基于GIS 的陸路交通可達性空間測度與評價

黃承鋒， 田少斌， 鄭淑心

(重慶交通大學，重慶 400074)

交通可達性指的是交通網絡中兩個節點之間交通的難易程度，反映各節點城市之間相互影響作用機會的大小[1]。可達性的概念由美國學者 Hansen于1959年提出，被廣泛應用于交通規劃、城市規劃等方面[2]。隨著GIS技術日趨成熟，許多學者在研究交通可達性時通過地理信息系統空間分析功能，評價地理因素和距離度量對可達性的影響。當前對可達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空間技術法、網絡分析與成本柵格加權集成法等方法為主的定量研究。國內學者蔣海兵等以時空變化的角度評價交通基礎設施可達性的發展脈絡，并以空間分析、網絡分析等方法研究可達性地域效應，提出可達性評價方法的不足和處理對策[7]；呂堯基于GIS技術，分析長江中游城市群交通可達性，提出提高區域交通可達性及其均衡性的針對措施[8]；羅金閣等研究粵港澳大灣區鐵路交通可達性與旅游經濟聯系的空間關系，發現區域交通可達性的提高對旅游經濟發展具有明顯的成效[9]；更多的學者研究交通可達性的時空演化格局[10]。整理研究現有相關文獻后發現：目前對區域交通可達性的研究對象比較單一，多集中在單種交通方式上；未結合地區經濟、人口、區位等要素；鮮有評價大范圍區域特別是經濟圈范圍內的交通可達性。

本文擬基于GIS技術，實證研究成渝地區雙城經濟圈陸路交通系統(公路、鐵路)，結合區域內經濟、人口等要素，分析區域內陸路交通可達性空間分布格局及差異。在此基礎上，進一步探究各城市空間相互作用強度，全面分析影響區域空間相互作用的因素，并提出針對改善可達性的建議，以期對成渝地區雙城經濟圈陸路交通發展戰略的制定及區域可達性的提高提供理論依據。

一、研究區域概況

成渝地區雙城經濟圈位于長江上游，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，是我國西部地區發展水平最高的城鎮化區域。2021年10月20日《成渝地區雙城經濟圈規劃綱要》發布，其地理范圍包括重慶市部分地區和四川省15個市(成都市、自貢市、瀘州市、德陽市、綿陽市、遂寧市、內江市、樂山市、南充市、眉山市、宜賓市、廣安市、達州市、雅安市、資陽市)全部或部分地區。由于部分區縣統計數據口徑不一或有缺失，本文選取原成渝城市群區域16個城市展開研究。截至2019年底，成渝地區雙城經濟圈內公路、鐵路覆蓋所有地市。

二、研究方法與數據來源

(一)研究方法

1.加權最短平均旅行時間法

本文采用平均最短旅行時間和加權最短平均旅行時間法來計算成渝雙城經濟圈各節點城市間的時間距離，以此反映各個城市節點間的交通可達性，公式為

(1)

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

綜合平均加權旅行時間表示陸路交通網絡可達性，公式為

IAi=∑Aix×Rx，

(2)

式中：IAi表示i城市的陸路交通網絡加權最短平均旅行時間；Aix表示第x種交通方式的加權最短平均旅行時間；Rx表示公路、鐵路交通方式的權重，結合不同運輸方式的客貨運量，同時參考相關文獻中的研究方法[11-12]，將公路和鐵路權重分別設置為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全風化片巖：以黃褐色為主，巖石完全風化，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。

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)數據來源

本研究基于GIS 平臺，將成渝地區雙城經濟圈16個節點城市行政中心抽象為16個空間節點，利用路網的長度，分別測算成渝地區雙城經濟圈各節點城市之間的可達性。公路、鐵路數據以國家地理信息處理中心1：400萬中國道路矢量數據為基礎，在ArcGIS中結合并匹配 Google 在線地圖，數字化成渝地區雙城經濟圈內公路、鐵路，提取道路網絡要素類，再參照遙感影像及地形圖進行修正。人口、GDP等指標參考各市統計年鑒(2020)。

