CN114880819B - 基于城镇节点重要度与交通区位线研究的空间优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了基于城镇节点重要度与交通区位线研究的空间优化方法，包括以下四个步骤：1、城镇节点重要度计算形成判断节点层次；2、构建区位线网络备选方案；3、城镇间联系路线和路段重要度计算并形成分层级的区位线网络等级方案；4、建立国土空间中城镇等级、发展轴廊等级的城镇空间优化方案。该方法优于基于经验判断的直线连接法，不必依赖快速发展阶段薄弱的流量基础信息，是对传统区位布局的改进和深化，主要利用了基于区域城镇体系中城镇节点的分析结果，使区位理论应用在区域交通网络布局时专门针对城镇体系构建，另外也通过节点重要度计算结果定量比较区位线的差异，可以给规划者提供更多具备理想交通网络信息的备选方案，在此基础上，规划者再结合现状交通网络，进行交通网络的布局，使所得结果集两种方法之所长，取得更好的效果。

Description

基于城镇节点重要度与交通区位线研究的空间优化方法
技术领域
本发明涉及国土空间规划技术领域，尤其是涉及一种城市空间格局分析的技术。
背景技术
传统空间规划常采用城市重要度模型或交通区位法布局进行空间格局优化方法。城市重要度模型依据交通区位理论与节点重要度原理，定量分析区域综合交通网络的格局及确定重要网络节点城市，实际应用中，难以体现城市等级与交通区位的关系，可能存在重要城市没有匹配最优交通条件的情况。交通区位法布局通过分析规划区域的经济地理特征、经济发展模式、资源分布和需求情况，找出交通产生可能性最大的地带，作为线路布局走向的依据来布设交通干线。存在量化度较差和中小尺度区域适用度较低等问题。
在新时期国土空间规划背景与要求下，仅使用一种方法难以科学地得出空间优化的方案，或者城镇等级没有与相应的交通区位匹配，或者交通联系线没有最大化地服务城镇，均存在显著缺点。为此，设计一种基于城市重要度与交通区位线协同的国土空间格局优化方法，提升国土空间规划中城镇空间布局合理性与科学性，促进国土空间格局优化发展，具有现实意义和良好应用前景。
发明内容
本发明旨在通过对城市重要度和交通区位线两种模型的协同分析，对国土空间规划中城镇空间布局提出更加科学合理的建议。
城镇节点重要度布局由已存在的节点各项指标分析出节点重要度大小，据此布设出的交通网络是一种基于现状经济社会条件的均衡网络。交通区位线是地理因素赋予发展交通运输的一种潜在优势，这种优势不会因社会经济发展的必然性及历史选择的偶然性而丧失或增加，由这种潜在优势布设的线路有利于满足未来交通需求并有利于带动经济节点量的增长。因此两种方法的结合是优势互补。同时，交通区位线是以地形、地貌和空间为主变量，以社会历史、地理变化为背景确定的一种大概率原理线，而不是规划线，在运用中可结合节点重要度理论的路线重要度计算结果，进一步明确区位线的相对重要性。由此，并经过细致的试验与对比后，将节点重要度法与交通区位线法协同为一种用于优化城镇空间格局的方法。
本发明通过以下技术方案实现：
基于城镇节点重要度与交通区位线研究的空间优化方法，包括以下四个步骤：
A)、城镇节点重要度计算形成判断节点层次；
B)、构建区位线网络备选方案；
C)、城镇间联系路线和路段重要度计算并形成分层级的区位线网络等级方案；
D)、建立国土空间中城镇等级、发展轴廊等级的城镇空间优化方案；
其中，步骤A)分为以下四个步骤：
A-1)、通过人工输入，确定城镇节点；
A-2)、选择城镇节点重要度分析的评价指标；
A-3)、通过模型计算城镇节点重要度；
A-4)、应用聚类分析的方法，划分出城镇节点的等级层次，判断是否满意，不满意则返回A-1)步骤重新计算，直至满意，输出城镇节点重要度，进入步骤B)；
步骤B)分为以下三个步骤：
B-1)、交通区位线图示标注；
B-2)、交通区位线优化；
B-3)、判断B-2)步骤的交通布局结果是否满意，不满意则通过人为经验的干预和补充再次输出最优交通布局，直至满意，输出区位线网络方案，进入步骤C)；
步骤C)分为以下三个步骤：
