佳文赏析 | 空间可达性分析之医院篇

编者按

可达性是在空间分布格局、设施约束等综合条件下的空间决策问题，而等时线模型则是以时间地理为框架，用时间成本来衡量时空可达性的重要模型，为该决策分析提供方法支持。艾廷华教授通过开展面向服务需求的兴趣点可达性等时线分析，以深圳市医疗设施可达性为研究目标，考察任意位置达到某类服务设施最近点的时间代价，顾及了街道网络对空间通达的直接影响，为城市规划的方向提供了参考。

问题提出

为什么研究城市空间可达性 ？

城市空间的可达性指人所持有的能够到达其目的地的能力，能够反映城市空间社会经济活动的便利程度，在城市交通规划、土地利用等方面具有重要意义。

谁关心空间可达性 ？

基于城市设施POI的可达性分析可以分为2种情况：

（1）基于“供给”角度从特定POI出发的服务可达分析。服务的提供者（酒店、餐馆、咖啡店等的经营者）对这个问题感兴趣。已有研究常从“供给”的角度出发，关注特定服务设施点在研究区域内的影响，如在特定时间限制下基础设施服务所能覆盖到的最远范围。

（2）基于“需求”角度从不同空间位置出发获得最近服务的便利度分析。服务的需求者（居住小区等）往往关注这个问题。具体来说，人们关注的是：从所在地出发，到达最近的目的地需要多长时间？在该问题中，“目的地”并非某特定点，只要是满足人们需求的同一类型的设施点均可成为“目的地”。仅以特定点出发生成的等时线将不能满足上述问题所呈现的需求。这个角度的分析需要考察任意位置达到某类服务POI集（医疗、购物、娱乐等）中最近点的时间代价，涉及同类POI相互间的空间竞争、POI与需求用户间的空间共享格局。

分析方法有哪些 ？

可达性研究的主要模型有传统的引力模型、效用模型、活动模型、等时线模型等。其中，等时线模型也是该决策分析中的常用技术方法。等时线模型以时间地理为框架，用时间成本来衡量时空可达性。

模型提出

以面向服务需求为核心建立等时线所反映的是某一类POI的整体可达性，而非局限于特定点，同时在可视化表达上具有优势，例如其形状、疏密变化往往蕴含着更深层次的信息同时相较于分区统计图的可视化方法，能反映研究对象的全局变化特征，而相较于热力图，又能够更直观地量化研究对象的数值变化。

解决该问题的主要思路为：对数据范围内的位置点进行采样，利用采样点到最近POI的用时和插值方法，计算空间任意位置到最近POI的用时。网络Voronoi图技术在寻找采样点的过程中有重要作用，因为Voronoi图以一定的规则对目标所在的空间进行势力的划分，每个划分出的多边形区域与一个目标相关联.该目标点的势力范围内，任意点与目标点的距离都是在与所有目标点的距离中最近的。艾廷华等人基于水流扩展思想提出了网络Voronoi图生成方法，将网络进行栅格化处理，即将网络剖分为细小的线性单元，然后将对象点视作“水源”，模拟水流沿网络路径的扩展对所有线性单元进行遍历，水流的终点为与其他水流的相遇点或者路段的端点。算法在计算过程中会生成一定数量的沿网络分布的过程点，即水流扩展算法在网络栅格化的过程中所生成的栅格点。这些过程点被用于辅助网络Voronoi图的计算，具有3个显著的特点：①沿网络路径分布；②覆盖所有网络路径；③具有一定密度，且密度分布较为均匀。利用Voronoi图的思想对POI进行空间势力的划分能够快速寻找采样点所对应的最近POI。更重要的是，POI是依附城市道路网而存在的数据类型，针对POI的空间分析如果忽略道路网的影响，将得到不准确的结论。

面向服务需求的可达性等时线提取方法

实证分析

深圳市作为我国最大的中心城市之一，拥有大量的人口和对医疗服务的广泛需求，因此我们以深圳市道路网数据和综合医院POI数据为研究对象，分析深圳市综合医院POI的服务需求可达性。

01等时线提取

面向服务需求的等时线提取基于空间任意位置到达最近POI用时的栅格数据，寻找所有到达最近POI用时相同的位置点，连在一起即为一条面向服务需求的等时线，其中栅格数据由采样点到达最近 POI 的用时属性插值而成。

