基于GIS的淮海經濟區(qū)交通可達性研究

邱文平，李保杰，趙炫炫，陳 莉

（江蘇師范大學地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，徐州221116）

引言

交通網絡在一個地區(qū)的發(fā)展中發(fā)揮著至關重要的作用。區(qū)域運輸的可達性是綜合性評價交通網絡的一個重要指標[1]。交通網絡是指一定區(qū)域內根據通行的需要，由各種交通線路組成的相互連接、網狀分布的道路系統(tǒng)[2]。Hansen在1959年首次提出了可達性的概念[3]，初步認定為交通網絡中各節(jié)點間的相互作用力，主要應用于城鎮(zhèn)的空間規(guī)劃、公共基礎服務設施的建設、城鄉(xiāng)土地和交通網絡的開發(fā)利用等不同領域。目前，交通可達性的評價分析多集中于縣級以上大尺度范圍內，可達性的概念進一步夯實了基于“源”與“流”的城市交通規(guī)劃的指導思想[4]。近年來，隨著社會經濟的快速發(fā)展，城市化的加劇推進，道路交通建設也在不斷的改進，區(qū)域經濟學和地理學的相關學者逐漸開始對可達性投入更多的關注和研究。張莉、陸玉麒等運用編程工具，從時間距離的角度對長江三角洲的陸路交通網進行了區(qū)域內外可達性的綜合分析[5]。吳威等以加權平均旅行時間為指標，描述了長江三角洲上世紀80年代以來的時空演變過程，并對其可達性進行了評價和總結[6]。費鮮蕓、張志國等運用GIS和RS技術，利用交通時間加權成本模型，以山東省德州市為例，對城市交通可達性進行評價[7]。吳文婕、張小雷等采用斷裂點模型，根據當前社會需求與交通可達性對新疆通勤機場布局進行評價與研究[8]。楊忍利用遙感數據基于交通可達性，運用GIS技術定性并定量對1990～2013年廣東省鄉(xiāng)村聚落空間分布及其演變機制進行研究[9]。田野等運用GIS空間分析技術，從時間維度和空間維度對湖北省縣域交通可達性的時空結構演化進行評價[10]。

綜上所述，學者對交通可達性的評價方法越來越多，更多的人開始關注和研究縣域的交通可達性[11，12]，但研究方法和角度相對單一，不能夠系統(tǒng)的評價區(qū)域的交通可達性。針對當前淮海經濟區(qū)被納入國家級戰(zhàn)略規(guī)劃，為了淮海經濟區(qū)的升級崛起，充分發(fā)揮其推進區(qū)域協(xié)調發(fā)展的重要作用，而區(qū)域交通可達性是影響一個地區(qū)綜合實力的重要因素，是衡量一個地區(qū)社會經濟發(fā)展水平和交通運輸能力的綜合體現。本文在借鑒現有研究成果基礎上，整理近30年來國內外交通可達性發(fā)展與研究特點，探討建立了淮海經濟區(qū)基于縣域的交通可達性研究，以密度疊加分析、柵格分析法和引力模型方法，系統(tǒng)的對淮海經濟區(qū)縣域交通可達性進行研究，從多個角度分析了目前淮海經濟區(qū)的交通網絡存在的主要現象與特征，研究成果將為淮海經濟區(qū)的區(qū)域空間發(fā)展戰(zhàn)略的選定和交通網絡的優(yōu)化及布局提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

