基于GIS的高速公路網(wǎng)空間結構適應性研究

陳 明，肖向良，朱全軍

（1.湖南省交通運輸廳規(guī)劃與項目辦公室，湖南 長沙 410116； 2.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015）

高速公路作為公路網(wǎng)中的主骨架，是各交通運輸方式有效銜接的重要載體［1］，它具有通行能力大、運行速度快等特點，對促進經(jīng)濟社會發(fā)展有重要意義［2-3］。就其空間結構上的功能而言，高速公路網(wǎng)既要發(fā)揮運輸大通道的作用，承擔省際、區(qū)域和城市群之間的快速聯(lián)系，又要發(fā)揮其便捷連通功能，實現(xiàn)與區(qū)域城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)、重要交通樞紐、重要旅游景區(qū)等的有效銜接，對當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展影響深遠。因此，分析高速公路的空間結構適應性，找準其主要問題并提出解決方案，以提高高速公路有效供給，完善高速公路布局，對于踐行交通運輸高質量發(fā)展、落實交通強國戰(zhàn)略具有重要意義。

在國外研究方面，美國研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)布局產(chǎn)業(yè)帶形成的關鍵取決于重要交通干線和其沿線不斷優(yōu)化的束狀運輸設施。法國深入研究高速公路網(wǎng)打通地區(qū)間通道，克服區(qū)域之間經(jīng)濟發(fā)展的不平衡問題。GIANNAKODAKIS［4］等運用復雜系統(tǒng)理論處理交通運輸系統(tǒng)問題，促進宏觀經(jīng)濟增長和社會公平。SCHADE［5］等提出改進現(xiàn)有的運輸政策評估方法，適應可持續(xù)發(fā)展的需要。在國內研究方面，賈元華［6］最早提出了高速公路的經(jīng)濟適應性概念，并對高速公路經(jīng)濟適應性的評價指標體系框架進行了研究。周偉［7］等提出了公路交通與經(jīng)濟發(fā)展適應性分析的基本理論。李曉鋒［8］等提出了采用路網(wǎng)區(qū)位吻合度、路網(wǎng)加權連通度兩項指標對高速公路網(wǎng)絡布局的區(qū)域適應性進行評價。綜上所述，現(xiàn)有國內外研究注重高速公路布局與經(jīng)濟發(fā)展指標之間的適應性，缺少在空間結構等具體操作層面的適應性研究，在實際運用過程中很難把握高速公路網(wǎng)布局的適應性。

本文結合高速功能定位，充分發(fā)揮GIS在空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、路網(wǎng)可達性分析等方面的優(yōu)勢，建立交通模型，分析高速公路網(wǎng)的空間適應性，查找存在問題的區(qū)域，為規(guī)劃布局提供參考，最后以湖南省高速公路網(wǎng)為案例進行分析。

1 空間結構適應性指標構建

1.1 指標選取

按照科學性、獨立性、可比性、可操作性等原則，結合高速公路功能定位，基于GIS分析技術，本文從高速公路空間結構層面的連接質量、節(jié)點覆蓋率、通達效率等3個方面建立高速公路空間結構適應性指標。省會與周邊省會層面采用連接質量分析，省會與其他地級市層面采用連接質量及通達效率分析，市與市之間采用連接質量分析，市與內部縣之間采用通達效率分析，充分梳理省市縣高速公路在空間結構上的連接關系，再結合節(jié)點覆蓋率對相關節(jié)點適應程度進行分析。見表1。

表1 空間結構適應性指標分析表Table 1 Analysis of spatial structure adaptability index

1.2 指標計算

1.2.1 連接質量

連接質量采用城市間以高速公路實際花費時間與理想出行時間的比值。比值越大，表明兩城市間的直接連接程度越差，路網(wǎng)有進一步改善的需求。

其中：Qij表示城市i與城市j之間的連接質量；Lij表示城市i與城市j之間的實際距離；Vij表示城市i與城市j之間的路段平均速度 （本文取設計速度）；Zij表示城市i與城市j之間的直線距離；V0表示城市i與城市j之間高速公路理想出行速度。

