（自然地理学专业论文）基于openstreetmap的出行可达性分析与实现.pdf

上海师范大学硕士学位论文摘要 论文题目 学科专业 学位申请人 指导老师 基于o p e n s t r e e t m a p 的出行可达性分析与实现 自然地理学 陈舒燕 陈能教授江斌教授 瑞典耶夫勒大学 摘要 近年来 网络 g p s 和图形等技术的迅速发展深刻影响着地理信息的获取与 发布 产生了一种有别于传统测绘与遥感的地理数据采集方式 即普通用户在 w e b 2 o 环境中自发贡献各种地理数据的方式 这种方式使得大量地理数据不断 地被创建并且相互交叉引用 极大地缩短了地理信息获取和传播的时间 m i c h a e l g o o d c h i l d 将这种现象定义为 自发地理信息 v o l u n t e e r e dg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n v g i o p e n s t r e e t m a p 是v g i 实例中一项领先且具有深远价值的应 用 它的目标旨在建立一整套免费的覆盖全球的矢量地理数据集 由于其获取免 费 更新速度及时等特点 成为国外很多学者 学术机构开展具有创新性应用研 究的数据基础 本论文采用o p e n s t r e e t m a p o s m 数据 对欧洲范围内g b 级别的道路及公 交数据进行提取 处理 并通过网络数据模型及网络分析算法设计 实现了欧洲 范围内多种交通模式下 步行 公交 驾车 的出行可达性分析 并以在线位置信 息服务 l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e sl b s 的形式进行发布 为居民日常出行提供决策 支持 通过基于开源o s m 数据可达性应用的研究与实现 本文能为各项基于或受 限于昂贵的地理数据的研究与应用提供数据来源方面新的解决思路 同时本文还 在密集型数据 d a t a i n t e n s i v e 计算方面做了实证性的探索与尝试 通过对g b 级 另i j 4 0 g b 的欧洲数据 的数据处理与分析 实现大尺度数据的可达性分析研究 为基于密集型地理数据的应用与研究提供参考 三 利用位置信息服务 l b s 理 念来实现在出行可达性分析服务 拓展了可达性研究的应用 使之能为居民的日 常出行服务 另外 基于l b s 的可达性分析应用同时也延伸了l b s 的实现形式 关键词 o p e n s t r e e t m a p 出行可达性分析道路网络公共交通网络网络分析 论文类型 应用研究 上海师范大学硕士学位论文摘要 t i t l e aw e b b a s e da c c e s s i b i l i t ya n a l y s i ss e r v i c eu s i n go p e n s t r e e t m a pd a t a m a j o r p h y s i c a lg e o g r a p h y n a m e c h e ns h u y a n s u p e r v i s o r c h e nn e n gj i a n gb i n u n i v e r s i t yo fg a v l e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h er a p i dd e v e l o p m e n ti ng p sa n dw e b 2 0t e c h n o l o g i e sh a sp r o f o u n d i m p a c t s o ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nc r e a t i o n a s s e m b l i n ga n dd i s s e m i n a t i o n a b r a n d n e wd a t aa c q u i s i t i o nm e t h o dh a sb e e ne r m e r g i n ga st h ew i d e s p r e a de n g a g e m e n t o fl a r g en u m b e r so fp r i v a t ec i t i z e n s o f f e n 析t hl i t t l ei nt h ew a yo ff o r m a l q u a l i f i c a t i o n s i nt h ec r e a t i o no fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n m a s s i v eg e o g r a p h i c a ld a t a h a v ec o n s t a n t l yb e e ne r e a t e da n du p d a t e d a n dt h et i m ef o rg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n a c c e s sa n dd i s s e m i n a t i o