基于GIS的城市道路系统格局演变特征研究——以石家庄都市区为例

田桐羽

（内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022）

城市交通是一个城市系统保持健康运转的命脉，具体表现为由一定数量、不同级别的道路用地组成的网络体系，承载着服务于城市内外活动的多种功能。在高度城市化进程的牵引下，石家庄市城市基础建设迎来黄金期。2014年下半年，石家庄市市区实行新一轮行政区划调整并组建为石家庄都市区，即形成了囊括主城区、鹿泉区、藁城区、正定新区、栾城区等在内的“一核心四组团”城市格局，使得对城市道路交通系统规划和扩建均提出了新的发展要求。为加强石家庄都市区各组团区域的交通联系，实现其社会经济高度一体化发展，有必要对石家庄都市区城市道路系统的历史和现状以及影响其发展变化的主要因子进行剖析。

在当代快速城市化的背景下，城乡之间的物质、能量流通和信息传递日益频繁，以城市道路系统布局形态演变为切入点剖析和优化城市空间结构已成为研究热点。如《交通网络演变对中心城市腹地范围的影响——以江西省为例》运用时间距离和场强模型，对江西省中心城市小时圈范围和场强腹地进行划分，得出交通网络优化对中心地腹地范围产生多样化的影响表现的结论；《近现代交通系统变革下天津城市空间形态演变》通过分析近现代天津交通系统变革影响下的城市空间形态演变过程及其相互作用的机理，得出城市交通在城市空间形态演变和拓展进程中发挥着关键性作用的结论。鉴于城市道路交通系统演变对于城市空间结构优化布局有着至关重要的作用，以及现期相关研究较少涉及对影响道路系统演变外部因素的详细分析。因此，以GIS空间分析方法为主要研究手段，对石家庄都市区的道路用地空间布局的演变特征分时段作简要分析，并在此基础上纳入人口分布、经济发展等能够对道路系统演变产生显著性影响的要素，来对演变特征的起因进行合理的阐释，以期对石家庄都市区未来道路系统格局的发展趋势作出合理预测。

一、城市道路发展概况

在经济地位大幅提高和快速城市化的发展背景的牵引作用下，石家庄市于2014年底特别实施了新一轮的行政区划调整，将原有的包含五个市辖区的主城区重新组建成囊括原主城区和其外围市县等共八个市辖区的石家庄都市区，如图1所示。石家庄都市区地处石家庄市市域的东南部，位于37°47′-38°21′N、114°18′-114°58′E之间，其总占地面积约为2596平方千米，占石家庄市域总面积的16.38%左右。截至2015年底，石家庄都市区城市道路已铺设面积为5365.97万平方米，其中主干道路为1825.50万平方千米，占比34.02%，次干道路为3540.47万平方千米，人均道路用地面积约达到19.02平方米/人，稍高于规划人均道路与交通建设用地面积不应小于12平方米/人的标准。因此，探讨研究区域道路交通系统转变与发展的影响要素，趋利避害，对于在有限的城市实体地域内优化道路用地空间布局，进一步扩大人均道路面积，有效协调现存的交通供给和交通需求的矛盾关系均有着重要的实践意义。

图1 研究区域地理位置示意图

二、研究方法与数据来源

（一）研究方法

1.GIS空间分析法

GIS空间分析平台作为本研究的技术支撑途径，主要用于建立研究区域的城市道路系统演变相关要素的空间属性数据库，结合缓冲区分析和叠置分析等工具进行专题地图制作和空间量化分析。所谓缓冲区就是以某一地理空间事物目标为依据，在其周围建立起一定扩展宽度的影响半径区，用来表示该空间目标的影响或服务范围，是针对地理事物间的邻近度问题进行分析的工具之一。而叠置分析就是指将与研究对象相关的数据层进行叠合，使得原来的多层要素各自的属性实现地理空间上的有机结合，从而产生新的属性特征和空间对应关系。文章的研究对象是石家庄都市区城市道路系统，且所收集的矢量数据以线状矢量数据文件为主，就需要先进行线状空间目标的缓冲区分析，按照设定的缓冲区距离，形成多环缓冲区。对于相关的点状影响要素分析，如居民点分布要素，就需要采用矢量数据的叠置分析方法，特别是点与线状缓冲区多边形的叠置分析。

