基于GIS的湖北省交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施空間特征研究

冉 茜，吳 鳴，孫元德，張文爭

（1.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東 汕頭 515063；2.汕頭市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，廣東 汕頭 515041）

0 引 言

道路密度是道路發(fā)展水平的重要標(biāo)志，也是衡量道路作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要基礎(chǔ)設(shè)施并滿足交通需求的直觀指標(biāo)[1-4].目前，學(xué)者多以研究道路密度為重心，忽略了與路網(wǎng)相輔相成的站場規(guī)劃，而站場密度也可作為道路發(fā)展水平的評價因素之一.站場包括火車站、汽車站、高速收費站及高速公路服務(wù)站、汽車服務(wù)站等，既銜接了不同形式的交通聯(lián)系方式，也是當(dāng)?shù)芈肪W(wǎng)與旅客的橋梁，是整個交通運營環(huán)境必不可少的一環(huán).站場密度反映出旅客出行的便捷程度、交通環(huán)境完備程度，因此在道路密度的研究基礎(chǔ)上再對站場密度的探討對于評價地區(qū)交通狀況也有重要意義.本文中將道路密度、站場密度作為同等重要的評價指標(biāo)，研究湖北省交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施空間特征.

1 研究區(qū)概況

湖北，簡稱“鄂”，處中國中部，東鄰安徽，西連重慶，西北與陜西接壤，南接江西、湖南，北與河南毗鄰，全省總面積18.59 萬平方千米.高海拔區(qū)域（主要為恩施土家族苗族自治州、神農(nóng)架林區(qū)、十堰、宜昌等地市）的陸地國土面積占全省的15.72%，其余低海拔區(qū)域的陸地國土面積占全省的84.28%[5].“十二五”以來，湖北省綜合交通網(wǎng)總里程約27.2 萬km（不含民航航線、城市內(nèi)道路），綜合交通網(wǎng)密度達(dá)146.3 km/100（km）2.其中，鐵路營業(yè)里程4 060 km（高速鐵路1 033 km），公路通車總里程25.3 萬km（高速公路6 204 km），內(nèi)河通航里程8 638 km（高等級航道1 738 km），油氣管道里程6 740 km.全省內(nèi)河港口吞吐能力3.1 億t，集裝箱吞吐能力433 萬標(biāo)箱，民航機(jī)場旅客吞吐量突破2 000 萬人次.“四縱三橫”鐵路網(wǎng)全面形成，高鐵、動車覆蓋除荊門、神農(nóng)架以外的所有市、州、直管市.武漢至十堰等高速鐵路開工建設(shè)，以武漢為中心的快速鐵路骨干網(wǎng)初步形成.“七縱五橫三環(huán)”高速公路骨架網(wǎng)基本形成，高速公路總里程躍居全國第四，98%的建制鄉(xiāng)鎮(zhèn)通二級及以上公路，100%的行政村通瀝青（水泥）路[6].

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的人口和GDP 數(shù)據(jù)來源于2016 年湖北省統(tǒng)計年鑒[7]，道路、行政區(qū)劃圖等數(shù)據(jù)為經(jīng)矢量化的2015-2016 中國電子地圖數(shù)據(jù).在ArcGIS 軟件的支持下，利用以市為界的湖北省行政區(qū)劃圖，疊加分析分別得到湖北省各市的道路網(wǎng)絡(luò)圖層（圖1） 以及各類站場數(shù)據(jù).用BIGMAP 地圖下載湖北省衛(wèi)星圖及等高線，再導(dǎo)入到ArcGIS 軟件可進(jìn)行地理信息的處理、分析，得到地形圖.

圖1 湖北省高等級路網(wǎng)分布圖

2.2 研究方法

2.2.1 密度與加權(quán)密度

道路密度是指一定區(qū)域內(nèi)道路總長度與該地區(qū)國土面積之比[8]，是評價某一地區(qū)交通狀況的常用指標(biāo)之一[9].計算公式為：

式（1）中，Di 為區(qū)域i 的道路設(shè)施網(wǎng)絡(luò)密度（km/km2），Li 為區(qū)域i 的道路長度或節(jié)點數(shù)量，Ai 為區(qū)域i 的國土面積.

