基于路網可達性的青海交通運輸覆蓋度分析

李靈杰，吳群琪

(長安大學 經濟與管理學院，陜西 西安 710064)

新“絲綢之路經濟帶”所帶動的總人口約30億，被認為是“世界上最長、最具有發(fā)展?jié)摿Φ慕洕笞呃取?然而，該大走廊雖在中國西部和中亞地區(qū)之間有豐富的自然、礦產、能源、土地及旅游等資源，但該區(qū)域交通不夠便利，自然環(huán)境較差，經濟發(fā)展水平與兩端的經濟圈存在巨大落差，致使整個經濟帶存在“兩邊高，中間低”的現(xiàn)象，而青海正是這種現(xiàn)象的典型代表.因此，需要以理論科學作為指導工具，對青海省交通通達性進行定性分析與定量評價.

國際上，1959年Hansen[1]最早提出了交通網絡的可達性概念，即“交通網絡中各節(jié)點相互作用的機會大小”.60年代之后，Ullman[2]深化了可達性概念，并進一步提出了切實可行的操作和度量方法.在可達性的評價方法方面，評價某個區(qū)域的可達性方法較多，Baradaran and Ramjerdi將可達性評價方法分為五類[3]，而Handy and Niemeier[4]將其中的基于地點的可達性評價、基于個人的可達性評價和基于效用的可達性評價用于土地和交通規(guī)劃中.至此， 可達性的概念與理論將土地和交通兩個學科定量地聯(lián)系到一起.到21世紀，Bertolini等[5]將可達性定義為物或人在給定時間或費用條件下到達目的地的數(shù)量和多樣性.國內劉海隆[6]、黃曉燕[7]等基于不同的區(qū)域系統(tǒng)開放性視角，剖析了區(qū)域可達性所引起的區(qū)域經濟效應.董向鋒[8]重點對城市范圍的交通可達性影響因素進行了定性分析.程鈺、劉雷等[9]以縣域尺度為視角，構建了濟南都市圈交通可達性測度指數(shù)和縣域經濟綜合發(fā)展水平指數(shù)，并基于構建的測度指數(shù)對濟南都市圈34個縣市進行案例分析，得出濟南都市圈交通可達性區(qū)域差異較大，以低可達性和較高可達性為主的結論.張兵等[10]利用可達性評價模型，計算了湖南省1984年～2004年公路網絡的演變及其可達性的變化，并基于預測模型對2025年湖南省高速公路網絡可達性進行模擬.田春紅[11]分析了石家莊市的城市特點和市內公交系統(tǒng)的現(xiàn)狀，將數(shù)學方法與GIS相結合，把GIS技術應用到城市公交線網的可達性評價中.高賀等[12]從可達性的不同指標對城市道路網進行定性的描述，并定量地評價了哈爾濱市道路網布局.孫耿杰[13]基于對可達性的內涵與定義的理解，基于不同的研究主體，具體提出了表達城市交通可達性指標，即通達性指標、易達性指標與可動性指標，同時提出了基于出行目的的城市交通可達性模型.曹小曙等[14]在中國國家干線公路網絡的分析基礎上，重點剖析了不同的速度指標對國家干線公路網絡聯(lián)結的城市可達性的影響；之后，又以廣州市城市公交線路網數(shù)據為基礎，以GIS軟件平臺為工具，定量地測度了廣州社區(qū)的公共交通可達性[15]，同時又基于問卷調查數(shù)據，研判了城市公共交通供給與社區(qū)居民出行需求的匹配度.

