京津冀地區(qū)民用機(jī)場交通可達(dá)性空間特征分析

李亞飛++劉高換++黃翀++顧秋麗++任斐鵬

摘 要：為了定量研究京津冀地區(qū)民用機(jī)場交通可達(dá)性的空間特征，基于京津冀地區(qū)公路網(wǎng)數(shù)據(jù)、鐵路網(wǎng)數(shù)據(jù)和城市地鐵網(wǎng)數(shù)據(jù)，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS的空間分析模塊，進(jìn)行成本距離分析，生成京津冀地區(qū)民用機(jī)場可達(dá)性空間分布圖并進(jìn)行深入分析。結(jié)果表明，京津冀機(jī)場可達(dá)性呈現(xiàn)南高北低、東高西低、中間地區(qū)強(qiáng)于邊緣地區(qū)的態(tài)勢，其中東部機(jī)場可達(dá)性最好，北部機(jī)場可達(dá)性最差，機(jī)場時間可達(dá)性集中在1.5h-6h時段，約占整個區(qū)域的51.1%，京津冀地區(qū)機(jī)場可達(dá)性整體較差；按照本研究定義的有效服務(wù)面積，該地區(qū)機(jī)場有效服務(wù)面積分為三個梯隊(duì)，第一梯隊(duì)為正定機(jī)場、首都國際機(jī)場和濱海國際機(jī)場；第二梯隊(duì)為邯鄲機(jī)場、三女河機(jī)場；第三梯隊(duì)為寧遠(yuǎn)機(jī)場和山海關(guān)機(jī)場。從該地區(qū)機(jī)場可達(dá)性時段來看，在0-1.5h范圍內(nèi)，首都國際機(jī)場的服務(wù)面積最大，約占該范圍面積25.23%；在1.5-3h和3-4.5h范圍內(nèi)，正定機(jī)場的服務(wù)面積最大，約占23.5%和21.9%。從研究結(jié)果來看，京津冀地區(qū)民用機(jī)場發(fā)展不平衡，需要改善京津冀地區(qū)的機(jī)場布局，在北部和西部增加機(jī)場，擴(kuò)展有效服務(wù)面積；其次著力改善機(jī)場所在區(qū)域的交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，擴(kuò)大現(xiàn)有機(jī)場的有效服務(wù)區(qū)域；最后，明確京津冀區(qū)域現(xiàn)有和新建民用機(jī)場的功能定位，大力發(fā)展區(qū)域樞紐機(jī)場，提高航空服務(wù)資源使用效率。

關(guān)鍵詞：民用機(jī)場；可達(dá)性；有效服務(wù)范圍；京津冀

中圖分類號：K909 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

改革開放以來，伴隨我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人們對于快速便捷的出行需求逐漸增加，航空運(yùn)輸以其高效快捷的特點(diǎn)日益成為居民的重要出行方式。民用機(jī)場作為航空業(yè)的主要公共基礎(chǔ)設(shè)施，其空間布局的合理性直接影響到居民出行便捷程度和機(jī)場的運(yùn)行效益。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國機(jī)場數(shù)量逐漸增加，機(jī)場密度逐漸加大，機(jī)場服務(wù)能力逐步提高，初步形成了以北京、上海、廣州三個樞紐機(jī)場為中心和其他重點(diǎn)城市機(jī)場為骨干的機(jī)場布局，我國民用運(yùn)輸機(jī)場體系初步建立[1]。但在許多區(qū)域，機(jī)場空間布局相互重疊，功能定位不清，服務(wù)范圍不夠明確，惡性競爭趨勢明顯，造成機(jī)場虧損嚴(yán)重，因此研究民航機(jī)場交通可達(dá)性空間范圍，理清區(qū)域機(jī)場功能定位，有利于促進(jìn)民航機(jī)場行業(yè)的健康發(fā)展。

