基于GIS的山西省黄河板块旅游资源交通网络构建

颜伟， 刘敏， 李亚丽

太原师范学院地理科学学院， 山西 晋中 030619

0 引言

旅游交通是指为旅游者从客源地到目的地的往返，以及在旅游目的地各处进行各种旅游活动所提供的交通设施服务[1].作为旅游地发展的基础设施，交通路线的设计将影响到旅游地的服务水平和吸引力.目前旅游交通路线研究已成为国内外研究热点，如滕聪[2]运用计算机算法制定最优旅游线路；张洋[3]基于WebGIS平台构建新疆旅游信息系统，初步建立起新疆旅游线路体系；李渊[4]考虑游客的游憩时间和空间行为，采用GPS数据和社会网络模型分析游客对旅游景点的偏好，再以GIS设计最优路线；Manoj[5]将地理信息系统与遗传算法相结合，研究各种成本对路线选择的影响，设计出旅游线路优化模型；Beatriz[6]通过数学模型和交互式多标准技术，为游客规划出个性化旅游线路；李鹏[7]以GIS格网化空间分析方法规划出青岛市专题旅游线路；它们阐述的是在现有旅游路线选取最佳路线的过程.本文通过GIS空间分析技术构建了山西省黄河板块旅游资源的交通网络，以期丰富现有的研究成果.

1 研究区概况

山西黄河段始于偏关县，止于垣曲县，基本涵盖了黄河中游.据《山西省黄河板块旅游发展总体规划》山西黄河板块主要包括主体区和关联区，主体区主要涉及山西省黄河沿岸地区的19个县(市)；关联区主要为主体区之外的吕梁山区和中条山区，涉及30个县(市).

黄河板块内旅游资源种类多，总量丰富，资源质量高；人文旅游资源占主导地位，影响范围广；多数旅游资源人文和自然属性兼有，地域空间组群性好；特色资源区域呈规模化呈现.

2 数据来源

本研究所用底图来源于山西省人民政府网(http://www.shanxi.gov.cn/)公布的《山西省黄河板块旅游发展总体规划(2018年～2025年)》，比例尺为1∶500 000的山西省政区图和交通图[8].山西省土地利用数据来自资源环境数据云(http://www.resdc.cn/Default.aspx)所下载分辨率为1 KM栅格数据.山西省高程数据来自于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)公布的精度为30 M的SRTM(Stultle Radar Topography Mission)数字高程图.

3 研究方法

3.1 山西省黄河板块旅游公路选线的影响因素评价体系

旅游公路选线涉及多方面因素，这些影响因素主要包括：自然因素、社会经济因素以及技术因素等.本文以现有的研究数据为基础，综合分析国内外的研究现状，选取4个影响因素，即土地利用、现有公路网、地形因素、水文条件等.其中土地利用因素由耕地、林地、草地、水域、城乡、工矿以及居民用地、未利用土地等因子构成.现有公路网主要包括高速公路、国道、省道、县道、乡道.地形因素主要由坡度、坡向和起伏度因子构成.水文条件主要包括现有河流和海拔因子.由于各影响因素和因子对最终选线结果会产生不同的影响程度，本研究以专家打分法和层次分析法[9]确定权重.具体定权过程如下：

(1)对山西省黄河板块旅游公路选线的影响因素评价体系中同一层中的各组成因子相对于上一层的同一因子的重要程度进行两两比较来构建判断矩阵，如下所示：

其中，Fij(i,j=1,2,...,m)表示以上一层的评价为标准，下一层中第i个因素对于第j个因素的相对重要程度.取值采用1～9标度法，其中判断矩阵应满足Fij>0;Fij=1;Fij=1/Fji.

(2)以判断矩阵为基础，对评价因子赋值并通过一致性检验.具体计算步骤如下：

①计算判断矩阵每一行元素的乘积

②计算Ni的n次方根

④计算判断矩阵的最大特征根λmax：

⑤ 一致性检验

CI=λmax-n/n-1,CR=CI/RI.其中，n为判断矩证阶数，CI为一致性指标，RI为平均随机一致性指标(表1).当CI=0时表示矩阵满足一致性条件，当CI≠0，且CR≤0.1时，则矩阵满足一致性.

表1 平均随机一致性指标Tab.1 Average random consistency index

基于以上计算步骤计算出各影响因素和因子的指标权重，见表2.

表2 影响因素及其子因子的权重Tab.2 The weight of influencing factors and their sub-factors

3.2 影响因素栅格数据集的生成

3.2.1 土地利用栅格数据的产生

公路建设首要考虑要素就是建设区域的土地利用，特别注意要处理好建设用地与耕地、林地等之间的关系.根据相关政策规定，公路建设应做到尽量少占或不占用耕地、林地以及城乡、工矿、居民用地，可选择未利用土地(荒地、沙地)进行建设.本研究采用ArcGIS 10.5中“重分类”功能，依据各类型土地利用对最终选线结果的权重值(表2)，将山西省土地利用重分6个等级，生成土地利用栅格数据，如图1所示.

