復雜地形區(qū)域通達度模擬和分析——以天山北坡經(jīng)濟帶為例

白永平，吳常艷，陳博文

（西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，甘肅 蘭州 730070）

通達性是度量交通網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的有效指標，也是評價區(qū)域獲取發(fā)展機會和控制市場能力的標準之一［1］，已成為城市和區(qū)域一體化發(fā)展的先決條件。經(jīng)濟區(qū)的空間結(jié)構(gòu)演化與交通網(wǎng)絡延伸表現(xiàn)為一個空間互動的過程［2］，交通網(wǎng)絡成為經(jīng)濟區(qū)空間系統(tǒng)運行的物質(zhì)條件和必要前提［3］，其通達性的優(yōu)良與否決定著城市與區(qū)域間物質(zhì)流、能量流和信息流的通暢程度。通過系統(tǒng)量化手段對區(qū)域綜合交通網(wǎng)絡發(fā)育程度進行評價，研究其通達性的空間格局成為當前研究的熱點問題。以往研究方法多為距離度量［4］、重力度量［5］、拓撲度量［6］等計量方法以及 GIS空間插值方法［7］和基于圖論思想下的空間句法［8］等，限于技術原因，在模擬、研究我國西部復雜地形區(qū)域通達性時不夠準確，不能將節(jié)點、軸線和域面綜合進行分析。鑒于此，本文以天山北坡經(jīng)濟帶交通路網(wǎng)為例，該區(qū)山地、山前平原、河谷盆地、戈壁和沙漠等地貌單元并存，經(jīng)濟受到自然地形的天然阻隔和切割；鐵路、高速公路、國道、省道等交通線穿越其間，城鎮(zhèn)、工礦區(qū)、開發(fā)區(qū)、口岸等居民點順勢發(fā)展，與一般的單一地形的相對均質(zhì)區(qū)域相比具有復雜地形的特點。融合空間句法模型、日常可達性模型和等時圈通過特征點算法，運用GIS技術，多視角系統(tǒng)測度經(jīng)濟帶路網(wǎng)通達性的空間規(guī)律，旨在為該類區(qū)域交通規(guī)劃和區(qū)域發(fā)展提供理論與實證借鑒。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉回族自治州及伊犁哈薩克自治州的伊寧市、奎屯市、霍爾果斯市、伊寧縣、霍城縣，塔城地區(qū)的烏蘇市、沙灣縣，博爾塔拉蒙古自治州的博樂市、阿拉山口市精河縣，自治區(qū)直轄的石河子市、五家渠市共31個縣（市、區(qū)）。以縣域為研究單元，將烏魯木齊市所轄的遠郊區(qū)（達坂城區(qū)、米東區(qū)）單獨列為一個研究單元，其余五區(qū)（天山區(qū)、沙依巴克區(qū)、新市區(qū)、水磨溝區(qū)、頭屯河區(qū)）一縣（烏魯木齊縣）構(gòu)成一個研究單元；克拉瑪依市所轄的“飛地”（獨山子區(qū)）單獨列為一個研究單元，其余三區(qū)（克拉瑪依區(qū)、白堿灘區(qū)、烏爾禾區(qū)）構(gòu)成一個研究單元；霍爾果斯市和霍城縣構(gòu)成一個研究單元；阿拉山市和博樂市構(gòu)成一個研究單元，故實際研究單元為22個縣（區(qū)）。

數(shù)據(jù)主要包括鐵路、高速公路、國道、省道、縣道和河流水系，分別取自《中國鐵路交通圖》（2011年）、《中國公路交通圖集》（2011年）和《中國自然地理圖集》（2007年），提取地圖要素并矢量化。道路通行速度來自《中華人民共和國公路工程技術標準（JTGB－2006）》規(guī)定的道路設計速度，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況而定，其中鐵路時速根據(jù)蔣海兵［9］、張莉［10］等的研究及不同等級列車時速的綜合考慮設定。通行時間成本按照不同交通方式或道路通行10km里程花費的時間而定（表1）。

表1 不同交通方式與用地類型的相對時間成本值設置Table 1 Relative time cost of different types of transportation modes and land use

