基于GIS的高速公路网空间结构适应性研究

陈 明，肖向良，朱全军

（1.湖南省交通运输厅规划与项目办公室，湖南 长沙 410116； 2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015）

高速公路作为公路网中的主骨架，是各交通运输方式有效衔接的重要载体［1］，它具有通行能力大、运行速度快等特点，对促进经济社会发展有重要意义［2-3］。就其空间结构上的功能而言，高速公路网既要发挥运输大通道的作用，承担省际、区域和城市群之间的快速联系，又要发挥其便捷连通功能，实现与区域城镇、产业、重要交通枢纽、重要旅游景区等的有效衔接，对当地经济社会发展影响深远。因此，分析高速公路的空间结构适应性，找准其主要问题并提出解决方案，以提高高速公路有效供给，完善高速公路布局，对于践行交通运输高质量发展、落实交通强国战略具有重要意义。

在国外研究方面，美国研究发现工业布局产业带形成的关键取决于重要交通干线和其沿线不断优化的束状运输设施。法国深入研究高速公路网打通地区间通道，克服区域之间经济发展的不平衡问题。GIANNAKODAKIS［4］等运用复杂系统理论处理交通运输系统问题，促进宏观经济增长和社会公平。SCHADE［5］等提出改进现有的运输政策评估方法，适应可持续发展的需要。在国内研究方面，贾元华［6］最早提出了高速公路的经济适应性概念，并对高速公路经济适应性的评价指标体系框架进行了研究。周伟［7］等提出了公路交通与经济发展适应性分析的基本理论。李晓锋［8］等提出了采用路网区位吻合度、路网加权连通度两项指标对高速公路网络布局的区域适应性进行评价。综上所述，现有国内外研究注重高速公路布局与经济发展指标之间的适应性，缺少在空间结构等具体操作层面的适应性研究，在实际运用过程中很难把握高速公路网布局的适应性。

本文结合高速功能定位，充分发挥GIS在空间数据管理、空间分析、路网可达性分析等方面的优势，建立交通模型，分析高速公路网的空间适应性，查找存在问题的区域，为规划布局提供参考，最后以湖南省高速公路网为案例进行分析。

1 空间结构适应性指标构建

1.1 指标选取

按照科学性、独立性、可比性、可操作性等原则，结合高速公路功能定位，基于GIS分析技术，本文从高速公路空间结构层面的连接质量、节点覆盖率、通达效率等3个方面建立高速公路空间结构适应性指标。省会与周边省会层面采用连接质量分析，省会与其他地级市层面采用连接质量及通达效率分析，市与市之间采用连接质量分析，市与内部县之间采用通达效率分析，充分梳理省市县高速公路在空间结构上的连接关系，再结合节点覆盖率对相关节点适应程度进行分析。见表1。

表1 空间结构适应性指标分析表Table 1 Analysis of spatial structure adaptability index

1.2 指标计算

1.2.1 连接质量

连接质量采用城市间以高速公路实际花费时间与理想出行时间的比值。比值越大，表明两城市间的直接连接程度越差，路网有进一步改善的需求。

其中：Qij表示城市i与城市j之间的连接质量；Lij表示城市i与城市j之间的实际距离；Vij表示城市i与城市j之间的路段平均速度 （本文取设计速度）；Zij表示城市i与城市j之间的直线距离；V0表示城市i与城市j之间高速公路理想出行速度。

1.2.2 通达效率

通达效率采用重要城市可达性所覆盖的城市节点数量与评估城市数量比值表示，用以反映重要城市与其他城市之间联系的时效情况。在时间越小的情况下，通达效率指标越高，表示该城市与评估类别城市之间的通达效率越高。

其中，k＝1、2、3…m，表示不同类型 （如30、60 min等）的高速公路可达性等时圈；表示城市i在一定时间内与j类城市联系的通达效率；表示城市i与j类城市在一定时间内可以联系的数量；Sij表示城市i与j类城市联系的总数量。

1.2.3 节点覆盖率

节点覆盖率采用路网可达性所覆盖的某类节点数量与该类节点总数量的比值表示，用以反映路网空间结构布局合理性。在时间越小的可达性等时圈下，节点覆盖率指标越高，表示该类节点的便捷程度越高，在空间布局层面对该类节点的空间可达状态越好。