图1 土地利用数据集

3.2.2 现有公路网栅格数据的产生

新修公路需处理好与原有公路之间的关系，可充分利用原有公路，对原有公路进行等级升级达到新修公路等级.若原有公路高于二级，可留作辅路.运用ArcGIS软件对山西省交通图中公路网进行矢量化处理，利用空间分析工具中的“欧氏距离”，生成公路两侧影响范围的栅格数据集，再将各因子权重叠加产生现有公路网栅格数据，如图2所示.

图2 现有公路数据集

3.2.3 地形条件栅格数据的产生

公路选线尽量避免起伏度较大、地形复杂地区，应选择地势坡度平缓地带.同时考虑研究区气候因素，尤其冬季降雪，在一定程度上限制了来往车辆行驶.因此，公路选线尽量选择阳面坡上.地形起伏度是指特定的区域内，最高点海拔与最低点海拔的差值.它是描述一个区域地形特征的宏观性指标.基于ArcGIS空间分析，将地形起伏度、坡度、坡向“重分类”10个等级，生成栅格数据.依据表2地形起伏度、坡度、坡向权重值，三者加权总和，获取地形条件栅格，如图3所示.

图3 地形条件数据集

3.2.4 水文条件栅格数据的产生

公路建设遇到河流、湖泊时，需架桥通过，在一定程度上增加建设成本.所以，公路选线尽量避开河流、湖泊，选择地势较高的分水岭处.河流因子数据集的产生是采用ArcGIS空间分析工具中“欧式距离”生成河流两侧影响范围的栅格数据集，依据缓冲距离的大小对栅格数据集重分10个类别.地势因子主要提取分水岭.以黄河板块DEM为数据源，运用ArcGIS中Spatial Analyst工具中的邻域分析提取正地形数据，通过水文分析方法[10]计算河流汇流累积量，最后运用栅格计算器将二者叠加相乘生成地势因子栅格数据.最终将河流因子与地势因子权重叠加产生水文条件栅格数据，如图4所示.

图4 水文条件数据集

3.2.5 综合成本栅格数据集的产生

据表2层次分析法确定影响因素的指标权重，运用ArcGIS中Spatial Analyst工具中的加权总和，对土地利用、现有公路网、地形条件、水文条件数据集进行权重叠加，生成综合成本数据集.如图5所示，综合成本数据集反映出公路建设成本，二者呈正相关关系，即综合成本值越大公路建设成本亦越大，反之亦然.

图5 综合成本数据集

3.3 旅游资源点及各区县行政中心提取方法

据《山西省黄河板块旅游发展总体规划》中旅游公路支线、连接线道路规划中显示，旅游公路支线是连接黄河板块区域内A级及以上景区的旅游公路，包括主线—A级(及以上)景区旅游公路、A级(及以上)景区—A级(及以上)景区旅游公路，其主要作用是分流主线路旅游交通量至各个重要景区景点，串珠成链，连线成网，实现区域均衡发展.旅游公路连接线是连接黄河板块区域内其他非A级景区的旅游公路，包括主线—景区旅游公路、支线—景区旅游公路、景区—景区旅游公路，同时为推动乡村旅游，落实农村精准扶贫的重要建设内容，将连接特色乡村、重要扶贫村的旅游公路一并纳入旅游公路连接线中考虑.本文基于以上规划内容，选择黄河板块内优良旅游资源及各区县行政中心来构建交通网络.《山西省黄河板块旅游发展总体规划》中黄河旅游板块区位图、旅游资源分布图的矢量范围，与比列尺为1∶500 000的山西省政区图和交通图进行矢量叠加分析，提取出优良旅游资源点及各区县行政中心点.

3.4 基于最小成本路径的旅游交通网络构建

构建旅游交通网络可以解决“城景通”“景景通”和“最后一公里”障碍问题，增强旅游资源间的连接度，组成便捷的板块旅游道路交通网.最小成本路径原理是修建旅游客源地和目的地之间公路所耗费的累计成本值.该数学模型[11](公式1)具有运算速度快、数据结构合理及应用较广等特点.通过计算客源地和目的地间的最小累计成本来设计二者间的连接线路，能够为旅游公路的路线设计提供借鉴意义.

(1)

式中，MCR为最小累计成本值，fmin为客源地和目的地间最小累计成本值，Dij表示游客从客源地j到目的地i的空间距离，Ri表示旅游目的地i的成本值.(Dij×Ri)的值是衡量游客从j到空间某点的路径的相对容易到达程度.

