基于GIS 的陸路交通可達(dá)性空間測度與評價

黃承鋒， 田少斌， 鄭淑心

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

交通可達(dá)性指的是交通網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點(diǎn)之間交通的難易程度，反映各節(jié)點(diǎn)城市之間相互影響作用機(jī)會的大小[1]。可達(dá)性的概念由美國學(xué)者 Hansen于1959年提出，被廣泛應(yīng)用于交通規(guī)劃、城市規(guī)劃等方面[2]。隨著GIS技術(shù)日趨成熟，許多學(xué)者在研究交通可達(dá)性時通過地理信息系統(tǒng)空間分析功能，評價地理因素和距離度量對可達(dá)性的影響。當(dāng)前對可達(dá)性的研究主體多為單一交通方式，公路[3]、鐵路[4-5]、航空[6]等。研究方法多采用以GIS空間技術(shù)法、網(wǎng)絡(luò)分析與成本柵格加權(quán)集成法等方法為主的定量研究。國內(nèi)學(xué)者蔣海兵等以時空變化的角度評價交通基礎(chǔ)設(shè)施可達(dá)性的發(fā)展脈絡(luò)，并以空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析等方法研究可達(dá)性地域效應(yīng)，提出可達(dá)性評價方法的不足和處理對策[7]；呂堯基于GIS技術(shù)，分析長江中游城市群交通可達(dá)性，提出提高區(qū)域交通可達(dá)性及其均衡性的針對措施[8]；羅金閣等研究粵港澳大灣區(qū)鐵路交通可達(dá)性與旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的空間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)區(qū)域交通可達(dá)性的提高對旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有明顯的成效[9]；更多的學(xué)者研究交通可達(dá)性的時空演化格局[10]。整理研究現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)：目前對區(qū)域交通可達(dá)性的研究對象比較單一，多集中在單種交通方式上；未結(jié)合地區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口、區(qū)位等要素；鮮有評價大范圍區(qū)域特別是經(jīng)濟(jì)圈范圍內(nèi)的交通可達(dá)性。

本文擬基于GIS技術(shù)，實(shí)證研究成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈陸路交通系統(tǒng)(公路、鐵路)，結(jié)合區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)、人口等要素，分析區(qū)域內(nèi)陸路交通可達(dá)性空間分布格局及差異。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究各城市空間相互作用強(qiáng)度，全面分析影響區(qū)域空間相互作用的因素，并提出針對改善可達(dá)性的建議，以期對成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈陸路交通發(fā)展戰(zhàn)略的制定及區(qū)域可達(dá)性的提高提供理論依據(jù)。

一、研究區(qū)域概況

成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈位于長江上游，地處四川盆地，東部與湖南、湖北相鄰，西部與青海、西藏接通，南部與云南、貴州相連，北部與陜西、甘肅接壤，是我國西部地區(qū)發(fā)展水平最高的城鎮(zhèn)化區(qū)域。2021年10月20日《成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈規(guī)劃綱要》發(fā)布，其地理范圍包括重慶市部分地區(qū)和四川省15個市(成都市、自貢市、瀘州市、德陽市、綿陽市、遂寧市、內(nèi)江市、樂山市、南充市、眉山市、宜賓市、廣安市、達(dá)州市、雅安市、資陽市)全部或部分地區(qū)。由于部分區(qū)縣統(tǒng)計數(shù)據(jù)口徑不一或有缺失，本文選取原成渝城市群區(qū)域16個城市展開研究。截至2019年底，成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)公路、鐵路覆蓋所有地市。

二、研究方法與數(shù)據(jù)來源

(一)研究方法

1.加權(quán)最短平均旅行時間法

本文采用平均最短旅行時間和加權(quán)最短平均旅行時間法來計算成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈各節(jié)點(diǎn)城市間的時間距離，以此反映各個城市節(jié)點(diǎn)間的交通可達(dá)性，公式為

(1)

式中：Ai表示i城市加權(quán)最短平均旅行時間；Tij表示兩節(jié)點(diǎn)城市間最短路程所對應(yīng)的最短時長；Mj表示節(jié)點(diǎn)城市的納入能力和對外影響能力；Pi表示各城市城鎮(zhèn)人口；Ei表示各城市國民生產(chǎn)總值；Ai的值越小，表明i城市的可達(dá)性越好，反之，則說明i城市可達(dá)性越差。

綜合平均加權(quán)旅行時間表示陸路交通網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性，公式為

IAi=∑Aix×Rx，

(2)

