基于GIS的淮海经济区交通可达性研究

邱文平，李保杰，赵炫炫，陈 莉

（江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院，徐州221116）

引言

交通网络在一个地区的发展中发挥着至关重要的作用。区域运输的可达性是综合性评价交通网络的一个重要指标[1]。交通网络是指一定区域内根据通行的需要，由各种交通线路组成的相互连接、网状分布的道路系统[2]。Hansen在1959年首次提出了可达性的概念[3]，初步认定为交通网络中各节点间的相互作用力，主要应用于城镇的空间规划、公共基础服务设施的建设、城乡土地和交通网络的开发利用等不同领域。目前，交通可达性的评价分析多集中于县级以上大尺度范围内，可达性的概念进一步夯实了基于“源”与“流”的城市交通规划的指导思想[4]。近年来，随着社会经济的快速发展，城市化的加剧推进，道路交通建设也在不断的改进，区域经济学和地理学的相关学者逐渐开始对可达性投入更多的关注和研究。张莉、陆玉麒等运用编程工具，从时间距离的角度对长江三角洲的陆路交通网进行了区域内外可达性的综合分析[5]。吴威等以加权平均旅行时间为指标，描述了长江三角洲上世纪80年代以来的时空演变过程，并对其可达性进行了评价和总结[6]。费鲜芸、张志国等运用GIS和RS技术，利用交通时间加权成本模型，以山东省德州市为例，对城市交通可达性进行评价[7]。吴文婕、张小雷等采用断裂点模型，根据当前社会需求与交通可达性对新疆通勤机场布局进行评价与研究[8]。杨忍利用遥感数据基于交通可达性，运用GIS技术定性并定量对1990～2013年广东省乡村聚落空间分布及其演变机制进行研究[9]。田野等运用GIS空间分析技术，从时间维度和空间维度对湖北省县域交通可达性的时空结构演化进行评价[10]。

综上所述，学者对交通可达性的评价方法越来越多，更多的人开始关注和研究县域的交通可达性[11，12]，但研究方法和角度相对单一，不能够系统的评价区域的交通可达性。针对当前淮海经济区被纳入国家级战略规划，为了淮海经济区的升级崛起，充分发挥其推进区域协调发展的重要作用，而区域交通可达性是影响一个地区综合实力的重要因素，是衡量一个地区社会经济发展水平和交通运输能力的综合体现。本文在借鉴现有研究成果基础上，整理近30年来国内外交通可达性发展与研究特点，探讨建立了淮海经济区基于县域的交通可达性研究，以密度叠加分析、栅格分析法和引力模型方法，系统的对淮海经济区县域交通可达性进行研究，从多个角度分析了目前淮海经济区的交通网络存在的主要现象与特征，研究成果将为淮海经济区的区域空间发展战略的选定和交通网络的优化及布局提供理论依据。

1 研究区概况

淮海经济区南临长三角、北接环渤海经济区，位于亚欧大陆桥东部桥头堡的突出区域，是联结我国东、中、西三大经济带的桥梁和纽带。淮海经济区是由苏鲁豫皖四省接壤地区的徐州、宿迁、淮安、盐城、连云港、淮北、亳州、阜阳、蚌埠、宿州、开封、周口、商丘、济宁、泰安、枣庄、日照、临沂、菏泽和莱芜20个地级市组成。该研究区域的土地总面积为17.81万km2，2017年，该区域常住人口1.34亿人，地区生产总值为4.90万亿元。由于淮海经济区地理位置优势突出，交通网络密集，拥有徐州、蚌埠、商丘和阜阳4个重要的铁路枢纽城市，并且高速公路和水路航道网络密集。除了外部区域的连接，淮海经济区内部也逐步规划形成了城际快速客运网络，这些铁路的建设和建成，对淮海经济区的发展提供了强大动力。区内航空业发展也较为迅速，徐州国际机场，航空线路几乎覆盖了整个经济区。淮海经济区已然形成铁路、公路、水路、航运等综合性交通网络。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文研究的对象是淮海经济区交通网络，以县域（县、县级市、区）作为主要的研究单位，将县级政府驻地作为交通网络的节点。本文以淮海经济区区域行政区划图进行配准，并以淮海经济区电子地图作为参考，利用ArcGIS 10.2进行数字化，然后通过拓扑，从而得到淮海经济区交通网络专题图（图1）。其中基础数据有行政区划边界图（省界、市界、县界）、行政驻地和交通网络（铁路、高速公路、国道、省道）等；专题数据均来源于2018年的《河南统计年鉴》、《江苏统计年鉴》、《安徽统计年鉴》和《山东统计年鉴》以及研究区20个地级市2018年统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 密度叠加分析法。道路网密度是衡量一个区域的道路网是否合理的指标之一。道路网密度指的是在一定区域内，道路网的总里程与该区域面积的比值[13]。即公式为：

式中，pi为区域i的道路设施网络密度（km/km2），Ci为区域i的道路长度，Mi为区域i的用地面积。道路网密度是对道路总长度与区域面积间发展关系的限定，它从长度上描述了不同城市规模所具有的道路发展水平[14]。但是其密度大小不是衡量道路情况的唯一指标。