2.相关系数分析法

相关系数分析法的内容涵盖了简单相关系数分析和偏相关系数分析，且偏相关系数分析是在线性回归分析和简单相关系数分析的基础上进行的。由偏相关系数得出的变量相关性是指在其他统计变量不变、仅对一个自变量与共同因变量求相关性，适用于解决某个或几个自变量存在共线性或统计数据量不足的问题，在严格假设条件的前提下进一步判定各个自变量与共同因变量之间的相关性。因此，对于带有共线性的自变量而言，更适用于后者，因为偏相关分析的假设前提条件是保持同一模型中其他自变量是固定不变的。执行偏相关系数分析的公式为：

其中，rx，y是指第i个自变量y与对应因变量间的偏相关系数，c是指简单相关系数矩阵的逆矩阵：

其中，m为自变量的个数。

（二）数据来源

根据研究主题的需要，选用了石家庄都市区的矢量地图数据和相关区域社会经济统计年鉴数据，其中，矢量数据文件取自于2015年石家庄市矢量化地图中相关图层文件，2001-2015年研究区域社会经济统计数据摘自于对应年份的《石家庄统计年鉴》和《河北经济年鉴》。

三、城市道路系统空间形态的演变特征

道路系统的空间布局形态是城市空间结构的具体表现形式之一，其蕴含的城市中各项有机联系的物质或非物质要素，这意味着城市对内、对外道路用地、交通网络的规划和发展会对城市功能的分区产生引导或制约作用。显而易见，如果某城市的道路交通网络由于历史原因或地理条件等不可抗拒因素导致布局不合理，无疑会加速诸多城市要素资源的消耗和城市生态系统运转效率的下降。因此，从近30年的石家庄都市区城市空间结构演变的角度剖析研究区域的道路系统布局形态的演变，对于现阶段城市道路交通体系的规划与完善是十分有效的。

基于ArcGIS空间分析平台，选取了1985年、1995年、2005年和2015年等4个时间截面的研究区域道路系统的空间形态布局，如图2所示，据此对不同发展阶段和历史背景作用下的石家庄都市区城市道路系统的现状特征和演变趋势进行分析。从发展历史上来看，石家庄市是单核式的铁路交通枢纽城市，各项城市功能区往往倾向于在火车站周边地区汇集。如图2.1所示，在上世纪80年代中期，研究区域的城市空间结构仅表现为“一核一轴”的形式，“一轴”即指东西向的主干道中山路，而“一核”指的是一环内的城市中心区，西起中华大街、东至体育大街、北起和平路、南至槐安路，是石家庄市的政治、经济和文化中心，也即主城区的整体空间形态以中山路为主轴呈东西向延伸的狭长形布局，城市道路规划与建设也相对集中于中山路附近，且主要道路的数量和规模较小，使得道路系统的对外交通联络功能十分有限，因而出现了主城区与周围四个组团市市辖区之间的联系近乎隔绝的状态；在20世纪90年代初期，石家庄市主城区迎来了工业结构转型和城市化进程的高速发展时期，依托于铁路交通枢纽的贸易拉动作用，火车站周边一些自发形成的商贸市场开始向规模化的专业经营市场转变，城市第三产业逐步发达，对城市道路系统的层次、数量和功能均提出了新的要求，由此带动研究区域道路系统规划与建设步入关键性的阶段。如图2.2所示，20世纪90年代中期在主城区道路系统总体布局沿中山路南北两侧进一步扩延的同时出现了连通主城区和周边组团辖区的诸条高速公路等城市主干道路，如联接主城区和南北两个组团的有107国道、联接主城区和东侧的藁城组团的有307国道和机场高速，从而有效打破了主城区及其组团区之间的交通联系极少或断绝的情况。至21世纪00年代中期时，主城区城市二环快速路系统建成，城市空间结构演变为“一核一轴二环”的表现形式，如图2.3所示。“二环”即指位于核心区边界外围一定距离处且与核心区各边近似平行的环状道路，这就为中心城区的环状道路系统有序建设和向周邻组团市辖区渐次扩延构建起了基本框架，创造了必要的前提。至21世纪10年代中期，城市道路系统研究区域的城市空间结构发展为“一核一轴三环”的形式，如图2.4，其源于1996年石家庄市人民政府组织编制的《石家庄市城市总体规划（1997-2010年）》。其中，“一轴”即中山路，呈东西向，贯穿于原主城区并延伸至两侧邻接的藁城区和鹿泉区；“三环”主要是指围绕城市中心区边界的依次扩大的三条矩形环状路线，即和市中心边界重合的一环路、位于一环路外围一定距离且与其各边近似平行的二环路和二环路外围的衔接主城区周边其他各个市辖区组团的三环路。三环路的形成，可使得主城区与周邻辖区严重依赖于省道或国道等单一的交通联系途径的发展现象得到一定程度上的改观。简而言之，研究区域的道路系统的空间形态的演变特征突出表现为以环形道路骨架为基本构架、呈方格网状的集聚式布局形式。虽然方格网状的道路用地布局形态便于形成规整的、易于辨识的功能分区，但是缺乏放射状交通网络会引起局部车流集中、交通拥堵的现象。因此，现期应依托于《石家庄市城市总体规划（2010-2020）》，加快城市道路交通网络一体化建设，健全中心城区的对外交通系统，实现城市主干道和环形快速路与多条对外高速公路的无缝衔接。