式中：IAi表示i城市的陸路交通網(wǎng)絡(luò)加權(quán)最短平均旅行時間；Aix表示第x種交通方式的加權(quán)最短平均旅行時間；Rx表示公路、鐵路交通方式的權(quán)重，結(jié)合不同運(yùn)輸方式的客貨運(yùn)量，同時參考相關(guān)文獻(xiàn)中的研究方法[11-12]，將公路和鐵路權(quán)重分別設(shè)置為0.56、0.44。

2.城市空間引力模型

城市空間引力表示兩個城市空間相互作用的強(qiáng)度，引力大小取決于兩城市間相互作用的大小和城市最短時間距離。

(3)

⑤1全風(fēng)化片巖：以黃褐色為主，巖石完全風(fēng)化，巖芯呈土狀，干時較堅硬，用手難捏碎，但浸水軟化崩解，易鉆進(jìn)。

3.潛力模型

城市間的潛力值表示空間上城市之間相互作用的潛力，計算公式為

(4)

式中，Ii表示城市i的潛力值。

(二)數(shù)據(jù)來源

本研究基于GIS 平臺，將成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈16個節(jié)點(diǎn)城市行政中心抽象為16個空間節(jié)點(diǎn)，利用路網(wǎng)的長度，分別測算成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈各節(jié)點(diǎn)城市之間的可達(dá)性。公路、鐵路數(shù)據(jù)以國家地理信息處理中心1：400萬中國道路矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS中結(jié)合并匹配 Google 在線地圖，數(shù)字化成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)公路、鐵路，提取道路網(wǎng)絡(luò)要素類，再參照遙感影像及地形圖進(jìn)行修正。人口、GDP等指標(biāo)參考各市統(tǒng)計年鑒(2020)。

三、可達(dá)性計算

(一)道路數(shù)據(jù)處理

鑒于研究區(qū)域內(nèi)水路、航空運(yùn)輸所占比重較少，本文選取區(qū)域內(nèi)公路、鐵路兩種交通方式進(jìn)行可達(dá)性研究。根據(jù)《中華人民共和國工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)速度，對各等級公路與鐵路進(jìn)行速度賦值，依托GIS平臺 Network Analyst 功能，根據(jù)城市之間實(shí)際路網(wǎng)長度，計算各節(jié)點(diǎn)城市間最短時間距離矩陣。

(二)指標(biāo)體系確立權(quán)重

在計算加權(quán)最短平均旅行時間時，以各節(jié)點(diǎn)城市城鎮(zhèn)人口數(shù)和GDP乘積1/2次方根作為權(quán)重來計算加權(quán)最短平均旅行時間，通達(dá)性的高低取決于人的移動性，即人的移動機(jī)會、移動能力和移動意愿[15]，以城鎮(zhèn)人口作為權(quán)重參數(shù)，能更好地反映計算結(jié)果。在計算空間引力模型時，采用兩點(diǎn)之間地表空間的直線距離作為節(jié)點(diǎn)間的距離來計算兩節(jié)點(diǎn)之間的場強(qiáng)輻射，評價時會失去很多經(jīng)濟(jì)信息的相關(guān)影響作用，與實(shí)際出現(xiàn)偏差[16]。本文借鑒其他學(xué)者的相關(guān)研究成果[13-14]，采用節(jié)點(diǎn)之間最短路徑的旅行時間即最短時間距離，來衡量各個城市之間的距離，代入各個模型計算分析。

(5)

采用熵值法確立各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表1。熵值法具有很強(qiáng)的客觀性且精度較高，可以降低指標(biāo)賦權(quán)時主觀因素的影響，能較好地反映評價指標(biāo)對評價結(jié)果的影響，計算表達(dá)式為

表1 城市規(guī)模各指標(biāo)權(quán)重

表2 區(qū)域內(nèi)公路、鐵路及綜合平均加權(quán)旅行時間 分鐘

(6)

(7)

gj=1-ej，

(8)

(9)

式中，Rij為第j項指標(biāo)下第i個樣本占該指標(biāo)的比重，eij為第j項指標(biāo)的熵值，gj為第j項指標(biāo)的差異系數(shù)，Wj為第j項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

引入綜合評價模型測算城市規(guī)模，計算公式為

(10)

