一种计算城市公共设施覆盖辐射指数的方法与流程

本发明涉及一种城市公共设施规划方法，具体涉及一种计算城市公共设施覆盖辐射指数的方法，属于城市规划和地理信息系统技术领域。

背景技术：

城市公共设施是城市社会性服务业的依托载体，是为市民提供公共服务产品的各种公共性、服务性设施，具体包括教育、医疗卫生、文化、体育、交通、社会福利与保障、行政管理与社区服务、邮政电信和商业金融服务等设施。公共服务设施对于满足人们日益增长的物质和文化生活需要及全面提升生活品质起着至关重要的作用。因此，公共服务设施的公平配置就成为其规划和布局的重要目标，尤其是在基本公共服务均等化的政策背景下，这一目标显得更为重要。

现有的评价公共设施均衡性的方法一般都是通过计算空间可达性来实现的，主要以下几种：(1)比例法，该方法计算服务资源总量(设施数量、服务数量等)与服务人口总量的比值，比值越大，可达性越好；(2)最近距离法，它假设居民始终选择最邻近的公共设施，距离越近，可达性越好；(3)胡弗(Huff)模型法。

但是，比例法无法揭示较大研究单元内部可达性变化，仅适合评价公共设施的区域(如不同省、市、县)之间的分布差异；最近距离法忽略了居民对设施规模等其他因素的考虑，而且随着交通路网和出行方式的改善，居民选择设施过程中对距离因素的考虑已经逐渐下降；胡弗(Huff)模型法比较抽象，较难理解，同时表达设施与需求点距离衰减关系的出行摩擦系数不易确定。

技术实现要素：

针对现有的评价公共设施均衡性方法的不足，为了实现城市公共设施的公平配置和分布均衡的目标，本发明提供一种有效计算如学校、医院和文化娱乐设施等城市公共设施覆盖辐射指数的方法，合理地考虑了人与公共设施之间作用的跨区域性问题，既适用于区域之间也适用于区域内部，直观易懂，能够准确地评价一个城市的公共设施的服务辐射范围、服务能力和均衡性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种计算城市公共设施覆盖辐射指数的方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤S1、获取城市基础数据，并将城市基础数据导入文件地理数据库中；

步骤S2、抽稀人口空间点状数据；

步骤S3、构建网络数据集；

步骤S4、创建OD成本矩阵；

步骤S5、拆分字段和关联属性；

步骤S6、按服务位置计算服务点的服务供应量-居民需求量比值；

步骤S7、按居民地位置计算居民地的服务供应量-居民需求量比值；

步骤S8、汇总城市公共设施覆盖辐射指数并绘制公共设施覆盖辐射指数地图。

在步骤S1中，所述城市基础数据包括以下空间数据：城市公共设施、道路、居民地边界、人口和行政区划，所述文件地理数据库为ArcGIS软件的文件地理数据库。

在步骤S2中，首先筛选出符合某公共设施作用条件下的人口，将其按最小居民地边界区域来分块，再将居民地边界区域进行划分成多个网格，把每个格网的所有人口点聚集到该格网的中心点上。

所述步骤S2具体包括以下步骤：

(1)筛选年龄在一定区间内的人口数据；

(2)按最小的居民地边界区域划分人口要素数据集；

(3)将每个居民地边界区域划分为若干个四边形；

(4)对每个四边形区域R找到其包含的所有人口点；

(5)对每个四边形区域R包含的人口点，计算该四边形区域的中心坐标位置P(X_R，Y_R)和总人口数N，将总人口属性追加到中心点P上并存储。

所述步骤S3具体包括以下步骤：

(1)创建一个空的要素数据集；

(2)把区域内的道路数据导入到所创建的要素数据集中，且道路的空间参考必须和要素数据集的空间参考一致；

(3)设置相关参数，构建网络数据集；所述网络数据集的相关参数设置如下：设置网络数据集名称；不构建转弯类型，不使用高程字段，不建立行驶方向，在线要素的重合端点处建立连通性；添加属性“长度Length”，单位设置为米。

