复杂城乡道路网异质性的空间演化分析——以武汉城市圈为例

刘承良 ， 余瑞林 ， 段德忠

(1.华东师范大学 a.资源与环境科学学院，b.创新战略研究中心，上海 200062； 2.华中师范大学 城市与环境科学学院，武汉 430079)

21世纪是复杂性的世纪，作为研究复杂性科学和复杂系统的有力工具，复杂网络为研究复杂性提供了全新的视角。交通网络空间系统是一由道路系统、流量系统和管理系统组成的一复杂开放系统，表现出形态—相关—过程和响应—受控的渐进式复杂性规律，受到交通系统管理学(侧重交通流系统和复杂交通网络)、城市地理和交通地理学(侧重分形交通网络，解释交通网络关联和织构分形性)等学科的高度关注。研究内容侧重于揭示交通网络的拓扑结构复杂性[1-4]、动力过程[5-7]及演化机制[8-10]，研究方法上引入复杂网络统计特征量，定量分析交通路网复杂性质(小世界性、无标度性、自组织性、非线性等)成为焦点[11-14]，多集中于基于图论思想构建拓扑网络[15-16]和复杂加权网络[17-18]，研究视角多为静态复杂特征归纳和验证。研究尺度以微观尺度(城市内部)和宏观尺度(全球及国家层面)为主，造成研究对象多为城市内部交通(街道、地铁和公共交通)[19-21]和区际高等级交通(高速公路和航空网络)[22-24]，城镇体系空间[25]以及综合路网(等级层次性)系统结构空间分异及其演化规律研究比较薄弱。

交通网络是形成都市圈网络系统的物质条件和必要前提，是城市与区域之间物质流、能量流和信息流的主要通道。交通网络空间发育受自然基地地形和区域经济发展制约，实则是自然地理格局“雕刻”和经济地理分布驱动的结果。本研究以武汉城市圈为例，以1989—2011年城乡道路网空间数据库为基础，引入复杂网络统计特征量，多度量、多角度揭示了武汉城市圈城乡道路网系统结构的空间异质性及其演化特征，一方面，为充实和完善交通网络复杂性研究、解决当前城乡道路网结构不合理提供借鉴和指导；另一方面，从都市圈交通路网透析都市圈空间组织机理、为武汉城市圈空间协调发展提供理论借鉴。

1 研究方法与数据处理

1.1 研究方法

基于复杂网络理论，引入系列度量节点拓扑连接结构指标(重要性、易达性、集聚性)，借助GIS空间分析功能，系统分析城乡道路网节点连接性质的空间分异程度及演化特征 (表1)。

1.2 数据处理

以1989—2011年武汉城市圈城乡道路网空间数据库为基础，考虑城乡道路网的层次性，借用Matlab 7.0采用熵值赋权法，以避免主观因素带来的变差，获取不同等级道路的权重，通过Pajek 2.7软件编程，获得整个圈域1989—2011年城乡道路网加权拓扑空间数据库。

2 城乡道路网异质性的空间演化

2.1 节点重要性的空间演化

2.1.1节点度值空间分异不明显，整体呈现日益均衡化和多核化态势。1989—2011年间，点度空间分异程度很小，变异系数不超过0.26，并且不断减小，由1989年的0.26持续下降到2011年0.21，城乡节点平均度值整体呈下降趋势，城乡节点连接程度差距不断缩小，城乡节点联系日益呈网络化和均衡化发展趋势。

1989—2011年间，点度大于3的节点数量由3个(占总数的5.56%)增加到88个(占总数的9.31%，许多节点度值甚至超过6)，局域形成多个核心；同时，局部(武汉、黄石、咸宁等)节点的度值出现一定程度的增加，相邻节点及局部城乡道路网体系度值并未出现明显增加，相反，呈现一定程度下降，城乡道路网局部出现一定程度的空间极化态势，形成相对独立的城乡道路网体系。