式中，S表示城市規(guī)模值，Wj為各項指標(biāo)所對應(yīng)的權(quán)重。

(三)模型計算結(jié)果

借助Arcgis10.2軟件，在Network Analyst功能中選擇新建OD成本矩陣，計算最短路徑和最短時間距離矩陣。根據(jù)公式(1)，計算最短加權(quán)平均旅行時間和綜合加權(quán)最短旅行時間，結(jié)果見表2；由公式(3)計算城市空間引力；由公式(4)計算得到城市潛力值，由公式(5)～(10)計算得到城市規(guī)模值，如表3所示。

表3 各城市規(guī)模值和潛力值

四、結(jié)果分析與評價

(一)交通可達(dá)性空間分析

陸路交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)程度決定各城市在空間上相互作用的深度和廣度，通過表2總結(jié)分析成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈陸路交通可達(dá)性表現(xiàn)為以下特征：第一，鐵路可達(dá)性較差的地區(qū)主要分布在成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈西南地區(qū)與東北地區(qū)，這是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈各城市空間分布、鐵路網(wǎng)絡(luò)及其城市引力差異共同作用的結(jié)果。第二，雅安和達(dá)州鐵路平均最短旅行時間分別為188.68分鐘、185.26分鐘，位于成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈邊緣，鐵路網(wǎng)密度較低，可達(dá)性最差。第三，鐵路平均最短旅行時間節(jié)點(diǎn)較低區(qū)域廣泛分布在成渝主軸線上，包括內(nèi)江、資陽、遂寧、德陽，平均最短旅行時間集中在87～91分鐘。第四，成都、重慶是成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈核心城市，也是西部地區(qū)重要的鐵路樞紐，鐵路網(wǎng)密度大，可達(dá)性最好，平均最短旅行時間在65分鐘內(nèi)。第五，公路可達(dá)性空間分布差異和鐵路類似，從成渝主軸向南北兩翼的公路加權(quán)最短平均旅行時間依次升高，位于成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈南北邊緣地區(qū)的公路平均加權(quán)最短旅行時間范圍在155～207分鐘，公路可達(dá)性最差。第六，遂寧、內(nèi)江、資陽是公路平均最短加權(quán)旅行時間最低區(qū)域，可達(dá)性時間范圍為117～128分鐘，地處成渝主軸上，受到重慶、成都的空間引力最大，城市發(fā)展迅速，公路交通網(wǎng)密集，可達(dá)性較好。

總體上形成以重慶、成都為中心的核心優(yōu)勢區(qū)域，以成渝主軸向南北兩極逐漸降低的可達(dá)性空間分布格局，具有明顯的梯度特征。根據(jù)可達(dá)性空間分布格局，可以將成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈主要城市大致分為3個圈層，位于成渝主軸上的重慶、成都、內(nèi)江三市為核心圈層，綜合平均加權(quán)旅行時間范圍在91.33～97.63分鐘，陸路交通網(wǎng)絡(luò)最發(fā)達(dá)，可達(dá)性最好。內(nèi)江市位于成渝主軸中部，位置優(yōu)越，處在成渝兩地交通節(jié)點(diǎn)上，內(nèi)有高速、高鐵貫穿，陸路交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)。德陽、眉山、資陽、遂寧、南充、廣安6個城市的綜合平均加權(quán)旅行時間范圍在105.18～128.61分鐘，為可達(dá)性一般的地區(qū)，屬于第二圈層。這些城市或緊鄰成都、重慶，或在成渝主軸南北兩翼，雖然位置不優(yōu)越，卻是重慶和成都向西、向南、向北對外運(yùn)輸通道的必經(jīng)之地，鐵路公路網(wǎng)密度較大，可達(dá)性較好。自貢、綿陽、樂山、宜賓、達(dá)州、雅安6個城市的綜合平均加權(quán)旅行時間超過130分鐘，屬于第三圈層，是可達(dá)性較差地區(qū)，其中達(dá)州市的可達(dá)性值最高，綜合加權(quán)平均旅行時間為193.17分鐘，貫穿成渝、達(dá)州只有兩條鐵路干線，公路網(wǎng)密度較低，交通網(wǎng)絡(luò)欠發(fā)達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，地理區(qū)位優(yōu)勢對交通可達(dá)性有重要影響，位于邊緣地區(qū)的城市的可達(dá)性高于中心地區(qū)，區(qū)域內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)的連通性也是影響區(qū)域交通可達(dá)性的重要因素。