叠加分析是将两层或多层地图要素和属性进行叠加，融合产生一个新要素层。在ArcGIS 10.2中，将淮海经济区道路网络数据图层（线状图层）和淮海经济区县域行政区划数据图层（面状图层）进行叠加，得到淮海经济区道路网分布图。

图1 淮海经济区交通网络专题图

表1 淮海经济区道路通行能力权重

在淮海经济区的区域交通网络内，主要包括高铁、铁路、高速、国道、省道。经过阅读相关文献，又参照不同类型路线的等级通行能力大小，对不同级别的道路进行赋值[15，16]（表1）。

在通过叠加分析得到的淮海经济区道路分布图中算出的各个县（县级市、区）的不同等级道路的长度，分别除以每个县（县级市、区）的面积，就可以得到每个县（县级市、区）的道路密度，通过ArcGIS 10.2自然断点法，得到淮海经济区道路网道路密度，若用各个县（县级市、区）的不同等级道路的长度乘以对应的道路通行能力权重系数，就可以算出每个县（县级市、区）的加权密度，同理得出淮海经济区道路网加权密度，加权密度考虑到不同等级道路的交通运输能力，能更真实的反映区域间的道路状况。

2.2.2 栅格分析法。地理可达性指某个特定的地理实体对外部特定环境的地理方便程度，它主要取决于地理方位和距离[17]。基于GIS使用栅格分析法，以栅格数据为基础，利用ArcGIS 10.2软件平台，运用空间分析技术，精确地拟合研究区内任意单元的可达性。空间分析中的栅格距离，指的是研究区内各网格单元（其它县域中心和县域内居民点）到最近网格单元（县域中心）的累积耗费距离，研究区内县域的地理位置决定了与其它县域或县域内居民点的绝对地理距离（直线距离）。本文还考虑了研究区面积较大，综合考虑到淮海经济区的交通路网情况以及居民实际的出行难易程度，较全面的分析了研究区内的通达程度。但这一方法忽略了县级城市（县、县级市和区）的服务能力和整个区域的集聚能力。如城市的竞争力、经济发展、人口密度等。

2.2.3 引力模型。引力模型是应用广泛的空间相互作用能力模型，即用来对空间相互作用能力进行分析和预测的数学模型[18]。引力模型来源于物理学中的引力模式，1687年牛顿提出万有引力定律，1959年汉森（Hansen）提出了利用引力模型作为可达性度量方法[3]，变量被逐步细化，但未将需求信息考虑进去。引力模型是测度区内节点间经济联系密切程度的常用指标，通常用于研究空间相互作用和距离衰减效应[19，20]。

随着交通网络的发展，县域间的联系通常指的是县域相对距离和各个县域的经济水平，所以本文引入改进的引力模型来计算城市间的引力可达性指数[21]，表达式为：

式（2）中，F 是 i、j两地间的相互吸引力；A 为经验常数，常取值为 1；Ci、Cj分别代表县域 i、县域 j的质量，本文以县域的GDP表示县域的质量；Lij为两地间的交通最短距离；b为度量距离的摩擦系数，指的是引力的距离衰减速度，在本文中为2较合理。该模型直观地表现了城市间的相互作用受两个因素的影响：经济水平与城市间的引力成正比，经济水平越高，对其他城市的吸引力越大；城市间的距离与城市间的引力呈反比，距离越近，城市间的引力越大。

3 结果与分析

3.1 区域道路密度叠加分析

由图2（a）中可以看出，淮海经济区大部分县域的交通密度均高于全国水平值0.2km/km2[22，23]，但有少部分县域由于其区域面积较大，道路覆盖较少。淮海经济区126个县（县级市、区）的道路密度中，有4个县（县级市、区）处于 0～0.1km/km2之间，48个县（县级市、区）处于 0.1～0.2km/km2；淮海经济区内 59%的县（县级市、区）的网络密度高于全国平均水平，其中，有42个县（县级市、区）处于 0.2～0.3km/km2，27个县（县级市、区）处于 0.3～0.4km/km2；还有 5个县（县级市、区）远远高于全国平均水平，主要有蚌埠市区、川汇区、梁园区、任城区和连云港市区，道路交通对这些地区的发展提供了良好的保障。由图2中的空间分布可以看出：淮海经济区道路网道路密度和加权密度空间分布差异性较小，淮海经济区中部的主要城市为道路密集高值聚集区，西南部（郸城县、阜南县和怀远县等）和中南部（五河县、泗洪县和金湖县等）为道路密度低值区，这从整体上体现了淮海经济区道路网络在空间分布的不均衡性，并且在道路发展上存在严重的地域差异，部分县（县级市、区）与周边地区的差异性相对比较明显，市区道路密度一般情况下远远高于市辖区下县（县级市）。

3.2 栅格分析

本研究方法基于GIS，利用ArcGIS中的空间分析工具，以淮海经济区各个县（县级市、区）作为区域内可达性计算的扩散点源，计算任意位置通过交通路网所消耗的时间，得到研究区内各地到达最近县（县级市、区）所用的时间（如图3所示）。