所述步骤S4具体包括以下步骤：

(1)获取网络数据集类；

(2)设置OD成本矩阵图层的名称；

(3)设置阻抗成本属性为Length，搜索范围为3000米；

(4)设置起始点为居民地要素类，设置目的地为服务点要素类；

(5)求解网络数据集；

所述OD成本矩阵图层中的线要素类属性中的Name字段属性值的形式为r-s，其中r为居民地的名称，s为服务点的名称；居民地要素类和服务点要素类的属性中都要包含Name字段，且服务点要素类属性表中包含必须的供应量属性。

所述服务点要素类中的供应量属性包括城市公共设施运行所需职工数、城市公共设施数量和城市公共设施面积，具体使用哪一项指标根据城市公共设施的类型来确定，假如城市公共设施为学校或医院，则服务点要素类中的供应量属性可以为城市公共设施运行所需职工数(服务人数)和城市公共设施面积中的其中一项或多项；假如城市公共设施为文化娱乐设施，则服务点要素类中的供应量属性可以为城市公共设施运行所需服务人数、城市公共设施数量和城市公共设施面积中的其中一项或多项。

所述服务点要素类中的供应量的计算方法为：

如果供应量属性采用一项指标，则供应量

式中，C为供应量，x为指标的值，X为城市内该指标的值的总和。

如果供应量属性采用多项指标，则供应量

式中，C为供应量，n为供应量属性指标的个数，xi为第i项指标的值，X为城市内第i指标的值的总和。

在步骤S5中，将OD成本矩阵的线要素类属性中的Name字段拆为两部分，并将两部分字段的属性值与线要素类进行关联；所述步骤S5具体包括以下步骤：

(1)保存OD成本矩阵图层中的线要素类L；

(2)线要素类L添加字段R和字段S；

(3)拆分线要素类L的Name字段的属性值为r和s两部分；

(4)新增字段属性赋值，居民地名称R赋值为r，服务点名称S赋值为s；

(5)线要素类L和居民地要素类根据字段R的属性值关联，线要素类L和服务点要素类根据字段S的属性值关联。拆分字段和关联属性的目的在于从OD成本矩阵图层、居民地要素类和服务点要素类中提取有用的信息，并建立他们之间的联系。

在步骤S6中，分别统计每个服务点阈值范围内的居民需求量，将居民需求量连接到线要素类L属性表中，按公共设施位置计算服务供应量和居民需求量之间的比值；所述步骤S6具体包括以下步骤：

(1)服务点要素类属性表中添加字段居民需求量和字段供应需求比SR；

(2)对服务点要素类中的每个服务点要素F_i，读取服务点要素F_i的服务点名称N_i和城市公共设施的供应量C_i；

(3)对OD成本矩阵的线要素类L的字段S，按属性查询字段S中属性值和服务点要素的N_i值相同的所有要素集合Fs；

(4)对Fs中的每个要素Fs_j，获取Fs_j在服务阈值范围内的服务人数P_j；

(5)计算居民需求量，并存储，所述居民需求量的计算公式为：

式中，S_i为第i个服务点的居民需求量，n为Fs中要素的总数，P_j为Fs中第j个要素的服务人数；

(6)计算服务点阈值范围内的服务供应量-居民需求量比值，并存储，所述服务点阈值范围内的服务供应量-居民需求量比值的计算公式为：

式中，SR_i为第i个服务点的供需比，C_i为第i个服务点的供应量，S_i为第i个居民点的居民需求量。

在步骤S7中，按居民地位置汇总服务供应量和居民需求量的比值数据，获得公共设施对所有居民的覆盖辐射指数结果；所述步骤S7具体包括以下步骤：

(1)在居民地要素类属性表中添加字段覆盖辐射指数A；

(2)对居民地要素类的每个居民地要素F_i，读取F_i的居民地名称N_i；

(3)对OD成本矩阵的线要素类L的字段R，按属性查询字段R中属性值和居民地要素的N_i值相同的所有要素集合Fs；

(4)对Fs的每个要素Fs_j，获取Fs_j的供应需求比SR_j；

(5)计算F_i的覆盖辐射指数，所述覆盖辐射指数的计算公式为：

式中，A_i为Fs中第i个要素的覆盖辐射指数，n为Fs中要素的总数，SR_j为Fs中第j个要素的供应需求比。

优选地，在步骤S3中，所述网络数据集通过Arc Engine二次开发来创建或者通过ArcGIS软件的工具来创建；

在步骤S4中，OD成本矩阵通过Arc Engine二次开发来构建或通过ArcGIS软件的工具来创建；

在步骤S8中，利用ArcGIS平台的ArcMap软件来绘制公共设施覆盖辐射指数专题地图。

本发明的有益效果是：本发明通过计算一定半径范围内学校、医院、文化设施等城市公共设施的覆盖辐射指数，反映了城市公共设施的均衡程度，体现城市公共设施在一定空间范围内的服务能力。

