基于GIS的综合交通可达性评价——以甘肃省为例

齐苗苗

（兰州交通大学）

1 引言

人类由于生产生活的需要而产生了交通和交通需求，而区域发展更是建立在交通发展之上的。交通发展战略及其相关政策，极大地影响着交通设施投资建设和交通时空资源的分配，进而影响区域综合交通分布、城市用地、空间布局以及铁路交通、公路交通等不同出行方式的服务水平和出行效率。城市乃至区域的结构、大小及其扩展和城市的生活方式以及特点全都是由城市交通系统的性质和服务质量来决定的。交通体系发展不合理，不论超前还是滞后，都会对城市发展产生阻碍。

近年来，基于城市的小时圈研究、可达性研究和城市影响范围等方面的研究一直是热点问题。就其方法而言，从最原始的经验和最简单的数学模型，已经进展到现在考虑各种影响因素的综合模型，并结合计算机和数字地球的地理信息技术进行分析计算。而针对路网的交通规划，则主要是运用可达性分析。可达性在城市研究和交通规划中有着更为广泛且重要的应用。首先，可达性分析能贯彻落实区域交通规划的指导原则。其次，对于项目的后评价有明显的监测评价效果。再者，能完整体现城市空间布局结构。

通俗来讲，可达性[1]就是指人们从某个地方到另一个地方的难易程度，在交通和城市研究中则指的是，通过选定某种交通方式或几种交通方式的组合，人或者货物到达目标地点或者参与活动的便捷性。其中，地理信息系统(GIS,Geographic Information System)是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛应用于不同领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。做基于交通网络的可达性分析，GIS为其提供了一个高效精准的平台。

杨勉、魏庆朝[2]等通过建立线路可达等级模型，用线路可达性等级定量反映了线路在路网中的作用和地位，使得路网在规划设计中，对线路正确定位提供了一种可靠的方法。李平华、陆玉麒、刘腾贤[3,4]做了空间可达性评价研究的回顾整理和文献综述，阐述了可达性研究的发展历程，并从本质认识和根本方法上解释了学术界产生的一些混乱和歧义。张野、韩峰[5]利用GIS绘制了西北地区铁路网的密度变化图，并结合了政策经济因素，研究出了西北地区的铁路路网扩张规律。沈惊鸿、陆玉麒、兰小机、刘德儿[6]运用多种评价指标，最后通过建立一个综合的可达性指数评价模型，分析了安徽省的区域综合交通可达性。此外，还有刘俊，陆玉麒[7]等进行了江苏省公路交通网络可达性评价研究、王先鹏，戚红年，曹荣林[8]探讨了基于GIS的县域交通网络可达性。

路网密度是影响可达性的主要指标之一，也是衡量路网发展水平的重要标志。而铁路作为我国经济建设的大动脉，路网密度直接决定了铁路这一基础设施工程参与社会建设的程度。近年来，国家从大力发展基础工程建设，完善区域综合交通运输网络，加快新型城镇化发展，此外，国家实施“一带一路”的经济发展战略，这对于甘肃省来讲无疑是一个大力发展的契机，将更大地促进甘肃省路网的发展和扩张。研究甘肃省现有综合交通的可达性，基于此分析其空间关系，预测需要增加路网密度和需要扩张的地区，对甘肃省地区综合交通可达性格局做出较为详尽和深入的剖析，对甘肃省综合交通网络现状做一评判，对以后的空间布局和路网布局提供一些建议，能够为甘肃省路网发展提供决策支持。

2 可达性评价

2.1 研究区概况

甘肃地处中国西北地区，地处黄河中上游，地域辽阔。东通陕西，南瞰四川、青海，西达新疆，北扼宁夏、内蒙古，西北端与蒙古国接壤，境内为黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大高原的交汇地带。甘肃地处枢纽，是沟通西北与西南的交通要道。截止2018年初，甘肃省辖12个地级市、2个自治州（合计14个地级行政区划单位），17个市辖区、4个县级市、58个县、7个自治县（合计86个县级行政区划单位）。2018年8月30日，经中华人民共和国国务院批准，甘肃省撤销华亭县，设立县级华亭市，以原华亭县的行政区域为华亭市的行政区域，华亭市由甘肃省直辖，平凉市代管。截止2017年末，甘肃省铁路里程已达到5377㎞，全省公路通车总里程已达14.23万㎞。但总体来说，甘肃省路网覆盖面不足，个别市州依然没有铁路通达，高速公路分布不均衡，由此导致的发展不平衡现象依然存在，这一情况严重制约了路网对这些地区社会经济发展的带动作用。

