以杭县城可达性为例的分析

可达性是指从空间中给定地点到感兴趣点（如工作、购物、娱乐、就医等）的方便程度或难易程度的定量表达。可达性的重要性不言而喻。资源或服务设施都是稀缺的，资源有效配置的决定性因素是消费者的可达性。因而，可达性已经成为资源或服务设施空间分布合理性的重要评价指标之一。

行进成本分析法（又称费用加权距离方法）通过计算空间中任意一点到感兴趣的区域所需要的时间来表征可达性，充分考虑了道路网络的完善程度，能够较好地实现行进路径与现实道路的拟和，是目前较常使用的一种空间可达性计算方法。该方法与欧式距离计算方法的显著差异在于：它不是简单的计算一点到另一点的直线距离，而是确定从每一个“源（source）”像元（cell）到最近“临近”像元的最短加权距离（shortest weighted distance）或累积行进成本（accumulative travel cost）；其计算的单位也不是地理单位，而是成本单位（cost units／distance）。

费用加权距离方法采用节点／连线（node／link）计算法则，并采用迭代运算（iterative algorithm），首先计算研究区内某像元到源像元的所有可能路径的累积行进成本，然后通过比较其大小，最后将最小的累积行进成本值赋给该像元，并记录这条路径。每个像元的行进成本值是根据不同的对象对行进的阻抗力（impedance）不同来定义的，它表征穿过该像元所消耗的单位距离成本（cost-per-unit distance）。

本实验以上杭县城的可达性为例加以演示说明。

▷　步骤1：建立成本距离分析的源文件（source grid file）。

首先，启动ArcMap，加载上杭县建设用地数据文件“城乡建设用地.shp”。

图5-1　上杭县城建设用地斑块选择

然后，打开“编辑器”工具条，使“城乡建设用地.shp”文件进入可编辑状态，并从中将县城的建设用地斑块选中（图5-1）。

最后，用鼠标右键点击“城乡建设用地.shp”图层，在弹出的快捷菜单中点击选择“数据”—“导出数据”，将选择的县城建设用地斑块导出为“县城斑块.shp”文件，放置在shiyan05文件夹下，并将其载入视图窗口中。成本距离分析需要的源文件（县城斑块.shp）就制作完成了。

▷　步骤2：建立行进成本文件（cost surface grid file），即创建成本消费面模型。

不同土地利用类型的行进成本不同。本文行进成本采用通过空间某一像元的相对难易程度来衡量，其值为移动10km所需要的分钟数。

在无道路的陆地区域采用步行移动模式，并设定步行平均时速为5km／h（cost值为120）；在有道路的区域采用车行模式，并设定交通主干路例如高速公路的车行时速平均为100km／h（cost值设为6），国道车行时速平均为60km／h（cost值设置为10），省道、铁路的车行时速平均为50km／h（cost值设置为12），县道车行时速平均为30km／h（cost值设为20），其他道路车行时速平均为20km／h（cost值设为30）。

虽然河流水域很难通行（有桥梁、隧道的地方除外），但其在可达性计算中起重要作用，如果不设置其行进成本值，将会很大程度上影响河流水域周边的可达性结果，例如汀江，因仅有为数不多的大桥和航线相通，如果不考虑其时间成本值，按照费用加权距离方法计算的汀江两岸的可达性将出现大的偏差，因为水域对城市斑块具有分割性，一般需要绕行一定距离才能到达对岸。鉴于此，本文将汀江及其主要支流（河流宽度在50m左右）的行进成本值设定为1 000，一般水系的行进成本值设为500。

另外，研究区是多山地丘陵地区，可达性将受到地形的强烈限制，因此将地形的坡度因子纳入cost值的设置中。定义如下：坡度小于5度区域，步行平均时速为5km／h，成本值为120；5～15度区域，成本值设为180；15～25度区域，成本值设为300；大于25度区域设置为500。