2 研究方法和技術路線

2.1 研究方法

由于篇幅所限，這里僅作概略介紹，不就具體方法逐一展開，具體詳見文獻［11］的相關研究。

2.1.1 空間句法分析 空間句法模型是基于拓撲距離的網(wǎng)絡通達性和關聯(lián)性，將空間之間的相互聯(lián)系抽象為連接圖，再根據(jù)圖論基本原理，對軸線的通達性進行拓撲分析，最終導出一系列的形態(tài)分析變量。

2.1.2 區(qū)域可達性分析 區(qū)域可達性分析包括區(qū)域中節(jié)點城市可達性和區(qū)域整體可達性。首先，城市可達性用日?？蛇_性（兩節(jié)點間由于距離和時間成本所產(chǎn)生的1d范圍內(nèi)的人流和物流）進行分析。由于交通設施的改善會使兩節(jié)點間的時間成本降低，從而帶動兩地間的人口和貨物的流動，形成1d范圍內(nèi)可來往的工作圈和生活圈。日?？蛇_性通常采用日常經(jīng)濟活動的最大通行范圍表示，同時進行城鎮(zhèn)的區(qū)域可達性及中心性分析。其次，區(qū)域可達性運用等時圈通過特征點算法進行分析。利用城市等時圈對軸線進行分類，1h范圍內(nèi)通勤對城市發(fā)展影響較大，因而提取城市1h范圍內(nèi)的軸線，以不同交通工具通行成本的倒數(shù)為軸線權(quán)重，與不同交通工具交通拓撲的軸線集成度相乘之和作為區(qū)域通達度，并對計算出的通達度結(jié)果進行歸一化處理。

2.2 技術路線

首先，將相關地理事物分解為城市（點）、交通（線）和區(qū)域（面），運用空間句法模型測度交通線的空間通達性［12］，研究區(qū)域交通的集散程度和等級差異。其次，運用可達性相關指標：日?？蛇_性（等時圈）［13］和區(qū)域可達性［14］，分別研究單個城市和多個城市的通達性。最后，將區(qū)域視為面、城市視為特征點，特征點1h范圍內(nèi)交通軸線的集成度視為特征點屬性，在區(qū)域進行通達性擬合。采用點、線、面相結(jié)合的綜合分析，既考慮到城市對通達度的影響（城市分布特征及其樞紐作用），又考慮到交通對通達度的影響（交通分布特征及其等級差異），使得測算出的區(qū)域通達性具有較高的可信度。

3 路網(wǎng)空間通達性分析

分別應用線段式和軸線式方法對路網(wǎng)進行劃分，線段式反映了區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)的密集程度和交通繁忙路段，軸線式反映了區(qū)域內(nèi)主要路網(wǎng)的通達程度和城鎮(zhèn)之間的連接程度?？臻g句法變量中的集成度體現(xiàn)了交通線的中心性和滲透性，能較好地反映區(qū)域交通線的整體通達性（表2、圖1）。

表2 陸路空間句法變量均值Table 2 The variable average value about space syntax for traffic network in land

圖1 空間句法集成度空間分布Fig.1 The spatial distribution of integration level about space syntax

3.1 線段式空間分析

3.1.1 線段式空間伸展格局呈“點－軸”狀發(fā)散，集聚明顯 以烏魯木齊、奎屯、精河、石河子和霍城為中心，集聚了高集成度線段（集成度＞2.6）共14條，占總數(shù)的7.73%。線段高集成度城市處于區(qū)域中心位置或交通樞紐。5個城鎮(zhèn)周圍強控制力（連接度＞1.3）和高深度值（三步深度值＞20）線段在奎屯、精河一帶形成“十”字形，在石河子、霍城周圍形成“一”字形，在烏魯木齊周圍呈不規(guī)則發(fā)散。

3.1.2 路網(wǎng)線段連接呈非均衡態(tài)勢，路網(wǎng)伺服能力基本匹配 按照空間句法變量的均值劃分，集成度大于1.51的線段占總數(shù)的44.75%，控制值大于0.99的線段占總數(shù)的53.04%，三步深度值大于11.28的線段占總數(shù)的44.75%。小于均值的線段數(shù)略多于一半，多為與交通流量較小的縣級單元連接的省道，大于均值的線段數(shù)基本合理，路網(wǎng)伺服能力得到有效發(fā)揮（圖1a）。

