贵州省道路网络通达性时空演变格局研究

2022-08-08周忠发李永柳朱光兴杨宇青

测绘工程 2022年4期

张浩，周忠发，李永柳，朱光兴，杨宇青

(1.贵州省第一测绘院，贵阳 550025;2.贵州师范大学喀斯特研究院，贵阳 550001)

道路网络的发育程度影响交通运输和经济活动，合理的道路网络不仅可以极大提高区域运输能力，还可以为区域开发提供有力保障。交通运输是社会和经济发展的命脉，贵州省作为我国唯一没有平原支撑的省份[1]，山阻水隔使得贵州省经济长时间相对欠发达。随着西部大开发的大力推进，如何完善区域交通发展状况，把握区域经济发展方向，显得尤为重要。通达性[2]作为度量道路网络结构的有效指标，主要描述道路网络中各节点间交通的便利程度，体现了区域交通运输能力及便利性，对进一步提高交通全面开发的进度、促进区域的可持续发展具有重要意义。

贵州省是西南地区交通枢纽省份，是西北、西南省区通往沿海的重要中转过境地区，一直着力建设良好的公路交通条件，成为西部地区第一个实现县县通高速的省份[2]，但目前交通仍是制约贵州省发展的重要因素，推进贵州省交通长期可持续发展，需要研究贵州省交通通达性时空演变格局。目前，通达性研究方法主要包括距离度量法、引力模型法、最短旅行时间、空间句法模型等等[3-5]，常采用的是多指标[6]或加权平均旅行时间指标[7-9]。JAVIER等[10]系统探讨了高速公路对城市内部可达性格局变化的影响；Dupuy Gabriel等[11]探讨欧洲都会公路可达性；BERECHMAN J等[12]分析了罗马优秀道路系统发展的特点以及其与经济发展的主要联系；徐伟祥等[13]利用1996—2012年的路网数据探讨了浙江省11个城市可达性及对外经济联系研究；尹鹏等[14]研究了东北地区的城市可达性水平。国内学者先前对道路可达性的研究主要集中在通达性与区域经济发展关系、通达性水平空间格局与道路网络结构演化以及通达性应用研究等方向[15-17]。查凯丽等[18]研究了武汉城市道路可达性与经济的时空变化特征；申怀飞等[19]揭示了中原经济区公路通达性空间格局和区域差异性；吴威等[20]对长江三角洲首要都会可达性空间演变进行探究。当前国内通达性研究主要集中在长-株-潭城市群、武汉都市群、珠三角城市群[21-22]、中原经济区等经济较发达的地区[23-26]，然而，对西南地区道路通达性的研究却很少。

为了有效评价贵州省道路网络的通达性，文中以贵州省2010年、2014年、2018年的道路交通网络为基础数据，通过加权平均旅行时间方法构建道路网络通达性模型，运用GIS技术，对贵州省88个区县节点道路网络通达性时空格局和演化规律进行探索，定量评价贵州省道路网络通达性特征，揭示贵州省交通发展状况的区域差异与时空格局，并利用地理探测器模型，分析影响因子间交互作用对通达性空间分异的影响机制，以期为贵州省道路网络可持续发展提供参考。

1 研究区概况与数据来源

文中以贵州省(E103°36′～109°35′、N24°37′～29°13′)作为研究区域，以2016年贵州省行政区划为基准，共有9个地级行政区，88个县级行政区。选择并分析2010年、2014年、2018年3个等时间间隔年。2010年，贵州省公路网络初步形成以国道、省道、县道为主体，贵阳为核心向外辐射的交通网络；2015年，贵州省 88 县高速公路全线贯通；2018年，贵州省完成“六横七纵八通”公路网建设，基本呈现以贵阳为中心、连接市县的公路网。如图1所示。文中数据来源如表1所示。

图1 贵州省道路网络演变

表1 数据源说明

2 研究方法

2.1 通达性评价模型

区域通达性不仅与区位条件、交通基础设施有关，而且与地区经济社会发展水平存在关联。因此，综合考虑道路网络最短时间成本路径以及节点城市对人们移动意愿的影响程度，采用加权平均旅行时间[27]计算通达性。