图2 石家庄都市区道路系统空间布局形态演变示意图（1985-2015年）

四、城市道路系统演变的影响因子分析

（一）人口分布

人口是城市各类功能活动的主体，人口的数量及其密度的变化均可带动城市各类功能分区的适宜布局和科学发展，相应地，人口分布因素对城市道路系统空间结构的布局和发展也会产生重要的牵引作用。通过缓冲区分析法，建立以100米为单位半径的主要道路的三级缓冲区，在此基础上叠加关于街道社区、村镇等居民点分布的矢量文件，对各辖区单位半径缓冲区所含居民点个数统计结果以二维表的形式输出，如表1所示，以此来分析人口分布因素对城市道路系统空间结构演变的影响程度。

从石家庄都市区各辖区的不同缓冲半径范围内居民点数量的分布现状来看，如附表1所示，就各市辖区间同一缓冲区居民点分布数量对比而言，0-200m半径缓冲区内居民点数量最多的为主城区，其次为接壤于主城区西侧的鹿泉区，居民点分布数量最少的是与主城区北侧隔河相望的正定新区。而各辖区主干道路不同半径缓冲区内的人口密度与主干道路系统的完善程度有着直接的联系，而主干道路网络的发达程度又受到邻近居民点分布数量和位置的影响。在主城区四周的四个邻接辖区中，0-200m半径缓冲区内居民点分布数量最多的是鹿泉区，相应地该辖区主干道路系统较为完善，道路铺设占地面积较大，人口密度较小，而正定新区因其在相同范围缓冲区内居民点分布数量最少而使得主干道路系统发达程度有所欠缺，主干道路两侧邻近区域人口分布密度较大。

从研究区域各辖区的居民点数量分布随主干道路缓冲区半径范围增加所表现出的变化趋势来看，除栾城区外的各市辖区在200m半径范围内的变化趋势基本保持一致，即与主干道路的距离越近，居民点分布的数量越多，人口密度越大，人均占有用地面积越少。即在大多数情况下，距离主干道路的影响半径区越远，居民点的数量就越少。相对而言，在200-300m半径缓冲区以及300m以上缓冲区外围区域则出现了逆变化趋势，即随着距主干道路距离的增长，居民点分布数量反而有所增加，说明人口分布在一定的作用范围内才能够对道路系统布局的空间形态产生较大影响。同时，对照图2所显示的研究区域城市道路系统空间结构演变进程，可以发现人口分布状况会在一定程度上制约城市道路系统基本框架的规划和构建。20世纪80年代末期研究区域人口集中分布于主轴线即主城区中山路附近和一环内的核心区，城市道路系统布局相应地初步建成以核心区为中心的矩形环状路网格局，并随着时间推移逐渐形成“一核三环多轴”的联通各辖区的区域一体化道路系统（附表1）。

