基于成本距离的铁路客运站交通可达性空间特征研究——以甘肃省为例

汪延彬， 何瑞东， 王娅妮， 席利军

(甘肃省自然资源规划研究院，甘肃 兰州 730000)

引言

2019年，《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》明确国土空间规划是国家空间发展的指南、可持续发展的空间蓝图，是各类开发保护建设活动的基本依据[1]。目前，全国各地正在开展国土空间规划的编制，交通规划是重要的专题研究之一，直接影响甚至在很多场景下决定了国土空间的开发结构、开发效率和开发秩序[2]。很多研究也表明，地区经济格局的均衡性、可持续性及城乡融合发展受各种复杂因素的影响，交通基础设施是其中的一个重要影响因素[3]。铁路具有大运量、高频率、快速便捷、连续性强、不受气候条件影响、准时舒适的特点，同时具有低能耗、污染小、占地少等有利于生态环境保护的优点[4]，近年来铁路特别是高速铁路的快速建设对我国社会经济产生了深刻影响，对地方资源配置模式也有巨大作用，引起众多学者关注[5-9]，研究普遍表明，铁路对客运市场、区域经济、空间结构、要素跨城流动等都具有积极影响。

可达性是评估、分析交通通达程度的一项综合指标，由Hansen首次提出，指的是交通网络中各节点相互作用机会的大小[10]。在公路、铁路等线性工程及民用机场等基础设施领域，学者从交通可达性角度，研究分析了高速铁路对城市可达性、区域经济格局、通达能力、服务范围的影响[11-20]；在区域交通状况研究领域，学者们从旅游交通可达性变化、交通联系网络结构演化等角度分析了广西、湖北、贵州等地的交通可达性[21-24]。对于甘肃省，部分学者以兰新高铁为对象进行了研究[25-29]，多采用数据对比法通过高铁建设前后时间成本和经济成本的对比提升，反映高铁对西北地区可达性、经济联系、旅游等产生的影响及效益，采用成本距离法较少，同时未见有关甘肃省内铁路客运站交通可达性的研究。

目前，可达性研究所借助的主要方法为GIS技术，通过对数据网络、通行成本进行加权，可将一维空间点到点的通行时间拓展到二维空间，可视化并量化时间成本计算结果，在国土空间规划等工作中可以显化现状要素空间，指导布局优化。目前在使用成本加权栅格时尚存在数据来源不完整、未考虑数据修正、公路网络分级不规范、空间特征分析较为简单等情况[16]。

甘肃地处我国西北，是经济欠发达省份，目前面临巩固脱贫攻坚成果和推进乡村振兴双重任务，铁路基础设施建设滞后，5个市州不通高铁，近一半的县区不通铁路[30]，因此，研究现有铁路客运站交通可达性空间特征有利于明晰现有交通格局的空间局限性及客运站的分工定位，对新建铁路等交通布局、促进全省交通配置协调发展有借鉴意义。本研究以甘肃省铁路客运站为研究对象，依托归一化处理的交通网络、土地利用、地形坡度、起伏度等数据，采用成本距离法得出了铁路客运站交通可达性空间分布状况，量化分析了各市州交通可达状况，以期为交通设施优化配置、国土空间规划布局提供依据。

1 研究区及数据处理

1.1 研究区概况

甘肃省地处西北内陆，位于黄土高原、青藏高原和蒙古高原的交汇地带，分属黄河流域、长江流域及内流河流域，总体上地貌为山地型高原。全省地势高亢，地貌类型复杂，大致可分为陇南山地、陇中黄土高原、甘南高原、河西走廊、祁连山地、北山山地等六大地形区域。全省设12个地级市和2个自治州，土地面积居全国第7位，建设用地规模占全省总面积的2.2%，低于全国平均水平。

以办理铁路客运业务、网络出售车票为标准，省内目前共有58个铁路客运站，其中高铁站(含普速、高铁同站)17个。

1.2 数据来源

本研究所用基础数据为交通网络数据、土地利用数据和地形数据。交通网络包括公路和铁路，来源于“全国地理信息资源目录服务系统”(http://www.webmap.cn/main.do?method=index)，比例尺为1∶25万，包含覆盖全省的高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路、等外公路、普通铁路和高铁线路，研究中通过2018年度全省土地变更调查数据库补充了河西地区的部分道路；土地利用数据来源于自然资源管理部门的土地变更调查缩编数据，比例尺为1∶50万，按照《土地利用现状分类》，全省共涉及旱地、水浇地、果园、有林地等33个二级地类；地形数据来源于USGS提供的SRTM数据，分辨率为90m，经过拼接、裁剪、投影，形成甘肃省DEM数据。

1.3 研究方法

本研究的思路：(1)确定全省成本栅格为100m×100m；(2)根据交通网络的行驶速度生成公路速度栅格、铁路速度栅格；(3)参照已有研究成果及客观实际，根据各地类的速度赋值生成土地利用速度栅格；(4)叠加公路速度栅格、铁路速度栅格、土地利用速度栅格，相交部分取最大值，生成省域全覆盖的速度栅格，使用地形数据修正速度栅格；(5)将速度栅格转换为时间栅格；(6)采用成本距离分析法进行可达性分析。