京津冀地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為活躍的區(qū)域，特別是中央政治局會議通過《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》以后，京津冀地區(qū)的發(fā)展進(jìn)入了新階段，京津冀協(xié)調(diào)發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，為京津冀地區(qū)的機(jī)場發(fā)展提供了新的機(jī)遇。明確京津冀地區(qū)民用機(jī)場服務(wù)范圍，分析京津冀地區(qū)民用機(jī)場交通可達(dá)性空間特征，有利于京津冀地區(qū)機(jī)場的分工定位，避免惡性競爭，促進(jìn)京津冀地區(qū)機(jī)場協(xié)調(diào)發(fā)展。

可達(dá)性是分析交通發(fā)展以及評價交通通達(dá)程度的一項(xiàng)綜合指標(biāo)[2]。Hansen首次提出了可達(dá)性的概念，將其定義為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)相互作用的機(jī)會大小[3]。隨后可達(dá)性研究得到了城市規(guī)劃、交通地理以及從事區(qū)域和空間研究的學(xué)者長期而持續(xù)的熱情參與和關(guān)注[4-11]。但是，國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)場交通可達(dá)性的研究相對較少，在已有研究中，Hmuphreys研究了英國機(jī)場可達(dá)性范圍及區(qū)域機(jī)場規(guī)劃方案[12]；Feighan等從不同的空間尺度研究了歐洲主要機(jī)場的可達(dá)性范圍[13]；Sellner R利用計量經(jīng)濟(jì)學(xué)的內(nèi)生增長模型評估了GDP和投資對于機(jī)場交通可達(dá)性的影響[14]；Koster P研究了旅客旅行時間對機(jī)場交通可達(dá)性的定量關(guān)系[15]。國內(nèi)許多研究人員[16-20]從交通可達(dá)性的角度，研究了我國大型樞紐機(jī)場及區(qū)域民用機(jī)場可達(dá)性、通航能力和服務(wù)范圍。國內(nèi)機(jī)場可達(dá)性研究已經(jīng)具有了一定基礎(chǔ)，但尚未見有關(guān)京津冀地區(qū)民用機(jī)場交通可達(dá)性的系統(tǒng)研究。

可達(dá)性研究普遍采用以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)分析法和成本加權(quán)柵格法[6-7]。網(wǎng)絡(luò)分析法最主要的問題是在將一維空間可達(dá)性計算推廣到二維空間時，該工具對面域采用插值法進(jìn)行統(tǒng)一化處理，不考慮實(shí)際的土地利用情況，在分析交通可達(dá)性空間分布特征時得到的結(jié)果精度有限；成本加權(quán)柵格法是在柵格數(shù)據(jù)上運(yùn)用最短路徑法計算每個柵格到某個目的網(wǎng)絡(luò)的最短加權(quán)距離。成本加權(quán)柵格法多基于ArcGIS空間分析模塊，構(gòu)建區(qū)域成本柵格數(shù)據(jù)集計算區(qū)域交通可達(dá)性，由于考慮區(qū)域每個柵格的屬性特征，使得面狀交通可達(dá)性數(shù)據(jù)的精度顯著提高。但目前國內(nèi)在使用成本加權(quán)柵格法時尚存在一些問題：1）研究數(shù)據(jù)來源不完整，多數(shù)研究在進(jìn)行區(qū)域交通可達(dá)性研究時，只考慮了傳統(tǒng)的公路網(wǎng)絡(luò)或鐵路網(wǎng)絡(luò)，較少考慮地鐵網(wǎng)絡(luò)和高鐵網(wǎng)絡(luò)，成本柵格數(shù)據(jù)集不完整；2）對于公路網(wǎng)絡(luò)的分級不規(guī)范，在已有研究中，公路大都分為高速、國道、省道和縣道等，但根據(jù)2014版的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，公路應(yīng)劃分為高速公路、一級公路、二級公路、三級公路和四級公路。對于每一級公路都有相應(yīng)的速度規(guī)定；3）空間特征分析較為簡單，多數(shù)研究在獲得區(qū)域交通可達(dá)性分布圖后，只進(jìn)行等時線的分析，較少進(jìn)行深入的空間特征挖掘和描述。