三、可達性計算

(一)道路數據處理

鑒于研究區域內水路、航空運輸所占比重較少，本文選取區域內公路、鐵路兩種交通方式進行可達性研究。根據《中華人民共和國工程技術標準》規定的標準速度，對各等級公路與鐵路進行速度賦值，依托GIS平臺 Network Analyst 功能，根據城市之間實際路網長度，計算各節點城市間最短時間距離矩陣。

(二)指標體系確立權重

在計算加權最短平均旅行時間時，以各節點城市城鎮人口數和GDP乘積1/2次方根作為權重來計算加權最短平均旅行時間，通達性的高低取決于人的移動性，即人的移動機會、移動能力和移動意愿[15]，以城鎮人口作為權重參數，能更好地反映計算結果。在計算空間引力模型時，采用兩點之間地表空間的直線距離作為節點間的距離來計算兩節點之間的場強輻射，評價時會失去很多經濟信息的相關影響作用，與實際出現偏差[16]。本文借鑒其他學者的相關研究成果[13-14]，采用節點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權重，結果見表1。熵值法具有很強的客觀性且精度較高，可以降低指標賦權時主觀因素的影響，能較好地反映評價指標對評價結果的影響，計算表達式為

表1 城市規模各指標權重

表2 區域內公路、鐵路及綜合平均加權旅行時間 分鐘

(6)

(7)

gj=1-ej，

(8)

(9)

式中，Rij為第j項指標下第i個樣本占該指標的比重，eij為第j項指標的熵值，gj為第j項指標的差異系數，Wj為第j項指標的權重系數。

引入綜合評價模型測算城市規模，計算公式為

(10)

式中，S表示城市規模值，Wj為各項指標所對應的權重。

(三)模型計算結果

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。根據公式(1)，計算最短加權平均旅行時間和綜合加權最短旅行時間，結果見表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)計算得到城市規模值，如表3所示。

表3 各城市規模值和潛力值

四、結果分析與評價

(一)交通可達性空間分析

陸路交通網絡的發達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總結分析成渝地區雙城經濟圈陸路交通可達性表現為以下特征：第一，鐵路可達性較差的地區主要分布在成渝地區雙城經濟圈西南地區與東北地區，這是成渝地區雙城經濟圈各城市空間分布、鐵路網絡及其城市引力差異共同作用的結果。第二，雅安和達州鐵路平均最短旅行時間分別為188.68分鐘、185.26分鐘，位于成渝地區雙城經濟圈邊緣，鐵路網密度較低，可達性最差。第三，鐵路平均最短旅行時間節點較低區域廣泛分布在成渝主軸線上，包括內江、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、重慶是成渝雙城經濟圈核心城市，也是西部地區重要的鐵路樞紐，鐵路網密度大，可達性最好，平均最短旅行時間在65分鐘內。第五，公路可達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最短平均旅行時間依次升高，位于成渝地區雙城經濟圈南北邊緣地區的公路平均加權最短旅行時間范圍在155～207分鐘，公路可達性最差。第六，遂寧、內江、資陽是公路平均最短加權旅行時間最低區域，可達性時間范圍為117～128分鐘，地處成渝主軸上，受到重慶、成都的空間引力最大，城市發展迅速，公路交通網密集，可達性較好。