面向服务需求的等时线提取示意

02等时区域提取

为了便于更具体地评估基础医疗设施服务在深圳市内的需求现状，对等时区域进行了提取和可视化。到达最近综合医院POI的所需用时越长反映出当地对综合医院的服务需求越大。到达综合医院POI的用时在20 min之内的区域较为接近城市街道的中心区域，而用时大于30 min的区域由于可达性较差，应是城市基础设施规划建设的重点关注区域。

深圳市各行政区综合医院POI的时间可达性

03等时线疏密的重要影响因素：道路网连通性

等值线的疏密在体现表达对象的差异变化特征的同时，也能间接反映地理特征，如对等高线而言，等高线越密集，地面坡度越陡，等高线越稀疏，地面坡度越缓。在城市街道网体系中，街道网的连通模式与空间格局、城市中心CBD的分布都对等时线产生影响，导致等时线疏密变化。如果一个地区在较长的距离内处于互相隔离、没有道路连通的状态，就会导致从一处到另一处需要绕更远的路程。道路的不连通造成时间成本的突然增大，会使两处之间的等时线陡然变密。假设增添一条道路使两处可以直接连通，并重新计算和生成等时线，得到的等时线密度就会明显变小。

道路网连通性对等时线疏密变化的影响

为了进一步探究道路连通性，根据深圳市综合医院POI的时间可达性计算了时间坡度图.时间坡度的百分比值较高的区域说明等时线越密集，反映出较差的道路连通性。坡度百分比值最高几处区域如深圳市宝安区羊台山森林公园、深圳市盐田区与罗湖区交界处的梧桐山、深圳市盐田区北部和东部的山区（包括梅沙尖、福田坳、莲塘峰等）、大鹏新区中部以未木岭为主的山区、龙岗区最北部以红花岭为主的山区，道路网连通性较差的原因是由于山地、湖泊或者特殊城市设施用地的地形和用地特点，使城市道路无法较好地连成一片。

深圳市综合医院可达性的时间坡度

04等时线的弯曲方向

等值线的弯曲方向能够反映表达对象的变化趋势，如根据等高线的弯曲方向能够探测山谷和山脊。对面向服务需求的等时线而言，等时线的延伸方向常与某条道路的延伸方向一致，这往往意味着在其反方向存在POI位于该道路附近。对于道路网加权条件下的等时线，在高等级道路处等时线的延伸趋势则更加明显。

等时线的延伸方向

道路加权的影响？

对于考虑道路等级的 加权道路网，等级越高的道路通行速度越快，采样点到达POI用时最短的路线不再一定是距离最短的路线。基于水流扩展思想的网络Voronoi图技术能够考虑道路等级来划分POI 的势力范围，具体表现在：等级越高的道路水流扩展速度越快，道路栅格剖分的单位长度越大。加权道路网条件下所提取的等时线在形态上更能体现道路的作用特点，如在高等级道路处等时线弯曲更明显，更能体现道路的延伸方向。值得注意的是，POI之间的竞争关系并不会直接体现在等时线结果中，尽管道路等级加权会使POI的空间势力划分发生改变，但等时线除形态细节变化之外没有明显移位，因为对于服务需求者而言，总是会选择最近的POI。

道路等级加权的等时线提取示意

结语

真正将同一类POI看作一个整体能够体现设施供给方和服务需求方之间的关系，从而能够很好地考虑和处理同类POI之间的竞争关系。由于该模型从全局的角度和从服务需求方的角度出发探讨可达性，对城市居民的日常生活而言更具有实用性，作为城市规划的辅助模型，对未来的规划提出了更具现实意义的方向。

作者信息

武汉大学资源与环境科学学院教授，博士生导师，学院教授委员会主任。新世纪百千万人才工程国家级人选。主要研究方向包括空间数据挖掘，地图综合与尺度变换，空间认知与深度学习等。研究成果发表于IJGIS、CEUS、TGIS等期刊。任期刊CEUS、测绘科学技术学报编委。

转载自 地球信息科学学报

经作者授权转载

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原文标题：空间可达性分析之医院篇

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图文整理：张永红 

责任编辑：王佳雯

 审核：王波涛

终审：顾伟男 田巍 梁龙武

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