4 结果与分析

4.1 山西省黄河板块旅游公路选线的影响因素重要性分析

本文构建黄河板块旅游资源最佳交通网络，选取了4个影响因素及16个影响因子(表2).以专家打分为基础，运用层次分析法计算权重并进行排序，权重值高的表明影响因素及因子在构建交通网络的重要性大，反之亦然.分析表2可知，影响因素层权重由高到低依次为土地利用、地形条件、水文条件、现有公路网.其中土地利用的权重值0.476 5位于首位，远高于均值0.250 0.由于公路建设会占用大量的土地，所以公路建设必须处理好与原有耕地之间的关系，特别是旅游景区之间的公路建设应遵守《土地管理法》规定的“十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地”的基本国策.地形条件的权重值0.287 9位于第二位，高出位于第三位水文条件权重值0.133 2.说明公路建设应避开坡度高、地形起伏度大的地区，同时考虑雨雪天气，应选择地势平缓的阳坡地形条件.水文条件权重值0.154 7处于第三位，低于均值0.250 0.为了协调公路建设与生态环境之间的关系，公路选线应避开河流、沼泽地，尽可能靠近地势较高的分水岭处，这样有利于降低公路的建设成本.现有公路网以0.081 0的权重值位于末位，表明新修公路应尽可能利用原有的道路系统作为辅道.土地利用中6个因子重要性依次为城乡、工矿、居民用地、耕地、水域、林地、草地、未利用土地等，其中水域中的河流归类到水文条件中，交通运输用地归类到现有公路网中；现有公路网5个影响因子重要性依次为高速公路、国道、省道、县道、乡道等；地形条件中坡度与起伏度同等重要，比坡向稍重要.水文条件中河流因子重要性高于地势因子.

4.2 旅游资源点及各区县行政中心提取结果

对山西省黄河板块旅游发展总体规划纲要中黄河旅游板块区位图、旅游资源评价图的矢量范围与山西省政区图进行矢量化叠加，共提取优良旅游资源81个，区县行政中心44个，并对山西省黄河板块优良旅游资源进行统计分析(表3).

表3 旅游资源类型分类统计表Tab.3 Tourism resource type classification statistical table

根据中华人民共和国国家标准(GB/T 18972-2017)对黄河板块优良旅游资源进行分类，结果见表3.由表可知建筑与设施类旅游资源占旅游资源总数量的约35.80 %，主要分布在运城市与吕梁市，其他各市如忻州市、太原市、临汾市也零星分布；水域风光类占比例约为23.46 %，主要分布在运城市、吕梁市、临汾市，这些旅游资源点主要分布于黄河沿岸，以黄河景观为主；地文景观占比例为17.28 %，主要分布于运城市与吕梁市，地文景观中山丘型景观居多.遗址遗迹约占12.35 %，主要集中在吕梁市，旅游资源主要以革命旧址为主.自然保护区约占11.11 %，主要分布于临汾市、吕梁市，由于吕梁山植被类型多样，物种丰富，形成了多个自然保护区.

4.3 旅游资源交通网络构建

综合成本值的确定是构建旅游资源点及各区县行政中心最佳交通网络的关键，本文运用层次分析法计算出各影响因素的权重，采用ArcGIS中Spatial Analyst工具中的加权总和，得出山西黄河板块综合成本值(图5).运用公式1计算出81个优良旅游资源点及44个行政中心间的最小成本路径，共121条(图6).对研究区121条最小成本路径进行统计分析.由最短路径分布及数量统计图(图7和图8)可知，吕梁市和运城市路径数量最多，路径数量超过了35条，忻州市、太原市、晋中市的路径数量最少，分别为8条、10条、1条，临汾市约为22条.通过对路径长度统计分析，吕梁市、临汾市、运城市总长度较长，长度大于60 km，忻州市、太原市、晋中市路径长度较短，分别为21 km、15 km、3 km.分析可知，路径数量与路径长度呈正相关关系，即路径数量越多，路径总长度越长.由于吕梁市、临汾市和运城市旅游资源点分布较多，景区与景区之间连通性较强.忻州市、太原市、晋中市只有少部分区域位于黄河板块，旅游资源点分布较少，景区之间连接的路径相对较少.

图6 旅游资源交通网络

图7 各地区路径数量

图8 各地区路径长度Fig.8 Path length of each region

5 结论与不足

5.1 结论

本文基于层次分析法、专题地图矢量化叠加、GIS空间分析等技术对旅游资源之间交通网络的构建提出了一个设计模型和实证分析，主要得出了以下结论：

(1)对于山西省黄河板块旅游公路选线影响因素分析，影响因素重要性由高到低依次为土地利用、地形条件、水文条件、现有公路网，基于影响因素和因子的权重，运用加权叠加法构建综合成本值.

(2)山西省黄河板块优良旅游资源类型多样，主要以建筑与设施为主，水域风光、地文景观、遗址遗迹、自然保护区占比例相对较小，分别占总数量的23.46 %，17.28 %，12.35 %，11.11 %.

(3)以山西省黄河板块旅游公路选线的综合成本值为基础，采用最小成本路径数学模型提取出121条路线，构成山西省黄河板块旅游资源交通网络，对最小成本路径进行了统计分析.其中运城市和吕梁市最短路径数量最多，同时两市路径总长度最长，达到65 km以上.

5.2 不足

本研究还存在以下不足.首先土地利用数据分辨率为1 km，分辨率较低，容易产生较大误差.其次本文仅仅基于最小成本路径构建交通网络，未能对比分析构建交通网络前后时间成本的变化.最后，在人本思潮影响下，未能考虑旅游者的个人偏好.这三方面不足是下一步研究需要改进之处.