由上可見，國外學者多側重于可達性概念的規(guī)范與測度，注重多領域學科的融合；國內學者豐富了可達性的評價方法和手段，主要涵蓋了傳統(tǒng)的基于數(shù)學統(tǒng)計方法的拓撲、重力模型、等值線法等[16-17]，也有數(shù)學方法與GIS相結合的綜合集成方法[11、15、18]，但是，研究對象多集中于沿?；蛑袞|部的發(fā)達城市，或側重于某一城市的公共交通領域，西北等亟待發(fā)展交通的省份或區(qū)域的針對性研究與政策分析極少.因此，本文以新“絲綢之路經濟帶”沿線的青海省交通路網為研究對象，以涉及到的分等級路網數(shù)據和省內各市、州范圍數(shù)據為基礎，運用ArcGIS軟件平臺、成本距離法等工具方法，將矢量數(shù)據與柵格數(shù)據相互轉化、結合，對青海省內交通路網可達性和覆蓋度進行測度，由此得出以時間為指標來衡量路網覆蓋性能，以可達時間的跨度來定量表達青海省內的路網覆蓋性，為進一步改進省內交通建設、發(fā)揮交通對“一帶一路”沿線省份的促進作用提供科學依據.

1 可達性模型原理與數(shù)據處理

1.1 交通可達性概念

上世紀七八十年代，Dalvi[19]、Burns[20]、Morris等[21]對交通可達性作出不同的定義與界定.本文基于前人相關概念的表述與理解，將青海省交通路網可達性定義為：在一定的城市土地利用與城市交通系統(tǒng)中，城市居民從省內既有的交通系統(tǒng)出發(fā)，到參與省內各項日?；顒?就業(yè)、上學、購物、娛樂)目的地的便利程度，并采取加權平均距離指標衡量這種便利程度.其中，加權平均距離指的是在較小的距離或范圍，計算求得所有線要素、面要素的平均值，如果均值越穩(wěn)定，那么賦予其的權重越高，即該地點地勢越平緩，其道路的通達性能越好.

交通路網可達性的分析目標是確定各像元位置到某個源的最小成本路徑，本文的案例分析中，該“源”指的是青海省域內的交通路網系統(tǒng)的任何一條矢量線路的最小分解單元.該過程必須確定每個像元的通向源的最短加權距離，以及最小成本路徑本身.

1.2 可達性模型原理

在實際的空間統(tǒng)計分析和代數(shù)運算過程中，需要將矢量數(shù)據轉化為柵格數(shù)據，利用ArcGIS建立模型，由此可以極大地提高GIS 的時空數(shù)據分析能力.在計算、輸入過程中，“成本距離”的輸入需要“源”的矢量數(shù)據以及由“源”做為數(shù)據集而生成的成本柵格數(shù)據，因為在柵格中，能夠運用圖論理論中的連接線/結點像元制圖表達原理，將每個像元正確地分配到其最近的像元的累計成本.表達、分配時，結點是各像元的中心，并由多條線將各結點連接到距離其最近的相鄰結點，但是，每一條的連接線都存在帶有關聯(lián)屬性的阻抗.阻抗的大小，取決于像元的移動方向，以及與連接線的各端點的像元相連的成本.在像元中，移動的每個單位距離所需要的成本用分配給各像元的成本來表示，而每個像元的最終值為成本與像元大小的乘積.

行程成本包括對角結點成本和相鄰結點成本.相鄰結點成本的大小受該兩個結點的空間方向、以及像元的連接方式的影響.當某像元移動到與其直接連接的近鄰像元時，跨越連接線移動到相鄰結點的成本為像元1與像元2的平均值：

式中：cost1為像元1的成本；cost2 為像元2的成本；A1 為從像元1到像元2連接線的總成本.

圖1 水平與垂直結點計算圖示Fig.1 Horizontal and vertical node calculation diagrams

相鄰結點的累積成本公式為

式中：cost2 為像元2的成本；cost3 為像元3的成本；A2 為從像元2移動到像元3的成本；Accum-cost為從像元1移動到像元3的累積成本.

圖2 累積成本結點計算Fig.2 Calculation of cumulative cost nodes

對角結點間的行程成本是指沿對角線移動，那么連接線上的行程成本為

圖3 對角結點計算圖示Fig.3 Diagonal node calculation diagram

對角線移動的累積成本公式為

在計算累計成本之后，需要將形成累計成本像元列表，通過迭代，直至輸出成本距離.使用圖論創(chuàng)建累積成本距離柵格可被視作嘗試識別最低成本像元，并將其添加到輸出列表；而每個像元的目標則是快速分配到輸出成本距離柵格中.