ni st h u ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d m i c h a e lg o o d c h i l dt e r m e dt h i s p h e n o m e n o na sv o l u n t e e r e dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n v g i a m o n gm a n yf o r m a t so f v g i o p e n s t r e e t m a p o s m i si n t e n d e dt oc r e a t eaw o r l dm a pu s i n gf r e ed a t af r o m g p su n i t s a e r i a lp h o t o g r a p h ya n do t h e rs o u r c e s b e c a u s eo fi t sf r e ea c c e s sa n dq u i c k u p d a t e o s mh a sb e e nb e e ne m p l o y e dt oc a r r yo u ti n n o v a t i v es t u d i e sb vr e s e 孤 c h e r s a n da c a d e m i ci n s t i t u t i o n s t h i st h e s i sa d o p t so s md a t at od e v e l o paw e b b a s e da c c e s s i b i l i t ya n a l y s i sa n ds e r v i c e f o rt h eg e n e r a lp u b l i c ee x t r a c ta n dp r o c e s ss t r e e ta n dp u b l i ct r a n s p o r td a t ao ft h e e n t i r ee u r o p ew i t ho v e rd o z e n so fg i g a b y t e so fd a t a h u g eg r a p h sa r eg e n e r a t e d t h r o u g hd a t a i n t e n s i v ec o m p u t i n gb o t hf o rt h es t r e e tn e t w o r ka n dt h ep u b l i ct r a n s p o r t n e t w o r k b a s e do nt h em a s s i v ep r e p r o c e s s i n g w ec a nm a k ea p p r o p r i a t eq u e r i e ss u c h a si s o c h r o n e s p u b l i ct r a n s i t s t o p sa n dp o i n t so fi n t e r e s t t h ec o n t r i b u t i o n so ft h e t h e s i s i n c l u d e 1 a p p l i c a t i o n so fv g ii ng e n e r a la n do s mi np a r t i c u l a r f o r g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns e r v i c e s o rl o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s 2 1d a t ai n t e n s i v e g e o s p a t i a lc o m p u t i n gb a s e do nf r e ev g i a n d 3 e x t e n s i o no fa c c e s s i b i l i t ya n a l y s i s i n t ot h el o c a t i o nb a s e ds e r v i c e sf o rt h eg e n e r a lp u b l i c k e y w o r d s o p e n s t r e e t m a p t r a v e la c c e s s i b i l i t ya n a l y s i s s t r e e tn e t w o r k s p u b l i c t r a n s p o r tn e t w o r k s n e t w o r ka n a l y s i s t h e s i st y p e a p p l i e dr e s e a r c h i i 上海师范大学硕士学位论文图表目录 图表目录 图1 技术路线 6 图2 时空棱柱 8 图3 o p e n s t r e e t m a p 主界面 l 3 表1o s m 与g o o g l e 数据覆盖指数对比表 1 4 