本研究在已有研究基礎(chǔ)上，以京津冀地區(qū)民用機(jī)場為研究對象，利用成本加權(quán)柵格法獲得京津冀地區(qū)民用機(jī)場交通可達(dá)性空間分布圖，深入挖掘京津冀地區(qū)民用機(jī)場交通可達(dá)性的空間特征，以期為京津冀地區(qū)民用機(jī)場協(xié)同發(fā)展提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持?？紤]到原有分析模型的問題，在成本柵格中，采用完整的數(shù)據(jù)源和規(guī)范的公路分類等級，并增加對非道路網(wǎng)絡(luò)柵格的設(shè)定，使得分析結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)來源和方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域包括京津冀地區(qū)及其民用機(jī)場，屬于我國華北地區(qū)，位于東經(jīng)113°11'-119°45'、北緯36°05'-42°37'之間，面積21.8萬平方公里，約占全國的2.27%，位于華北平原和燕山、太行山山地和內(nèi)蒙古高原東南側(cè)。地勢西北高東南低，區(qū)內(nèi)優(yōu)勢地類為耕地、林地和草地，此外還包括園地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、城鎮(zhèn)用地及其他土地。

京津冀地區(qū)目前擁有7座運(yùn)營的民航機(jī)場，包括：北京首都國際機(jī)場（三字代碼：PEK），機(jī)場等級①4F；天津?yàn)I海國際機(jī)場（三字代碼：TSN），機(jī)場等級4F；石家莊正定國際機(jī)場（三字代碼：SJW），機(jī)場等級4E；邯鄲機(jī)場（三字代碼：HDG），機(jī)場等級4D；張家口寧遠(yuǎn)機(jī)場（三字代碼：ZQZ），機(jī)場等級4C；秦皇島山海關(guān)機(jī)場（三字代碼：SHP軍民合用機(jī)場），機(jī)場等級4D；唐山三女河機(jī)場（三字代碼：TVS），機(jī)場等級4C。本研究重點(diǎn)分析京津冀地區(qū)7座民用機(jī)場交通可達(dá)性的空間分異特征，并橫向?qū)Ρ冗@7座機(jī)場交通可達(dá)性的空間分布差異。研究綜合考慮區(qū)域的主要交通方式，包括公路網(wǎng)絡(luò)、普通鐵路網(wǎng)絡(luò)、高速鐵路網(wǎng)絡(luò)、城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)、城市地鐵網(wǎng)絡(luò)對區(qū)域可達(dá)性的影響，保證研究的可靠性。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究中用的數(shù)據(jù)主要包括：公路網(wǎng)數(shù)據(jù)（包括高速公路、一級公路、二級公路、三級公路、四級公路、市政街道、縣鄉(xiāng)道路、大車路、小路）來源于國家1：25萬基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)2015年的TM遙感數(shù)據(jù)和京津冀地區(qū)交通管理局的數(shù)據(jù)對部分路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新；鐵路網(wǎng)數(shù)據(jù)（包括普通鐵路、高速鐵路）和城際軌道交通數(shù)據(jù)（主要指京津城際高速）來源于中國鐵路總公司鐵路運(yùn)行圖，根據(jù)研究范圍進(jìn)行矢量化，鐵路網(wǎng)數(shù)據(jù)也更新至2015年；城市地鐵網(wǎng)絡(luò)（包括京津冀地區(qū)運(yùn)營的地鐵線路，主要包括北京地鐵和天津地鐵）來源于北京和天津地鐵運(yùn)營線路圖，根據(jù)研究需要進(jìn)行矢量化，數(shù)據(jù)更新至2015年。

