京津冀地区民用机场交通可达性空间特征分析

李亚飞++刘高换++黄翀++顾秋丽++任斐鹏

摘 要：为了定量研究京津冀地区民用机场交通可达性的空间特征，基于京津冀地区公路网数据、铁路网数据和城市地铁网数据，在总结前人研究的基础上，运用ArcGIS的空间分析模块，进行成本距离分析，生成京津冀地区民用机场可达性空间分布图并进行深入分析。结果表明，京津冀机场可达性呈现南高北低、东高西低、中间地区强于边缘地區的态势，其中东部机场可达性最好，北部机场可达性最差，机场时间可达性集中在1.5h-6h时段，约占整个区域的51.1%，京津冀地区机场可达性整体较差；按照本研究定义的有效服务面积，该地区机场有效服务面积分为三个梯队，第一梯队为正定机场、首都国际机场和滨海国际机场；第二梯队为邯郸机场、三女河机场；第三梯队为宁远机场和山海关机场。从该地区机场可达性时段来看，在0-1.5h范围内，首都国际机场的服务面积最大，约占该范围面积25.23%；在1.5-3h和3-4.5h范围内，正定机场的服务面积最大，约占23.5%和21.9%。从研究结果来看，京津冀地区民用机场发展不平衡，需要改善京津冀地区的机场布局，在北部和西部增加机场，扩展有效服务面积；其次着力改善机场所在区域的交通网络建设，扩大现有机场的有效服务区域；最后，明确京津冀区域现有和新建民用机场的功能定位，大力发展区域枢纽机场，提高航空服务资源使用效率。

关键词：民用机场；可达性；有效服务范围；京津冀

中图分类号：K909 文献标识码：A

0 引言

改革开放以来，伴随我国经济社会的快速发展，人们对于快速便捷的出行需求逐渐增加，航空运输以其高效快捷的特点日益成为居民的重要出行方式。民用机场作为航空业的主要公共基础设施，其空间布局的合理性直接影响到居民出行便捷程度和机场的运行效益。经过多年的发展，我国机场数量逐渐增加，机场密度逐渐加大，机场服务能力逐步提高，初步形成了以北京、上海、广州三个枢纽机场为中心和其他重点城市机场为骨干的机场布局，我国民用运输机场体系初步建立[1]。但在许多区域，机场空间布局相互重叠，功能定位不清，服务范围不够明确，恶性竞争趋势明显，造成机场亏损严重，因此研究民航机场交通可达性空间范围，理清区域机场功能定位，有利于促进民航机场行业的健康发展。

京津冀地区是我国经济发展较为活跃的区域，特别是中央政治局会议通过《京津冀协同发展规划纲要》以后，京津冀地区的发展进入了新阶段，京津冀协调发展上升为国家战略，为京津冀地区的机场发展提供了新的机遇。明确京津冀地区民用机场服务范围，分析京津冀地区民用机场交通可达性空间特征，有利于京津冀地区机场的分工定位，避免恶性竞争，促进京津冀地区机场协调发展。

可达性是分析交通发展以及评价交通通达程度的一项综合指标[2]。Hansen首次提出了可达性的概念，将其定义为网络中各节点相互作用的机会大小[3]。随后可达性研究得到了城市规划、交通地理以及从事区域和空间研究的学者长期而持续的热情参与和关注[4-11]。但是，国内外学者对机场交通可达性的研究相对较少，在已有研究中，Hmuphreys研究了英国机场可达性范围及区域机场规划方案[12]；Feighan等从不同的空间尺度研究了欧洲主要机场的可达性范围[13]；Sellner R利用计量经济学的内生增长模型评估了GDP和投资对于机场交通可达性的影响[14]；Koster P研究了旅客旅行时间对机场交通可达性的定量关系[15]。国内许多研究人员[16-20]从交通可达性的角度，研究了我国大型枢纽机场及区域民用机场可达性、通航能力和服务范围。国内机场可达性研究已经具有了一定基础，但尚未见有关京津冀地区民用机场交通可达性的系统研究。