C-1)、根据步骤B构建的交通区位线，开展路段、路线重要度计算；
C-2)、将路段、路线重要度计算结果进行聚类分析，并标注到分析图；
C-3)、按照路段重要度聚类分析的层次，构建分层级的区位线网络等级方案，进入步骤D)；
步骤D)分为以下两个步骤：
D-1)、对比现状国土空间格局，选取核心城市、重要发展轴廊；
D-2)、建立国土空间中关于城镇空间格局的优化方案。
优选的，所述步骤A)的城镇节点重要度的计算采用主成分分析法。
优选的，所述城镇节点重要度模型公式为：
Figure BDA0003566684680000031
式中，
Figure BDA0003566684680000032
式中:n为节点数量；m为所选取的评价指标数量
pij为节点i处j(j＝1，2，...，m)指标值
ωj为下表1中各项指标所占的权重
K为第k个节点。
优选的，步骤C-1)中路段重要度模型公式为：
Figure BDA0003566684680000033
式中：IMij——城镇节点i与j之间的路段重要度；
INijk——城镇节点i与j间路线中第k个路段的重要度；
m——组成路线的路段数；
Lk——第k个路程的里程，单位km；
Lij——路线的里程。
优选的，步骤C-1)中路线重要度模型公式为：
Figure BDA0003566684680000034
式中：
INij——节点i与j之间的路段重要度；
Ii——节点i所属城镇节点的重要度；
Ij——节点j所属城镇节点的重要度；
Lk——节点i与j之间路段的空间距离(km)；
与现有技术相比，本发明优于基于经验判断的直线连接法，不必依赖快速发展阶段薄弱的流量基础信息，是对传统区位布局的改进和深化，主要利用了基于区域城镇体系中城镇节点的分析结果，使区位理论应用在区域交通网络布局时专门针对城镇体系构建，另外也通过节点重要度计算结果定量比较区位线的差异，可以给规划者提供更多具备理想交通网络信息的备选方案，在此基础上，规划者再结合现状交通网络，进行交通网络的布局，可以使所得结果集两种方法之所长，取得更好的效果。
附图说明
图1为城镇重要度与交通区位线协同方法的基本流程图
图2为构建节点层次工作流程图
图3为三种交通区位线布局示意图
图4为云南省综合交通区位线分析图示例
图5为构建理想的区位线网络备选方案工作流程图
图6为形成分层级的区位线网络等级方案工作流程图
图7为城镇空间格局优化工作流程图
具体实施方式
1、城镇节点重要度的计算，构建节点层次
采用主成分分析法，具体步骤如下：
第一步：确定节点。节点划分的粗细，直接影响到规划的深度，划分太粗，脱离实际，影响精度，划分太细，会使计算量太大，太过复杂，不能突出重点。实践中，可根据巴雷特定律，选择具有区域代表性的约1/3城镇进行模型分析。
第二步：选择城镇节点重要度分析的评价指标。所选取的评价指标首先用比较全面，并在权重上充分反映城市的发展特色、特征和潜力的指标。在本阶段，定性分析是定量分析的重要辅助。
第三步：通过模型进行计算。
第四步：应用聚类分析的方法，划分出城镇节点的等级层次。
城镇节点重要度模型公式
Figure BDA0003566684680000051
式中，
Figure BDA0003566684680000052
式中:n为节点数量；m为所选取的评价指标数量
pij为节点i处j(j＝1，2，...，m)指标值
ωj为下表1中各项指标所占的权重
K为第k个节点。
以各因子的信息贡献率作为加重权数计算各城市的综合测评得分。
表1城镇节点重要度分析的评价指标表
Figure BDA0003566684680000053
2、交通区位线布局，构建理想的区位线网络备选方案
(1)交通区位线原理
交通区位线是一种将交通线在地理上的高发地带标示出来的一条原理线，表示的是一种地理上必然性因素起着支配作用而发生的地理现象。交通区位线与实际上形态各异的交通线是不同的，它不受微观的地形、地貌特征的约束，只受宏观因素(如城市、能源基地、水文、军事、政治等)的影响，是交通线在地理上高发地带中的一些节点(城、镇等)间的几何联系线，常具有百年、甚至千年不变的特征。在交通区位线上建设哪种方式的交通线、线路的等级如何都是可以变化的，这些变化受经济社会因素和科技因素的影响。交通区位线是交通现象在地理上的高发场所，是一条大概率发生交通的原理线，随着时代的发展，在时机成熟时，交通区位线最终将变成公路或铁路等交通实体线。
