開源數(shù)據(jù)對交通模型貢獻與日俱增。就道路網(wǎng)絡(luò)建模而言，隨著數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升，開源OpenStreetMap矢量數(shù)據(jù)已經(jīng)具備較強的可用性。首先，OpenStreetMap矢量數(shù)據(jù)更新速度較快，且具備較為準(zhǔn)確的幾何線形信息，自帶路名、路名和等級等信息，使其具備了較好的基本條件；其次，采用通用的WGS84坐標(biāo)系，可以更方便的與其它開源數(shù)據(jù)源協(xié)同利用。不過，OpenStreetMap矢量數(shù)據(jù)文件是xml格式，直接用于建模也存在不同程度的障礙，尤其是網(wǎng)絡(luò)拓撲存在普遍的問題。本文探討基于Python + OSMnx軟件包的OpenStreetMap矢量數(shù)據(jù)在TransCAD交通規(guī)劃模型軟件中的路網(wǎng)建模方法，發(fā)掘開源數(shù)據(jù)利用新路徑。

1 OSMnx簡介及路網(wǎng)數(shù)據(jù)提取方法

1.1 OSMnx簡介及安裝

OSMnx 是南加州大學(xué)的Geoff Boeing助理教授開發(fā)的一個 Python 軟件包，可以用于從OpenStreetMap下載、拓撲處理、分析和可視化街道網(wǎng)絡(luò)和其他地理要素。只需一行代碼，就能下載步行、駕車或騎車網(wǎng)絡(luò)并建立模型，然后對其進行分析和可視化。OSMnx還可以輕松處理城市設(shè)施/興趣點、建筑占地面積、公交站點、高程數(shù)據(jù)、街道方向、速度/旅行時間和路線。本文著重介紹怎樣基于OSMnx構(gòu)造交通模型的道路網(wǎng)絡(luò)，關(guān)于其它功能詳見OSMnx官網(wǎng)。

OSMnx的安裝方法之一是可以在Anaconda環(huán)境下運行以下命令：

conda create -n ox -c conda-forge --strict-channel-priority osmnx

Anaconda是一個功能強大的數(shù)據(jù)科學(xué)平臺，可安裝、管理Python相關(guān)包的軟件，自帶Python、Jupyter Notebook、Spyder等工具。其自帶Python解釋器，用戶可以方便地進行Python編程。當(dāng)然，也可以使用pip安裝，不過Anaconda軟件安裝說明文檔提示這不屬于官方支持做法。

1.2 OSMnx在線路網(wǎng)下載和拓撲處理

OSMnx 提供5種方式下載在線路網(wǎng)，本文主要介紹多邊形面域和矩形框兩種，其他具體詳見使用手冊的函數(shù)參數(shù)說明。

（1）多邊形面域graph_from_polygon()

OSMnx可以獲取OpenStreetMap自帶的行政邊界，用作選擇范圍的面域。當(dāng)然，也可以通過外部讀入面域圖形的shp文件作為邊界。以下以北京海淀區(qū)范圍為例演示通過多邊形面域構(gòu)建圖網(wǎng)絡(luò)。

注意運行以上操作需要有對國外網(wǎng)站的訪問權(quán)限，生成的gpkg文件是GeoPackage的文件格式，可以用QGIS打開看到包含edges和nodes兩個圖層，分別對應(yīng)線層和點層。將這兩個圖層分別導(dǎo)出為shp文件，即可作為TransCAD建模的路網(wǎng)輸入文件。

需要說明的是面域文件可以使用外部讀入權(quán)威的shp文件替代，考慮到OpenStreetMap自帶行政邊界缺少權(quán)威性，建議使用自定義邊界以避免產(chǎn)生不必要的爭議。

（2）矩形框graph_from_bbox()

矩形框操作和多邊形面域類似，使用graph_from_bbox()函數(shù)，通過元組數(shù)據(jù)指定邊界范圍即可，使用海淀區(qū)的坐標(biāo)范圍所得小汽車網(wǎng)絡(luò)見下圖。

1.3 離線osm文件的獲取、切割和OSMnx拓撲處理

OSMnx還提供基于osm文件的離線建模方式，不受網(wǎng)絡(luò)下載的限制。但一般而言可直接獲取的數(shù)據(jù)是一個包含全中國的范圍的osm文件，數(shù)據(jù)量很大。因此在使用前需要對osm文件根據(jù)需要的范圍進行切割。

（1）OSM文件下載

通過https://download.geofabrik.de/網(wǎng)站，可以下載全國的osm文件，點擊Asia然后選擇子區(qū)域中的China。原始文件大小約2G，解壓縮后約22.6G。

（2）使用osmosis工具切割OSM文件

切割OSM文件需要用到osmosis工具。osmosis是一個基于Java的開源osm文件切割工具，當(dāng)前最新版為0.49.2，下載鏈接：

https://github.com/openstreetmap/osmosis/releases/download/0.49.2/osmosis-0.49.2.zip

osmosis切割osm同樣提供矩形框和面域兩種形式。對于矩形框而言操作較為簡單，以前文的北京市海淀區(qū)為例，其命令為：

osmosis--read-xml file=f:china-latest_20240518.osm --bounding-boxtop="40.173" left="116.059" bottom="39.871"right="116.398" clipIncompleteEntities=true--wx file=f:haidian.osm