可达性研究普遍采用以GIS技术为基础的网络分析法和成本加权栅格法[6-7]。网络分析法最主要的问题是在将一维空间可达性计算推广到二维空间时，该工具对面域采用插值法进行统一化处理，不考虑实际的土地利用情况，在分析交通可达性空间分布特征时得到的结果精度有限；成本加权栅格法是在栅格数据上运用最短路径法计算每个栅格到某个目的网络的最短加权距离。成本加权栅格法多基于ArcGIS空间分析模块，构建区域成本栅格数据集计算区域交通可达性，由于考虑区域每个栅格的属性特征，使得面状交通可达性数据的精度显著提高。但目前国内在使用成本加权栅格法时尚存在一些问题：1）研究数据来源不完整，多数研究在进行区域交通可达性研究时，只考虑了传统的公路网络或铁路网络，较少考虑地铁网络和高铁网络，成本栅格数据集不完整；2）对于公路网络的分级不规范，在已有研究中，公路大都分为高速、国道、省道和县道等，但根据2014版的《公路工程技术标准》，公路应划分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路和四级公路。对于每一级公路都有相应的速度规定；3）空间特征分析较为简单，多数研究在获得区域交通可达性分布图后，只进行等时线的分析，较少进行深入的空间特征挖掘和描述。

本研究在已有研究基础上，以京津冀地区民用机场为研究对象，利用成本加权栅格法获得京津冀地区民用机场交通可达性空间分布图，深入挖掘京津冀地区民用机场交通可达性的空间特征，以期为京津冀地区民用机场协同发展提供数据和技术支持。考虑到原有分析模型的问题，在成本栅格中，采用完整的数据源和规范的公路分类等级，并增加对非道路网络栅格的设定，使得分析结果更加符合实际情况。

1 研究区数据来源和方法

1.1 研究区域

研究区域包括京津冀地区及其民用机场，属于我国华北地区，位于东经113°11'-119°45'、北纬36°05'-42°37'之间，面积21.8万平方公里，约占全国的2.27%，位于华北平原和燕山、太行山山地和内蒙古高原东南侧。地势西北高东南低，区内优势地类为耕地、林地和草地，此外还包括园地、交通运输用地、水域及水利设施用地、城镇用地及其他土地。

京津冀地区目前拥有7座运营的民航机场，包括：北京首都国际机场（三字代码：PEK），机场等级①4F；天津滨海国际机场（三字代码：TSN），机场等级4F；石家庄正定国际机场（三字代码：SJW），机场等级4E；邯郸机场（三字代码：HDG），机场等级4D；张家口宁远机场（三字代码：ZQZ），机场等级4C；秦皇岛山海关机场（三字代码：SHP军民合用机场），机场等级4D；唐山三女河机场（三字代码：TVS），机场等级4C。本研究重点分析京津冀地区7座民用机场交通可达性的空间分异特征，并横向对比这7座机场交通可达性的空间分布差异。研究综合考虑区域的主要交通方式，包括公路网络、普通铁路网络、高速铁路网络、城际轨道交通网络、城市地铁网络对区域可达性的影响，保证研究的可靠性。

1.2 数据来源及处理

本研究中用的数据主要包括：公路网数据（包括高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路、市政街道、县乡道路、大车路、小路）来源于国家1：25万基础信息数据库，并根据2015年的TM遥感数据和京津冀地区交通管理局的数据对部分路网数据进行更新；铁路网数据（包括普通鐵路、高速铁路）和城际轨道交通数据（主要指京津城际高速）来源于中国铁路总公司铁路运行图，根据研究范围进行矢量化，铁路网数据也更新至2015年；城市地铁网络（包括京津冀地区运营的地铁线路，主要包括北京地铁和天津地铁）来源于北京和天津地铁运营线路图，根据研究需要进行矢量化，数据更新至2015年。

京津冀地区土地利用数据来源于GlobCover全球陆地覆盖数据，根据2015年覆盖京津冀地区的TM数据对部分区域的土地利用数据进行更新，并对部分分类进行了归并。京津冀地区DEM数据来源于日本METI和美国NASA 提供的ASTER GDEM V2全球数字高程数据，分辨率为30m，该数据集于2015年发布，数据质量明显提升，根据本文需要截取了京津冀地区的DEM数据。京津冀地区的坡度数据是由该地区DEM生成，分辨率为30m。最终将所有数据都统一到WGS1984 的坐标系下，采用UTM投影。

1.3 研究方法

成本加权距离算法的基本原理是在栅格数据上运用最短路径法计算每个网络到某个目标网格（或网格集）的最短加权距离。算法具体公式和原理见ArcGIS 空间分析模块帮助文件（http：//resources.arcgis.com/zh-cn/help）和文献[10]中的相关描述。其概念模型如下：

Ai=min（Mj，Tij） （1）

式中，i为区域内任意一点，Tij为区域中点i通过交通网络中通行时间最短的路线到达目标点j的通行时间，Mj为目标点j的权重，在研究交通可达性时常数为1，Ai为区域内点i的可达性。