1.2.2 通達效率

通達效率采用重要城市可達性所覆蓋的城市節(jié)點數(shù)量與評估城市數(shù)量比值表示，用以反映重要城市與其他城市之間聯(lián)系的時效情況。在時間越小的情況下，通達效率指標越高，表示該城市與評估類別城市之間的通達效率越高。

其中，k＝1、2、3…m，表示不同類型 （如30、60 min等）的高速公路可達性等時圈；表示城市i在一定時間內與j類城市聯(lián)系的通達效率；表示城市i與j類城市在一定時間內可以聯(lián)系的數(shù)量；Sij表示城市i與j類城市聯(lián)系的總數(shù)量。

1.2.3 節(jié)點覆蓋率

節(jié)點覆蓋率采用路網(wǎng)可達性所覆蓋的某類節(jié)點數(shù)量與該類節(jié)點總數(shù)量的比值表示，用以反映路網(wǎng)空間結構布局合理性。在時間越小的可達性等時圈下，節(jié)點覆蓋率指標越高，表示該類節(jié)點的便捷程度越高，在空間布局層面對該類節(jié)點的空間可達狀態(tài)越好。

其中，i＝1、2、3…n，表示不同類型 （如縣級城市、重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)、A級以上景區(qū)等）的節(jié)點；k＝1、2、3…m，表示不同類型 （如30、60 min等）的高速公路可達性等時圈；表示i類節(jié)點在k等時圈的節(jié)點覆蓋率；表示i類節(jié)點在k等時圈的節(jié)點覆蓋數(shù)量；Mi表示i類節(jié)點的總數(shù)量。

2 適應性分析流程

GIS具有采集、處理、管理、分析、顯示、輸出地理空間數(shù)據(jù)功能的優(yōu)勢，廣泛運用應用于交通規(guī)劃、管理和工程建設等交通領域［9］。本文根據(jù)連接質量、通達效率、節(jié)點覆蓋率等空間結構指標，利用GIS平臺，建立分析模型進行計算，并根據(jù)計算結果進行綜合分析，具體流程如下。

2.1 數(shù)據(jù)準備

需要輸入GIS平臺的基礎數(shù)據(jù)主要包括道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)、重要交通源節(jié)點數(shù)據(jù)、自然地理等。

a.道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)：包括高速公路、普通國省道、各級城市道路等路網(wǎng)數(shù)據(jù)，以及樞紐互通、收費站等網(wǎng)絡節(jié)點，屬性包含等級、長度、設計速度等信息。

b.重要交通源節(jié)點數(shù)據(jù)：包括機場、港口、高鐵站等交通樞紐，城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)、景區(qū)等經(jīng)濟節(jié)點數(shù)據(jù)，屬性包含名稱、位置、經(jīng)緯度等信息。

c.自然地理數(shù)據(jù)：包括地面高程數(shù)據(jù)，山體、水系等地理數(shù)據(jù)。

2.2 模型構建

在GIS平臺中，利用拓撲分析工具，充分梳理各類型各層級路網(wǎng)之間的空間位置關系，形成交通空間網(wǎng)絡基礎，填寫交通運行的虛擬屬性 （主要包括交通行駛的成本，交通規(guī)則的制定等），并將地形、水系數(shù)據(jù)等嵌入，加載重要交通源節(jié)點數(shù)據(jù)，構建高速公路空間適應性分析基礎模型。