可達(dá)性的高低還受人們出行機(jī)會、意愿、能力的影響。一個城市的可達(dá)性不僅與區(qū)位空間因素及交通設(shè)施有關(guān)，還與各城市的經(jīng)濟(jì)總量和人口數(shù)量有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，重慶、成都較其他相鄰城市的值小，說明人口的流動和城市之間的經(jīng)濟(jì)引力對可達(dá)性的提升具有促進(jìn)作用。處在成渝主軸上的城市遂寧、資陽、內(nèi)江，受重慶和成都之間對外頻繁的人口、貿(mào)易往來影響，可達(dá)性呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。反觀處在可達(dá)性第三圈層的城市自貢、德陽兩市，屬于交通網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)的區(qū)域，城市間人口流動性差，可達(dá)性有所上升。說明可達(dá)性水平的高低與區(qū)域經(jīng)貿(mào)發(fā)展、人口流動性相互作用。

(二)引力模型與潛力模型評價

陸路交通網(wǎng)絡(luò)是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈各城市及其附屬信息的主要傳輸媒介，交通可達(dá)性可以反映各城市節(jié)點(diǎn)間相互作用和聯(lián)系的緊密性及便捷程度。成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈各城市之間的引力矩陣(圖略)顯示，成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈各城市空間作用最強(qiáng)的是重慶和成都，說明二者在區(qū)域經(jīng)濟(jì)的相互交流聯(lián)系最發(fā)達(dá)。其中：重慶對北部城市南充、廣安、達(dá)州，南部城市自貢、宜賓、瀘州的空間引力較強(qiáng)，對西部城市的空間引力較弱；成都對北部城市德陽、綿陽的空間引力較強(qiáng)，對南部和東部城市的空間引力較弱；城市空間引力表現(xiàn)出以重慶、成都為核心向四周逐漸減弱的趨勢；邊緣城市達(dá)州、雅安對其他城市的空間引力最小，且呈現(xiàn)從南北向成渝主軸逐漸增強(qiáng)的趨勢。這說明城市地理區(qū)位優(yōu)勢和交通網(wǎng)絡(luò)的連通性對城市空間相互引力產(chǎn)生重要影響。

通過表3，可將成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈各城市潛力值分為三個等級：第一等級是成都和重慶，潛力值分別為59.60和47.68，重慶和成都是最核心城市，在對外聯(lián)系和輻射周邊方面有著舉足輕重的作用；第二等級是德陽、綿陽、南充、達(dá)州、宜賓、瀘州6個城市，潛力值范圍在7.11～13.03，集中在北部與南部，是受成都、重慶輻射較大的地區(qū)；第三等級城市潛力值低于7.11，分布在西部邊緣地區(qū)，自身交通網(wǎng)絡(luò)整體連通性不高，很難與其他城市相互輻射。

五、結(jié)語

本文利用 ArcGIS 空間分析和網(wǎng)絡(luò)分析法，定量評價成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈陸路交通網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性，采用引力和潛力模型，定量測度和比較分析成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈區(qū)域內(nèi)16個城市的空間引力及潛力值。第一，可達(dá)性分析結(jié)果表明，成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈陸路交通可達(dá)性空間格局呈現(xiàn)向成渝主軸東西兩側(cè)逐漸遞減的圈層式空間格局，以成渝主軸向南北兩極逐漸升高的平均最短旅行時間的空間分布格局，具有明顯的梯度特征。第二，引力模型計算結(jié)果表明，區(qū)域整體上形成以成都、重慶為核心的輻射帶動中心，對區(qū)域內(nèi)其他城市輻射帶動作用受區(qū)域位置、交通距離和道路通達(dá)性影響而存在較大差異。第三，潛力值的分布趨勢大致以核心城市成都、重慶為中心，向四周逐漸減少。

綜上所述，從區(qū)域一體化的角度分析，成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈陸路交通可達(dá)性整體發(fā)展水平較高，成渝主軸及鄰近城市可達(dá)性水平優(yōu)于外圍地區(qū)，但不同城市之間仍存在差異。區(qū)域內(nèi)公路網(wǎng)絡(luò)較完善，中部地區(qū)公路網(wǎng)密集，可達(dá)性差異較小。東北部地區(qū)公路網(wǎng)密度較低，應(yīng)加強(qiáng)東北部高速、國道等公路交通干線的建設(shè)，提升整體可達(dá)性。鐵路交通可達(dá)性受主要干線的影響較大，東部和西部邊緣地區(qū)受限于鐵路密度低，可達(dá)性較差。因此，要提高區(qū)域整體可達(dá)性，關(guān)鍵在于加強(qiáng)外圍地區(qū)高速鐵路與動車組列車的建設(shè)，使城市之間的聯(lián)系更加密切。