地形起伏度也对行进速度产生一定的影响，故也将地形起伏度纳入cost值的设置中，划分为4类，地形起伏度小于15m的区域，步行平均时速仍为5km／h，成本值为120；地形起伏度介于15～30m的区域，步行平均时速为4km／h，成本值为150；地形起伏度介于30～60m的区域，成本值设为180；地形起伏度大于60m的区域，成本值设置为300。

下面分别设置道路、水系、坡度、地形起伏度的成本值。

（1）设置所有道路的成本值

图5-2　“缓冲区”对话框

首先，通过缓冲区分析获取道路多边形数据文件。

由于道路数据图层都是线文件，因此首先按照高速公路红线宽度60m，国道30m，省道24m，县道18m，其他道路10m，铁路20m来进行道路宽度的大致设置，通过线文件分别做30m，15m，12m，9m，5m，10m缓冲区得到面状多边形文件。

在ArcMap中加载高速公路图层数据文件（gaosu.shp），使用ArcToolbox中的“分析工具”—“邻域分析”—“缓冲区”工具将高速公路线要素文件做30m缓冲（图5-2），得到红线宽度为60m的高速公路多边形要素文件（gaosubuffer.shp）。

图5-3　“面转栅格”对话框

然后，在高速公路多边形要素文件（gaosubuffer.shp）中添加一个浮点型的cost字段（添加字段时需先“停止编辑”），并用“字段计算器”将所有高速公路的cost字段赋值为6。

其次，使用ArcToolbox中的“转换工具”—“转为栅格”—“面转栅格”工具（图5-3），将高速公路多边形要素文件（gaosubuffer.shp）按照cost字段转换为栅格数据文件（gaosucost.grid），栅格大小为10m×10m。

再次，采用上面的方法和步骤，将国道、省道、县道、其他道路分别做缓冲区、添加字段与赋值、转换为栅格数据文件。

最后，进行所有道路栅格数据的镶嵌。

使用ArcToolbox中的“数据管理工具”—“栅格”—“栅格数据集”—“镶嵌至新栅格”工具（图5-4），将高速、国道、省道、县道、其他道路赋值后的栅格文件按照取最小值方法进行镶嵌，得到新的栅格文件roadcost，即得到所有道路的成本值。

图5-4　“镶嵌至新栅格”对话框

（2）设置所有河流的成本值

首先，设置主要河流（为面状多边形要素）的成本值。

在ArcMap中加载主要河流图层文件（riverpoly.shp）；打开其属性表并添加一个浮点型的“cost”字段；使用“字段计算器”将cost字段赋值为1 000；使用面状栅格工具将其按照cost字段转换为栅格数据文件（riverpcost.grid），栅格大小为10m×10m。

然后，设置一般河流（为线状要素）的成本值。

在ArcMap中加载一般河流图层文件（riverline.shp）；使用缓冲区工具在河流两侧做10m的缓冲区，得到河流缓冲区面状多边形要素数据文件，打开其属性表并添加一个浮点型的“cost”字段；使用“字段计算器”将cost字段赋值为1 000；使用面转栅格工具将其按照cost字段转换为栅格数据文件（riverlcost.grid），栅格大小为10m×10m。

最后，进行河流栅格数据的镶嵌。

使用ArcToolbox中的“镶嵌至新栅格”工具，将主要河流和一般河流的栅格文件按照取最大值方法进行镶嵌，得到新的栅格文件rivercost，即得到所有河流的成本值。

（3）设置地形坡度因子的成本值

首先，进行坡度的计算和分级。(www.xing528.com)

使用从地理空间数据云网站下载的DEM数据为数据源（shiyan05文件夹下的shanghang＿acc.img），将DEM数据文件加载到ArcMap中，进行坡度的计算、分类和赋值（坡度、分类与重分类等工具的使用具体过程参见实验3中的第二节），得到坡度的成本值（cost）文件poducost.grid。由于DEM数据的分辨率是30m，因此坡度成本文件的栅格大小为30m×30m。

成本值的定义如下：坡度小于5度区域，成本值为120；5～15度区域，成本值设为180；15～25度区域，成本值设为300；大于25度区域设置为500（图5-5）。