1.3.1 速度栅格建立 根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)赋值不同等级公路速度；根据《铁路线路设计规范》和《高速铁路设计规范》，按照各条铁路设计时速及建设标准赋值不同等级铁路速度；根据不同土地利用类型对速度的限制，赋值不同地类速度(表1)。采用栅格计算最大值法，得到省域全覆盖的速度栅格。基于“坡度与起伏度越大，对速度的限制作用越明显”的原则，采用表2的判断矩阵对速度栅格进行修正，得到符合实际的速度栅格。图1为全省覆盖速度栅格，单位为km/h。

图1 速度栅格(100m×100m)

表1 不同情况下速度赋值

表2 速度修正系数判断矩阵

1.3.2 时间栅格建立 根据栅格单元大小，将速度栅格按式t=s/v转换为时间栅格。式中：s为栅格单元大小，单位为km；v为速度，单位为km/h；t为时间，单位为h。本研究栅格大小为0.1km，图2为全省覆盖时间栅格，单位为h。

图2 时间栅格(100m×100m)

1.3.3 成本距离分析 通过时间栅格和客运站空间位置，利用ArcGIS软件中的成本距离分析工具(要素源为客运站空间位置点，成本栅格数据为时间栅格)，可得到各站场交通通达时间成本和各地区有效服务范围。

2 结果与分析

2.1 铁路客运站交通通达特征

图3为甘肃省铁路客运站可达性空间分布特征，整体呈现三个明显特征：(1)空间布局以铁路客运站为中心，放射状分布特征明显。在河西走廊地区，由于铁路客运站的布局呈串联状，交通可达性整体为条带状；在南部的陇南、天水市及东部的平凉市，由于地形起伏大、地貌破碎，地形修正对交通可达性的影响明显，可达性与地形脉络的走向相一致；(2)从空间分布形态来看，铁路、公路等线状交通设施对交通可达性的影响远大于土地利用状况的影响，通行时间成本低、交通可达性较好的地区往往都有不同等级的公路覆盖，地势平坦但路网密度低的甘南等地通行的时间成本较高；(3)从区域分布来看，甘肃中部及河西走廊嘉峪关市以东地区的可达性较好，临夏州、甘南州、庆阳市可达性水平低，酒泉市土地面积较大，除“敦煌—瓜州—玉门”沿线约17km范围可达性较好外，其余地域均为以裸地、荒草地和沙地为主的未利用地，可达性水平极低。

图3 甘肃省铁路客运站交通可达性空间分布

为进一步了解全省交通可达性的数量差异，以1小时为间隔，将可达性分为13级，统计各时间段分布频率和累计时间频率。由图4可知，各时间段分布频率随时间增加呈现先上升后下降的趋势，全省铁路客运站可达时间集中在1h～5h，峰值在3h。通过计算，全省1h内可到达最近铁路客运站的土地面积为6.65万平方公里，占比为15.6%，3h内可到达最近客运站的土地面积为21.97万平方公里，占比为51.6%，5h内可到达最近客运站的土地面积为31.19万平方公里，占比为73.24%，7h内可到达最近客运站的土地面积为36.58万平方公里，占比为85.88%。通过加权平均，对于出行居民，全省铁路客运站可达性平均时间成本为4.37h，从居民体验的角度，可优化和提升的空间较大。

图4 甘肃省铁路客运站交通可达性时间分布

2.2 各市州铁路客运站服务范围

通过1h时间差分类得出铁路客运站交通可达性等时圈空间分布状况。由图5可以看出4个明显特征：(1)1h等时圈的空间分布特征明显，由西向东基本沿“敦煌—瓜州—玉门—嘉峪关—张掖—武威—兰州—定西—天水”的走向(图5中箭头所示)，这与古丝绸之路甘肃段的走向基本一致，说明甘肃省改革开放以来路网建设的重心及人员流动的重点区域均在丝绸之路经济带上，这种格局多年来未打破；(2)兰州作为省会城市，1h等时圈的通道呈放射状，出入城市的快速通道较多，反映出城市区域交通枢纽的优势比较明显；(3)河西走廊5市的1h等时圈呈带状分布，带状区域的宽度平均为26km，也就是说，河西走廊地区交通干线(公路、铁路)南、北各13km的区域，理论上1h内都能到达最近的铁路客运站，生产、生活设施应重点布局在此区域以满足居民出行和产品运输需求；(4)临夏州、甘南州、庆阳市1h等时圈覆盖区域极少，此区域居民乘坐火车出行的时间成本很高。

图5 甘肃省铁路客运站交通可达性等时圈

通过进一步计算可得各市州铁路客运站服务范围。从服务规模(表3)可知，1h可达的范围规模大于5000平方公里的有白银、天水、兰州、定西、张掖、酒泉，酒泉市由于土地面积较大，1h可达的规模最大，达1.25万平方公里。定西市、兰州市、金昌市的全境均在4h可达范围内，嘉峪关市全境均在2h可达范围内。