2.2 数据来源与研究方法

1）数据来源

本研究中甘肃省行政区划、城市、铁路、公路等数据来源2018年甘肃省交通地图《甘肃统计年鉴2017》。

2）研究区范围

甘肃省地理位置上处于中国西北地区，经济上属于中国经济发展较为落后的西部经济区。甘肃省的省会为兰州市,下辖兰州、天水、嘉峪关、金昌、武威、张掖、酒泉、庆阳、平凉、白银、定西、陇南 12个地级市,以及玉门、敦煌、临夏、合作4个县级市。

3）评价方法

本研究中可达性分析采用基于空间阻隔的方法[9,10]，应用GIS网格分析和网络分析技术，运用了基于节点间最短时间距离分析甘肃省城镇交通网络可达性状况，并对指标进行无量纲化处理,在此基础上建立一种区域交通综合可达性模型,试图评价甘肃省城镇的可达性空间格局，并且分析甘肃省交通发展存在的不足之处,并提出对策建议。

目前交通网络可达性的研究主要集中在以下几个方面:不同地区、不同交通方式的可达性研究;可达性空间格局对区域发展演变的影响;对新的交通基础设施的区域经济影响评价;评价、定位和分析区位等。而可达性的计算方法主要有三种：基于空间阻隔或空间跨度、基于机会累积和基于相互作用的空间可达性分析。基于空间阻隔是指从一个点到另一点，交通网络克服空间距离的跨度，距离越远，交通不便，相对可达性不好；基于机会积累是指在特定时间内，人们可以达到发展机会或者发展需求的数目，数目越大可达性越高，否则则相反。前者是考虑了距离这一形态因素的角度。后两者是同时将形态因素和土地利用、机会吸引纳入考虑而计算的。而不同的计算方法主要是根据不同的研究对象和针对不同的问题，或者所获取的原始数据不同而分类的。

本研究基于空间阻隔的可达性，该计算模型是1971年于Ingram所提出的，该理论中可达性包含两种类型，相对可达性和综合可达性。相对可达性是指一点至另一点的空间阻隔，而综合可达性则指一点至区域中所有点的空间阻隔，可计算其空间阻隔的总和或平均值：

4）技术路线

总体上说，基于GIS的综合交通网络体系可达性的分析过程可以概括为:需要数据的调入（节点、路网、省域、权重）、路网栅格化处理、制作各栅格的交通运行时间成本图（包括路网空格处）、生成甘肃各地到达南京市所需要的时间图（分层次）、生成甘肃省各地到达最近便的城市所需要的时间图（分层次）、生成甘肃各地到达最近的城市所需要的时间图（分层次）、制图输出过程。

采集综合路网信息数据，在GIS中建立交通网络的拓扑关系，包括点之间和线之间在整个面域中的关系，同时在GIS中进行可视化表达和网络分析，但是对于交通网络的可达性分析指标和权重的确定都会直接影响可达性分析的结果，因此在数据搜集时应保证数据的时效性和准确性，同时要注意同等级和不同等级的交叉、穿越、并入关系，减少网络分析工程中的人为误差。技术路线如图1。

图1 网络分析工程技术路线图

2.3 数据分析过程

根据《中华人民共和国公路工程技术标准(JTGB01-2003)》所规定的道路设计标准，结合甘肃省区域实际路况和现行通行速度的基础，作以下设定:高速公路100km/h,铁路80km/h,国道60km/h,省道50km/h,县道30kmh,这样便得到了不同级别道路的每公里时间成本:高速公路0.6min,铁路0.75min,国道1min,省道1.2min,县乡道2min,其它4min。根据上述设定的速度，结合甘肃省区域实际路况和现实通行速度基础上,对甘肃省不同交通道路赋不同的权重，把甘肃省交通图转化为100×100单元的栅格成本图。甘肃省综合路网地图如图2所示。