3.2 軸線式空間分析

3.2.1 軸線式空間伸展格局呈“干—枝”狀，主次分明 區(qū)域交通主軸線以鐵路、高速公路、國道為主，其拓撲形成的軸線多為“樹干”，兩側(cè)的集成度和低連接度軸線相連，形成主干的“樹枝”。控制能力較強的主軸線（集成度＞4.4）主要有東西向的北疆鐵路和精（精河）－伊（伊寧）－霍（霍爾果斯）鐵路、連霍高速（G30）、312國道；控制能力次之的副軸線（集成度＞2.4）主要有南北向的216國道和217國道，東西向的呼（呼圖壁）克（克拉瑪依）高速和218國道，這些主軸線的技術參數(shù)和路況水平直接影響到整個路網(wǎng)的有效性和通達性。

3.2.2 路網(wǎng)通達性空間差異明顯，初步形成三大等級圈層和雙“十”字形路網(wǎng)骨架 按照集成度可將區(qū)域軸線劃分為3個等級：第一等級集成度≥4.4，多為通達性較高的高速公路、國道和鐵路，以烏（烏魯木齊）－昌（昌吉州部分市縣及五家渠）都市圈和奎（奎屯）－獨（獨山子）－烏（烏蘇）“金三角”城鎮(zhèn)群為樞紐中心，連接了區(qū)內(nèi)14個節(jié)點城市，構(gòu)成了“一”字形區(qū)域城際走廊；第二等級4.4＞集成度≥2.4，為通達性較低的國道、省道及部分高速公路，連接區(qū)域外圍城鎮(zhèn)，如克拉瑪依、阜康等；第三等級集成度＜2.4，基本為剩余的與一、二等級相連的軸線，連接區(qū)域邊緣城鎮(zhèn)。分別以烏魯木齊和奎屯為中心，一級軸線為主、輔之于部分二級軸線，形成明顯的雙“十”字形向外輻射路網(wǎng)骨架，體現(xiàn)了其滲透性和中心性優(yōu)勢（圖1b）。

4 城市空間通達性分析

把整個研究區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格，定義網(wǎng)格大小為500m×500m，共有網(wǎng)格557 726個。取城市點落入的網(wǎng)格中心作為區(qū)域節(jié)點。

4.1 中心城市等時圈分析

等時圈反映區(qū)域中心城市與周邊地區(qū)空間聯(lián)系的緊密程度。中心城市的等時圈連續(xù)且緊湊，沿著國道、省道和縣道向兩側(cè)擴散；由于鐵路和高速公路的特殊性，鐵路和高速公路呈一條細線狀擴散，其等時圈與周圍地區(qū)等時圈斷裂；鐵路站點和高速公路互通口作為次一級中心呈同心圓向外擴散，其等時圈空間特征多呈現(xiàn)“枝—葉”狀。天山北坡地形較為復雜，部分區(qū)域難以通行，河流使得等時圈破碎，山脈和沙漠使得等時圈外圍高密度擴散，其空間分布在山脈邊緣形成極其細碎的塊狀。

4.1.1 中心城市區(qū)位差異較大，等時圈空間擴散性各異，烏魯木齊和奎屯城市中心性凸顯 烏魯木齊路網(wǎng)密集，蘭新鐵路、北疆鐵路、連霍高速（G30）、312國道等東西向交通干線和京新高速（G7）烏魯木齊至吉木薩爾段、216國道等南北向交通干線在烏魯木齊呈“十”字形交叉，其1h等時圈呈放射狀擴散；北疆鐵路、連霍高速（G30）、312國道等東西向交通干線和217國道等南北向交通干線在奎屯呈“十”字形交叉，其1h等時圈明顯呈“十”字形擴散；昌吉、五家渠靠近烏魯木齊，1h等時圈對于烏魯木齊的向心性明顯；石河子由于受北疆鐵路、連霍高速和312國道東西向延伸的影響，其等時圈東西向擴散明顯；呼克高速、201省道和217國道使得克拉瑪依1h等時圈沿南北向擴散；伊寧在218國道作用下，1h等時圈呈“一”字形；博樂在304省道和205省道作用下，1h等時圈呈“T”字形。由于受地貌和交通的深刻影響，除克拉瑪依和五家渠外，其余6個節(jié)點城市2～3h等時圈東西向擴散十分明顯。區(qū)內(nèi)有14個節(jié)點城市均位于烏魯木齊和奎屯3h范圍內(nèi)，說明烏－昌都市圈和奎－獨－烏“金三角”城鎮(zhèn)群分別作為區(qū)內(nèi)的中心城市和副中心城市，其雙核地位日益凸顯。