道路加權(quán)密度是考慮到湖北省不同類型運輸線路的通行能力不同，給不同類別的道路賦予不同的權(quán)重[10-11].按照道路等級通行能力的比例，結(jié)合專家打分[12]，采用模糊綜合評價方法折中后就可得到湖北省通行能力權(quán)重系數(shù)（表1），從而最大程度上避免專家的主觀和偏好性.

表1 湖北省通行能力權(quán)重系數(shù)

站場包括火車站、汽車站、高速收費站及高速公路服務(wù)站、汽車服務(wù)站，其密度求解方式可依據(jù)道路密度的求解方式，即為站場個數(shù)與區(qū)域面積比值，此處不再贅述.再根據(jù)不同道路類型的權(quán)重，也給予不同站場權(quán)重，最終得到各市站場加權(quán)密度.

2.2.2 GIS 技術(shù)

（1）疊加分析

疊加分析是地理信息系統(tǒng)中用來提取空間隱含信息的方法之一[13]，多層數(shù)據(jù)運用不同的疊加分析結(jié)果不僅會產(chǎn)生新空間關(guān)系，還可以新增所需要的屬性信息，通過市域面狀圖層疊加各市交通基礎(chǔ)設(shè)施得到每個市所擁有的交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù).

（2）地形處理

將帶有高程數(shù)據(jù)的等高線轉(zhuǎn)換成形象數(shù)字高程模型圖，可提取高程、坡度、坡向、水文等數(shù)據(jù)，本文主要通過提取各市平均高程來分析道路網(wǎng)密度與地形關(guān)系.

（3）面轉(zhuǎn)柵格圖層、插值分析

將疊加分析后的矢量面狀圖層選取單一值轉(zhuǎn)換成柵格圖層，分別篩選出單一的道路密度、站場密度等數(shù)據(jù)，也就是最后需要輸出的圖紙.插值分析是為了更直觀地表達(dá)不同道路、站場密度上地域和空間分布的差異性.

2.2.3 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)是測試空間某點的觀測值是否與其相鄰點的值存在相關(guān)性的一種分析方法[14-15].Moran 指數(shù)是用來度量空間自相關(guān)的全局指標(biāo)[16]，本文中可反映出鄰接或鄰近的各市道路密度相似程度.Moran 指數(shù)計算公式如下：

式（2）中，Moran'I 的取值一般在［-1，1］之間，小于0 表示負(fù)相關(guān)，等于0 表示不相關(guān)，大于0 表示正相關(guān).

3 結(jié)果與分析

3.1 路網(wǎng)密度、站場密度分析結(jié)果

首先，運用疊加分析得到關(guān)于密度的屬性數(shù)據(jù).在ArcMap 打開已經(jīng)轉(zhuǎn)換為“.shp”格式的2015-2016 中國電子地圖，包含以市為界的全國行政區(qū)劃面狀圖層以及不同等級的全國路網(wǎng)、站場圖層；然后，通過【編輯器】刪除行政區(qū)劃圖層中湖北省以外的其他省域，得到包含湖北省17 個市的面狀圖層；再利用【疊加分析】-【相交】分別將全國路網(wǎng)、站場圖層與上述市域面狀圖層疊加，就得到了具備市域面狀圖層屬性的湖北省路網(wǎng)圖層、站場圖層；最后統(tǒng)計匯總屬性表，分別得到17 個市路網(wǎng)里程、站場數(shù)量等數(shù)據(jù)，并計算出各市相關(guān)密度.