2.1.2高度节点时间上保持惯性，具有区位分布的连贯性和连接方向的稳定性。1989—2011年间，高度节点主要集中于武汉—咸宁—黄石—孝感城镇密集区和仙桃—天门—潜江江汉平原区，其空间位置基本保持连贯性，表现出惰性和惯性，其主要对外连接方向(邻近节点联系)也保持一定的稳定性，同时，这些高度节点的度值也出现一定程度的增长，发现这些高度节点多是圈域要素交流的集散地(极核)和道路网络的交叉口(枢纽)。一方面，说明高度节点存在“优先连接倾向性”，节点的自组织生长和发育倾向联系和连接于高度城乡节点，不存在明显的他向城乡节点最大连接，形成高者愈高的“马太”效应(Matthew effect)，一定程度印证了城乡道路网演化的“择优链接”特性。另一方面，也似乎说明人为路网建设和调控等他组织机制也遵循类似“富人俱乐部”的“极化”效应，因为高度节点往往是城乡道路网连接的集散核(hub)、路网故障或攻击的重点及地区经济社会发展的增长极，路网建设和布局受上述因素的耦合作用影响深远。

2.1.3呈现弱集聚性，表现出一定的中心—边缘和等级圈层复合结构。1989—2011年间，节点的度值具有一定的空间分异，表现出一定的集聚性分布。

从空间自相关来看，全局Moran’sI指数依次下降，点度全局空间集聚性日益减弱，空间分布日益分散化和均衡化。其中，1989—1995年间，点度全局空间自相关Moran’sI指数超过0(表2)，尤其是1989年，点度较高的节点倾向于特定区域集聚成群，即高—高点度值区域空间邻接，聚集成团，明显在圈域的中部形成连片分布，并且这种连片邻接保持时间上的相对稳定性，局部Moran’sI指数LISA图揭示这种高—高类型区主要集中于武汉、鄂州、黄冈、黄石、孝感及咸宁城区等构成的核心圈层；而2000—2011年间，点度整体上呈极弱负相关(Moran’sI指数介于-0.10～-0.01)，点度较高节点与低度节点弱倾向空间邻接，全局上以高—低、低—高集聚较显著，主要集中于黄冈东部、咸宁南部、孝感西北部及仙天潜地区，只在个别局域出现较高显著性的高—高、低—低集聚区。

表2 武汉城市圈城乡路网统计指标全局自相关Moran’s I指数值

从空间分布上来看，高度节点相对集中分布于武汉市及周边核心城镇(图1)。其中，点度极值区域基本位于武汉市城区，成为整个圈域路网的极核；其外围地区，随距离增加，度值逐渐降低，普遍不超过5，处于发展的边缘，呈依附地位，形成一定的中心—边缘结构。同时，整个圈域城乡道路网发育具有一定的环状分异，形成以武汉为中心的等级圈层结构，明显可以划分为4个等级区间：度值极值区(度值处于最大值区间)、度值高度区(度值普遍超过平均值)、度值中度区(度值接近平均值)、度值低度区(度值普遍小于平均值)，空间上相应形成三大圈层：核心圈层——武汉城区(度值极值区和高度区)；中间圈层——咸宁、孝感、黄石等城区(度值中度区)；外围圈层——黄冈东北部、孝感北部、仙桃、潜江、天门、咸宁南部(度值低度区)。

2.1.4节点度值与其等级规模存在一定关联，具有被组织效应。从点度空间分布来看，1989—2011年间高度节点多为高等级城镇(地处中心城市城区)，如2011年度为6，7的5个节点分别为武汉、咸宁、黄石、鄂州、孝感五市城区，这些都是圈域交通对外集散流较大的节点，其中，咸宁、黄石、鄂州是圈域网络与东部发达地区交通往来的关键城镇，孝感、施岗等是路网与西部地区联系的核心城镇，成为整个圈域内外联系的重要枢纽。

要素相关性上，选取大量城镇级以上城乡节点，开展其点度与总人口的相关分析，二者相关系数达到0.473，城乡道路网节点度值与其城镇等级规模呈现一定的正相关，揭示出城乡道路网发育与城乡人口分布保持一定的共轭协同关系，整个路网的度值等级规模分布受城镇人口等级组织影响显著，呈现一定的以人类活动为主体的被组织效应；也体现了城乡道路网在圈域空间发展中的交通伺服功能和对其组织结构的“雕刻”作用。

