城市间可达性评价方法

第四章　江苏省城市可达性及其演变特征

可达性（Accessibility），也叫通达性、易达性。简单地说，指从一个地方到另一个地方的容易程度（Johnston R J，1994）。随着自然科学和社会科学的不断发展和细化，可达性的研究及其应用也越来越广泛。目前已广泛应用于交通网络与城镇发展研究、交通基础设施的区域经济效应评价、选址分析、园林景观规划、社会文化等多个研究领域。随着应用需求的持续加大和技术研究的不断深入，可达性度量方法也在快速发展，其度量体系正在形成（陈洁，2007）。城市格局演变与交通网络发展是一种空间互动过程，通过可达性指标可有效度量交通网络结构，进而评价城市获取发展的机会和控制市场的能力，为城市增长和格局演变提供方法支撑。

4.1　可达性度量数据和方法

4.1.1　现有方法评述

交通网络是实现空间可达性的基础，交通网络的评价方法很多，其中可达性被认为是一项有效的综合性指标。可达性是指利用特定的交通系统从某一区位到达指定活动区位的便捷程度（李平华，2005），这一概念已广泛应用于交通地理学的相关研究当中（吴威，2006）。可达性的计算方法有多种，常用的有缓冲区分析法（buffer zone）、最小距离法（minimum distance）、旅行成本法（travel cost）和吸引力指数法（gravity index）（Emily T.，2003；Handy S.L.，1997；Geurs K.T.，2001），见表4－1。

表4－1　区域可达性的主要评价方法

在具体的研究过程中，又有多种研究思路。一是研究交通的节点可达性，主要研究过程是通过网络分析确定每个节点的可达性（徐旳，2004），然后通过空间插值得到区域的可达性（刘俊，2008），其不足是空间插值得到的区域可达性与实际值误差较大；二是通过格网分析，编程实现区域可达性，其突出亮点是解决了封闭型道路（如高速、铁路）等的出入口问题（张莉，2006；张莉，2008），不足是移植性不够；三是通过ArcGIS软件提供的空间分析方法，通过成本加权距离来实现（吴扬，2008），现有成果的不足是对要素图层单独赋值，然后通过栅格计算实现空间叠加，当要素图层较多时，工作量较大，在栅格计算叠加时，不同要素叠合区的赋值处理也较麻烦，并且没有解决好封闭型道路的出入口问题（朱杰，2007）。

4.1.2　基于ArcGIS的可达性评价方法

综合目前已有的可达性评价方法，利用ArcGIS软件提供的方法可移植性最好，只要解决好封闭路网的出入口问题，将成为可达性评价简单易行的利器（钟业喜，2009）。

采用江苏省1∶25万基础地理数据，依据ArcGIS 9.2软件平台，进行Gauss＿kruger投影转换，提取交通网络、城市节点等数据。将江苏1990年、1996年、2002年和2008年道路交通图进行矢量化、配准，补充并完善到1∶25万基础地理数据的交通网络数据当中。根据易用性、可移植性好、解决封闭路网出入口问题三条原则，依据其重分类（reclassify）、栅格化（feature to raster）、栅格计算器（raster calculator）、缓冲区分析（buffer zone analyst）、空间分析（spatial analyst）等工具的组合，构建了可达性的评价流程（图4－1）。

图4－1　评价模型技术路线示意图

考虑到铁路交通的时间、营运班次限制严格，且在区域中站点较少，并且铁路沿线均有主要公路干道通过，故在此仅考虑公路交通网络的影响。根据《中华人民共和国公路工程技术标准（JTGB01—2003）》，结合江苏省的路网密度和路网质量，实际运行速度分别设为高速公路100km／h，国道75km／h，省道50km／h，县道40km／h，乡道和汽渡20km／h，其他15km／h。得到不同级别道路的每公里时间成本分别为高速0.6min、国道0.8min、省道1.2min、县道1.5min、乡道和汽渡3.0min、其他4.0min。处理封闭道路（高速）时，采用缓冲区分析方法（钟业喜，2010）。考虑到不能通行水域对可达性影响较为显著，故本书将大的水域定为阻隔图层，设置不能通行。根据以上设置和图4－1的技术路线，运用ArcGIS9.2提供的加权成本距离（cost distance）计算出相关研究年份的成本栅格图，供后续研究使用。