(2)交通区位线布局
交通区位线按其几何属性可分为交通区位径线、交通区位射线和交通区位环线。其中，交通区位径线是区域交通区位纵线(南北向)与交通区位横线(东西向)的总称；交通区位射线是指从某级区域中心出发，向其腹地延伸的交通高发带。交通区位环线分为城市交通区位环线、城市群交通区位环线和环区域交通区位环线三种，如图3所示。
如果相邻同层次的两个政区的射线(如州市到所辖各县城的区位射线)的两端节点之间的拥有最短距离时，只要地理条件许可，就应将这些距离最近的断头路连接起来，这样就可变原来的树形区位网络为多回路的区位网络。这种多回路的交通区位网络结构不仅可保证交通运输时间和费用的节约，还可大大提高网络的可靠性。
由系统论可知，系统必须要有核，它是系统的调控中心。在社会地理系统中，各级中心就是首都、直辖市、省会、地级市(州)、县(市、区)城等。凡从首都到各省会的最捷径交通线都是最重要的一级交通线，各省是国家下一级相对独立的区域系统。所有省与所辖市(州)间联系的射线是省级区域内最高等级的内部区位线，所有省辖市(州)节点间的联系形成省内高等级区位线。依此类推，市(州)与其所辖县(市、区)城市之间，以及所辖县城之间也是如此进行同样区位线联系，其区位线级别需依次降低。由此，得出各不同层级的交通区位线。
3、城市间的联系路段和路线重要度计算，形成分层级的区位线网络等级方案
(1)城市间的联系路段重要度模型原理
路段重要度法的原理：在分析区域内主要城镇节点重要度的基础上，应用万有引力原理，对城市之间的联系交通线进行模型计算。全部过程如下：将城市间可能或实际的交通网络简化为抽象交通网络，选择能反映城镇节点重要度的各项指标，通过主成分分析法修正分指标之间的相互关系，并得出其权重，计算各城镇节点的重要度；然后以此为基础，通过系统聚类分析，将城镇节点分类，并运用图论求解城市之间交通网络的最优树(最优交通布局)，在城市之间交通网络最优树的基础上，运用逐层展开交通网络布局的方法，最终形成规划区域的基于城镇体系布局的交通网络布局。
第一步：根据节点层次，确定交通联系线。交通联系线是一种将交通线在地理上的可能发生空间标示出来的原理线，其确定遵循三个原则：就近连接；政区内逐级连接；跨政区平级连接。
第二步：根据模型开展路段、路线重要度计算。
第三步：图面标示。将路段重要度计算结果进行聚类分析，并标注到分析图。
第四步：最优树求解。应用分形原理，基于图示，根据路段现状及其综合自然地理特征，按照路段重要度聚类分析的层次，逐层展开基于区域内的路段重要度的最优交通布局。
(2)路段重要度计算模型
Figure BDA0003566684680000071
式中：
INij——节点i与j之间的路段重要度；
Ii——节点i所属城镇节点的重要度；
Ij——节点j所属城镇节点的重要度；
Lk——节点i与j之间路段的空间距离(km)；
α——道路行政级别和城镇人口规模修正系数，修正值详表2。
α的确定：
α＝α1*α2(α1为行政级别参数、α2为城镇人口规模参数)
表2道路行政级别和城镇人口规模修正系数确定表
Figure BDA0003566684680000072
Figure BDA0003566684680000081
(3)城市间联系路线重要度计算
交通网络中的路线是由多个不同的路段所组成，因此路线重要度为组成路线若干路段的重要度的加权(里程权)平均值，即
Figure BDA0003566684680000082
式中：IMij——节点i与j之间的路段重要度；
INijk——节点i与j间路线中第k个路段的重要度；
m——组成路线的路段数；
Lk——第k个路程的里程(km)；
Lij——路线的里程。
通过计算得出路段重要度数值，逐层求解交通网络路线重要度。在现状路线的基础上，以路线重要度最大为优化目标数。不满意则通过综合交通网络布局原则的指导下，经过逐层优化连线和专家经验构思的有益补充，直到各层次路线数量达到完善交通网络的目标。