圖4 輸入柵格Fig.4 Input grid

在初次迭代中，它們返回自身不消耗累積成本，但是需要識別出源像元并分配0值，再次迭代時，啟用全部源像元的近鄰，使用累積成本公式將成本分配到源像元結點與鄰近像元結點之間的連接線.各鄰域像元都可以達到某個源，因此，可以選擇將它們分配給輸出累積成本柵格，累積成本值按由最低累積成本到最高累積成本的順序排列于列表中.

圖5 初次迭代與輸出Fig.5 First iteration and output

從活動累積成本像元列表中選擇最低成本像元，然后將該像元位置的值分配給輸出成本距離柵格.此時，這些像元已具有到達某個源的方式，活動像元的列表會變大，而列表中只有可能到達某個源的像元是活動的.由此，繼續(xù)使用累積成本公式計算移動到這些像元的成本.

此分配過程繼續(xù)執(zhí)行，通過將新像元位置添加到輸出柵格創(chuàng)建新的成本較低的路徑，更新活動列表上的像元.當活動累積成本列表上具有最低值的像元被分配到輸出柵格時，計算所有累積成本，同時計算新分配的輸出像元的相鄰像元的成本，即使相鄰像元位于其他像元的活動列表上；如果活動列表上的位置的新累積成本大于這些像元當前的累積成本，則忽略該值；如果活動列表上的位置新累積成本小于這些像元當前的累積成本，則使用新值替換掉活動列表上該位置的原有累積成本.此時已具有到達某個源的更理想路徑的像元在活動選擇列表中上移.

圖6 二次迭代與輸入柵格Fig.6 Quadratic iteration and input grid

圖7 成本距離輸出值Fig.7 Cost distance output value

NoData像元的后側像元的最低累積成本由繞過這些位置所需的成本確定，不允許穿越包含NoData值的像元.

1.3 數(shù)據來源與處理

青海與甘肅、四川、西藏、新疆接壤，轄西寧市、海東市兩個地級市和玉樹藏族自治州、海西州、海北州、海南州、黃南州、果洛州等6個民族自治州.本文以2015年行政區(qū)劃為基準(考慮多種數(shù)據的統(tǒng)一性)，且論文成文時，國家數(shù)據(http://Data.stats.gov.cn)官方網站所公布的最新數(shù)據為2015年數(shù)據)，計算分析中涉及分等級路網數(shù)據和各市、州范圍數(shù)據，以中國地圖出版社2015年《中國交通地圖冊》為版本，基于數(shù)據的統(tǒng)一性，選定投影坐標系統(tǒng)(Projected Coordinate Systems)體系中的GCS Krasovsky 1940坐標，以英國格林尼治黃金子午線為基準，運用ArcGIS 10.2確定矢量的青海省的交通網絡圖.

圖8 青海省主要交通線路圖Fig.8 Main traffic routes in Qinghai Province

道路分為高速公路、國道、省道等不同等級道路，各等級道路的設計時速均不相同.不同道路經過一個柵格的時間設為成本值，在ArcMap中，在既有的矢量交通網絡的基礎上對高速公路、國道、省道、陸地等矢量圖層的屬性表增加一個新的字段cost，用來存儲成本數(shù)值，其值表示完成100 km所需要的時間；如國道的速度為80 km/h，則其所需要的時間為100/80×60=75 min，并且根據上述設定給字段賦值；在沒有路網的部分，假設其為均質的、可以步行為主的出行方式，且步行速度設置約為6 km/h.其次，對不同的矢量圖層進行柵格化，通過Spatial Analyst工具欄中的矢量轉柵格(Convert→Feature to Raster)命令進行柵格轉換，柵格數(shù)據的取值即使用剛才建立的新字段的值.再次，對生成的柵格數(shù)據進行重分類(Reclassify)，并將研究區(qū)域內NoData的值改為“1 000”(100 km/(6 km·h-1)×60 min)，生成研究區(qū)域內的成本柵格圖，柵格大小為50 m×50 m.利用Spatial Analyst工具欄中的成本距離加權(Distance→Cost Weighted)，計算成本柵格數(shù)據的成本值，并根據結果調整時間等級分類，由于青海省道路通達度有限，時間跨度較大，約為0～11 h，基于此，將時間等級以1.2 h為劃分區(qū)間劃分9個等級，將得到的柵格圖輸出，并疊加路網矢量圖，最終得到成果圖.