图4o s m 与g o o g l e t e l e a t l a s 街道数据覆盖专题图 1 5 图5n o d e 要素实例 w a y 的组成要素 1 6 图6n o d e 要素实例 独立的点要素 1 6 图7w a y 要素实例 17 图8c l o s e dw a y 要素实例 17 图9r e l a t i o n 要素实例 l8 图1 0 研究区域一欧洲范围 2 0 图1 1道路实例数据 2 l 图1 2 w a y 自相交 2 2 图13w a y 之间n o d e 未及 悬挂 2 3 图14w a y 之间相交无顶点 2 3 图1 5 单行道 o n e w a y 拓扑问题 2 3 图1 6 道路预处理过程中的部分数据类设计图 2 5 图1 7 基于道路网络可达性分析的数据类图 2 5 图18r o u t e e l e m e n t 组织结构图 2 6 图19r o u t e e l e m e n t 对象x m l 概念化描述 2 6 图2 0自相交拓扑纠正 2 7 图2 1r o u t e a r c 对象间相交无断点纠正 2 8 图2 2r o u t e a r c 之间的相交点处分割处理 2 9 图2 3 实际的道路数据 2 9 图2 4 基于图21 道路网络拓扑图 3 0 表2 公共交通路线成员要素 m e m b e r 说明1 3 1 表3 公共交通路线成员要素 m e m b e r 说明2 3 1 表4 公共交通路线属一i 生 t a g 说明 3 1 图2 5p u b l i ct r a n s p o r tr o u t e s 数据结构 31 图2 6 公交路线提取算法实现 3 3 图2 7 瑞典耶夫勒市公共交通路线图 3 4 图2 8 公交可视化显示与查询应用数据设计类图 3 6 v 图表闷录 上海师范大学硕士学位论文 图2 9 基于公交换乘的公交路线类图 一3 7 图3 0 公共交通数据预处理界面 3 8 图31基于o s m 的可达性分析实施框架 4 0 图3 2 分层式开发架构 4 2 图3 3可达性分析实现的架构部署 4 3 图3 4 基于道路网的出行起始点示意图 4 7 图3 5基于道路网可达性算法实现步骤1 4 9 图3 6 基于道路网可达性算法实现步骤2 5 0 图3 7 基于道路网可达性算法实现步骤3 5 0 图3 8凸包示意图 5 1 图3 9 凸包生成伪代码 5 2 图4 0 可达范围的凸包扩展描述 5 2 图4 1基于凸包的出行可达性分析结果 5 3 图4 2 基于路径树的可达性表达 5 4 图4 3点在多边形内算法伪代码 5 5 图4 4 等时线的可达性表达 5 6 图4 5 可达的服务设施与配套点信息面板 5 7 图4 6 最少换乘算法实现1 5 9 图4 7 最少换乘算法实现2 6 0 图4 8 最少换乘算法实现3 6 0 图4 9 最少换乘算法实现4 6 1 图5 0 最少换乘算法实现5 6 l 图5 l基于道路网的最优路径算法伪代码 一6 3 图5 2 公交换乘可达性分析 6 4 图5 3g a v l e 公交网络的w e b 地图显示 6 6 图5 4 公交路线地图查询 6 7 图5 5 公交站点的信息查询 6 7 v 1 上海师范大学硕士学位论文论文独创性卢明 论文使用授权声明 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意 作者签名 像舒磐 日期 j 口7 口 岁 形 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其它手段保存论文 保密的论文在解密后遵守此 规定 作者签名 予知铸彦 导师签名 7 6 日期 z o lo 箩 7 卜 海师范大学硕士学位论文第一一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景与意义 过去的2 0 年中 技术的进步与革新有力地促进了地理信息的获取 维护与 发布 其中 网络 g p s 和图形等技术的迅速发展不仅使得地理信息的传播达到 了前所未有的速度 而且还深刻影响着地理信息的获取与发布方式 特别地 近 年来网络应用经历了从早期w e b 的单向应用 允许大量的用户访问少量的w e b 站点 到双向协作 用户与网站交互 获取信息的同时提供信息为他人服务 的转 变 这种被定义为 w e b 2 0 o r e i l l y2 0 0 7 的交互式一体化的双向服务模式使 得地理数据的获取不再只局限于政府测绘部门或商业机构 而是通过用户在 w e b 2 0 环境下借助网络工具自发提供 m i c h a e lg o o d c h i l d 将这种有别于传统测 绘与遥感的地理数据采集方式定义为 自发地理信息 v o l u n t e e r e dg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n v g i g o o d c h i l d2 0 0 7 a 在一系列v g i 实例中 如w i k i m a p i a f l i c k r g o o g l em y m a p s 等 o p e n s t r e e t m a p o s m 是一项领先且具有深远价值的应用 