再利用局部Moran 指數(shù)公式，在空間計量軟件GeaDa 中建立一個基于Rook 的一階鄰接空間權(quán)重矩陣，得到道路加權(quán)密度空間分異狀態(tài)的Moran 散點圖（圖2）.湖北省道路加權(quán)密度的局部Moran's I=0.436，Moran 指數(shù)大于0 表明，湖北省各市路網(wǎng)密度的空間分布具有一定的集聚特征，即道路密度高的市，其周邊區(qū)域的道路密度也較高；道路密度低的市，其周邊道路密度也低.過Moran 散點圖上高高、低低兩類明顯的空間分異區(qū)域體現(xiàn)出來，生成的趨勢線表明各點的正相關(guān)性.一一對應(yīng)各點代表城市后，點的聚集具有地域特征，從左到右依次為鄂西城市群、鄂中城市群、鄂東城市群，圖中兩藍(lán)線劃分出了這三個區(qū)域.趨勢線底端位于“低低”象限的點，主要為鄂西地區(qū)各市；趨勢線頂端屬“高高”區(qū)的點，主要為鄂東地區(qū)多市；其余趨勢線中部的點，主要為鄂中地區(qū).換而言之，由圖中Moran 散點趨勢由西至東增長結(jié)果表明湖北省的道路加權(quán)密度為鄂西地區(qū)最低，鄂中地區(qū)稍高，鄂東地區(qū)（武漢城市圈）達(dá)到最高.按照鄂東、中、西三區(qū)劃分不同等級道路加權(quán)密度，同理也可推算出其他相關(guān)密度（表2），與表2 對應(yīng)的各市密度見圖3 所示.

圖2 道路加權(quán)密度局部Moran 散點圖

表2 湖北省道路基礎(chǔ)設(shè)施分區(qū)密度表

圖3 湖北省各市道路基礎(chǔ)設(shè)施密度

3.2 路網(wǎng)密度與地形地貌關(guān)系

首先，用BIGMAP 地圖下載湖北省衛(wèi)星圖及等高線，導(dǎo)入至ArcMap 進(jìn)行地形處理，選用【輸出TIN】工具創(chuàng)建為TIN 地表面，符號化地表面后就可得到期望效果地形，由于柵格地表面更容易進(jìn)行分析，可利用【TIN 轉(zhuǎn)柵格】得到柵格地表面（圖4）.打開【區(qū)域分析】中的【以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計】工具，以市域面狀圖層分區(qū)提取此柵格地表面的MEAN（平均高程），便可得到各市的平均高程.再設(shè)置【符號】系統(tǒng)將平均高程分為5級（圖5），再對比平均高程與路網(wǎng)密度（圖3），探討各市道路密度與平均海拔高度之間的關(guān)系.將平均高程分級時，若是只按照高程高值、中值、低值分為三區(qū)比較，誤差偏大，因此將高程分5 級.可看出湖北省路網(wǎng)分布與地形走勢有一定的關(guān)系，道路密度隨著地勢增高而降低，兩者分布特征大致吻合.

臺地面積占湖北省陸地面積的15.83%[5]，以武漢為中心的低海拔臺地面積較大，包括荊門、孝感等市，平均海拔于43～116 m 間，與之對應(yīng)的是道路網(wǎng)密度高值區(qū)；丘陵面積占湖北省陸地面積的12.78%[5]，低海拔丘陵面積較大，主要分布在隨州、襄陽、黃岡、咸寧等市，平均海拔于117～346 m 間，與之對應(yīng)的是道路網(wǎng)密度中值區(qū)；山地面積占湖北省陸地面積的48.06%[5]，中海拔山地面積較大，主要分布在十堰、宜昌恩施土家族苗族自治州等，平均海拔于347～1 608 m 間，與之對應(yīng)的是道路網(wǎng)密度低值區(qū).總體上湖北省地勢以武漢為中心向四周增高、道路密度隨之降低，鄂西地區(qū)海拔最高、道路網(wǎng)密度最低.荊州市為異常點，雖然處于低海拔臺地，但是道路密度遠(yuǎn)低于其他城市.