淮海經濟區(qū)南臨長三角、北接環(huán)渤海經濟區(qū)，位于亞歐大陸橋東部橋頭堡的突出區(qū)域，是聯(lián)結我國東、中、西三大經濟帶的橋梁和紐帶?；春＝洕鷧^(qū)是由蘇魯豫皖四省接壤地區(qū)的徐州、宿遷、淮安、鹽城、連云港、淮北、亳州、阜陽、蚌埠、宿州、開封、周口、商丘、濟寧、泰安、棗莊、日照、臨沂、菏澤和萊蕪20個地級市組成。該研究區(qū)域的土地總面積為17.81萬km2，2017年，該區(qū)域常住人口1.34億人，地區(qū)生產總值為4.90萬億元。由于淮海經濟區(qū)地理位置優(yōu)勢突出，交通網絡密集，擁有徐州、蚌埠、商丘和阜陽4個重要的鐵路樞紐城市，并且高速公路和水路航道網絡密集。除了外部區(qū)域的連接，淮海經濟區(qū)內部也逐步規(guī)劃形成了城際快速客運網絡，這些鐵路的建設和建成，對淮海經濟區(qū)的發(fā)展提供了強大動力。區(qū)內航空業(yè)發(fā)展也較為迅速，徐州國際機場，航空線路幾乎覆蓋了整個經濟區(qū)?；春＝洕鷧^(qū)已然形成鐵路、公路、水路、航運等綜合性交通網絡。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文研究的對象是淮海經濟區(qū)交通網絡，以縣域（縣、縣級市、區(qū)）作為主要的研究單位，將縣級政府駐地作為交通網絡的節(jié)點。本文以淮海經濟區(qū)區(qū)域行政區(qū)劃圖進行配準，并以淮海經濟區(qū)電子地圖作為參考，利用ArcGIS 10.2進行數字化，然后通過拓撲，從而得到淮海經濟區(qū)交通網絡專題圖（圖1）。其中基礎數據有行政區(qū)劃邊界圖（省界、市界、縣界）、行政駐地和交通網絡（鐵路、高速公路、國道、省道）等；專題數據均來源于2018年的《河南統(tǒng)計年鑒》、《江蘇統(tǒng)計年鑒》、《安徽統(tǒng)計年鑒》和《山東統(tǒng)計年鑒》以及研究區(qū)20個地級市2018年統(tǒng)計年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 密度疊加分析法。道路網密度是衡量一個區(qū)域的道路網是否合理的指標之一。道路網密度指的是在一定區(qū)域內，道路網的總里程與該區(qū)域面積的比值[13]。即公式為：

式中，pi為區(qū)域i的道路設施網絡密度（km/km2），Ci為區(qū)域i的道路長度，Mi為區(qū)域i的用地面積。道路網密度是對道路總長度與區(qū)域面積間發(fā)展關系的限定，它從長度上描述了不同城市規(guī)模所具有的道路發(fā)展水平[14]。但是其密度大小不是衡量道路情況的唯一指標。

疊加分析是將兩層或多層地圖要素和屬性進行疊加，融合產生一個新要素層。在ArcGIS 10.2中，將淮海經濟區(qū)道路網絡數據圖層（線狀圖層）和淮海經濟區(qū)縣域行政區(qū)劃數據圖層（面狀圖層）進行疊加，得到淮海經濟區(qū)道路網分布圖。

圖1 淮海經濟區(qū)交通網絡專題圖

表1 淮海經濟區(qū)道路通行能力權重

在淮海經濟區(qū)的區(qū)域交通網絡內，主要包括高鐵、鐵路、高速、國道、省道。經過閱讀相關文獻，又參照不同類型路線的等級通行能力大小，對不同級別的道路進行賦值[15，16]（表1）。

在通過疊加分析得到的淮海經濟區(qū)道路分布圖中算出的各個縣（縣級市、區(qū)）的不同等級道路的長度，分別除以每個縣（縣級市、區(qū)）的面積，就可以得到每個縣（縣級市、區(qū)）的道路密度，通過ArcGIS 10.2自然斷點法，得到淮海經濟區(qū)道路網道路密度，若用各個縣（縣級市、區(qū)）的不同等級道路的長度乘以對應的道路通行能力權重系數，就可以算出每個縣（縣級市、區(qū)）的加權密度，同理得出淮海經濟區(qū)道路網加權密度，加權密度考慮到不同等級道路的交通運輸能力，能更真實的反映區(qū)域間的道路狀況。

2.2.2 柵格分析法。地理可達性指某個特定的地理實體對外部特定環(huán)境的地理方便程度，它主要取決于地理方位和距離[17]?；贕IS使用柵格分析法，以柵格數據為基礎，利用ArcGIS 10.2軟件平臺，運用空間分析技術，精確地擬合研究區(qū)內任意單元的可達性。空間分析中的柵格距離，指的是研究區(qū)內各網格單元（其它縣域中心和縣域內居民點）到最近網格單元（縣域中心）的累積耗費距離，研究區(qū)內縣域的地理位置決定了與其它縣域或縣域內居民點的絕對地理距離（直線距離）。本文還考慮了研究區(qū)面積較大，綜合考慮到淮海經濟區(qū)的交通路網情況以及居民實際的出行難易程度，較全面的分析了研究區(qū)內的通達程度。但這一方法忽略了縣級城市（縣、縣級市和區(qū)）的服務能力和整個區(qū)域的集聚能力。如城市的競爭力、經濟發(fā)展、人口密度等。

2.2.3 引力模型。引力模型是應用廣泛的空間相互作用能力模型，即用來對空間相互作用能力進行分析和預測的數學模型[18]。引力模型來源于物理學中的引力模式，1687年牛頓提出萬有引力定律，1959年漢森（Hansen）提出了利用引力模型作為可達性度量方法[3]，變量被逐步細化，但未將需求信息考慮進去。引力模型是測度區(qū)內節(jié)點間經濟聯(lián)系密切程度的常用指標，通常用于研究空間相互作用和距離衰減效應[19，20]。