通過上下左右的坐標(biāo)來指定矩形范圍，特別需要注意的是clipIncompleteEntities需要設(shè)置為true，否則OSMnx在讀入文件構(gòu)建圖網(wǎng)絡(luò)時會提示節(jié)點信息不完整出錯。

osmosis同樣提供面域切割的模式，面域文件后綴為“.poly”。根據(jù)shp文件生成“.poly”建議使用QGIS的插件osmploy_export。安裝完成后，選擇面域，點擊菜單圖標(biāo)，指定字段作為面域名稱即可生成“.poly”文件。注意面域需要包含字符型字段才可以作為面域“.poly”文件的面域標(biāo)簽。

基于面域“.poly”文件的osm文件切割命令如下：

osmosis--read-xml file=f:china-latest_20240518.osm --bounding-polygonfile="f:Haidian.poly" clipIncompleteEntities=true --wxfile=f:Haidian_poly.osm

（3）離線osm文件拓撲處理

使用OSMnx對離線osm文件拓撲處理過程如下：

從上圖不難發(fā)現(xiàn)離線osm文件的要素遠比直接在線地圖建模的內(nèi)容要豐富，主要是因為前文在線地圖中只包含小汽車通行的網(wǎng)絡(luò)，而在離線osm建模結(jié)果包含了鐵路、地鐵、小汽車、步行等所有網(wǎng)絡(luò)信息。相對在線下載的osm文件，遺憾的是未能在離線osm文件找到通行權(quán)選擇集參數(shù)。因此如采用離線osm文件得到的結(jié)果作為后續(xù)交通模型輸入需要通過選擇集做進一步篩選和清洗。

上圖為多邊形切割后的建模結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)冗余明顯減少。因此，考慮后續(xù)處理的工作量，建議采用多邊形切割代替矩形框。

2 基于OSMnx數(shù)據(jù)的TransCAD路網(wǎng)建模

2.1 gpkg數(shù)據(jù)導(dǎo)出

OSMnx生成的圖網(wǎng)絡(luò)保存gpkg，對應(yīng)生成edges和nodes兩個圖層。gpkg文件可以直接用QGIS打開，分別將這兩個文件導(dǎo)出保存為shp備用。為了防止shp文件中文字段的亂碼，需要針對不同的TransCAD版本選擇不同編碼方式，下面的例子是選擇UTF-8編碼方式。順便說一下，使用QGIS保存shp文件為不同編碼方式，可以解決TransCAD早期版本對一些特定編碼的shp文件顯示為亂碼的問題。

2.2 shp文件導(dǎo)入TransCAD

TransCAD支持帶有拓撲關(guān)系的點和線兩個圖層同時導(dǎo)入，也支持雙向的道路雙線要素格式轉(zhuǎn)換為單線要素格式，并用AB/BA字段表示雙向的不同屬性，較為靈活。參見：TransCAD導(dǎo)入常用交通規(guī)劃軟件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

在TransCAD通過File菜單，Open找到edges.shp文件，并按下圖設(shè)置（包括nodes.shp文件），待完成后即可生成TransCAD模型路網(wǎng)。

不難發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)入后的網(wǎng)絡(luò)link屬性中路名、道路等級等屬性比較完整，但車道數(shù)、自由流車速等指標(biāo)存在缺失。這是由于OpenStreetMap地圖數(shù)據(jù)本身的缺陷。要用于交通模型，還需要通過標(biāo)準(zhǔn)化屬性賦值來彌補這一缺陷的方法。下面介紹標(biāo)準(zhǔn)化屬性賦值方法。

2.3 道路屬性配置

考慮OpenStreetMap數(shù)據(jù)車道和自由流車速缺失的問題。經(jīng)對osm地圖數(shù)據(jù)的梳理，發(fā)現(xiàn)車行道的linktype約有89種。結(jié)合道路等級和連接屬性，進一步分成22類，分別對于每一類道路的車道數(shù)和自由流車速進行初始化。相關(guān)參數(shù)見下表。

建議在shp文件導(dǎo)入TransCAD之前完成數(shù)值初始化，這樣雙向的屬性更容易一次性操作。

3結(jié)語

總體來說通過OpenStreetMap來構(gòu)建交通模型網(wǎng)絡(luò)雖然還存在一定缺陷，特別是道路等級、車道數(shù)和自由流車速的問題。但無疑這是一種高效的交通網(wǎng)絡(luò)建模方法，再配合公交模型數(shù)據(jù)庫自動創(chuàng)建工具，能夠快速完成基礎(chǔ)交通網(wǎng)絡(luò)模型的開發(fā)，是一種值得推廣的工作模式。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性對模型的精度也會有直接的影響，在條件允許的情形下，其他高質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)仍然是交通建模的首選（例如導(dǎo)航地圖矢量數(shù)據(jù)）。

OSMnx不僅可以作為道路網(wǎng)絡(luò)的建模工具，還有其他一些重要的功能，包括k最短路分析、距離計算等。這些功能具有廣泛的應(yīng)用場景。騎行、步行網(wǎng)絡(luò)也能夠直接支持開展城市騎行和步行網(wǎng)絡(luò)的研究工作。