等时圈内累计覆盖的设施数分别占总设施数的46.4%和76%；武昌站在1h公共交通等时圈内累计覆盖的设施数占总设施数的53.5%，1.5h累计覆盖79.5%。
3. 从覆盖的人口数来看，汉口站与武昌站覆盖的人口大多在45min-1.5h内，天河机场和武汉站覆盖的人口主要在1.5h-3h范围内。
4. 四大门户中，汉口站和武昌站最为便捷，1小时公共交通等时圈覆盖了江汉区、江岸区、硚口区的大部分区域，并覆盖了全市约40%的常住人口。13个行政区中，江岸区最方便，全区任何角落通过公共交通到达汉口站的耗时都在45min之内，到达武昌站和天河机场都在1.5h之内，到达武汉站都在2h之内。
5. 三大火车站的影响区域各有侧重，基本以长江为界，汉口站的影响范围最大，影响区域在长江以北，武昌站影响范围主要区域在江南的南部，武汉站影响范围在江南的北部以及江北的南部。
5 工作营感想
加入“数据能力增强计划”以来，最大的感触在于，很多时候，并不是知识本身有多难，而是我们接触它的途径不对。回想之前学习ArcGIS的种种尝试，之所以均以失败告终，是因为没有找对学习的途径。也曾跟着书一步一步操作，但书上的知识点零散而庞杂，且不能互动；也曾蹭过GIS专业课的课堂，但是半路出家的我完全跟不上。还好奇妙的缘分让我找到了城市数据团，跟着视频中大鹏老师的讲解一步一步从GIS小白、大数据小白成长起来，进而加入了本期数城工作营，在小智老师的帮助下，完成了本次作业，也正是这次做作业的过程，综合运用了之前学习的技能，是一个很好的巩固。
研究本身并不完善，但这次与大数据和GIS的第一次亲密接触，让我真正觉得自己已经入门，成为了一名地理人，相信之后会有更加令人满意的成果。
参考文献:
[1]. 陈蔚珊, 柳林与梁育填, 基于POI数据的广州零售商业中心热点识别与业态集聚特征分析. 地理研究, 2016(04): 第703-716页.
[2]. 许泽宁与高晓路, 基于电子地图兴趣点的城市建成区边界识别方法. 地理学报, 2016(06): 第928-939页.
王娟，已参加由国匠城和城市数据团共同举办的《面向规划实践的数据能力增强计划》，具备城市数据综合分析能力，特此颁发认证，以资鼓励。
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【优秀学员丨郭 翰】北京主城区人口聚集与街道拥堵分析
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城市数据研习社
2016年8月，由国匠城与城市数据团联合成立的城市数据研习社，发起了面向城市规划行业的“千人计划”。 希望能够从规划师中首先招募1000人，组建城市数据学习社群，增强规划师的数据应用能力，提升整个行业的数据应用水平。在半年左右的时间内已有900多位规划师加入研习社。研习社学员已覆盖国内外132所高校，114所设计院和103家其它企事业单位。
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