它的主要目标是建立 一整套免费的覆盖全球的矢量地理数据集 成为免费世界地图的提供者 与传统 的g i s 系统与地图数据提供商相比 通过用户自发提供g p s 设备记录的轨迹数 据 基于影像数据的栅格矢量化数据及机构或公司捐助的矢量数据等作为数据来 源的o s m 在数据和地图服务的获取方式上更加便捷 完全免费 使用更加方便 具有更高的实效性 目前在世界的很多地方 o s m 数据已比由地图提供商提供 的数据更详细丰富 凭借其上述特性 o s m 地图图片 m a pt i l e 作为网站内容的一部分不断被权 威性质网站所引用 其中包括美国白宫官方网站和德国最高法院网站 同时 由 于其免费获取的特点 o s m 也成为国外很多学者 学术机构开展具有创新性应 用研究的数据基础 德国波恩大学基于o s m 数据进行了一系列交通网络的路由 分析在线服务 o p e n r o u t e s e r v i c e 实例研究 其中路由服务中针对步走和骑车出 行模式的出行路线设计早于g o o g l em a p s 推出的路径分析 同时提供路由服务的 范围也从最开始的德国扩展至现在的整个欧洲范围 s c h m i t ze ta 1 2 0 0 8 a 此外 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 该大学还利用o s m 开展了基于网络的三维城市建模 n e u b a u e re ta 1 2 0 0 9 1 和三维 路由导航 s c h i l l i n ge ta 1 2 0 0 8 方面的研究 德国弗里堡大学g o b e l b e c k e r 等对如 何应用o s m 数据用于灾后营救环境的模拟进行了探讨与实现 在爱尔兰国立大 学 o s m 作为基础数据应用于与位置相关的环境信息服务的提供 c i e p l u c he ta 1 2 0 0 9 此外 由于o s m 数据的丰富性 o s m 还被用于制作各类独特的专题地 图 如定向越野地图 o b r i e n2 0 0 9 滑雪路线图 骑车路线图 此外 瑞典耶夫勒大学的江斌教授基于o s m 开展了一系列在线及移动路由 信息服务的研究 本人于2 0 0 9 8 至2 0 1 0 4 在耶夫勒大学的空间信息技术系 g e o m a t i c s 进行为期8 个多月的访问学习 期间主要在江斌教授的带领与指导下 参与各项研究工作 其中主要参与的项目为f r o m t o m a p 项目 f r o m t o m a p2 0 1 0 该项目旨在采用o s m 数据为欧洲的出行者提供不同出行模式下 步行 驾车及公 交换乘 一系列在线路径信息服务 包括t 1 g e t d i r e c t i o n 功能 出行者通过选定 步行或驾车模式并在地图上提供任意确定的起始点 f r o m 点和目的地点 t o 点 系统自动提供从f r o m 点和t o 点之间的最优路径 路径最短及转弯最少 信息 该信息包括了详细的出行指示及街景照片 2 i s o c h r o n e 功能 出行者通 过选定步行或驾车模式并在地图上提供任意确定的起始点叫点 系统自动提 供5 l o 1 5 分钟等不同出行时间下根据道路网所能到达的范围服务 3 涵盖 在上述两项内容中的公交模式下公交信息显示查询与换乘功能 在该项目中 本 人作为项目组的重要开发成员 参与了部分交通道路数据的处理 负责i s o c h r o n e 功能的开发 公交数据的提取 处理及公交信息显示查询及换乘功能的实现 结合o s m 数据的上述研究与应用及本人在耶夫勒大学的主要研究工作 本 论文采用o s m 数据开展居民出行路径的可达性分析与实现研究 旨在 第一 基于o s m 数据 对交通道路网络及公共交通网络数据的提取 处理 评价进行 探讨与研究 为如何将v g i 异源数据 特别是交通道路信息 应用于不同领域提供 参考 第二 根据道路及公交网络 研究居民在一定的出行时间预算下可达性分 析及表达方法 为出行可达性分析方面的应用研究提供新的思路与方法 第三 通过在线位置信息服务 l o c m i o n b a s e ds e r v i c e sl b s 的方式 实现基于网络的多 种出行模式下 包括步行 驾车和公交换乘 的可达性分析在线表达 为居民日常 出行提供决策支持 2 卜 海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 研究状况与进展 可达性是城市与建成环境研究中一个非常重要的概念 广泛应用于城市道路 研究 城市规划 区域研究等领域 陈洁等 2 0 0 7 一直是地理学 土木建筑工 程设计 交通运输经济学 社会学等学科的研究热点 g i s 为可达性的研究提供 了很大的便捷 在g i s 系统中 城市环境中各个要素的分布得以直观显示 同时 这些要素之间的空间关系建模也能通过基于网络的地理计算实现 随着g i s 的发 展与成熟 利用g i s 进行基于交通网络的可达性分析也成为了地理学家与社会学 家研究的热点 基于距离的度量是道路交通网可达性分析中最为简单 直观的方式 同时又 是其它很多评价方法的基础 如机会累计 等值线法 t a l e n 和a n s e l i n 1 9 9 8 采 