（二）经济发展

不同于人口分布因素会对城市道路系统演变的空间形态扩展产生显著影响的表现，经济发展因素对城市道路系统演变的作用更多地表现为能够促进城市道路系统占地面积的增加。研究区域城市道路面积的变化与三次产业及其他相关细分产业产值的变化之间具有一定的相关性，可以通过相关系数分析法对上述要素之间相关关系的正负性和相关性水平进行评价。结合2001-2015年石家庄都市区各辖区的产业产值、城市道路面积等因子的统计数据，首先以第一产业（x1）、第二产业（x2）、第三产业产值（x3）及建筑业总产值（x4）等为自变量、年末城市道路面积（y）为共同因变量进行简单相关系数分析，结果如附表2所示。在简单相关性分析的基础上，求得单一自变量与因变量间的偏相关系数，从而得出三次产业产值及建筑业总产值等自变量的偏相关系数依次为 -0.320、0.458、0.377和 -0.165。其中，自变量x1与共同因变量的简单相关系数值为0.960，而偏相关系数值仅为-0.320，两者呈负相关性，说明第一产业的发展会在很大程度上引起农用地的扩张和城市道路与交通设施用地等建设用地面积的缩减；自变量x2与因变量的简单相关性和偏相关性系数均为正值，且偏相关系数值达到0.458，可得出第二产业的发展对城市道路规划与建设可以起到较为显著的促进作用的结论；x3的简单相关性和偏相关性同x2相似，但其偏相关系数值低于x2，说明研究区域第三产业发展目前处于上升期，对城市道路系统发展起到的影响力量相对小些；x4与因变量间的简单相关性水平较高，但其偏相关系数绝对值较小且为负值，说明现期建筑业发展对城市道路系统建设的直接贡献作用较小，多数情况下通过第二、三产业发展对城市道路网络建设产生影响。综上所述，由回归模型的初步分析和P值统计量检验发现x2的回归系数为正值且置信程度远高于其他自变量，可先得出第二产业与城市道路建设间呈正相关关系，再由偏相关系数分析可以看出x1、x2、x3与因变量间分别显现出强负相关、强正相关和弱正相关的变化趋势，可推出近年来第二产业对城市道路用地数量增长影响最大，而第三产业发展对城市道路用地建设发展影响较小的结论（见附表2）。

五、城市道路系统格局演变趋势展望

自20世纪80年代以来，随着石家庄都市区城市建设进程的深入和城市工业发展的交通需求，城市道路系统格局逐步形成规格化的发展趋向。至21世纪初期，石家庄市城市地位和知名度开始大幅提升，并吸引大量周边乡镇的人口向城市建成区集聚和布局，使得人口分布状况逐渐超越城市性质要素而上升为影响城市道路系统演变的主导因素，带动城市道路系统建设逐步形成为网络化的发展格局，进而引导核心区主干道附近人口密集区的人口向外扩散，在一定程度上可以缓解核心区或旧城区的交通痼疾。同时，城市道路系统演变是结构型地理要素和数量型地理要素共同作用的结果，不同于人口分布、地理位置等结构型要素对道路系统的用地布局影响显著，经济建设、产值构成等数量型要素对道路系统变化的效用主要体现在用地面积扩张上。石家庄市作为传统工业城市，地方财政收入和支出的来源倚赖于第二产业的发展，而近来第三产业的开发和进步将会减轻财政赤字的负担，相应地，财政支出中用于城市道路与交通设施建设等一般公共服务业部分的比重也会增加，从而促进城市道路交通系统的完善。

现阶段的道路系统的整体形态表现是“一核一轴三环”为主体结构的方格网状格局，以其作为城市功能分区布局的基准框架所带来的主要弊端就是贯穿于核心区部分的主轴线两侧的功能分区布局结构过于庞杂，道路用地空间被挤压，从而导致区域交通运输效率低下。考虑到有效缓解由于原始矩形环状路网格局而致核心区大量的集聚人口及由之引发的巨大道路交通压力，以及实现石家庄都市区统筹发展的需要，进而引申出以方格网为主、以由部分省道和国道组成的放射状路网为辅的混合型道路系统规划格局，如图3所示，该道路系统规划能够增强一环内核心区对整个都市区的辐射作用，极大地带动石家庄都市区各辖区的一体化建设和统筹发展。

图3 石家庄都市区道路系统结构优化示意图

附表1 距离主干道路不同范围内人口分布特征统计（2015年） 单位：个、人/平方千米

附表2 石家庄都市区实有城市道路面积和地区三次产业及建筑业总产值简单相关系数矩阵表

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