京津冀地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來源于GlobCover全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)，根據(jù)2015年覆蓋京津冀地區(qū)的TM數(shù)據(jù)對部分區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，并對部分分類進(jìn)行了歸并。京津冀地區(qū)DEM數(shù)據(jù)來源于日本METI和美國NASA 提供的ASTER GDEM V2全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)，分辨率為30m，該數(shù)據(jù)集于2015年發(fā)布，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提升，根據(jù)本文需要截取了京津冀地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)。京津冀地區(qū)的坡度數(shù)據(jù)是由該地區(qū)DEM生成，分辨率為30m。最終將所有數(shù)據(jù)都統(tǒng)一到WGS1984 的坐標(biāo)系下，采用UTM投影。

1.3 研究方法

成本加權(quán)距離算法的基本原理是在柵格數(shù)據(jù)上運(yùn)用最短路徑法計算每個網(wǎng)絡(luò)到某個目標(biāo)網(wǎng)格（或網(wǎng)格集）的最短加權(quán)距離。算法具體公式和原理見ArcGIS 空間分析模塊幫助文件（http：//resources.arcgis.com/zh-cn/help）和文獻(xiàn)[10]中的相關(guān)描述。其概念模型如下：

Ai=min（Mj，Tij） （1）

式中，i為區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)，Tij為區(qū)域中點(diǎn)i通過交通網(wǎng)絡(luò)中通行時間最短的路線到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)j的通行時間，Mj為目標(biāo)點(diǎn)j的權(quán)重，在研究交通可達(dá)性時常數(shù)為1，Ai為區(qū)域內(nèi)點(diǎn)i的可達(dá)性。

本研究基于ArcGIS Desktop 10.2軟件平臺進(jìn)行，首先對研究區(qū)進(jìn)行柵格化處理，對不同空間地物進(jìn)行賦值，建立速度柵格圖。對不同類型的交通網(wǎng)絡(luò)柵格，根據(jù)2014版的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》和《地鐵設(shè)計規(guī)范》等文件中規(guī)定的速度限制分別給不同的交通柵格進(jìn)行差異化速度賦值，保證交通網(wǎng)絡(luò)柵格速度值的可信度；對非交通網(wǎng)絡(luò)柵格，考慮不同土地利用類型對速度的限制差異，根據(jù)土地利用類型對非交通柵格進(jìn)行速度賦值（表1）。同時在本研究中，考慮不同坡度對速度的影響差異，在坡度較大的地區(qū)，對速度的限制明顯增加，因此對交通網(wǎng)絡(luò)和非交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步細(xì)化速度賦值（表2），使得區(qū)域的空間地物柵格更加符合實(shí)際情況。把不同屬性的柵格按速度大小進(jìn)行疊加，生成具備速度屬性的區(qū)域柵格圖。根據(jù)研究區(qū)域的范圍，將研究區(qū)的柵格劃定為100m×100m，并假定柵格內(nèi)部的速度是均一的，形成覆蓋研究區(qū)區(qū)域范圍的速度柵格圖。

其次，在得到研究區(qū)的速度柵格圖后，根據(jù)柵格的大小，將速度柵格圖轉(zhuǎn)換為時間柵格圖，公式如下：

t=■×60 （2）

公式中：t為時間柵格值中的時間，單位為min；v是研究區(qū)各類地物速度柵格值中的速度值，單位為km/h。

最后，通過研究區(qū)空間地物的時間成本柵格和京津冀地區(qū)的民用機(jī)場的空間位置，利用ArcGIS 軟件中的成本距離分析模塊進(jìn)行計算，得到京津冀地區(qū)各個民用機(jī)場的通行時間范圍圖。以此為基礎(chǔ)，分析京津冀地區(qū)民用機(jī)場交通可達(dá)性的空間特征。