用线性距离衰减的方法研究了交通道路网络的可达性 另外 在交通道路网上的 旅行时间也可被转换成距离用于研究交通的可达性 m u r a y a m a 等 1 9 9 4 通过获取 火车时刻表的方式从旅行时间角度对铁路网络的进行可达性分析 并评估各个城 市在城市环境中的区位优势 o s u l l i v a n 等 2 0 0 0 禾1 用桌面g i s 通过在多模式 下旅行时间与距离的转换来实现公共交通的可达性分析 并以等时线的方式对分 析结果进行可视化表达 在城市间交通网络中 道路网的旅行时间还可以通过车 流分析获得的道路车行速度进行推算获得 l i n e k e r s p e n c e1 9 9 2 s p e n c e l i n n k e k e r1 9 9 4 此外也可根据不同的道路等级推算对应的限速 m a r c h a n d 1 9 7 3 除以上主要基于距离的可达性分析以外 不少学者还将g i s 技术与时间地理 学的概念相结合来研究城市道路的可达性 犹他州大学h a r v e ym i l l e r 1 9 9 1 通过 g i s 设计了一种基于交通网络的时空可达性算法来评估运输系统的性能 并指 出 潜在路径区 在概念上类似于通过沿弧和顶点的网络系统连接的潜在道路 可到达的区域 k w a n 1 9 9 9 借助g i s 和从俄亥俄 f r a n k l i n 市的5 0 户的旅行日记评 价了三种时空可达性评价方法 一些可行的棱镜 在棱镜中的加权求和的机会 以及网络的弧的长度 在公共交通的可达性分析中 o s u l l i v a n 2 0 0 0 等结合时 空方法对假定情况下个人在一定时间限制下从一个区位达到另一个区位过程中 周边的可达情况进行研究 结果显示与其它地方的设施相比 位于公交路线周围 的设施的可达性更高 w e b e r 1 k w a n 2 0 0 2 基于a r c i n f o 幂i a r c v i e wg i s 从交通拥 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 堵造成的旅行时间变量来研究个体在城市道路网中的时空可达性及根据城市设 施如商店等的开放时间来研究改进个体的可达性的定量评价方法 上述道路交通网可达性的研究皆基于g i s 桌面平台 其研究成果在实际应用 中的推广也有局限性 s o b e k 矛l l m i l l e r 2 0 0 6 针对一般受众 残障人士 开发了基于 网络的路由及可达性分析系统 方便残障人士在线应用这项路由服务进行日常无 障碍路径的选择及方便规划者对现有无障碍设施进行评价 n e i s 等 2 0 0 7 在o g c w m s 和w s 的o p e n l s 等开放规范下实现了可达性分析的服务开发 可达性在研究基于交通可达性方面呈现个人可达性与时空要素的结合的趋 势 另外 随着网络技术的发展应用层面逐步从研究人员向面向大众的服务方式 转变 可以预见将有更多的可达性分析作为基于网络的空间决策支持功能的一部 分服务于人们的日常生活 1 3 可达性分析研究拟解决的关键问题 1 o s m 道路与公共交通网络图的建立 交通网络图 包括道路网与公共交通网 是出行路径可达性分析的核心 图将 交通网络表示为顶点与边的关系 如道路交叉点可以抽象成为顶点 在两个交叉 点之间的路段就可以通过边来表示 另外也可以将道路交叉点之间的路段抽象为 独立的顶点 与别的路段的连接情况用边来表示 这种图的建立需要通过拓扑结 构的生成来完成 拓扑用于表示点 折线和多边形之间的连接或相邻的空间关系 拓扑生成不仅是对数据错误进行检测和纠正的有力工具 也是网络分析的必要条 件 在o s m 采集制作过程中 拓扑结构已经作为重要的方面考虑进来 尽管如 此 原始道路数据 h i g h w a y 中仍然存在未及 悬挂 自覆盖等拓扑错误 因而 生成交通图 包含了两方面的内容 一 对数据进行拓扑错误纠正的预处理 二 拓扑关系的生成 由于o s m 数据基于x m l 格式及可达性分析实现采用的数据 模型 x m l 在论文中图的生成不依赖于传统的g i s 环境 如a r c g i s 而是通过 程序直接对x m l 格式数据进行处理并自动生成 因而设计交通网络数据模型及 公交网络模型 建立数据拓扑规则 生成图等是本研究需要解决的关键问题之一 2 可达性度量到最短路径 最短时间 与可达区域表示算法的设计 4 上海师范大学硕士学位论文第 章绪论 根据不同的可达性评价理论 探讨并分析适用于本研究 基于交通道路网 的 评价方法 是实施可达性分析的前提 在确定可达性度量方法的基础上 需要将 较复杂的度量方法抽象到图的最短路径问题 如实现时间成本与距离的转换 道 路限速的计算等等 而最短路径的算法设计不仅会影响实施效率 因为在本研究 中 用于计算的数据将涵盖整个欧洲的道路交通网 还将影响到后续的可达区 域算法实现 基于网络的最短路径遍历完成后 需要设计可达区域可视化表达算 法用于整合路径信息并生成合理的可达区域 上述问题都是本研究需要解决的关 键问题 3 可达性分析的基于在线位置信息服务方式的实现 选择o p e n l a y e r s 作为w e b 地图应用的开发应用的主要开源工具 并结合利 用a j a x 技术作为的前端支持 