4.1.2 天山北坡經(jīng)濟帶地形較為復雜，對中心城市日?？蛇_性影響較大 婆羅科努山阻隔了伊寧市、伊寧縣、霍城等城鎮(zhèn)向北發(fā)展，其3h可達面積不足1萬km2；準噶爾盆地古爾班通古特沙漠西緣限制了克拉瑪依的2h可達范圍，其2h可達面積僅5 755 km2，不足烏魯木齊、石河子2h可達面積的一半；昌吉北部地勢較平坦，其8h可達面積最大，占區(qū)域面積的60%。烏魯木齊雖三面環(huán)山，東部有博格達山、喀拉塔格山和東山，西部有喀拉扎山和西山，南部有伊連哈比爾尕山東段（天格爾山）和土格達坂塔格等，但其周圍城鎮(zhèn)集中、路網(wǎng)密集、交通發(fā)達，所以3h可達面積大于2萬km2，8h可達面積占區(qū)域面積的59.8%。南部的天山山脈和北部的古爾班通古特沙漠使得城市等時圈只能沿著東西向的狹長帶狀山前平原擴散，區(qū)內(nèi)地形條件良好的城市日?？蛇_性較好，反之則較差（表3、圖2）。

表3 節(jié)點城市等時圈面積分類Table 3 The classification of area of isochronous ring for daily accessibility in node cities km2

圖2 節(jié)點城市等時圈空間分布Fig.2 The spatial distribution of isochronous ring for daily accessibility in node cities

4.2 城鎮(zhèn)的區(qū)域可達性和中心性分析

從等時圈中提取數(shù)據(jù)，以8個地級市、自治州直屬市及兵團所轄城市分別到區(qū)內(nèi)其他21個研究單元的時間作為基礎數(shù)據(jù)進行區(qū)域可達性計算，生成可達性分值擴散圖（圖3）。節(jié)點城市的中心性計算：

式中：Qi為區(qū)域中節(jié)點i的幾何中心性，Di為節(jié)點i到區(qū)域幾何中心的距離，s為區(qū)域面積。將城鎮(zhèn)的區(qū)域可達性和中心性數(shù)值進行相關分析和模型擬合（圖4），相關系數(shù)為0.849，模擬方程為：

式中：自變量x為幾何中心性，因變量Y為區(qū)內(nèi)可達性。

區(qū)域可達性在較大程度上取決于區(qū)域中心性、周邊路網(wǎng)發(fā)達程度和城鎮(zhèn)密集程度。中心性分值在80以上的城鎮(zhèn)，除獨山子外，區(qū)域可達性分值均在85以上。區(qū)域中心位于石河子附近，區(qū)域可達性分值為97；區(qū)域中心周邊的瑪納斯、沙灣，區(qū)域可達性分值均在90左右；尤其是瑪納斯東側(cè)城市較為密集，其區(qū)域可達性分值極高，達100。烏魯木齊中心性只有70，遠低于奎屯、獨山子等城鎮(zhèn)，但是周邊城鎮(zhèn)集中，路網(wǎng)發(fā)達，縮短了到其他城市的時間，其區(qū)域可達性分值與奎屯、獨山子等城鎮(zhèn)相當。昌吉與烏魯木齊的路網(wǎng)直接相連，其中心性雖低于奎屯和獨山子，但區(qū)域可達性分值仍大于奎屯和獨山子（表4）。

圖3 區(qū)域日常可達性分值擴散Fig.3 The spatial diffusion of mark for daily accessibility

圖4 擬合模型方程曲線Fig.4 The simulation curve of correlation model

表4 天山北坡經(jīng)濟帶22個城鎮(zhèn)的區(qū)域可達性和中心性Table 4 Regional accessibility and geometric centricity of 22 cities or towns in the economic belt of northern slope of Tianshan Mountains

5 區(qū)域通達性分析

5.1 區(qū)域通達度計算

利用城市等時圈對軸線進行分類，1h范圍內(nèi)通勤對城市發(fā)展影響較大，因而提取城市1h范圍內(nèi)的軸線，以不同交通工具通行成本的倒數(shù)為軸線權(quán)重，按照式（3）計算通達度并進行歸一化處理。其特征點集成度為：