隨著交通網絡的發(fā)展，縣域間的聯(lián)系通常指的是縣域相對距離和各個縣域的經濟水平，所以本文引入改進的引力模型來計算城市間的引力可達性指數[21]，表達式為：

式（2）中，F 是 i、j兩地間的相互吸引力；A 為經驗常數，常取值為 1；Ci、Cj分別代表縣域 i、縣域 j的質量，本文以縣域的GDP表示縣域的質量；Lij為兩地間的交通最短距離；b為度量距離的摩擦系數，指的是引力的距離衰減速度，在本文中為2較合理。該模型直觀地表現了城市間的相互作用受兩個因素的影響：經濟水平與城市間的引力成正比，經濟水平越高，對其他城市的吸引力越大；城市間的距離與城市間的引力呈反比，距離越近，城市間的引力越大。

3 結果與分析

3.1 區(qū)域道路密度疊加分析

由圖2（a）中可以看出，淮海經濟區(qū)大部分縣域的交通密度均高于全國水平值0.2km/km2[22，23]，但有少部分縣域由于其區(qū)域面積較大，道路覆蓋較少?；春＝洕鷧^(qū)126個縣（縣級市、區(qū)）的道路密度中，有4個縣（縣級市、區(qū)）處于 0～0.1km/km2之間，48個縣（縣級市、區(qū)）處于 0.1～0.2km/km2；淮海經濟區(qū)內 59%的縣（縣級市、區(qū)）的網絡密度高于全國平均水平，其中，有42個縣（縣級市、區(qū)）處于 0.2～0.3km/km2，27個縣（縣級市、區(qū)）處于 0.3～0.4km/km2；還有 5個縣（縣級市、區(qū)）遠遠高于全國平均水平，主要有蚌埠市區(qū)、川匯區(qū)、梁園區(qū)、任城區(qū)和連云港市區(qū)，道路交通對這些地區(qū)的發(fā)展提供了良好的保障。由圖2中的空間分布可以看出：淮海經濟區(qū)道路網道路密度和加權密度空間分布差異性較小，淮海經濟區(qū)中部的主要城市為道路密集高值聚集區(qū)，西南部（鄲城縣、阜南縣和懷遠縣等）和中南部（五河縣、泗洪縣和金湖縣等）為道路密度低值區(qū)，這從整體上體現了淮海經濟區(qū)道路網絡在空間分布的不均衡性，并且在道路發(fā)展上存在嚴重的地域差異，部分縣（縣級市、區(qū)）與周邊地區(qū)的差異性相對比較明顯，市區(qū)道路密度一般情況下遠遠高于市轄區(qū)下縣（縣級市）。

3.2 柵格分析

本研究方法基于GIS，利用ArcGIS中的空間分析工具，以淮海經濟區(qū)各個縣（縣級市、區(qū)）作為區(qū)域內可達性計算的擴散點源，計算任意位置通過交通路網所消耗的時間，得到研究區(qū)內各地到達最近縣（縣級市、區(qū)）所用的時間（如圖3所示）。

綜合考慮到研究區(qū)內的交通情況，為了便于反映表達研究區(qū)內各個縣（縣級市、區(qū)）的時間可達性，綜合決定將研究區(qū)內各個縣（縣級市、區(qū)）可達性分為5個等級，最短時間可達性區(qū)域（t≤0.1）、較短時間可達性（0.1＜t≤0.2）、期望值時間可達性（0.2＜t≤0.4）、較長時間可達性（0.4≤t＜0.5）和最長時間可達性（t≥0.5）（t為時間可達性，單位為h）。

由圖3和表2綜合可以看出，淮海經濟區(qū)各個縣（縣級市、區(qū)）的可達性整體較好，時間可達性在0＜t≤0.4h的區(qū)域比較多，且大部分呈集聚模式，然而時間可達性在t＞0.4h可達性區(qū)域占了研究區(qū)21.7%的面積，充分體現了研究區(qū)內道路規(guī)劃不合理，而縣域交通可達性相對較低或相對經濟落后的區(qū)域沒有建設完善的交通路網，致使處于縣域的居民出行可達性較低，得不到應有的生活質量，達不到國民生活的期望值。棗莊市整體可達性最好，城市間的到達時間基本都在0.3h之內；淮北市和宿州市整體可達性較差；宿遷市泗洪縣、淮安市洪澤縣以及蚌埠市的固鎮(zhèn)縣、五河縣，可達性較差，城市間在0.4h內所達到的范圍很小，城市之間所需的到達時間基本都在0.5h以上。研究區(qū)內交通路網的空間布局，其矛盾主要體現在人民日益增長的需求與供給不足和難以為繼的現狀及規(guī)模與先天不足的通達性[20]。如果研究區(qū)內交通可達性延續(xù)下去，既不利于研究區(qū)內居民出行與經濟發(fā)展，也不利于實現全面建成小康。