(1)

式中：Ai为i的通达性；Tij为i到j的最短时间；Mj表示j的质量。

2.2 Moran’s I指数

Moran’s I指数[28]是体现城市周边显著相似空间聚集和差异值的主要指标。

(2)

式中：μ,σ,Ii分别为均值、标准差、莫兰指数;Ai含义同式(1);ϖij表示节点i与节点j之间的空间权重。

2.3 地理探测器

地理探测器是探测和利用空间分异性的工具，被广泛应用于影响因素和机制的研究[29]。具体表达式为:

(3)

(4)

3 贵州省道路网络通达性时空分布特征

3.1 贵州省道路网络结构特征

由图2可看出，2010—2018年间贵州省的道路密度在不断增加，由于各城市经济水平、政治、地形差异等因素，贵州省各区县的道路密度呈现明显的等级层次，道路网密度中心一直在贵阳市。2010年，贵州省88个区县中有一半的公路密度在0.2～0.3 km/km2之间，主要位于北部地区，这与北部为中山峡谷区、路网稀疏的原因有关；中部道路密度高于0.3 km/km2有10个县，部分区县甚至超过0.5 km/km2。此外，南部望谟县、罗甸县、平塘县、三都县、榕江县、荔波县、从江县以及东北部的务川县、印江县、松桃县，公路密度不到0.2 km/km2，形成相对明显的低密度中心，台江县公路密度低于0.1 km/km2。随着路网的不断完善，道路密度空间形态从西到东最为紧凑，并逐渐向南、北部地区扩展。2018年，路网密度低于0.2 km/km2的区县由19.32%降至3.41%。总体来说现阶段贵州省的路网密度较高，拥有较好的服务能力以及对周边城市的辐射能力，城市结构呈现出以贵阳市为中心随距离增大扩展而逐步离散的规律，边缘地区的路网密度与中心地区差距较大，仍需进一步建设完善。

图2 贵州省各区县道路密度等级分布

贵州省88个区县路网连通度差异明显，如图3所示，路网连通度值小于1的区县有27个，占全省30.68%，说明贵州省存在部分区县的路网布局不完善的问题，公路形状弯曲度大，这是受贵州省独特的地形地貌所致。各区县中长顺县和红花岗区的连通度最高，分别为2和2.86，节点紧密通畅，呈现网格状。除了长顺县和红花岗区外，还有钟山区、万山区、普定县、黔西县、六枝特区等8个区县的连通度都高于1.5，这些区县的公路形状弯曲程度相对较小，节点间的连通度较好。连通度排后位的区县有江口县、松桃县，通达度分别为0.43、0.49，均没有达到0.5。最低点在余庆县，只有0.12，比平均值低0.88，通达度低，多为双点连接，最值相差2.85。

图3 贵州省道路连通度(2018年)

3.2 贵州省道路网络通达性空间格局

贵州省道路网络通达性分布总体上为“同心圆圈层”结构，如图4所示。2010—2018年间，通达性由内向外逐渐递增，核心处始终最低。这主要因为通达性和地理几何位置关系密切，在分布上具有距离衰减特征，即距离区域中心越远，通达性越差。贵阳市位于贵州省的几何中心，是贵州省政治、经济、文化与交通中心，而黔西南、铜仁等城市位于全省东北部、西南部，受地形地貌的作用不利于交通建设，通达性相对较差。在选取的研究时间段内始终处于通达性好层面的城市有贵阳市、安顺市、遵义市、黔南州，这些城市与省会城市距离较近，区域发展历史悠久，道路基础较好，且为重点发展区域。2010年、2014年、2018年，黔西南和铜仁2个城市一直是通达性水平较差的区域，位于全省边缘地带，铜仁市地貌以山地丘陵为主，而黔西南是典型的低纬度高海拔山区，地形复杂，发展慢，通达性较差。8年内研究区东部通达性发展较缓，西部市州通达性一直优于东部，这是因为贵州各市州在不同时期的道路发展规划不尽相同，导致有的年份交通建设改善相对较弱，有的年份改善相对较强。2010年通达性小于1.5 h只有贵阳，且随着路网完善不断优化。2014年，贵阳和安顺的通达性小于1.5 h；2018年，有4个城市通达性低于1.5 h，7个城市低于2 h。此外，贵州省所有城市通达性均低于3 h(表2)。