4、建立国土空间中关于城镇空间格局的优化方案
分层级区位线网络等级方案协助规划者者识别或分析国土空间中的核心城市、重要轴线、廊道，从上述步骤形成的城镇核心、重要轴线、重要廊道的分布，结合国土空间现状格局获得城镇空间格局优化方案，如果结果满意则直接输出，如果不满意可结合专家经验构思和政策因素干预后获得最优方案。
城镇节点重要度计算结果，可帮助规划者识别或分析国土空间中的核心城市，交通区位线可帮助规划者构建理想的交通网络，联系路段重要度和路线重要度计算，可帮助规划者分析重要轴线、廊道，从上述步骤形成的城镇核心、重要轴线、重要廊道的分布，结合国土空间现状格局，提出国土空间格局中的城镇各级核心、节点，各级轴线、廊道的构建思路，指导国土空间发展。

Claims (2)

1.基于城镇节点重要度与交通区位线研究的空间优化方法，其特征在于包括以下四个步骤：
A)、城镇节点重要度计算形成判断节点层次；
B)、构建区位线网络备选方案；
C)、城镇间联系路线和路段重要度计算并形成分层级的区位线网络等级方案；
D)、建立国土空间中城镇等级、发展轴廊等级的城镇空间优化方案；
其中，步骤A)分为以下四个步骤：
A-1)、通过人工输入，确定城镇节点；
A-2)、选择城镇节点重要度分析的评价指标；
A-3)、通过模型计算城镇节点重要度；
所述模型为城镇节点重要度模型，其公式为：
Figure FDA0003905808280000011
式中，
Figure FDA0003905808280000012
式中：n为节点数量；m为所选取的评价指标数量
pij为节点i处j(j＝1，2，...，m)指标值
ωj为下表1中各项指标所占的权重
K为第k个节点；
A-4)、应用聚类分析的方法，划分出城镇节点的等级层次，判断是否满意，不满意则返回A-1)步骤重新计算，直至满意，输出城镇节点重要度，进入步骤B)；
步骤B)分为以下三个步骤：
B-1)、交通区位线图示标注；
B-2)、交通区位线优化；
B-3)、判断B-2)步骤的交通布局结果是否满意，不满意则通过人为经验的干预和补充再次输出最优交通布局，直至满意，输出区位线网络方案，进入步骤C)；
步骤C)分为以下三个步骤：
C-1)、根据步骤B构建的交通区位线，开展路段、路线重要度计算；
所述路段重要度计算的具体公式为：
Figure FDA0003905808280000021
式中：
INij——节点i与j之间的路段重要度；
Ii——节点i所属城镇节点的重要度；
Ij——节点j所属城镇节点的重要度；
Lk——节点i与j之间路段的空间距离(km)；
α——道路行政级别和城镇人口规模修正系数；
所述路线重要度计算的具体公式为：
Figure FDA0003905808280000022
式中：
IMij——城镇节点i与j之间的路段重要度；
INijk——城镇节点i与j间路线中第k个路段的重要度；
m——组成路线的路段数；
Lk——第k个路程的里程，单位km；
Lij——路线的里程；
C-2)、将路段、路线重要度计算结果进行聚类分析，并标注到分析图；
C-3)、按照路段重要度聚类分析的层次，构建分层级的区位线网络等级，具体为：通过计算得出路段重要度数值，逐层求解交通网络路线重要度，在现状路线的基础上，以路线重要度最大为优化目标数；不满意则通过综合交通网络布局原则的指导下，经过逐层优化连线和专家经验构思的有益补充，直到各层次路线数量达到完善交通网络的目标，进入步骤D)；
步骤D)分为以下两个步骤：
D-1)、依据A-4)城镇节点重要度计算结果进行数值排序，结合国土空间格局现状，选取核心城市；依据C-3)构建的分层级的区位线网络等级，选取重要发展轴廊，结果满意则直接输出；
D-2)、结果不满意，结合专家经验构思和政策因素干预后获得最优方案。
2.根据权利要求1所述的基于城镇节点重要度与交通区位线研究的空间优化方法，其特征在于：步骤A)所述的城镇节点重要度的计算采用主成分分析法。
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