需要特别说明的是，可达性的范围要比研究区范围要大，主要是因为规划区是山区，而有些道路需要经过县外后又回到县内，如果以县界作为可达性分析的范围，有些区域的可达性将被明显低估。

图5-5　“重分类”对话框

然后，进行坡度成本值栅格文件的重采样。

图5-6　“重采样”对话框

由于DEM数据是30m×30m的栅格，用户需要进行栅格数据的重采样，以便得到10m×10m的栅格文件，从而与前面生成的栅格数据进行空间叠置和镶嵌。

使用ArcToolbox中的“数据管理工具”—“栅格”—“栅格处理”—“重采样”工具（图5-6），将坡度成本值栅格文件（poducost）按照NEAREST采样方法进行重采样处理，得到10m×10m的栅格文件（poducostre）。

（4）设置地形起伏度因子的成本值

首先，进行地形起伏度的计算。

在ArcMap中加载DEM数据文件（shanghang＿acc.img）；使用“Spatial Analyst工具”—“邻域分析”—“焦点统计”工具进行地形起伏度的计算、分类和赋值（焦点统计、分类与重分类等工具的使用具体过程参见实验3中的第三节），得到地形起伏度的成本值（cost）文件qifucost.grid（图5-7、图5-8）。

地形起伏度的成本值设置做如下定义：地形起伏度小于15m的区域，成本值为120；地形起伏度介于15～30m的区域，成本值为150；地形起伏度介于30～60m的区域，成本值设为180；地形起伏度大于60m的区域，成本值设置为300。

然后，进行栅格数据的重采样。

使用“重采样”工具，将地形起伏度成本值栅格文件（qifucost）按照NEAREST采样方法进行重采样处理，得到10m×10m的栅格文件（qifucostre）。

图5-7　“焦点统计”对话框

图5-8　“重分类”对话框

（5）创建总的消费面（cost surface）文件

首先，按照取最大值的原则将地形因子（坡度poducostre和起伏度qifucostre）和河流因子（rivercost）进行镶嵌，得到新的栅格文件dixingriver.grid。

然后，再按照取最小值的原则将道路因子（roadcost）和地形河流因子（dixingriver.grid）进行镶嵌，得到总的消费面栅格文件costsurface.grid（图5-9、图5-10）。

图5-9　“镶嵌至新栅格”对话框

图5-10　最后的成本消费面栅格文件

▷　步骤3：使用成本距离工具进行可达性分析。

首先，在ArcMap中加载源文件（县城斑块.shp）和成本消费面文件（costsurface）。

然后，使用“Spatial Analyst工具”—“距离分析”—“成本距离”工具进行可达性的计算。

图5-11　“成本距离”对话框

在“成本距离”对话框中做如下设置（图5-11）：“输入栅格数据或要素源数据”为县城斑块.shp；“输入成本栅格数据”为costsurface；“输出距离栅格数据”为kedaxing；“最大距离（可选）”与“输出回溯链接栅格数据（可选）”采用默认设置。

图5-12　可达性分析结果图

需要特别注意分析区域的设定。可以直接在ArcToolbox窗口中设置，也可在“成本距离”对话框中点击“环境”，在弹出的“环境设置”对话框中定义处理范围。可将处理范围设定为与costsurface范围一致。

点击“确定”按钮，执行成本距离命令，得到累积成本距离文件kedaxing。

最后，使用分级色彩方法将累积成本距离文件kedaxing进行分类。

根据累积成本距离值除以10 000，即可换算成行进所需的时间（分钟数）。按照＜15、15～30、30～60、60～90、＞90min（对应的累积成本距离值界值分别为150 000、300 000、600 000、900 000）将可达性分为5个等级，生成可达性分析结果（图5-12）。

▷　步骤4：按照上面的过程与步骤进行上杭县其他乡镇的可达性计算，并保留好得到的可达性数据文件，以便在后面的分析中使用。