本发明提出了一种人口空间点状数据的抽稀方法，抽稀方法中针对具体的公共设施类型筛选出不同年龄段的服务对象群体，排除了无效冗余的数据，使计算结果更加准确。按最小行政区边界来对人口分块，减少了数据处理时的内存占用。每个四边形中所有的人口点聚集到一点，解决了内在的人口空间分布问题，在保证精度的情况下进一步减少了数据量，提高了计算效率。

本发明提出了一种计算城市公共设施覆盖辐射指数的方法，该方法先利用服务点要素类和OD成本矩阵线图层之间的关系来计算服务点的服务供应量和居民需求量之间的比值，再在此基础上找出每个居民点对应的所有服务点，按居民地位置汇总服务供应量和居民需求量的比值数据，继而获得公共设施对所有居民的覆盖辐射指数结果。

相比现有的评价公共设施均衡性的方法，本发明充分利用了第六次人口普查和第一次地理国情普查的现有数据(只要符合数据要求，其他数据源也可以)，考虑了不同区域里供给和需求两者之间复杂的相互作用，既适用与区域之间，也适用于区域内部单元。并且，本发明对公共设施的搜寻跨越了行政边界，更合理地考虑了人与城市公共设施之间作用的跨区域性问题。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明所述抽稀人口空间点状数据的方法流程图；

图3是本发明所述计算服务供应量-居民需求量比值的方法流程图；

图4是本发明所述抽稀人口空间点状数据的方法流程图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

针对现有的评价公共设施均衡性方法的不足，为了实现城市公共设施的公平配置和分布均衡的目标，本发明合理地考虑了人与公共设施之间作用的跨区域性问题，既适用于区域之间也适用于区域内部，直观易懂，能够准确地评价一个城市的公共设施的服务辐射范围、服务能力和均衡性。

如图1所示，本发明的一种计算城市公共设施覆盖辐射指数的方法，所述计算城市公共设施覆盖辐射指数的方法主要用于覆盖程度测量，来确定城市公共服务匮乏地区，以便帮助管理部门更好地划定公共服务短缺地区、制定适宜的规划和有效的公共政策，方法包括以下步骤：

步骤S1、获取城市基础数据，并将城市基础数据导入文件地理数据库中；

步骤S2、抽稀人口空间点状数据；

步骤S3、构建网络数据集；

步骤S4、创建OD成本矩阵；

步骤S5、拆分字段和关联属性；

步骤S6、按服务位置计算服务点的服务供应量-居民需求量比值；

步骤S7、按居民地位置计算居民地的服务供应量-居民需求量比值；

步骤S8、汇总城市公共设施覆盖辐射指数并绘制公共设施覆盖辐射指数地图。

本发明所述的包括如学校、医院和文化娱乐设施等，下面以小学学校为例来详细描述本发明计算城市公共设施覆盖辐射指数的方法。如图1至图4所示，本发明的一种计算小学覆盖辐射指数的方法，包括以下步骤：

S1、获取小学、道路、居民地边界、人口和行政区划等空间数据，并将这些数据导入ArcGIS软件的文件地理数据库中。

S2、抽稀人口点状数据；

由于人口点状空间数据的数量巨大，消耗内存多且计算时间长，因此，要对人口点数据进行抽稀，以提高程序效率。本发明使用的是分区域的抽稀方法，数据处理效率好，能满足精度要求，如图2所示，其抽稀过程如下：

S21、筛选年龄在一定(如小学选择6～12岁)区间内的人口数据；

S22、按最小的边界区域(如街道、小区等)划分人口要素数据集；

S23、对某个边界区域将其划分为若干个四边形，遍历所有边界区域；

S24、对某个四边形R找到其包含的所有人口点，遍历所有四边形；

S25、对某个四边形R包含的人口点，计算其中心坐标位置P(XR，YR)和总人口数N，并存储，遍历所有四边形。

S3、构建网络数据集；

Arc Engine是一个简单的、独立于应用程序的Arc Objects编程环境，用于建立自定义应用程序的嵌入式GIS组件的一个完整类库。本发明基于Arc Engine提供的接口来构建网络数据集。