2.1.5节点度值受地形地貌影响比较明显，呈现自组织机制。从点度规模分布来看，1989—2011年间整个城乡道路网节点度主要为3，表明整个圈域多数城乡节点之间无直通公路，城乡道路网缺少众多环路，原因在于建设两两城乡节点对的直通路和城乡环路，一来不经济，二来受复杂多样的地形条件限制，既无必要，也无可能，整个网络发育一定程度表现为地形地貌多样化下的自组织形态。

从局域网络来看，整个圈域城乡道路网可划分为六大局域网：鄂(州)黄(石)、黄冈、武汉、仙(桃)天(门)潜(江)、咸宁和孝感。其中，平均节点度超过3的局域网为武汉、仙天潜两大局域网，而鄂黄、黄冈、咸宁、孝感4个局域网平均度值均小于3。究其原因，武汉和仙天潜地处江汉平原，地形地貌为平原和低丘，地形地貌相对简单，而鄂黄、黄冈、咸宁、孝感区内山地、岗地、丘陵、河湖等地貌类型混合，整个圈域城乡道路网“自发”受地形地貌的微观“控制”，导致城乡节点度值大小遵循“平原>丘陵>山地>河湖”规律，具有强自组织效应。

2.2 节点易达性的空间演化

2.2.1节点紧密度值存在空间分异，呈现典型的等级圈层格局。1989—2011年间，节点紧密度值空间分布不均，存在一定的集聚性。从空间自相关来看，全局自相关Moran’sI指数普遍超过0.3，局部年份达到0.45左右(表2)，节点紧密度表现出较明显的群体空间集聚特征，即高—高、低—低紧密度值节点局部空间倾向于“抱团成群”分布，相对稳定形成以圈域核心圈层(集中于武汉、鄂州、黄石城区及大冶市、黄冈城区及团风县等县域)为主的高—高类型和以圈域外围圈层(集中于仙桃、天门、潜江、黄冈东北部大别山区、咸宁南部幕阜山区县域)为主体的低—低类型两大连片集聚区(图2)。

空间分布上，高紧密度节点高度集中于圈域核心城市——武汉市主城区，路网发育呈现“垄断性”伺服，成为整个圈域的核心圈层，而中间圈层(武汉周边城镇，如咸宁、鄂州、黄石等城区)，凭借良好的对外快速交通条件、中心—近邻区位优势，城乡节点作用较紧密而强烈，具有相对较高的紧密度值，而外围圈层(如大别山区、幕阜山区)的城乡节点相互关联作用较弱，紧密度多低于圈域平均水平，成为城乡道路网易达性服务的“边缘”，整个圈域城乡节点紧密度值呈现三大等级圈层结构。

2.2.2节点介数分布向心极化明显，但存在一定离心化趋势，呈侧“N”形伸展。1989—2011年间，整个网络介数较高，交通流较大，城乡节点介数空间分布不均衡，具有强向心集聚性。

从全局自相关来看，全局空间自相关Moran’sI指数介于0.08～0.41之间(表2)，节点介数分布表现出较强的空间正相关，局部时期(1989—1995年)具有明显的群体集聚性，并保持空间的稳定性和时间的连续性，即形成一个稳定的、空间邻接的高—高值区(主要集中于鄂州、黄石城区、黄冈城区和团风县等区域，多为圈域核心圈层范围)和低—低值区域(主要稳定于仙桃、天门、潜江、孝感西部、咸宁—黄石南部幕阜山区等县域，多为圈域外围圈层范围)。同时，节点介数全局空间自相关Moran’sI指数整体上呈下降态势，表明城乡节点介数空间分布的集聚性不断减弱，分散性不断凸现，城乡道路网稳定性渐趋增强。