2 覆蓋度評價

2.1 定性問題分析

青海省是“絲綢之路經濟帶”的重要節(jié)點，然而其省內鐵路、公路中重要樞紐的綜合功能欠佳，地方鐵路發(fā)展相對滯后，未能形成快速便捷的鐵路網，國省干線公路升級改造力度不夠，尤其是沿黃公路、旅游公路以及全部縣城公路的等級較低，只是初步形成了省內通往甘肅敦煌、新疆、西藏的對外快速運輸通道，即G6京藏高速青海段除在建茶卡至格爾木段已基本貫通，國家高速公路G3011青海段全線貫通，G0612西寧至和田高速，西寧至西海、德令哈至小柴旦湖建成通車，G214、G227、G213、G109等普通國道的對外銜接路段尚通達，然而其余方向的路網通達性依舊不高.

其次，干線公路對州、縣、重要資源產業(yè)基地等節(jié)點的銜接覆蓋不足；個別縣城對外出行路徑較單一、迂回繞行嚴重；已建農村公路、砂石路缺少必要的防排水設施和安保工程；農村公路暢通水平低，青海省仍有5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和609個建制村不通瀝青(水泥)路，建制村通暢率比全國低10個百分點；果洛州、玉樹州等東南部及柴達木盆地西北部地區(qū)與新疆、甘肅西部地區(qū)的鐵路通道不暢.

再次，青海省東部城市群已實現(xiàn)城市群增長極，形成以西寧為中心的東部城市群各市縣間高等級公路連接，高速公路覆蓋比例達到90%以上，所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)和建制村實現(xiàn)通硬化路，縣二級客運站覆蓋率基本達到100%.相比而言，西南的藏區(qū)交通基礎設施建設較為滯后，農村公路養(yǎng)護資金偏低，自籌資金配套較少，通暢水平仍然較低，抗災能力弱；藏區(qū)和農牧區(qū)公路通達深度及通暢程度低于全國平均水平，高速公路覆蓋率比例僅為45.5%；藏區(qū)縣城二級客運站覆蓋率不足40%，鄉(xiāng)鎮(zhèn)等級客運站覆蓋率達到71.3%，藏區(qū)交通已成為制約青海省全面建成小康社會的短板.

2.2 定量覆蓋度測算

(1)青海省公路面積密度低，全省覆蓋率不足

依據國家數(shù)據(http://Data.stats.gov.cn)進行計算整理，截至2015年底，青海省公路通車里程達到7.56 km，公路網密度達到1.049 km/103km2，以人口計算的公路網密度為127.4 km/人，其中高、次級公路2 662 km，占比3.52%，平均萬人擁有35.45 km；等級公路61 977 km，占公路網的81.99%，等外公路10 952 km，占比14.49%.從下表中可以看出，青海省公路網密度(覆蓋度)較低，在西北地區(qū)中，青海省公路密度最低，僅西部平均水平的39%，只有全國的21.7%.