综合考虑到研究区内的交通情况，为了便于反映表达研究区内各个县（县级市、区）的时间可达性，综合决定将研究区内各个县（县级市、区）可达性分为5个等级，最短时间可达性区域（t≤0.1）、较短时间可达性（0.1＜t≤0.2）、期望值时间可达性（0.2＜t≤0.4）、较长时间可达性（0.4≤t＜0.5）和最长时间可达性（t≥0.5）（t为时间可达性，单位为h）。

由图3和表2综合可以看出，淮海经济区各个县（县级市、区）的可达性整体较好，时间可达性在0＜t≤0.4h的区域比较多，且大部分呈集聚模式，然而时间可达性在t＞0.4h可达性区域占了研究区21.7%的面积，充分体现了研究区内道路规划不合理，而县域交通可达性相对较低或相对经济落后的区域没有建设完善的交通路网，致使处于县域的居民出行可达性较低，得不到应有的生活质量，达不到国民生活的期望值。枣庄市整体可达性最好，城市间的到达时间基本都在0.3h之内；淮北市和宿州市整体可达性较差；宿迁市泗洪县、淮安市洪泽县以及蚌埠市的固镇县、五河县，可达性较差，城市间在0.4h内所达到的范围很小，城市之间所需的到达时间基本都在0.5h以上。研究区内交通路网的空间布局，其矛盾主要体现在人民日益增长的需求与供给不足和难以为继的现状及规模与先天不足的通达性[20]。如果研究区内交通可达性延续下去，既不利于研究区内居民出行与经济发展，也不利于实现全面建成小康。

图2 淮海经济区道路网道路密度（a）加权密度（b）

表2 淮海经济区县域的时间可达性分类统计

图3 淮海经济区各地到达最近的城市所需要的时间图

3.3 引力模型评价

城市间交通的通达程度可以反映城市间相互作用的影响和便捷程度，为了进一步研究淮海经济区内县域间的交通可达性，本文运用引力模型，以城市相互作用相对最短交通距离，改进引力模型，应用于基于交通网络可达性的城市间的相互作用，计算出研究区内县域间的相互作用的强度大小[24]。由于数据量较大，在本文中仅展示县域间相互作用的强度最大和最小的部分结果（如表3）。

由表3可知，铜山县和徐州市区之间的相互作用强度最大，其相互作用强度为5918.2273；钢城区与阜南县的相互作用强度最小，其相互作用强度为0.094289。参考苏鲁豫皖四省20个城市2018年统计年鉴，徐州市区的GDP在研究区内126个县级城市排名第四位，铜山县排名第五位，且徐州市区被铜山县环绕，距离较近，道路网通达程度较高，从而导致它们之间的吸引力最强；阜南县2017年GDP为161.8亿元，处于研究区内县级城市GDP排名的末位，位于安徽省西北部，工业化程度较低，经济相对落后，对外交通能力差；而鄄城县，GDP值仅为192.90亿元，在淮海经济区县级城市中GDP排名处于倒数行列，且位于研究区内的西北边缘，交通通达性不高，因此与扶沟县、金湖县、五河县等交通通达性相对较弱和经济发展相对较慢的县级城市距离较远，所以相互作用力均处于倒数行列。

表3 淮海经济区县域（县级市、区）之间的相互作用强度

4 结论

针对当前淮海经济区被纳入国家级战略规划，为了淮海经济区的升级崛起，充分发挥其推进区域协调发展的重要作用，已势在必行，而社会经济的发展靠着交通运输的推动，经济发展所必要的条件是交通运输。本文运用GIS空间分析技术，运用密度叠加分析、栅格分析法和引力模型对淮海经济区进行县域交通的可达性研究，研究发现以下几点。

4.1 淮海经济区交通可达性整体较好，但存在研究区内中间经济发展较好的城市交通通达程度较高。比如，江苏省徐州市、山东省枣庄市和济宁市。

4.2 淮海经济区内59%的县（县级市、区）的交通密度均高于全国平均值0.2km/km2，淮海经济区中部的主要城市为道路密集高值聚集区，西南部（郸城县、阜南县和怀远县等）和中南部（五河县、泗洪县和金湖县等）为道路密度低值区，这从整体上体现了淮海经济区道路网络在空间分布上的不均衡性。

4.3 淮海经济区各个县（县级市、区）的时间可达的适宜度整体较好，时间可达性在0＜t≤0.4h的区域比较多，然而时间可达性在t＞0.4h可达性区域仅占了研究区21.7%的面积，然而这些地区通常指的是经济发展相对落后的县城，比如菏泽市鄄城县、阜阳市阜南县和周口市扶沟县以及盐城市响水县等县级城市。而县域交通可达性相对较低或经济相对落后的区域没有建设完善的交通路网，体现了研究区内部分道路规划不合理，致使处于县域的居民出行可达性较低，得不到应有的生活质量，达不到国民生活的期望值。