式中：M為特征點通達度；m為交通類型，這里取5；fn為第n種交通拓撲的軸線權(quán)重；Wn為第n種交通拓撲的軸線集成度之和（表5）。

表5 特征點通達度分值Table 5 Mark of regional accessibility to feature points of 22 cities or towns in the economic belt of northern slope of Tianshan Mountains

5.2 區(qū)域通達度分析

5.2.1 區(qū)域通達度空間分布各異，中值區(qū)呈現(xiàn)條帶狀，高值區(qū)呈現(xiàn)“孤島狀”，低值區(qū)呈現(xiàn)連片狀天山北坡經(jīng)濟帶城市相對密集且沿北疆鐵路主軸線分布，通達度大于40的中值區(qū)基本呈現(xiàn)東西貫通的帶狀分布；通達度低值區(qū)多位于南部的天山北麓和北部的準噶爾盆地古爾班通古特沙漠南緣的外圍板塊，在空間上形成山地低值區(qū)和沙漠低值區(qū)兩大連片區(qū)；通達度高值區(qū)多位于中部山前平原的核心板塊，在空間上形成間斷的“孤島狀”高值區(qū)（圖5）。

圖5 區(qū)域通達度空間分布Fig.5 The spatial distribution of region accessibility

5.2.2 區(qū)域通達度等級差異明顯，整體呈現(xiàn)東高西低、中心高外圍低的態(tài)勢 隨著東部的烏－昌都市圈和中部的奎－獨－烏“金三角”城鎮(zhèn)群的快速崛起，區(qū)域通達度隆起十分明顯，烏魯木齊和奎屯形成天山北坡經(jīng)濟帶的主、副“雙核”結(jié)構(gòu)，且隨著石（石河子）－瑪（瑪納斯）－沙（沙灣）經(jīng)濟區(qū)的形成呈現(xiàn)相向發(fā)展的態(tài)勢。盡管婆羅科努山天然阻隔了北部的天山北坡山前平原和南部的伊犁河谷地，通過精－伊－霍鐵路和連霍高速公路分別從東西方向的穿越，溝通了天山北坡經(jīng)濟帶和伊犁河谷地的經(jīng)濟社會聯(lián)系和人員物資交流。伴隨西北部的博（博樂）－精（精河）－阿（阿拉山口）經(jīng)濟區(qū)和西南部的伊（伊寧）－霍（霍城）－察（察布查爾）－霍（霍爾果斯）經(jīng)濟區(qū)正在成為我國重要的陸路貨物貿(mào)易中轉(zhuǎn)集散地、進出口產(chǎn)品加工基地和向西開放的兩個重要橋頭堡，區(qū)域通達度凸起已見雛形，霍爾果斯和阿拉山口、精河和霍城（清水河）分別形成天山北坡經(jīng)濟帶向西開放的兩個口岸城市和兩個門戶城鎮(zhèn)。

6 結(jié)論與討論

整個經(jīng)濟區(qū)交通軸線連接關系及通達性的等級空間分異特征與城市等級規(guī)模分布、高等級路網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)、城際社會經(jīng)濟發(fā)展水平等保持較高的一致性，區(qū)域交通運輸與城鎮(zhèn)發(fā)展水平表現(xiàn)出較強的共軛協(xié)同發(fā)展關系。作為區(qū)域中心城市的烏魯木齊區(qū)位偏東，路網(wǎng)相對集中，對整個區(qū)域路網(wǎng)的控制作用較強，應提升奎屯作為區(qū)域副中心城市的地位，同時強化精河和霍城（清水河）的門戶城市功能。加快建設大（大黃山）－奇（奇臺）－木（木壘）－巴（巴里坤）－哈（哈密）、阜（阜康）－五（五家渠）－呼（呼圖壁）、奎（奎屯）－克（克拉瑪依）及清（清水河）－伊（伊寧）－墩（墩麻扎）、精（精河）－阿（阿拉山口）等高速公路，適時建設伊寧市－伊寧縣、伊寧市－察布查爾及博樂與精（精河）－阿（阿拉山口）高速的聯(lián)絡線，形成烏魯木齊繞城高速和東、西兩個環(huán)狀高速及連通或延伸向西開放的霍爾果斯和阿拉山口兩個重點口岸的高速聯(lián)絡線。通過提高路網(wǎng)伺服能力克服自然條件的阻隔和限制，為天山北坡經(jīng)濟帶經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展提供良好的基礎設施支撐和保障。

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