2 結(jié)果分析

2.1 京津冀地區(qū)機(jī)場可達(dá)性總體分析

根據(jù)上述可達(dá)性計算方法和過程，可得京津冀地區(qū)民用機(jī)場可達(dá)性空間分布圖，如圖1所示，總體上，該地區(qū)機(jī)場可達(dá)性呈現(xiàn)南高北低、東高西低、中間地區(qū)強(qiáng)于邊緣地區(qū)的態(tài)勢，北京的大部分地區(qū)、天津的全部、河北省的西部和南部的機(jī)場可達(dá)性較好，主要是因?yàn)檫@些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，路網(wǎng)密度較大，交通狀況良好，高速公路和高速鐵路密布，出行時間成本低。河北省北部、西部的機(jī)場可達(dá)性較差，這主要是由于這些區(qū)域地處山區(qū)，經(jīng)濟(jì)相對不發(fā)達(dá)，交通網(wǎng)絡(luò)較為稀疏，出行時間成本大。

從局部區(qū)域上來看，京津冀北部區(qū)域的機(jī)場可達(dá)性最差，這是由于首先這些區(qū)域沒有運(yùn)營的民用機(jī)場，人們想要接受航空運(yùn)輸服務(wù)，必須前往距離較遠(yuǎn)的其他地區(qū)的機(jī)場，其次這些區(qū)域海拔高，坡度大，交通網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)，特別是高速公路和高速鐵路缺乏，居民出行相對困難，造成該區(qū)域的機(jī)場可達(dá)性較差。

為了進(jìn)一步理解京津冀地區(qū)民用機(jī)場空間分布特征，以1.5h為間隔，將可達(dá)性劃分為18個等時段來分析其空間可達(dá)性的分布頻率和累計頻率，如圖2所示，從空間分布頻率和累計頻率的曲線變化來看，可達(dá)性的空間分布頻率隨著時間的推移在數(shù)量上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。京津冀地區(qū)機(jī)場時間可達(dá)性集中在1.5h～6h時段，約占整個區(qū)域的51.1%，其中在3h～4.5h的區(qū)域最大，約占18.8%，約60%左右區(qū)域的機(jī)場時間可達(dá)性在6h以內(nèi)，但總體而言，京津冀地區(qū)機(jī)場可達(dá)性整體較差，對于區(qū)域的大多數(shù)居民來說，享有航空運(yùn)輸服務(wù)的時間成本都在3h以上，約占75%。

如圖2所示，經(jīng)過重分類，將京津冀地區(qū)到達(dá)機(jī)場的時間劃分為：0h～1.5h、1.5h～3h、3h～4.5h和>4.5h四種類型，將機(jī)場可達(dá)性進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，得到結(jié)果如表3所示，列出了各個時間段的面積占京津冀地區(qū)面積的比例，在該地區(qū)，民用機(jī)場可達(dá)性在1.5h以內(nèi)的區(qū)域的面積為14724.3km2，約占京津冀地區(qū)的6.9%；可達(dá)性在1.5h～3h區(qū)域的面積為36476.5km2，約占京津冀地區(qū)的17.1%，可達(dá)性在3h～4.5h區(qū)域的面積為40428.1km2，約占京津冀地區(qū)的18.1%，可達(dá)性在4.5h以上區(qū)域的面積為122739.2km2，約占57.2%。

中國民用航空局將距機(jī)場1.5h的出行時間內(nèi)所覆蓋的范圍作為航空運(yùn)輸服務(wù)的有效覆蓋范圍，在京津冀地區(qū)，滿足機(jī)場有效服務(wù)范圍的區(qū)域僅占整個區(qū)域的不足7%，說明該地區(qū)大部分地區(qū)不能享受有效的航空服務(wù)，即使將這個標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到3h，該地區(qū)也僅有24%的區(qū)域能夠享受到有效的航空服務(wù)，當(dāng)擴(kuò)展到4.5h時，機(jī)場的服務(wù)范圍涵蓋了京津冀地區(qū)42.8%的區(qū)域，接近一半。因此總體而言，京津冀地區(qū)的機(jī)場數(shù)量較少，除北京天津外交通網(wǎng)絡(luò)不夠發(fā)達(dá)，能夠有效享受航空運(yùn)輸服務(wù)的區(qū)域較少。