搭建基于网络的l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e 架构 j i a n g y a o2 0 0 6 并实现在线的可达性分析信息服务 1 4 论文组织结构与技术路线 本论文的组织结构主要分为5 部分 技术路线见下图1 第一章 即本章 为绪论 主要阐述了基于o s m 开源数据的多模式出行可达 性分析研究的应用背景及理论意义 并对可达性 基于g i s 可达性及其在道路 网中的应用分析的研究进行评述 提出本研究着重需要解决的问题 第二章对可达性度量和可达性分析的基本概念与理论进行介绍与总结 提出 并探讨了本研究中采用的方法 第三章结合v g i 数据的特点 对o s m 项目 o s m 的数据格式 数据质量 及质量评价进行介绍 并着重阐述与本论文可达性分析相关的道路数据和公共交 通路线数据的获取 数据模型设计 拓扑错误纠正及根据数据模型的拓扑关系生 成并生成最终用于网络分析的图数据等一系列数据的生成与处理过程 第四章中对基于o s m 数据的出行可达性分析在线服务方式的实现架构设 计 实现的技术路线 基于网络分析的主要算法进行了详细地阐述与说明 并根 据实现方式及算法设计对可达性分析及其基于l b s 的可达性分析服务进行了实 施 第五章总结了本研究的主要研究成果与主要的创新点 并对进一步的改进进 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 行了展望 图1 技术路线 6 上海师范大学硕士学位论文第二章可达性分析的基本概念与理论 第二章可达性分析的基本概念与理论 2 1 可达性分析基本理论与方法 2 1 1 评价方法 可达性分析指的是人们通过一定的交通方式从给定地点到达某一地点参与 特定活动或一系列活动的便捷程度或者某一活动或地点能被接近的难易程度 h a n s o n1 9 8 6 可达性广泛应用于城市道路研究 城市规划 区域研究等领域 尽管其定义得到较一致的认可 但可达性在不同的应用中却具有不同的评价方法 与指标 不同的学者根据各自的研究领域对可达性有着不同的理解 因而对其的 评价方法与度量指标也各不相同 g e u r s 等 2 0 0 1 将各种不同的可达性度量方法与 模型归纳为三大类 1 基于设施的可达性评价 主要应用于交通与设施规划领域 具体的评价 指标包括了距离 旅行时间 旅行成本及旅行所耗的精力 2 基于活动的评价 适用于城市规划与地理学研究 具体评价方式包括了 距离方式 等值线方式 潜力模型 空间交互及时空可达性等 其中等值线与潜 能模型是最常用的度量方式 一 3 基于效能的可达性评价 主要适用于经济学领域 这些评价方法中包括了很多具体的计算方法 在很多文献都有相关说明 但 很长一段时间 这其中的很多评价指标还是停留在理论基础上或者只局限于区域 研究 h a l d e ne ta 1 2 0 0 5 因为评估的准确与否很大程度上依赖于对城市环境与活 动准确表示 正如本文绪论中提到的 g i s 的发展 为可达性研究提供了很大的 便捷 利用g i s 进行个体可达性分析也因而成为一个重要的研究主题 2 1 2 时空可达性 时空可达性是一种注重个体在特定的时空约束下的可达性研究方法 该方法 强调在一定的情景下来真实评估区域可达性需要将时间约束考虑进来 关于时空 可达性的解释 o s u l l i v a n 等 2 0 0 0 应用一个生动而易于理解的实例进行了说明 7 第二章可达性分析的基本概念与理论上海师范大学硕士学位论文 即在某一区位周围分布有一系列在1 个小时内能到达服务设施点 但如果居民需 要到达某一个特定的地方 但又没有其它时间预算能让他重新回到出发点来获取 其周围的服务时 对于这位居民来讲以上很多服务设施都是不可达的 这种强调 人本位的时窄可达性分析方法最初起源于瑞典地理学家哈格斯特朗 t o r s t e n h a g e r s t r a n d 及其隆德大学的合作者在6 0 年代末提出并倡导的时间地理学理论 t i m e g e o g r a p h y 该理论是一种面向微观人文现象的研究方法 用于研究在各 种情况制约下人的与空间有关的行为所呈现的时空特征 柴彦威1 9 9 8 其核心 概念为时空路径和时空棱镜 见图2 t i m et i m e 刁 aab 叠 b 图2 时空棱柱 在可达性分析中 基于时间地理学的时空法将可达性定义为既在规定的时间 内 又能到达特定的目的地的前提下 各种机会获取的难易程度 h a l d e ne ta 1 2 0 0 5 这种时空法高度依赖于个人数据 如旅行日记等 及对城市环境的详细表征 w e b e r k w a n2 0 0 2 比起其它度量指标 时空法更有助于实际问题的理解和决策 但这种方法的 缺点就在于需要的个人数据 如旅行日记 往往不容易获取 时间约束也难于建立 g e u r se ta 1 2 0 0 1 因而在数据缺乏的情况下很难实现对可达性的分析 8 上海师范大学硕士学位论文第二章可达性分析的基本概念与理论 2 2 基于交通道路网的可达性分析 2 2 1 等时线与等时区域 等时线 i s o c h r o n e 正如其字面意思 指的是在一条用于反映相同的时间量 的线 等时线地图的产生时间很难追溯 但m o n k h o u s e 和w i l k i n s