其中，i＝1、2、3…n，表示不同类型 （如县级城市、重要乡镇、A级以上景区等）的节点；k＝1、2、3…m，表示不同类型 （如30、60 min等）的高速公路可达性等时圈；表示i类节点在k等时圈的节点覆盖率；表示i类节点在k等时圈的节点覆盖数量；Mi表示i类节点的总数量。

2 适应性分析流程

GIS具有采集、处理、管理、分析、显示、输出地理空间数据功能的优势，广泛运用应用于交通规划、管理和工程建设等交通领域［9］。本文根据连接质量、通达效率、节点覆盖率等空间结构指标，利用GIS平台，建立分析模型进行计算，并根据计算结果进行综合分析，具体流程如下。

2.1 数据准备

需要输入GIS平台的基础数据主要包括道路网络数据、重要交通源节点数据、自然地理等。

a.道路网络数据：包括高速公路、普通国省道、各级城市道路等路网数据，以及枢纽互通、收费站等网络节点，属性包含等级、长度、设计速度等信息。

b.重要交通源节点数据：包括机场、港口、高铁站等交通枢纽，城镇、产业、景区等经济节点数据，属性包含名称、位置、经纬度等信息。

c.自然地理数据：包括地面高程数据，山体、水系等地理数据。

2.2 模型构建

在GIS平台中，利用拓扑分析工具，充分梳理各类型各层级路网之间的空间位置关系，形成交通空间网络基础，填写交通运行的虚拟属性 （主要包括交通行驶的成本，交通规则的制定等），并将地形、水系数据等嵌入，加载重要交通源节点数据，构建高速公路空间适应性分析基础模型。

2.3 模型计算

a.连接质量：利用分析模型，采用GIS空间分析功能，计算各城市之间的直线距离，高速公路平均时速等参数，代入公式 （1）中，得到计算结果。

b.通达效率：利用GIS网络分析模型，计算目标城市的等时圈覆盖范围，计算代入公式 （2）中，得到相应的计算结果。

c.节点覆盖率：利用GIS网络分析模型，计算各节点的等时圈可达性覆盖情况，计算代入公式（3）中，得到计算结果。

2.4 结果分析

根据计算结果分层次进行分析，选取城市之间连接质量明显低于平均值的点对，找出目标时间内通达效率低的城市，筛选显著低于平均值的节点类别及目标等时圈下未覆盖节点情况，并结合区域战略、地形条件进行综合分析，提出高速公路网布局优化建议。

3 案例分析

本文以湖南省高速公路网为例，基于GIS进行空间结构适应性分析。湖南地处我国中部，一肩担东西，南北系两江，具有东部沿海地区和中西部地区过渡带、长江开放经济带和沿海开放经济带结合部的区位优势［10］。湖南高速公路历经20余a的快速发展，逐步跻身 “高速大省”行列［11-12］。截至2019年底，湖南省高速公路通车里程达到6 802 km、车道里程达到28 059 km，基本形成“六纵六横”高速公路网络，基本实现县 （市、区）可在30 min内便捷上高速公路，成为湖南省经济社会发展的 “快车道”［12］。但经历高速公路快速发展的过程后，目前湖南省高速公路网存在布局不均衡、网络不完善等空间结构的问题，与交通强国建设要求和交通运输走高质量发展要求还有一定差距，因此有必要对其进行适应性分析，优化路网布局，以促进社会经济的发展。

3.1 分析基础

研究收集了湖南省相关地理信息数据，包括山体、水系等自然地理数据，高速公路、国省道、城市道路等路网信息数据，城镇、产业、景区、交通枢纽等主要节点数据，基于GIS平台，建立了高速公路空间结构分析的基础模型。

3.2 连接质量分析

a.省会之间的连接质量。

受地形条件等因素的影响，南北向连接质量要好于东西向连接质量，南北向连接质量普通在1.2以内，东西向连接质量要大于1.2，其中连接质量最差的为长沙至重庆通道，达到1.39，显著高于东西向受地形条件影响的平均值。见表2和图1（a）。

b.省会与地级市之间的连接质量。

经分析计算，省会长沙与其他地级市的连接质量平均值为1.25，其中，长沙与张家界、湘西州、永州之间的连接质量大于1.3，显著高于平均值，连接质量较差。见表3，图1（b）。