从空间分布上看，高介数节点高度集中于圈域核心圈层(武汉城区、鄂州、黄石、黄冈城区等)，而外围圈层介数分布较为均匀，城乡节点等级及其对外服务辐射能力相差不大，空间较均衡，绝大多数节点的介数指标小于0.1，表明路网中绝大部分节点对全网不具备绝对影响。期间，整个高介数节点向心集聚的极化程度不断减弱，高介数节点分布逐渐由武汉中心城区向鄂州、黄冈、黄石城区及咸宁嘉鱼等四周呈东北—西南方向倾斜的侧“N”形伸展，圈域节点介数空间极化程度不断减弱，呈现一定的离心化扩散趋势，广泛分布于潜江—仙桃—武汉—鄂州—黄石—咸宁—赤壁城区一线，这些节点多为各中心城市城区、重要县城所在地、路网重要交叉口等，交通网络发育相对较完善，对外服务辐射范围广，交通流汇聚潜力较大，介数指标与城乡节点等级规模成正比。

2.2.3平均路长由武汉向周围梯度递减，呈明显的等级圈层结构。1989—2011年间，圈域节点平均路长空间分布不均，高易达性节点表现出较明显的向心集聚性。从空间自相关来看，期间节点平均路长的Moran’sI指数基本介于0.2～0.4(表2)，空间全局上基本处于弱—中正相关水平，节点平均路长较高或较低县域普遍倾向于与同质县域邻接成片，形成平均路长高—高关联和低—低关联集聚成群，在空间上相对稳定形成两大空间邻接的集聚区：低—低平均路长集聚区(集中于圈域核心圈层范围，形成高—高易达性圈层)和高—高平均路长集聚区(展布于圈域外围圈层，构成一个低—低易达性圈层)，集聚区内通达性空间差距程度低，形成稳定、典型的核心—外围圈层结构。

这种空间内在的集聚性宏观上决定了整个圈域城乡节点易达性基本遵循“距离衰减律”，呈现以武汉为中心的不规则圈层结构，具有明显的时间惯性，与圈域城镇体系空间“靶形分布”一致：距武汉中心城区由近至远，易达性系数值逐渐增大，形成较明显的三大圈层：高通达性圈(圈域核心圈层：武汉市区及其周边城镇)、中通达性圈(圈域中间圈层：武汉市边缘及鄂州、黄石、咸宁、黄冈等市区)、低通达性圈(圈域外部圈层：如潜江、仙桃、孝感、黄冈东北部、黄石东部、咸宁南部等地区)。

2.3 网络集聚性的空间演化

2.3.1节点簇系数整体较低，且持续减小，空间分布离散成片。时间演化上，20多年来，整个圈域城乡道路网大部分节点簇系数没有显著增长，整体平均节点簇系数不超过0.23，部分年份甚至不足0.1，并且均值逐步减小。一方面说明整个城乡道路网节点内部连接强度不高，“对外服务择优”特性[26]不断减弱；另一方面，表明城乡道路网节点连接呈现分散化趋势，节点关联不断向外向性联系转化。根据点紧密度分析可知，这种外向型联系强度并不强，节点外向关联相对独立和分散，圈域节点关联距离“城乡一体化和网络化”方向差距不小。

空间分布上，节点簇系数相较度值，空间分布均匀离散，节点连接空间发散成面状均质片区，相对集中分布于潜江、黄冈东北部、孝感、咸宁南部、黄石东南部等地区；同时，这些区域节点簇系数在时间上持续保持较高水平，具有较强的空间“惰性”和“惯性”，空间分布上表现出一定的“时间延续性”，整体形成“板块”分布。

2.3.2整体呈弱集聚性，局部出现空间收敛，高簇系数节点呈“半月形”展布。从城乡节点簇系数空间分布来看，高簇系数节点空间分布上比较集中于一个中心地带——宜黄高速沿线及武汉城郊地段，以及一个边缘地带——阳新东部、赤壁西部等。节点间的相互联系较强，实现了资源共享和局部耦合，形成一个城乡道路“局域”，有利于网络社团发育，明显形成以武汉城区为中心，黄冈—鄂州—黄石城区、孝感西北—仙桃中部、赤壁—嘉鱼—咸宁城区3个“半月形”集团(图3)。