从服务范围占比情况(图6)可以看出，全省市州的铁路客运站交通可达性大致可分为四种类型：一是1h可达范围占比在40%以上的，包括嘉峪关市(83.1%)、兰州市(55.8%)、天水市(44.4%)、定西市(44.3%)，除嘉峪关市土地面积小导致比例较高外，兰州、天水、定西均是甘肃交通网络密集、铁路客运站布局较多的传统地区；二是1h可达范围占比在20%～40%之间、3h之内可达范围占比在70%以上的，包括金昌市、平凉市、白银市、张掖市；三是由于地域广阔导致1h可达范围占比较低但线性交通廊道较为丰富的，主要分布在河西走廊地区，包括武威市(15.3%)和酒泉市(7.4%)，应重点发展与骨干交通设施的连接工程；四是交通廊道较少、整体可达性水平较低的，包括临夏州、陇南市、庆阳市和甘南州，应重点建设线性交通基础工程、打造节点枢纽。

通过对图5、表3和图6的进一步研究，还发现：(1)目前全省各市州之间的通达程度并不高，除河西走廊5市以串联方式联通外，“白银—天水”“白银—平凉—庆阳”“天水—陇南”“陇南—甘南”“兰州—临夏—甘南”基本没有通过铁路客运方式直接联通的途径。在高速铁路已成为国内居民日常出行重要交通工具的今天，上述城市间构建快速交通体系的空间很大；(2)天水市、定西市1h可达的范围比例均在44%左右，3h可达的范围比例均在95%以上，这两市具备打造区域交通枢纽的基础条件，可进一步东进南扩，优化陇东和陇南的交通格局；(3)全省铁路客运2h可达范围均分布在省域内部，在与陕西、四川等省交界处基本无分布，全省对外交通格局有待完善，对外交通通道应进一步拓展。

表3 各市州铁路客运站服务范围规模

图6 各市州铁路客运站服务范围占比

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究基于甘肃省铁路客运站数据、公路网数据、铁路网数据和土地利用数据，采用成本距离法对交通可达性的空间分布特征、服务范围、地区差异进行了分析，得出如下结论。

(1)受交通设施现状及地形因素的影响，全省交通可达性呈现以站场为中心放射状分布的特点，中部及河西走廊嘉峪关市以东地区的可达性较好。铁路客运站的可达时间集中在1h～5h，1h内可到达最近客运站的土地面积占全省面积比例为15.6%，全省出行居民到达铁路客运站的平均时间成本为4.37h。

(2)全省1h等时圈由西向东基本沿“敦煌—瓜州—玉门—嘉峪关—张掖—武威—兰州—定西—天水”的走向，这种交通格局多年来未改变；省会兰州市1h等时圈的出入通道空间特征反映出其区域交通枢纽的优势比较明显；临夏州、甘南州、庆阳市1h等时圈覆盖区域极少，区域居民乘坐火车出行的时间成本很高。

(3)1h等时圈的空间形态反映出地级市铁路直通效益并不明显，“白银—天水”“白银—平凉—庆阳”“天水—陇南”“陇南—甘南”“兰州—临夏—甘南”目前基本没有铁路客运直连的通道；天水市、定西市的交通现状数据反映出其具备打造区域交通枢纽的基础条件；全省与相邻省的交通现状不利于物资、人员的充分流动，应进一步加强。

3.2 讨论

(1)目前，全国正在编制各级国土空间规划，交通基础设施的建设仍然是甘肃省乃至西北地区未来一段时期内经济社会发展的强大助推器。从甘肃的资源禀赋来看，中部、东部、南部的地形起伏大，河西走廊整体呈条带状且担负着重要的生态屏障作用，甘南、临夏等地的生态保护修复任务艰巨，种种因素决定着全省的交通发展应采用点轴式的基本思路，同时应尽可能做到交通中心节点的极化与扩散，有效提升节点城市的直通度。

(2)本研究的结论特别是等时圈的分布，一方面可指导交通基础设施的优化与新增，尤其是在“兰州—西宁”城市群、“天水—关中”经济区的顶层设计下，可直接以如何扩大1h等时圈为目标导向展开研究。另一方面，地区在产业布局、资源配置、发展引导等方面，应考虑等时圈因素，因为交通是实现资源流动的基础条件。同时，本研究形成的成本距离和成本方向空间分布数据，可为最优路径的研究提供基础。

(3)经济社会的快速发展在于物资、人员等要素的充分流动，交通是承接要素流动的唯一载体，要通过交通一体化与交通网络化来发挥不同交通模式的效益，实现地级城市直通、县级互通等目标，进而实现地区通行能力的整体提升。

(4)在构建时间成本时，可进一步纳入多元化的时间成本因素，如城市公共交通、地下交通、城市步道等交通网络情况，这可以使诸如半小时城市生活圈等大比例尺的细部研究得到更加精准的结果。