表2 省会之间连接质量表Table 2 Connection quality of Inter-provincial capitals

表3 省会与地级市连接质量表Table 3 Connection quality between provincial capital and city

c.邻近地级市之间的连接质量。

经分析计算，邻近地级市的连接质量平均值为1.34，其中，张家界至怀化、娄底，怀化至永州，湘西州至娄底，益阳至岳阳等6个邻近市之间的连接质量大于1.5，显著高于平均值，连接质量较差。见表4和图1（c）。

表4 邻近市连接质量统计表Table 4 Statistics of connection quality of neighboring cities

3.3 通达效率分析

a.省会通达效率 ［见表5和图2（a）］。

省会长沙至湘潭、株洲已实现 “1 h”通达，在空间结构上相对较好。省会至其他市州 “2 h”可通达岳阳、益阳、娄底，占比27%； “4 h”可通达常德、衡阳、邵阳、郴州、永州，占比73%。长沙与张家界需4.5 h通达，与吉首、怀化需5.5 h通达，通达时效较差。

图1 连接质量分析图Figure 1 Analysis of connection quality

表5 省会与市通达效率表Table 5 Access efficiency between provincial capital and city

b.市县通达效率 ［见表6，图2（b）］。

各地级市到下辖县区的 “1 h”通达平均值为69%，“2 h”通达平均值为91.4%，现状2 h到下辖其他区县仍有6个市的10个县未实现全覆盖，其中永州、邵阳的覆盖情况相对较差，各有3个县未实现2 h覆盖。

3.4 节点覆盖率分析

从节点可达性分析，全省主要节点30 min平均覆盖率达到78.14%，60 min平均覆盖率达到91.20%。其中，A级以上景区的覆盖率偏低，显著低于平均水平，可达性较差；县 （市、区）城区、省级以上产业园区、机场可达性指标相对较高。见表7和图3。

表6 市与县通达效率表Table 6 Access efficiency between city and county

图2 通达效率分析图Figure 2 Analysis of access efficiency

表7 主要节点覆盖率表Table 7 Coverage of main nodes

3.5 相关建议

a.省会城市联系层面。

考虑到成渝城市群是我国西部的重要城市群，是长江经济带的重要节点，是国家重点发展区域，是我省融入 “一带一路”，参与国际竞争的邻近城市群。目前，长沙与重庆之间的高速公路联系要显著弱于长沙与其他相邻省市之间联系，绕行距离长，通行效率低，在空间结构层面宜考虑增加长沙与重庆之间的快捷联系通道。

b.市州城市联系层面。

长沙至湘西州、张家界等绕行距离相对较长，通达时间在4 h及以上，空间结构布局上需加强长沙与西部地区之间的快速联系。张家界与邻近的怀化、湘西州、娄底等，怀化与邻近的邵阳、永州等地区连接质量较差，在空间结构布局上宜结合地形条件考虑湘西、湘南地区新增市际高速公路通道。

c.局部路网。

图3 主要节点覆盖率分析图Figure 3 Coverage analysis of main nodes

在远期，考虑到高质量发展要求和人民生活水平的不断提高，对旅游交通的需求不断增强。高速公路在空间结构布局上宜重点加强对重要旅游景区的覆盖，结合全域旅游发展要求，加快完善湘南、湘西等旅游资源丰富区域的高速公路网络，考虑省际、市际通道的构建，增强市县之间的联系，在服务全域旅游的同时连接与高铁站、重点镇等主要节点，进一步加强高速公路对经济社会的辐射带动作用。

4 结语

本文针对高速公路在空间结构方面的适应性展开研究，结合高速公路功能定位，基于GIS平台融合道路网络、重要交通源节点、自然地理等基础数据，建立了交通分析模型，从连接质量、通达效率、节点覆盖率等方面提出空间结构适应性分析的指标及计算方法。文章以湖南省为例，分析现状高速公路网空间结构适应性情况，研究结果较好地反映了湖南省高速公路网在空间结构方面存在的问题，并提出了相关建议，可以为下阶段高速公路的优化布局提供支撑。文章提出的分析方法和相关指标可以为分析高速公路的空间适应性具有借鉴意义，也可以为高速公路网规划提供参考。