表1 部分省份路網建設對比

(2)不同等級道路不同行政區(qū)域覆蓋率差異較大

青海省公路覆蓋率在層次上呈現(xiàn)“覆蓋率不足”的狀況：市(州)及縣級行政區(qū)道路技術狀態(tài)差，高等級覆蓋率低，農村公路普遍存在著等級差，覆蓋率低的現(xiàn)象.截至到2015年底，高速公路網里程已達到2 662 km，但依舊會有41.3%的縣級行政村不能覆蓋.目前，二級公路建設使得全省相鄰市州之間基本實現(xiàn)貫通，而部分市州與所轄縣、鄰縣之間未能實現(xiàn)高等級公路覆蓋，通暢性不足.截至2015年底，全省農村公路里程數(shù)達到6×104km，在“十二五”期間通過提升農村公路等級，使得鄉(xiāng)鎮(zhèn)通暢率達98.6%，建制村通暢率達85.4%，農村公路覆蓋范圍顯著提升.但大多數(shù)農村的道路普遍為等外公路、砂石路面，其通暢水平低.客運站點方面，所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)和建制村實現(xiàn)通硬化路，縣二級客運站州府覆蓋率達100%，與其相比，藏區(qū)二級客運站覆蓋率不足40%；縣城二級及以上客運站覆蓋率不足45%，鄉(xiāng)鎮(zhèn)等級客運站覆蓋率僅為88.58%，適宜農牧區(qū)需求的汽車客運站及?？空军c建設不足.此外，受客流不足的影響，部分地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)等級客運站點難以維持正常運轉.

(3)運輸網絡服務基本覆蓋全省，公路監(jiān)測等覆蓋度不足

截至2015年底，全省累計開通客運班線893條，其中省際班線89條、市際班線150條、縣際班線92條、縣內班線562條，基本覆蓋全省地區(qū)；全省83.55%的建制村通車，鄉(xiāng)鎮(zhèn)實現(xiàn)100%通車.但是，仍有17.4%建制村沒有客運班線，東部城市群城鄉(xiāng)公交一體化建設程度低，主要城市站點和路線設置不合理，覆蓋性不足.另外，全省的旅客運營車輛已達699輛，景區(qū)客運交通與鐵路網已經實現(xiàn)無縫銜接，形成了旅游交通網絡.在管理層面上，交通運輸行業(yè)的運輸裝備監(jiān)管設備覆蓋度水平低，使得青海省交通監(jiān)管和緊急救援方面存在著一定程度的困難.

圖9 青海交通網絡圖Fig.9 Traffic network in Qinghai Province

(4)區(qū)域覆蓋率差異大，基本呈現(xiàn)“東高西低，北高南低”的狀態(tài)

全省交通網絡覆蓋率區(qū)域間明顯存在著差異，呈現(xiàn)出“東部大于西部，北部大于南部”和“局部分布不均勻”的態(tài)勢.在行政區(qū)域上，全省公路密度從低到高依次為：玉樹、海西、果洛、黃南、海北、海南、西寧和海北，其中，玉樹和海西州的公路里程面積密度最低，小于5 km/102km2，最高為西寧和海東，高于50 km/102km2.東西格局上，公路網絡主要覆蓋于海北、西寧、海東、海南和黃南北部等東北部區(qū)域，并呈現(xiàn)以西寧海東為中心的覆蓋率輻射性減低的趨勢，在這一區(qū)域中，大部分區(qū)域都能在1.2 h之內到達，隨著逐漸向西，青海省交通網覆蓋性逐漸降低，以柳格高速為分界線，柳格高速以西，覆蓋率較低，只有G315和S305兩條等級高的道路，通達性的時間長度也逐漸從1.2 h增加至4.85 h，甚至部分地區(qū)通達性達到11 h；南北格局上，全省主要以G109為分界線，G109以北，鐵路、公路網覆蓋率較深，基本上全部區(qū)域能夠在3.65 h之內到達，可達性較大；國道109以南，西部依托于鐵路、G214、G109、S101和S308、形成了少量的交通網絡，其他大面積的地區(qū)主要以縣道、鄉(xiāng)道為主，高水平道路覆蓋較低，因此，交通通達性沿著G214、G109、S101和S308輻射性向周邊地區(qū)遞減，交通網絡覆蓋度較差，等級較低.從地區(qū)上來說，東部城市群主要通過高等級公路連接周邊市(州)縣，平均時速也高于西部地區(qū)，高速公路縣覆蓋率達92.3%，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和建制村100%硬化路覆蓋，藏區(qū)公路覆蓋度嚴重不足.藏區(qū)高速公路縣覆蓋率僅為45.5%，17.4%不通班線的建制村全部位于藏區(qū)，二級客運站點縣城覆蓋率小于40%，鄉(xiāng)鎮(zhèn)客運站點覆蓋率僅為71.3%.