S31、创建要素数据集；

S32、导入道路Road数据。把区域内的道路数据导入到创建的要素数据集中，且道路的空间参考必须和要素数据集的空间参考一致；

S33、设置相关参数，构建网络数据集。

网络数据集是根据用作网络源且具有与其关联的连通性策略和属性的要素进行构建的，其具体构建过程如下：

S331、获取道路数据的工作空间；

S332、在工作空间中新建网络数据集类，设置网络数据集名称；

S333、添加参与到网络数据集中的道路要素类；

S334、网络数据集中不构建转弯类型，不使用高程字段，不建立行驶方向，在线要素的重合端点处建立连通性；

S335、网络数据集中添加属性“长度(Length)”，单位设置为米。

S4、创建OD成本矩阵；

起始-目的地(OD)成本矩阵用来查找和测量网络中从多个起始点到多个目的点的最小成本路径，本发明使用的是长度成本，基于Arc Engine提供的接口来创建OD成本矩阵。其创建过程如下：

S41、获取网络数据集类；

S42、设置OD成本矩阵图层的名称；

S43、设置阻抗成本属性为Length，搜索范围为3000米；

S44、设置起始点为居民地要素类，设置目的地为服务点要素类，居民地要素类和服务点要素类的属性中都要包含Name字段；

S45、求解网络数据集。

S5、拆分字段和关联属性；

步骤S4中创建的OD成本矩阵的线要素类属性中的Name字段属性值的形式为r-s，其中r为居民地的名称，s为服务点的名称，据此将Name字段拆为两部分。拆分字段和关联属性目的在于从OD成本矩阵图层、居民地要素类和服务点要素类中提取有用的信息，并建立他们之间的联系。其步骤如下：

S51、保存OD成本矩阵图层中的线要素类L；

S52、线要素类L添加字段R和字段S；

S53、拆分线要素类L的Name字段的属性值为r和s两部分；

S54、新增字段属性赋值，R赋值为r，S赋值为s；

S55、线要素类L和居民地要素类根据字段R(即居民地名称)的属性值关联，L和服务点要素类根据字段S(即服务点名称)的属性值关联。

S6、按服务位置计算服务供应量-居民需求量比值；

S61、服务点要素类属性表中添加字段供应需求比SR；

S62、对服务点要素类中的某个服务点要素F_i，读取F_i的服务点名称N_i和供应量C_i；

S63、对OD成本矩阵的线要素类L的字段S，按属性查询其和N_i值相同的所有要素Fs；

S64、对Fs中的某个要素Fs_j，获取Fs_j在服务阈值范围内的服务人数P_j；

S65、重复步骤S64，遍历Fs中的所有要素；

S66、计算居民需求量其中n为Fs中要素的总数，P_j为Fs中第j个要素的服务人数；

S67、计算服务点阈值范围内的服务供应量-居民需求量比值

S68、重复步骤S62-S67，遍历服务点要素类中所有的服务点要素。

S7、按居民地位置汇总服务供应量-居民需求量比值；

S71、在居民地要素类属性表中添加字段覆盖辐射指数A；

S72、对居民地要素类的某个居民地要素F_i，读取F_i的居民地名称N_i；

S73、对OD成本矩阵的线要素类L的字段R，按属性查询其和N_i值相同的所有要素Fs；

S74、对Fs的某个要素Fs_j，获取Fs_j的供应需求比SR_j(通过步骤S4，线要素类L可以获取S6计算的服务供应量-居民需求量比值SR)；

S75、重复步骤S73，遍历Fs中的所有要素；

S76、计算F_i的覆盖辐射指数其中n为Fs中要素的总数，SR_j为Fs中第j个要素的供应需求比；

S77、重复步骤S72-S76，遍历居民地要素类中的所有要素。

S8、绘制公共设施覆盖辐射指数专题地图，利用ArcGIS平台的ArcMap软件的图层属性的符号系统，对服务供应量-居民需求量的比值数据采用分级色彩方法来绘制公共设施覆盖辐射指数专题地图

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。