o n 1 9 7 1 可以 引用到绘制于上世纪3 0 年代的等时线地图 足见其历史 等时线在交通领域的 应用并不鲜见 早在上世纪5 0 年代等时线地图就被应用于辅助城市公交规划 但在后来的计量地理 道路研究和网络分析等这样的热门领域中的应用却很少出 现 反而出现在一些关注相对较少的人口潜力研究 通勤比例研究 道路可达性 分级等领域 f o r e r 和k i v e l l 1 9 8 1 利用时空方法通过推算合理的等时线来评估城市设施 对于不配备小汽车的家庭妇女的可达性 由此引起了其它学者对等时线在交通可 达性方面的研究兴趣 基于上述应用 o s u l l i v a n 等 2 0 0 0 将等时线与等时区域 应用于研究分析公交线路的可达性 在该研究中 等时线用于将从某一点出发经 过相同的旅行时间的点集连接起来 而等时区域 i s o c h r o n ea r e a 贝l j 代表了在一定 时间内所有能到达的等时线内点的集合 其具体的实现主要依托g i s 环境 a r c v i e w 进行 作者首先根据公交时刻表及既定旅行时间计算得到从指定点到 达各个公交或火车站点所花费的时间 再利用每一个站点对应的时间和空间数据 来生成等时线和等时区域 其中等时区域的生成作者提供了两种基于a r c v i e w 的 实现方式 一是点的缓冲区的叠置 二是通过网络分析功能中f i n d s e r v i c e a r e a 2 2 2 潜在路径树 潜在路径树 p o t e n t i a lp a t ht r e e p p t 是一种基于交通网络的可达性表示方 式 该方法利用网络中顶点和弧段组成的网络子树表示在一定的时间预算下从某 一固定活动地点出发的交通可达范围 这种方法是由m i l l e r 1 9 9 1 为改善时空可 达性表达的真实感和时空棱镜方法的适用性而提出 该方法不同于之前简单的基 于道路几何特性的评价方式 将道路的通行速度作为可达性的重要因素纳入评价 范围 在p p t 中通常将旅行出发点作为树的根 当然 根同时也可以是旅行的 9 第二章可达性分析的基本概念与理论一卜海师范大学硕士学位论文 目的 k w a n 和h o n g 1 9 9 8 从认知约束角度对p p t 进行了扩展研究 m i l l e r 和 w u 2 0 0 0 设计了专门的g i s 软件包用于实现p p t 特别地针对动态交通网络开 发了基于时空可达性评价的工具 w u m i l l e r2 0 0 1 并提供了一个详细的基于 城市交通网络的分析实例 另外该作者还提出了将潜在路径树扩展至潜在动态网 络区域 d y n a m i cp o t e n t i a ln e t w o r ka r e a 的研究方向 1 0 上海师范大学硕士学位论文第i 章基于o s m 的交通道路网络与公交网络数据 第三章基于o s m 的交通道路网络与公交 网络数据 3 1 自发地理信息与o p e n s t r e e t m a p 项目 3 1 1 自发地理信息 正如在第一章绪论中提到的 v g i 模式是一种有别于传统测绘与遥感的地理 数据采集方式 该模式主要是在w e b 2 0 技术支持下迅速发展起来的 是用户生 成内容 u s e rg e n e r a t e dc o n t e n t 这一网络现象在地理信息领域的应用与表现 在 这种模式下 普通用户在w e b 2 0 环境中自发贡献各种地理数据 使得大量地理 数据不断地被创建并且相互交叉引用 极大地缩短了地理信息获取和传播的时 间 g o o d c h i l d 2 0 0 7 a 盛赞其为 c i t i z e n sa ss e n s o r s 他指出公民作为地理数 据的传感器 具有得天独厚的优势 因为每个人从幼年时代起就开始获得空间知 识 至成年之时已对其所生活和工作的周遭环境 其曾经游历过或访问过的地区 有了详尽的理解 这其中包括极难用自动化手段获取的专题信息 如地名 地形 地貌特征等等 而这些信息对于对该地区陌生的专业g i s 团队来说往往需要通 过数月甚至于数年时间的勘察以及走访 才能对逐渐熟悉并且形成地理信息数 据 人人都是传感器 的思路打破了这样的传统 它有效地整合了位于世界各 个角落的人们已经感知到的自己周围的世界的各种信息 并且可以辅以g p s 等 个人终端设备予以分享和传播 目前很多v g i 模式的网站被不断设计与创建 用于地理信息的发布与共享 其中维基地图 h t t p h w w w w i k i m a p i a o r g 就是典型的一个v g i 例子 它允许市民 提供他们自己感兴趣地点的描述和这些地点的位置信息 在 f l i c k r h t t p l l w w w f l i c k r c o m 通过v g i 方式共享的基于地理参照信息的照片已超 过4 0 亿张 另外 g o o g l em y m a p s 也作为典型的v g i 应用被不断引用 而作为 本论文中数据来源o p e n s t r e e t m a p 则是作为v g i 更高层次的应用与实施 关于 o s m 的介绍将在下一节中展开 第 三章基于o s m 的交通道路网络与公交嘲络数据上海师范大学硕士学位论文 3 1 2o p e n s t r e