图2 甘肃省综合路网地图

以往学者计算时间成本多只考虑了路网,而把路网以外的其他区域面积均当成阻碍因子来计算,当把这些区域面积均当成阻碍因子时，在GIS中的位置属性赋值为空白，这些地域的面积在可达性计算中则不参与运算。但在实际上，除了被记录和统计进去的各种等级的路网之外，乡村中的各种小道、便道分布十分广泛，有的可供人们步行，有的甚至可以通过自行车、机动车，虽然通行能力差，又没有很高的速度，但是在人们的日常通行和生活中也是不可或缺的。但这些区域仅限于地势较为平坦的平原区域，丘陵地区和山地则不能纳入该类范畴。因此，综合考虑这些因素后，在这些村镇地区和城市郊区设置通行速度为15km/h。甘肃省境内虽有黄河贯穿，但是在很大程度上并没有运输能力，通航能力较差，因此不予以考虑。

交通网络中，低等级公路随时影响沿途城镇的可达性，但是铁路和高速公路不同，铁路只有设有站台的市镇才会被影响，公路也只有与周边有联系的地区才会改变可达性，而在非站台或不连通区域则不会对可达性产生影响，因此在计算时采取一定折算措施。对于铁路，如果在某个市镇不设站台，则不将其与连在一起的线路打通，并且为了反映铁路和高速公路只在其站台和出口处影响周边地区可达性，则将连在一起的路网打通，并在端点处赋较高的速度值。

3 结果分析

为下文能清晰地表述，作如下定义:把任一县级地区到达兰州的最小时间成本分析定义为全域性分析，把全域分析所得的值看作是每个城镇点的可达性值，把省内任一节点到距离其城镇行政区内的最小时间成本分析定义为局域性分析，把局域分析得到的平均值看作是该城镇节点的可达性或本行政区整体的可达性。

1）全域定量分析时间成本的结果如表1

从表中可以看到任意县级地区到达省会兰州的时间长短，省会作为一个省份的经济中心、政治中心和文化中心，往往储存着较为丰富的社会资源，并且对各类人才有很强的吸引力，是人力资源流动的中心地区，因此衡量该省份任一县域地区到达省会的时间长短具有较大的实际意义。通过计算县域地区到达兰州的时间的平均值，若表中的数值越小，代表该点到达兰州的时间越少，可达性越好。否则则相反。

全域分析时间成本结果如图3。甘肃省城镇可达性格局呈现以兰州市为中心，全面覆盖了临夏市、天水市、陇南市、白银市，向东南和西北延伸，呈现近似的条形结构，向东南延伸很远一直到陇南，而在西部仅越过金昌，在北部延伸至平凉。说明甘肃省东南部城市对于兰州的可达性明显优于西北部城市。花费时间最长的是敦煌市和酒泉市下辖的肃北蒙古自治县、瓜州县和阿克塞哈萨克族自治县等区域，这些区域位于甘肃省最西端，和省会地区联系较为疏远。显然，通过兰州市为中心的城镇县域可达性圈层结构可知，东西城镇可达性并不是对称结构，反而呈现出较大的差异性。区域可达性地图中颜色越深，则其可达性越差，这表现在省际边缘、陇南山区；地图中色块的凹凸方向也能说明可达性的变化趋势。