總體上形成以重慶、成都為中心的核心優勢區域，以成渝主軸向南北兩極逐漸降低的可達性空間分布格局，具有明顯的梯度特征。根據可達性空間分布格局，可以將成渝地區雙城經濟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、內江三市為核心圈層，綜合平均加權旅行時間范圍在91.33～97.63分鐘，陸路交通網絡最發達，可達性最好。內江市位于成渝主軸中部，位置優越，處在成渝兩地交通節點上，內有高速、高鐵貫穿，陸路交通網絡發達。德陽、眉山、資陽、遂寧、南充、廣安6個城市的綜合平均加權旅行時間范圍在105.18～128.61分鐘，為可達性一般的地區，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，雖然位置不優越，卻是重慶和成都向西、向南、向北對外運輸通道的必經之地，鐵路公路網密度較大，可達性較好。自貢、綿陽、樂山、宜賓、達州、雅安6個城市的綜合平均加權旅行時間超過130分鐘，屬于第三圈層，是可達性較差地區，其中達州市的可達性值最高，綜合加權平均旅行時間為193.17分鐘，貫穿成渝、達州只有兩條鐵路干線，公路網密度較低，交通網絡欠發達。研究發現，地理區位優勢對交通可達性有重要影響，位于邊緣地區的城市的可達性高于中心地區，區域內交通網絡的連通性也是影響區域交通可達性的重要因素。

可達性的高低還受人們出行機會、意愿、能力的影響。一個城市的可達性不僅與區位空間因素及交通設施有關，還與各城市的經濟總量和人口數量有關。研究發現，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濟引力對可達性的提升具有促進作用。處在成渝主軸上的城市遂寧、資陽、內江，受重慶和成都之間對外頻繁的人口、貿易往來影響，可達性呈現明顯下降的趨勢。反觀處在可達性第三圈層的城市自貢、德陽兩市，屬于交通網絡不發達的區域，城市間人口流動性差，可達性有所上升。說明可達性水平的高低與區域經貿發展、人口流動性相互作用。

(二)引力模型與潛力模型評價

陸路交通網絡是成渝地區雙城經濟圈各城市及其附屬信息的主要傳輸媒介，交通可達性可以反映各城市節點間相互作用和聯系的緊密性及便捷程度。成渝地區雙城經濟圈各城市之間的引力矩陣(圖略)顯示，成渝地區雙城經濟圈各城市空間作用最強的是重慶和成都，說明二者在區域經濟的相互交流聯系最發達。其中：重慶對北部城市南充、廣安、達州，南部城市自貢、宜賓、瀘州的空間引力較強，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，對南部和東部城市的空間引力較弱；城市空間引力表現出以重慶、成都為核心向四周逐漸減弱的趨勢；邊緣城市達州、雅安對其他城市的空間引力最小，且呈現從南北向成渝主軸逐漸增強的趨勢。這說明城市地理區位優勢和交通網絡的連通性對城市空間相互引力產生重要影響。

通過表3，可將成渝地區雙城經濟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；第三等級城市潛力值低于7.11，分布在西部邊緣地區，自身交通網絡整體連通性不高，很難與其他城市相互輻射。

五、結語

本文利用 ArcGIS 空間分析和網絡分析法，定量評價成渝地區雙城經濟圈陸路交通網絡可達性，采用引力和潛力模型，定量測度和比較分析成渝地區雙城經濟圈區域內16個城市的空間引力及潛力值。第一，可達性分析結果表明，成渝地區雙城經濟圈陸路交通可達性空間格局呈現向成渝主軸東西兩側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，引力模型計算結果表明，區域整體上形成以成都、重慶為核心的輻射帶動中心，對區域內其他城市輻射帶動作用受區域位置、交通距離和道路通達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，從區域一體化的角度分析，成渝地區雙城經濟圈陸路交通可達性整體發展水平較高，成渝主軸及鄰近城市可達性水平優于外圍地區，但不同城市之間仍存在差異。區域內公路網絡較完善，中部地區公路網密集，可達性差異較小。東北部地區公路網密度較低，應加強東北部高速、國道等公路交通干線的建設，提升整體可達性。鐵路交通可達性受主要干線的影響較大，東部和西部邊緣地區受限于鐵路密度低，可達性較差。因此，要提高區域整體可達性，關鍵在于加強外圍地區高速鐵路與動車組列車的建設，使城市之間的聯系更加密切。