3 交通路網完善建議

3.1 兩條通道，多點聯(lián)通

為了促進青海省更快融入到絲綢之路經濟帶中，需打通對外運輸通道與省際出口，加強跨區(qū)域通道建設，促進區(qū)域間各種運輸方式間的有效對接和深度融合，為承接產業(yè)轉移、資源開發(fā)和經濟社會的發(fā)展提供交通運輸保障.按照“兩條通道、多點聯(lián)通”的思路，加強青海省的對外運輸通道建設，將青海與周邊省區(qū)連接起來，把西寧、格爾木打造為絲綢之路經濟帶上的重要節(jié)點城市.

一是北部通道.自蘭州新區(qū)、經互助、大通、西海、德令哈、小柴旦、黃瓜梁、茫崖至新疆若羌，通過吐爾尕特、伊爾克斯坦口岸連通吉爾吉斯斯坦，進而抵達中亞、歐洲地區(qū).二是南部通道.自蘭州、西寧、共和、都蘭、格爾木、至拉薩，進而連通加德滿都；其次是經由德令哈市、都蘭至果洛州的瑪沁縣.

圖10 青海省對外運輸通道布局示意Fig.10 Layout of Qinghai province′s external transportation passage

除此之外，需要沿青海省周邊省界，打通與甘南、臨夏、永登、蘭州新區(qū)、武威、張掖、敦煌、新疆方向的高速公路通道，構成與絲路主通道連霍高速的互聯(lián)互通.

3.2 梯度輻射，完善路網

在京藏高速、青新高速、德馬高速等主通道的輻射范圍內加快連接果洛、玉樹州及省內主要城鎮(zhèn)和重點資源開發(fā)區(qū)、旅游區(qū)公路通道建設，提高交通一體化水平.與此同時，加強對具有集散功能、提供公共服務的普通國省道及輔道建設、農村公路網建設，以及重點工業(yè)園區(qū)、農業(yè)園區(qū)連接線建設.提高路網中二級公路以上公路比重，提高路網通行能力和服務水平，提升公路運輸效率.各條對外運輸通道在青海省省內的基礎設施構成如表2所示.

表2 青海省運輸通道基礎設施構成情況

4 結論

(1)以青海省交通路網可達性和覆蓋度為研究對象，定性地分析省內的主要線路、區(qū)域和節(jié)點，借助ArcGIS軟件平臺，將矢量數(shù)據與柵格數(shù)據相互轉化、結合，并運用成本距離方法，基于分等級的路網數(shù)據和各市、州范圍數(shù)據，定量地測度青海省交通路網的覆蓋度.

(2)從定性的角度來看，青海省的便捷路網尚未形成，省內的鐵路、公路重要樞紐的綜合功能欠佳；干線公路對州、縣、重要資源產業(yè)基地等節(jié)點的銜接覆蓋不足；東部以西寧為中心的城市群已實現(xiàn)增長極，但城鄉(xiāng)公交一體化建設程度低；藏區(qū)交通運輸發(fā)展嚴重滯后，西南藏區(qū)已成為制約青海省全面建成小康社會的短板.

(3)從定量的角度來看，青海省公路面積密度低，全省覆蓋率不足；不同等級道路不同行政區(qū)域覆蓋率差異大，高速公路網僅能覆蓋六成的縣級行政村，建制村通暢率達85.4%；運輸網絡服務基本覆蓋全省，但監(jiān)管、服務水平欠佳；區(qū)域覆蓋率差異大，東西格局上以柳格高速為分界線，通達性差異約3.65 h，偏遠地區(qū)通達性時間高達11 h，南北格局上以G109為分界線，基本呈現(xiàn)“東高西低，北高南”低的狀態(tài).

(4)區(qū)域綜合交通可達性評價系統(tǒng)具有開放性、協(xié)同性，后續(xù)研究需要注重由區(qū)域系統(tǒng)內可達性評價轉向區(qū)域系統(tǒng)內、外的可達性系統(tǒng)評價，以宏觀的視角來定性、定量地評價某一區(qū)域的交通路網通達程度.

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