图3 全域分析时间成本图

2）局域分析时间成本结果如图4

局域可达性的大小与城市区域的路网状况、经济能力，区域的地理位置等诸多因素所决定的。由于本次可达性分析综合了铁路网、公路网等交通出行方式，则从局域可达性图可得，以每个县级行政单位为中心，其所辖区域的任何一节点都可以在较短时间内(0-1.55h)到达其行政中心，可达性良好，但西部和南部某些县域的边缘地区可达性较差，与其他地方相比，呈现出较大差异，而产生这种差异的原因可能与其地理位置较为偏远有关，因为其他部分城市地处平原地区，城镇形状较为规则，并且以县域为单元分析时，城镇点多坐落于区域中心，但陇南部分地区和甘肃省西部边界多山或人迹罕至无人定居，使得县域内面状造型很不规则，而且县域行政中心也没有在面域中心，而是坐落于区域的边界处，这种小范围的分析结果差异进一步反映了可达性与城镇所处的地理位置有很大关系。局域分析是省内任一节点到城镇行政区内的最小时间成本分析，用该指标衡量可达性大小的时候，由于相对范围较小，这里可达性除了受交通道路网络等交通因素影响之外还反映了地形因素、城镇节点位置以及区域面状形状等因素对可达性的影响，所以在小区域内衡量其局部可达性，上述因素均要考虑。

图4 局域分析时间成本结果图

3）甘肃西北部地区和东南部地区路网密度很低，主要因素是这里城镇稀少，人口密度小，直接使得该地区经济落后，发展动力不足，由于城镇可以带动一片地区的经济发展，当城镇的带动能力低时，相应的也会阻碍城镇的可达性。应该在该部分地区适当的采取一些倾斜政策或者投入资金，发展城镇经济和规模。

4）图中表明甘肃省城镇可达性在空间上基本呈现东西走向，与甘肃省地形相符，但是在东西走向上呈现明显的优势，之所以形成这一格局，大多是由于省会之间的带动作用，但是没有在意各城镇的内在联系的作用，除了甘肃省东南部分地区和兰州周边地区联系比较紧密，在西北地区是比较欠缺。

5）甘肃西北地区地形虽然比较平坦，但是在铁路、高等级公路的建设方面落后于经济较好的东部地区，这也造成了甘肃省路网中心偏东南，因此加快甘肃西北地区高等级公路的建设，特别是加强城镇之间的联系，贯通西北和东南成为必要。

4 路网扩张建议

1）兰州周边地区据兰州可达性虽高，但是应着力打造一小时交通核心圈，而且考虑到运量和环境效益方面，应大力发展铁路，创建兰州经济圈城际铁路网，能够快速通达周边地市，兼顾区域内城市间的城际客流出行需求，拓展兰州都市圈核心城市及节点城市空间，推动区域经济发展，构筑城乡一体化功能空间为目的进行城际铁路网建设。

大兰州经济圈城际铁路网(环兰州城际铁路)规划项目研究范围包括兰州都市圈所辖兰州市、兰州新区、白银市、定西市、临夏回族自治州、天祝藏族自治县、周边相关区域。具体包括以兰州为核心的9区18县，即兰州市5区3县(城关区、七里河区、安宁区、西固区、红古区、永登县、皋兰县、榆中县)，兰州新区、白银市2区3县(白银区、平川区、靖远县、会宁县、景泰县)，定西市1区5县(安定区、临洮县、通渭县、渭源县、陇西县、漳县)，临夏回族自治州1市6县(临夏市、永靖县、东乡族自治县、广河县、康乐县、和政县、临夏县)，武威市1县(天祝藏族自治县)。

敦煌和酒泉地区、陇南、甘南地区可达性差，交通状况不良，直接对当地经济发展造成阻碍，应在该地区多建设高等级道路。

2）甘肃省交通水平较低，应建设各种等级道路，完善路网，增加可达性水平。

3）城镇是路网中的节点，也是路网的归宿，城镇的可达性程度直接反映了交通区位的优劣和地理位置的好坏程度。通过县域交通网络可达性的计算，可以反映出该城镇是否与高等级公路或铁路直接相连接、地理位置处于中心地带还是偏远地区、该县域现有路网的整体性和通达性以及该城镇或者县域的重要程度。

由于模型计算复杂，且数据获取困难，本研究只考虑了甘肃省内的路网对其可达性所做的贡献，即将甘肃省作为一个独立个体来考虑，并没有将周边省份在甘肃省边界县区的可达性影响纳入考虑范围，这是以后本文以后的研究方向和重点。