表2 2010—2018年贵州省城市通达性水平及变化率

图4 2010—2018年贵州省道路网络通达性空间格局

从图5看出，2010—2018年贵州省通达性空间聚集特征随时间变化特征明显。2010年，通达性空间聚集高-高聚类特征位于贵州省省会及其周边区域，低-低聚类位于喀斯特地貌等生态脆弱区域，此区域由于地形起伏大、地形破碎，呈现交通不便的特征，主要分布在贵州省黔西南州；2014年，在“脱贫攻坚、道路先行”背景下，带动了道路体系的发展，贵州省通达性空间聚集特征呈现以贵阳市为中心向周边城市扩散的的高-高聚类、高-低聚类特征；2018年，由于国家内陆开放型经济示范区贵安新区的发展，高-高聚类从省会贵阳市扩展到安顺市。总的来说，贵州省通达性空间聚集特征以高-低聚类为主，高-高聚类一直集中在贵州省中部区域，并逐渐向四周辐射。

图5 2010—2018年贵州省通达性空间聚集特征

3.3 贵州省道路网络通达性演化规律

从图6可以看出，道路通达性空间格局变化分异明显，边缘地区通达性水平的提升始终比核心区大，这是因为通达性的提升幅度受初始值影响，初始值越大，变化值也越大。总体上，变化幅度从内部往四周不断增大，黔西地区通达性差异较大，内部地区差异较小。2010—2014年，通达性变化幅度空间分布呈现出由贵州省西部区域向东部方向逐渐减弱的趋势，道路兴建和等级提升，显著改善了黔西南、黔东南州的交通状况；后4年，贵州省边缘区通达性变化幅度均高于核心区。六盘水市地处云贵两省交界处，南盘江、北盘江流域两侧，交通四通八达，是国家西电东送的主要城市，交通基础设施发展较快，因此六盘水市的道路通达性波动较大。高速公路的完善和改进，极大地提高了边缘县域的通达性，通达性变化范围的分布趋于空间均衡。

图6 2010—2018年贵州道路网络通达性格局演化

贵州省东部、西北、西南地区通达性发展不平衡，但地域间整体发展差别逐渐减小。其中，通达性提升最明显的是贵州西部毕节、六盘水等城市。随着高速路网建设的加快，多条省内高速公路(杭瑞高速、厦蓉高速、六六高速)的兴建大大改善了黔西地区整体的道路网络通达性[29]。六盘水市、毕节市等地区通达性变化值均明显高于贵州省北部和中部地区，虽然贵州省东部地区通达性初值高，但在2010—2018年均高于贵州省中部地区，在通达性优化过程中获益显著。由于贵州省中部地区处于空间几何中心与经济中心叠加位置，通达性初值高，各阶段内变化值小，从图6可以看出，贵州省中部地区的道路网络一直保持较高的通达性水平，贵州省西部地区总体通达性水平比贵州东南部要好，但其差距也在不断缩小。

2010—2018年，贵州省最短加权旅行总时间由 178.32 h 缩减至153.76 h，减少24.56 h；地州市由2.03 h减至1.75 h，变化了8.02%；毕节市最高为12.23%，如表2所示。各时段通达性提升速度不断递减，平均值从1.94降到1.79，前4年年均减少0.06 h，2014—2018年年均减少 0.15 h。究其原因，主要与不同时段的公路交通发展状况有关，2010年，贵州省交通发展已初步形成了高等级交通网络，使得通达性迅速提高，2014年以后，交通网络发展主要集中在道路兴建、改善模块，大大缩短了城市间的出行时间，使得通达性的提升较为显著。在2010—2014年段下降较缓，贵州省重点建设交通干线和内环线，周边城市交通建设慢与贵阳市等中部城市，加大了区域间通达性差距，变动明显放缓。在2014—2018年，通达性平均值下降明显，道路建设增强了边缘城市和中心城市地区的联系，区域间通达性差异明显缩小。