2.3 模型計算

a.連接質量：利用分析模型，采用GIS空間分析功能，計算各城市之間的直線距離，高速公路平均時速等參數(shù)，代入公式 （1）中，得到計算結果。

b.通達效率：利用GIS網(wǎng)絡分析模型，計算目標城市的等時圈覆蓋范圍，計算代入公式 （2）中，得到相應的計算結果。

c.節(jié)點覆蓋率：利用GIS網(wǎng)絡分析模型，計算各節(jié)點的等時圈可達性覆蓋情況，計算代入公式（3）中，得到計算結果。

2.4 結果分析

根據(jù)計算結果分層次進行分析，選取城市之間連接質量明顯低于平均值的點對，找出目標時間內通達效率低的城市，篩選顯著低于平均值的節(jié)點類別及目標等時圈下未覆蓋節(jié)點情況，并結合區(qū)域戰(zhàn)略、地形條件進行綜合分析，提出高速公路網(wǎng)布局優(yōu)化建議。

3 案例分析

本文以湖南省高速公路網(wǎng)為例，基于GIS進行空間結構適應性分析。湖南地處我國中部，一肩擔東西，南北系兩江，具有東部沿海地區(qū)和中西部地區(qū)過渡帶、長江開放經(jīng)濟帶和沿海開放經(jīng)濟帶結合部的區(qū)位優(yōu)勢［10］。湖南高速公路歷經(jīng)20余a的快速發(fā)展，逐步躋身 “高速大省”行列［11-12］。截至2019年底，湖南省高速公路通車里程達到6 802 km、車道里程達到28 059 km，基本形成“六縱六橫”高速公路網(wǎng)絡，基本實現(xiàn)縣 （市、區(qū)）可在30 min內便捷上高速公路，成為湖南省經(jīng)濟社會發(fā)展的 “快車道”［12］。但經(jīng)歷高速公路快速發(fā)展的過程后，目前湖南省高速公路網(wǎng)存在布局不均衡、網(wǎng)絡不完善等空間結構的問題，與交通強國建設要求和交通運輸走高質量發(fā)展要求還有一定差距，因此有必要對其進行適應性分析，優(yōu)化路網(wǎng)布局，以促進社會經(jīng)濟的發(fā)展。

3.1 分析基礎

研究收集了湖南省相關地理信息數(shù)據(jù)，包括山體、水系等自然地理數(shù)據(jù)，高速公路、國省道、城市道路等路網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)、景區(qū)、交通樞紐等主要節(jié)點數(shù)據(jù)，基于GIS平臺，建立了高速公路空間結構分析的基礎模型。

3.2 連接質量分析

a.省會之間的連接質量。

受地形條件等因素的影響，南北向連接質量要好于東西向連接質量，南北向連接質量普通在1.2以內，東西向連接質量要大于1.2，其中連接質量最差的為長沙至重慶通道，達到1.39，顯著高于東西向受地形條件影響的平均值。見表2和圖1（a）。

b.省會與地級市之間的連接質量。

經(jīng)分析計算，省會長沙與其他地級市的連接質量平均值為1.25，其中，長沙與張家界、湘西州、永州之間的連接質量大于1.3，顯著高于平均值，連接質量較差。見表3，圖1（b）。

表2 省會之間連接質量表Table 2 Connection quality of Inter-provincial capitals

表3 省會與地級市連接質量表Table 3 Connection quality between provincial capital and city

c.鄰近地級市之間的連接質量。

經(jīng)分析計算，鄰近地級市的連接質量平均值為1.34，其中，張家界至懷化、婁底，懷化至永州，湘西州至婁底，益陽至岳陽等6個鄰近市之間的連接質量大于1.5，顯著高于平均值，連接質量較差。見表4和圖1（c）。

表4 鄰近市連接質量統(tǒng)計表Table 4 Statistics of connection quality of neighboring cities

3.3 通達效率分析

a.省會通達效率 ［見表5和圖2（a）］。

省會長沙至湘潭、株洲已實現(xiàn) “1 h”通達，在空間結構上相對較好。省會至其他市州 “2 h”可通達岳陽、益陽、婁底，占比27%； “4 h”可通達常德、衡陽、邵陽、郴州、永州，占比73%。長沙與張家界需4.5 h通達，與吉首、懷化需5.5 h通達，通達時效較差。