圖4 湖北省數(shù)字高程地形圖

圖5 湖北省各市平均高程圖

3.3 道路加權(quán)密度、站場加權(quán)密度與人口密度、GDP 密度的關(guān)系

首先，將疊加分析后得到的市域圖層通過【面轉(zhuǎn)柵格】工具，選取不同的【值字段】得到各市道路網(wǎng)密度、站場密度等格圖層.選用ArcMap 中的【插值分析】中的【反距離權(quán)重法】工具，也選取不同的【值字段】面圖層得到更形象的柵格圖層.再用2015 年全省各市常住人口、生產(chǎn)總值[6]，除以各市面積得到相對應(yīng)的密度值，插值（反距離權(quán)重法）分析后更加直觀表達(dá)各市密度的差異與聯(lián)系，如圖6 所示.

圖6 湖北省各市密度

上圖的總體趨勢是人口密度、GDP 密度以武漢為中心向四周逐漸減少，鄂西地區(qū)達(dá)到最低值，可見道路基礎(chǔ)設(shè)施空間分布與人口密度、GDP 密度有較大的相關(guān)性.圖中部分城市出現(xiàn)了明顯的聚集形態(tài)，是因為該城市數(shù)據(jù)與周邊數(shù)據(jù)的值差距較大，例如隨州市、荊門市的GDP 密度、人口密度是遠(yuǎn)低于武漢城市圈其他城市.武漢市作為湖北省的首府城市，對比其余城市存在一定的特殊性，無論是經(jīng)濟(jì)、人口、道路基礎(chǔ)設(shè)施水平都極高，因此重點論述其他地級市.

3.3.1 道路加權(quán)密度與人口密度關(guān)系

以各市人口密度為自變量x，道路加權(quán)密度為因變量y，對數(shù)據(jù)做回歸分析，得到方程y=0.8466x+0.0169，其中R2=0.865，且t＜0.001，表明兩者具有顯著相關(guān)性，如圖7 所示.其中，出現(xiàn)兩個點與其余數(shù)據(jù)差異較大，荊州市道路加權(quán)密度對人口密度而言偏小，鄂州市道路加權(quán)密度對人口密度而言較大，這可能是湖北省更偏向于向東發(fā)展所致.總而言之，除了少數(shù)兩個城市，湖北省各市的人口是影響道路網(wǎng)建設(shè)的重要因素.

圖7 湖北省各市道路加權(quán)密度與人口密度關(guān)系

3.3.2 站場加權(quán)密度與人口密度關(guān)系

以各市人口密度為自變量x，站場加權(quán)密度為因變量y，對數(shù)據(jù)做回歸分析，得到方程y=0.2706x-0.003，其中R2=0.8815，且t＜0.001，表明兩者具有顯著相關(guān)性，如圖8 所示.其中，出現(xiàn)了2 個點與其余數(shù)據(jù)差異較大，天門市、孝感市站場加權(quán)密度對人口密度而言偏小，也許是規(guī)劃中考慮了武漢市站場設(shè)施也同時為兩市服務(wù).總之，湖北省大部分城市的站場建設(shè)與人口密度呈線性正相關(guān)，人口密度是站場建設(shè)的重要考量因素.

圖8 湖北省各市站場加權(quán)密度與人口密度關(guān)系

3.3.3 道路加權(quán)密度與GDP 密度關(guān)系

以各市GDP 密度為自變量x，道路加權(quán)密度為因變量y，對數(shù)據(jù)做回歸分析，得到方程y=0.076x+0.0333，其中R2=0.7665，且t＜0.001，表明兩者具有顯著相關(guān)性，如圖9 所示.線性函數(shù)誤差較大，故選擇多項式方程.其中，出現(xiàn)了2 個點與其余數(shù)據(jù)差異較大，襄陽市、潛江市道路加權(quán)密度對GDP 密度而言偏小，也同樣表明湖北省更偏向于向東發(fā)展.以上可見，湖北省各市道路網(wǎng)的建設(shè)與GDP 有一定聯(lián)系，但GDP 只是影響各市道路網(wǎng)建設(shè)的一種重要因素.