本研究基于ArcGIS Desktop 10.2软件平台进行，首先对研究区进行栅格化处理，对不同空间地物进行赋值，建立速度栅格图。对不同类型的交通网络栅格，根据2014版的《公路工程技术标准》、《铁路技术管理规程》和《地铁设计规范》等文件中规定的速度限制分别给不同的交通栅格进行差异化速度赋值，保证交通网络栅格速度值的可信度；对非交通网络栅格，考虑不同土地利用类型对速度的限制差异，根据土地利用类型对非交通栅格进行速度赋值（表1）。同时在本研究中，考虑不同坡度对速度的影响差异，在坡度较大的地区，对速度的限制明显增加，因此对交通网络和非交通网络进一步细化速度赋值（表2），使得区域的空间地物栅格更加符合实际情况。把不同属性的栅格按速度大小进行叠加，生成具备速度属性的区域栅格图。根据研究区域的范围，将研究区的栅格划定为100m×100m，并假定栅格内部的速度是均一的，形成覆盖研究区区域范围的速度栅格图。

其次，在得到研究区的速度栅格图后，根据栅格的大小，将速度栅格图转换为时间栅格图，公式如下：

t=■×60 （2）

公式中：t为时间栅格值中的时间，单位为min；v是研究区各类地物速度栅格值中的速度值，单位为km/h。

最后，通过研究区空间地物的时间成本栅格和京津冀地区的民用机场的空间位置，利用ArcGIS 软件中的成本距离分析模块进行计算，得到京津冀地区各个民用机场的通行时间范围图。以此为基础，分析京津冀地区民用机场交通可达性的空间特征。

2 结果分析

2.1 京津冀地区机场可达性总体分析

根据上述可达性计算方法和过程，可得京津冀地区民用机场可达性空间分布图，如图1所示，总体上，该地区机场可达性呈现南高北低、东高西低、中间地区强于边缘地区的态势，北京的大部分地区、天津的全部、河北省的西部和南部的机场可达性较好，主要是因为这些地区经济发达，路网密度较大，交通状况良好，高速公路和高速铁路密布，出行时间成本低。河北省北部、西部的机场可达性较差，这主要是由于这些区域地处山区，经济相对不发达，交通网络较为稀疏，出行时间成本大。

从局部区域上来看，京津冀北部区域的机场可达性最差，这是由于首先这些区域没有运营的民用机场，人们想要接受航空运输服务，必须前往距离较远的其他地区的机场，其次这些区域海拔高，坡度大，交通网络不发达，特别是高速公路和高速铁路缺乏，居民出行相对困难，造成该区域的机场可达性较差。

为了进一步理解京津冀地区民用机场空间分布特征，以1.5h为间隔，将可达性划分为18个等时段来分析其空间可达性的分布频率和累计频率，如图2所示，从空间分布频率和累计频率的曲线变化来看，可达性的空间分布频率随着时间的推移在数量上呈现先上升后下降的趋势。京津冀地区机场时间可达性集中在1.5h～6h时段，约占整个区域的51.1%，其中在3h～4.5h的区域最大，约占18.8%，约60%左右区域的机场时间可达性在6h以内，但总体而言，京津冀地区机场可达性整体较差，对于区域的大多数居民来说，享有航空运输服务的时间成本都在3h以上，约占75%。

如图2所示，经过重分类，将京津冀地区到达机场的时间划分为：0h～1.5h、1.5h～3h、3h～4.5h和>4.5h四种类型，将机场可达性进行分区统计，得到结果如表3所示，列出了各个时间段的面积占京津冀地区面积的比例，在该地区，民用机场可达性在1.5h以内的区域的面积为14724.3km2，约占京津冀地区的6.9%；可达性在1.5h～3h区域的面积为36476.5km2，约占京津冀地区的17.1%，可达性在3h～4.5h区域的面积为40428.1km2，约占京津冀地区的18.1%，可达性在4.5h以上区域的面积为122739.2km2，约占57.2%。

中国民用航空局将距机场1.5h的出行时间内所覆盖的范围作为航空运输服务的有效覆盖范围，在京津冀地区，满足机场有效服务范围的区域仅占整个区域的不足7%，说明该地区大部分地区不能享受有效的航空服务，即使将这个标准扩展到3h，该地区也仅有24%的区域能够享受到有效的航空服务，当扩展到4.5h时，机场的服务范围涵盖了京津冀地区42.8%的区域，接近一半。因此总体而言，京津冀地区的机场数量较少，除北京天津外交通网络不够发达，能够有效享受航空运输服务的区域较少。