圖1 連接質量分析圖Figure 1 Analysis of connection quality

表5 省會與市通達效率表Table 5 Access efficiency between provincial capital and city

b.市縣通達效率 ［見表6，圖2（b）］。

各地級市到下轄縣區(qū)的 “1 h”通達平均值為69%，“2 h”通達平均值為91.4%，現(xiàn)狀2 h到下轄其他區(qū)縣仍有6個市的10個縣未實現(xiàn)全覆蓋，其中永州、邵陽的覆蓋情況相對較差，各有3個縣未實現(xiàn)2 h覆蓋。

3.4 節(jié)點覆蓋率分析

從節(jié)點可達性分析，全省主要節(jié)點30 min平均覆蓋率達到78.14%，60 min平均覆蓋率達到91.20%。其中，A級以上景區(qū)的覆蓋率偏低，顯著低于平均水平，可達性較差；縣 （市、區(qū)）城區(qū)、省級以上產(chǎn)業(yè)園區(qū)、機場可達性指標相對較高。見表7和圖3。

表6 市與縣通達效率表Table 6 Access efficiency between city and county

圖2 通達效率分析圖Figure 2 Analysis of access efficiency

表7 主要節(jié)點覆蓋率表Table 7 Coverage of main nodes

3.5 相關建議

a.省會城市聯(lián)系層面。

考慮到成渝城市群是我國西部的重要城市群，是長江經(jīng)濟帶的重要節(jié)點，是國家重點發(fā)展區(qū)域，是我省融入 “一帶一路”，參與國際競爭的鄰近城市群。目前，長沙與重慶之間的高速公路聯(lián)系要顯著弱于長沙與其他相鄰省市之間聯(lián)系，繞行距離長，通行效率低，在空間結構層面宜考慮增加長沙與重慶之間的快捷聯(lián)系通道。

b.市州城市聯(lián)系層面。

長沙至湘西州、張家界等繞行距離相對較長，通達時間在4 h及以上，空間結構布局上需加強長沙與西部地區(qū)之間的快速聯(lián)系。張家界與鄰近的懷化、湘西州、婁底等，懷化與鄰近的邵陽、永州等地區(qū)連接質量較差，在空間結構布局上宜結合地形條件考慮湘西、湘南地區(qū)新增市際高速公路通道。

c.局部路網(wǎng)。

圖3 主要節(jié)點覆蓋率分析圖Figure 3 Coverage analysis of main nodes

在遠期，考慮到高質量發(fā)展要求和人民生活水平的不斷提高，對旅游交通的需求不斷增強。高速公路在空間結構布局上宜重點加強對重要旅游景區(qū)的覆蓋，結合全域旅游發(fā)展要求，加快完善湘南、湘西等旅游資源豐富區(qū)域的高速公路網(wǎng)絡，考慮省際、市際通道的構建，增強市縣之間的聯(lián)系，在服務全域旅游的同時連接與高鐵站、重點鎮(zhèn)等主要節(jié)點，進一步加強高速公路對經(jīng)濟社會的輻射帶動作用。

4 結語

本文針對高速公路在空間結構方面的適應性展開研究，結合高速公路功能定位，基于GIS平臺融合道路網(wǎng)絡、重要交通源節(jié)點、自然地理等基礎數(shù)據(jù)，建立了交通分析模型，從連接質量、通達效率、節(jié)點覆蓋率等方面提出空間結構適應性分析的指標及計算方法。文章以湖南省為例，分析現(xiàn)狀高速公路網(wǎng)空間結構適應性情況，研究結果較好地反映了湖南省高速公路網(wǎng)在空間結構方面存在的問題，并提出了相關建議，可以為下階段高速公路的優(yōu)化布局提供支撐。文章提出的分析方法和相關指標可以為分析高速公路的空間適應性具有借鑒意義，也可以為高速公路網(wǎng)規(guī)劃提供參考。