圖9 湖北省各市道路加權(quán)密度與GDP 密度關(guān)系

3.3.4 站場加權(quán)密度與GDP 密度關(guān)系

以各市GDP 密度為自變量x，站場加權(quán)密度為因變量y，對數(shù)據(jù)做回歸分析，得到方程y=0.0271x+0.0016，其中R2=0.9699，且t＜0.001，表明兩者具有顯著相關(guān)性，如圖10 所示，并沒有與其他數(shù)據(jù)差異較大的點.以上分析中，湖北省各市GDP 密度與站場加權(quán)密度線性正相關(guān)，且方差很接近于1，由此可見GDP 是湖北省各市站場建設(shè)的主導(dǎo)因素.

圖10 湖北省各市站場加權(quán)密度與GDP 密度關(guān)系

4 結(jié)語

本文運用GIS 的疊加分析、空間插值、空間自相關(guān)分析以及地形處理技術(shù)分析了湖北省交通基礎(chǔ)設(shè)施的空間分布特征，闡述了與人口、經(jīng)濟(jì)等因素的關(guān)系并作出定性、定量的分析，以國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平衡量各市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是否達(dá)到省內(nèi)發(fā)展水平，對于研究近遠(yuǎn)期道路交通發(fā)展有一定意義.

（1）GIS 疊加分析技術(shù)提取出湖北省各市路網(wǎng)、站點等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換工具、插值分析工具更加直觀地展示了湖北省各市道路基礎(chǔ)設(shè)施特征，以此基礎(chǔ)分析湖北省道路（加權(quán)）密度、站場（加權(quán)）密度與人口密度、GDP 密度等關(guān)系.

（2）空間自相關(guān)分析表明湖北省各市交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施密度的空間分布具有一定的集聚特征，由此可將湖北省道路密度由高到低分為三區(qū)，比如鄂東地區(qū)（武漢城市圈）平均道路加權(quán)密度為0.081 7 km/km2、平均站場加權(quán)密度為0.010 5 個/km2，鄂中地區(qū)平均道路加權(quán)密度為0.030 5 km/km2、平均站場加權(quán)密度為0.004 8 個/km2，鄂西地區(qū)平均道路加權(quán)密度為0.015 9 km/km2、平均站場加權(quán)密度為0.002 2 個/km2.除此之外，其他多組數(shù)據(jù)也表明了湖北省各市交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展不平衡，三區(qū)差距較大.

（3）GIS 地形處理技術(shù)表明湖北省的省道路（加權(quán)）密度、站場（加權(quán)）密度與地形地貌有一定關(guān)系.以武漢為中心的低海拔臺地（鄂東）與之對應(yīng)的是道路網(wǎng)密度高值區(qū)；低海拔丘陵（鄂中）與之對應(yīng)的是道路網(wǎng)密度中值區(qū)，中海拔山地面積較大（鄂西）與之對應(yīng)的是道路網(wǎng)密度低值區(qū).此項研究表明，地形是導(dǎo)致湖北省各市交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展差異大的重要原因之一.

（4）湖北省的省道路（加權(quán)）密度、站場（加權(quán)）密度與人口密度、GDP 密度之間存在著線性正相關(guān)，達(dá)到了定向、定性研究的程度.在深入調(diào)研當(dāng)?shù)貐^(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)水平之后，可根據(jù)推導(dǎo)的回歸方程和未來各市預(yù)測的經(jīng)濟(jì)增長率、人口增長率求得未來交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展需求.從分析結(jié)果也可發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存交通系統(tǒng)所存在的特殊情況，也跟湖北省更偏向于向東發(fā)展、以及武漢市交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施同時服務(wù)周邊城市有關(guān).