图3 武汉城市圈节点簇系数局域空间自相关Moran’s I指数集聚性地图

从城乡节点簇系数空间自相关来看，全局空间自相关Moran’sI指数处于-0.1～0.2的动态变化中(表2)，说明统计显著性在1%～5%水平上城乡节点簇系数全局上表现出复杂的空间自相关关系，局部时期(1995，2011年)较高、较低簇系数的城乡节点在空间上倾向于集聚成片，形成高—高集聚区(集中于圈域核心圈层，主要是武汉市及其周边中心城市城区范围)和低—低集聚区(基本位于圈域外围圈层，集中于仙天潜等江汉平原地区)。

2.3.3区际存在差异，形成三大等级板块。比较六大区域2011年节点平均簇系数可知，各局域网平均簇系数整体水平不高，城乡节点分布较分散，空间上呈弱集聚性；但存在一定程度的分异，武汉局域网经济水平较高，城乡节点较发育，平均簇系数处于极值地位，表现出较大的集聚性；仙天潜地处江汉平原，城乡节点簇系数相对较高，分布密集成簇，而咸宁和孝感地形地貌复杂多样，尤以山地、丘陵为主，城乡节点簇系数较低，连接松散。受城乡经济基础、发育水平和自然地形地貌条件影响，整个圈域城乡节点集聚性存在一定分异，空间上形成三大等级板块：第一等级板块为武汉(簇系数超过0.23)、第二等级板块为仙天潜(簇系数为0.17)、第三等级板块为鄂黄、黄冈、孝感和咸宁(簇系数介于0.09～0.14)。

3 结论

(1)1989—2011年间，节点间度、介数、紧密度、平均路长、簇系数等拓扑指标值差异日益缩小，空间关联不断均衡和分散，呈现出由“中心—边缘”结构向“等级圈层”结构渐进演化的趋势；但受自然环境、经济社会发展水平、历史发展基础、规划政策管理等因素共同作用，城乡道路网节点关联作用仍存在明显的空间异质化，路网发育存在明显初始值依赖性、时间惯性和空间惰性。

(2)1989—2011年间，武汉城市圈路网受圈域自然—人文地理系统交互耦合作用，呈现出自组织的演化机制。交通路网发育是自然地理格局“雕刻”和经济地理分布驱动的结果，与自然—人文地理格局保持某种同构性。一是与城乡节点体系的“靶形分布”一致，呈现一定的以人类活动为主体的被组织效应；二是与自然梯度呈反对称，受地形地貌格局分异性规律影响明显，随着地势高程的增加，路网发育水平梯度递减。

(3)从城镇节点度空间分布来看，低度节点主要集中于圈域东翼，超过平均值的节点分布较少。解决结构失衡的关键在于：根据地理和经济条件，修建节点对外公路，改造和升级相关乡村路段，不断扩大节点的对外连接度，增强节点的连接性，以改善整个网络的薄弱环节(增加度值较小节点的对外连接性)；高度节点主要集中于整个圈域西翼(如武汉、汉川、仙天潜)，当前关键在于提高这些节点的连接效率与节点内部规模。一方面，适当增加某些节点的度值，以提升节点等级规模，形成有序的城乡节点体系和连接网络(发育成无标度网)，以优化节点联系；另一方面，适当降低高等级城乡节点介数(降低其负荷承载量)，优化局部网络。

(4)快速城市化和城乡一体化发展势必加速当前圈域城乡道路基础设施建设，武汉城市圈城乡道路网在提档升级的同时，关键是加强空间结构调整和优化，改变原有城乡道路网空间格局，促进整个城乡道路网由树枝状、格网状→三角形状、环状→环放状+格网状+树枝状复合式演变，从而改善网络空间布局，提高网络的簇系数、易达性。另外，在对现有城乡网络进行改造升级的同时，加强城乡高速公路、铁路及城际轨道交通建设，配以河流运输为辅，加强隧道、航空等交通建设，强化不同交通方式的衔接成网，形成立体化城乡道路网；建设完善从武汉至周边八市城乡关联“1 h经济圈”，打造圈内城乡节点间的快捷交通干线，形成快捷城市圈。

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