4 贵州省道路网络通达性影响因素分析

4.1 道路网络通达性影响因素指标体系构建

道路通达度影响因素较多，主要有社会、经济和自然环境等。考虑文中研究背景，选取了较多自然因素，其中石漠化因子是喀斯特地区区别于其他区域的典型不良地质因子，已有研究表明，石漠化不仅会影响区域人口分布，还会对经济活动和土地产出有重大影响[30]。由于实际数据获取和效果模拟影响，最终，选取海拔(K1)、坡度(K2)、地形起伏度(K3)、石漠化面积(K4)、人均生产总值(K5)、政府固定投资(K6)和常住人口(K7)等7个影响因子，利用ArcGIS10.2中的自然断裂点法将7个影响因子化为六级，创建30 km×30 km的渔网点提取通达性变化值一同导入地理探测器，研究各要素之间对贵州省道路网络通达性空间分异的影响,如表2所示。

4.2 道路网络通达性影响因素探测

各因子对道路网络通达性空间分异的影响大小顺序为K5>K1>K6>K7>K4>K3>K2,如表3所示，整体q值较小，说明单个因子对研究区通达性的空间分布解释能力较弱。通过比较q-Value 值较高、p-Value值较低的因子进行筛选，K5,K1,K6,K7的q较大，说明海拔、人均GDP、政府固定投资和常住人口对通达性空间分异起主导作用，对应p值在置信区间0.05下分别为0.00,0.00,0.00,0.00。交互探测器探测单因子对道路网络通达性的空间分异作用要小于双因子间的交互作用，如图7所示，其中K4∩K1,K5∩K2,K5∩K3,K3∩K1,K7∩K6,K4∩K5,K5∩K7,K5∩K1,K5∩K6的影响力q值均大于0.5，q值最小是K2∩K3的0.109，q值最大是K5∩K1为0.654，表明研究区内海拔和人均GDP交互作用对通达性变化的影响最大。双因子增强的q值明显高于非线性增强，双因子增强的交互因子主要包括人均GDP、政府固定投资、常住人口和海拔，表明复杂地形和经济投资是影响通达性空间分异的主要因素。

表3 贵州省道路网络通达性影响因素指标选择

图7 通达性空间分异影响因子之间的交互作用

5 结束语

5.1 结论

以贵州省基础道路网络数据为对象，运用时间旅行加权模型进行通达性计算，并结合 GIS空间分析技术，分析贵州省道路网络的通达性水平空间格局及演化规律，主要得到以下研究结论：

1)贵州省道路网络密度分布密集部分主要在“安顺-贵阳-铜仁”这条东西沿线上，各市州中心也是高密度中心区域，网络结构相对完善。路网连通度差异明显，高连接性道路轴线较少，存在部分区县的路网布局不完善。

2)贵州省道路网络通达性以贵阳市为核心呈“同心圈层”结构向外递增，且西部市州的通达性优于东部市州。2010—2018年贵州省城市通达性在空间上呈现高-高、低-低的聚集特征，贵阳市一直是高-高聚集区域，局部区域通达性的空间聚集不平衡。

3)2010—2018年间，贵州省道路通达性空间格局变化分异明显，主要节点城市通达性的空间分布格局总体变动不大，边缘地区通达性水平的提升始终比核心地区大。道路网络的逐步完善极大地提高了城市之间的通达性，但在不同的研究时段内，通达性变化幅度呈现出不同的特点，2014—2018年时间段内通达性优化程度高于2010—2014年，在第一阶段出现由东往西方向逐渐减弱的趋势，而在第二阶段变化幅度呈四周向核心递减。

4)地理探测器探测结果表明：贵州省道路网络通达性空间变异具有多因素驱动的特点。就单因子而言，对通达性变化影响强度的关键因子由高到低的顺序为人均GDP>海拔>固定资产>常住人口>石漠化>地表起伏度>坡度；而多因子间交互作用对通达性变化的影响大于单因子作用，双因子增强对通达性变化的影响大于非线性增强，其中受人均GDP和海拔两个交互因子的共同作用最大，探测值q=0.654。