圖2 淮海經濟區(qū)道路網道路密度（a）加權密度（b）

表2 淮海經濟區(qū)縣域的時間可達性分類統(tǒng)計

圖3 淮海經濟區(qū)各地到達最近的城市所需要的時間圖

3.3 引力模型評價

城市間交通的通達程度可以反映城市間相互作用的影響和便捷程度，為了進一步研究淮海經濟區(qū)內縣域間的交通可達性，本文運用引力模型，以城市相互作用相對最短交通距離，改進引力模型，應用于基于交通網絡可達性的城市間的相互作用，計算出研究區(qū)內縣域間的相互作用的強度大小[24]。由于數據量較大，在本文中僅展示縣域間相互作用的強度最大和最小的部分結果（如表3）。

由表3可知，銅山縣和徐州市區(qū)之間的相互作用強度最大，其相互作用強度為5918.2273；鋼城區(qū)與阜南縣的相互作用強度最小，其相互作用強度為0.094289。參考蘇魯豫皖四省20個城市2018年統(tǒng)計年鑒，徐州市區(qū)的GDP在研究區(qū)內126個縣級城市排名第四位，銅山縣排名第五位，且徐州市區(qū)被銅山縣環(huán)繞，距離較近，道路網通達程度較高，從而導致它們之間的吸引力最強；阜南縣2017年GDP為161.8億元，處于研究區(qū)內縣級城市GDP排名的末位，位于安徽省西北部，工業(yè)化程度較低，經濟相對落后，對外交通能力差；而鄄城縣，GDP值僅為192.90億元，在淮海經濟區(qū)縣級城市中GDP排名處于倒數行列，且位于研究區(qū)內的西北邊緣，交通通達性不高，因此與扶溝縣、金湖縣、五河縣等交通通達性相對較弱和經濟發(fā)展相對較慢的縣級城市距離較遠，所以相互作用力均處于倒數行列。

表3 淮海經濟區(qū)縣域（縣級市、區(qū)）之間的相互作用強度

4 結論

針對當前淮海經濟區(qū)被納入國家級戰(zhàn)略規(guī)劃，為了淮海經濟區(qū)的升級崛起，充分發(fā)揮其推進區(qū)域協(xié)調發(fā)展的重要作用，已勢在必行，而社會經濟的發(fā)展靠著交通運輸的推動，經濟發(fā)展所必要的條件是交通運輸。本文運用GIS空間分析技術，運用密度疊加分析、柵格分析法和引力模型對淮海經濟區(qū)進行縣域交通的可達性研究，研究發(fā)現以下幾點。

4.1 淮海經濟區(qū)交通可達性整體較好，但存在研究區(qū)內中間經濟發(fā)展較好的城市交通通達程度較高。比如，江蘇省徐州市、山東省棗莊市和濟寧市。

4.2 淮海經濟區(qū)內59%的縣（縣級市、區(qū)）的交通密度均高于全國平均值0.2km/km2，淮海經濟區(qū)中部的主要城市為道路密集高值聚集區(qū)，西南部（鄲城縣、阜南縣和懷遠縣等）和中南部（五河縣、泗洪縣和金湖縣等）為道路密度低值區(qū)，這從整體上體現了淮海經濟區(qū)道路網絡在空間分布上的不均衡性。

4.3 淮海經濟區(qū)各個縣（縣級市、區(qū)）的時間可達的適宜度整體較好，時間可達性在0＜t≤0.4h的區(qū)域比較多，然而時間可達性在t＞0.4h可達性區(qū)域僅占了研究區(qū)21.7%的面積，然而這些地區(qū)通常指的是經濟發(fā)展相對落后的縣城，比如菏澤市鄄城縣、阜陽市阜南縣和周口市扶溝縣以及鹽城市響水縣等縣級城市。而縣域交通可達性相對較低或經濟相對落后的區(qū)域沒有建設完善的交通路網，體現了研究區(qū)內部分道路規(guī)劃不合理，致使處于縣域的居民出行可達性較低，得不到應有的生活質量，達不到國民生活的期望值。