e t m a p 项目 o p e n s t r e e t m a p 项目是一项领先且具深远价值的v g i 应用实例 它是一个开 放源码 允许在线编辑的免费世界地图 o s m 项目首先由s t e v ec o a s t 于2 0 0 4 年在英国伦敦大学学院发起 尽管现在c o a s t 已经开始经营他自己的公司 但是 伦敦大学学院还是支持着整个项目的服务器等基础设备和设施 h a k l a y w e b e r 2 0 0 8 由于拥有伦敦大学学院强大的基础技术设备以及核心团队的支持 越来 越多的技术工作者通过网络协同合作进行各种开发 以提升o s m 各方面的性能 随之 越来越多的普通用户也参与到o s m 项目中来 到2 0 1 0 年3 月 o s m 的 在线注册用户数已最初 2 0 0 5 年8 月统计 的十几人迅速增长至近2 4 万 w i l d o p e n s t r e e t m a p2 0 1 0 随着o s m 本身的进一步发展及不同研究与应用对于 地理数据获取的需求的不断增长 可以预见这一数值仍将保持不断增长的趋势 o s m 项目通过o s m 网站 w w w o p e n s t r e e t m a p o r g 见图3 向公众提供了类 似与g o o g l em a p s 的地图交互式浏览 v i e w 地图数据在线编辑 e d i t 数据编辑 历史记录查询 h i s t o r y 地图数据输出 e x p o 哟 g p s 轨迹数据上传与查询 g p s t r a c e s 用户日记发表 u s e rd i a r i e s 及w i l i 方式的帮助说明 h e l p w i k i 等主要 功能 其中网站中基于浏览器的在线地图数据编辑工具 p o t l a t c h 使得用户 只要通过账户申请与登陆 即可对数据进行g p x g p s 轨迹数据类型 上传 基础 地图数据查看 基于捐献及免费的影像数据 包括y a h o o i m a g e r y l a n d s a t l 均数 据矢量化制作及数据编辑等操作 除p o t l a t c h 以外 其他数据编辑工具还包括了 j o s m 及m e r k a a r t o r 这些地图数据编辑工具都具有良好的界面环境 方便的数 据操作及详细的使用介绍 极大地方便了用户对地理数据的贡献 1 2 j 海师范大学硕士学位论文第 章丛于o s m 的变通道路网络与公交网络数据 翻3o p e a s t r e e t m a p 主界面 通过上述影像数据矢量化及g p x 轨迹数据采集等用户数据制作方式外 o s m 矢量数据还来源于机构或组织捐献及提供的免费数据 如o s m 中整个美国 的道路为t i g e r 数据 在荷兰 道路数据主要来源于a n d a u t o m o t i v e n a v i g a t i o n d a t a 公司的捐献 另外政府部门也参与到o s m 数据制作 如以色列等 h a l d a y w e b e r 2 0 0 8 a 数据免费 更新及时和在欠发达及敏感地区数据的可获得性等特点 使得 o s m 项目越来越受到普通大众 学者 学术机构及商业机构乃至政府部门的重 视与关注 3 2 0 s m 数据 3 2 1o s m 数据质量 数据质量用于描述与评价数据在各项应用中的适用程度 空间数据作为地理 信息领域各项应用和研究的基础 其质量问题深刻影响着决策和研究成果的准确 性与可靠性 因而空间数据质量研究一直备受学者们的关注 v g i 模式的数据采集与制作不同于传统的专业数据生产 数据的生产往往是 由业余者完成 而这些数据生产者往往都未或者很少受过数据生产质量控制的相 关培训 另外数据提供者往往关注自身的兴趣点 数据制作过程相对独立 很少 第 三章基于o s m 的交通道路网络与公交网络数据上海师范大学硕士学位论文 会遵循数据采集 制作和使用等质量控制规范 因而在这种不同于传统的数据获 取方式下的空间数据质量问题及对数据质量的保证成为了自发地理信息应用与 研究中的一个核心问题 g o o d c h i l d2 0 0 7 b o s m 项目作为v g i 中一个突出的实例 其数据质量问题开始为学者们所探 讨和研究 c h e r d l u 2 0 0 7 结合上述部分标准开展了o s m 数据与各种商业数据如 t e l ea t l a s a n d 导航数据的对比研究 并提出了o s m 数据在路径规划 路由 选择等应用方面的可适用性 a l e xm a u e r 2 0 0 8 结合数据完整性要求 对o s m 数据和g o o g l e t e l e a t l a s 数据在世界各大洲的覆盖情况进行统计分析 结果显示 见表1 覆盖情况分5 级 0 代表无数据 5 表示数据全覆盖 作为本论文中 主要研究数据的o s m 欧洲数据其覆盖程度较大幅度地超过g o o g l e f f e l e a t l a s 数 据 特别是欧洲的首都城市 o s m 数据几乎实现了全覆盖 瓦杜兹除外 在亚洲 和非洲o s m 的覆盖率也略高于g o o g l e 而在南美与北美洲o s m 的覆盖程度则 落后于g o o g l e 很多 另外g o