4.1.3　江苏省交通发展数据

江苏省交通数据分别来源于江苏公路交通史（第二册）（江苏省交通史志编纂委员会，1995）、基础地理数据（1996年）、江苏省公路地图册（江苏省交通厅公路局，2003）和沪苏浙皖高速公路及城乡公路网地图集（福建省地图出版社，2009）。相关数据经采样、配准、矢量化后，形成江苏省各年路网图，详见图4－2。

图4－2　江苏省路网图

4.2　江苏省城市可达性格局特征

根据图4－1技术方法，利用图4－2的江苏省路网数据，形成江苏省1990年、1996年、2002年和2008年栅格成本图。根据Gauss＿kruger120°E投影，江苏省形成1 000m×1 000m栅格102 801个，去除大的水域阻隔后栅格数为95011个，本书参与运算的栅格个数为95011个。

首先应用平均可达性对江苏省县级以上城镇可达性格局特征进行分析。平均可达性是指某节点（栅格）到区域内所有节点（栅格）所花费时间的平均值，它可体现该节点（栅格）在区域内的交通区位优势，该值越小，可达性越好。如果区域交通假设为均质，则可达性最好的节点（栅格）将出现在区域的重心位置。对江苏省进行可达性分析评价的方法见公式4－1。

式中：Ai为节点i的可达性；j为区域中的栅格；n是栅格数目；Tij是从i点到j栅格的最短时间距离。Ai值越小，其可达性越好。

因ArcGIS 9.2本身提供的可达性分析评价技术一次只能做一个节点的可达性评价，如果要做江苏省县级以上城市的平均可达性值评价，则每年均需要做65次，然后再求平均值。数据存储和计算工作量均非常大，计算时间也非常长。因此，在基于ArcGIS 9.2提供的可达性评价方法的基础上，用VB编程语言开发了一个AccAVG插件，用以实现平均可达性评价。得到江苏省平均可达性空间格局，结果见图4－3。

图4－3　江苏省平均可达性空间格局

4.2.1　平均可达性改善显著

结合图4－3可知，1990年至2008年，江苏省平均可达性值改善非常显著。1990年、1996年、2002年和2008年，江苏省域平均可达性值域区间分别为（203，532）、（172，483）、（122，368）和（110，321）。平均可达性最小值由1990年的203min减少至2008年的110min，速度提升了45.8%；平均可达性最大值也由1990年的532min减少至2008年的321min，速度提升了39.7%。从图4－3可知，江苏省平均可达性最小值区域一直位于苏中的扬州和江都附近，最大值区域则位于偏远的徐州市的丰县境内。通过ArcGIS 9.2的Layer Properties提取4个年份平均可达性的平均值，分别为285min、242min、188min和163min，平均速度提升了42.8%，说明江苏省在近20年的发展过程中，交通建设取得了较大成就，全省可达性改善显著。

4.2.2　可达性改善总体不均衡

从最小值和最大值的变化幅度便可看出，江苏省可达性改善并不均衡，区域差异较大，最小值比最大值改善比例提升6.1个百分点，考虑到最小值总体上的居中性以及最大值的边缘性，说明江苏省边远地区的交通条件改善速度较慢，拉开了区域差距。

从江苏省可达性最小值与江苏省空间重心关系耦合特征也可知，江苏省区域几何重心为（119°28′37.352″E，32°57′40.114″N），江苏省4个研究年份可达性最小值与区域几何重心偏移较大（表4－2、图4－4）。

表4－2　江苏省可达性最小值移动轨迹

注：表中重心经度为119°E，纬度为32°N，即（X′Y″，A′B″）表示（119°X′Y″E，32°A′B″N）。

图4－4　江苏省可达性最小值与空间重心轨迹

由上述结果分析可知，江苏省交通可达性不均衡。从区域空间几何重心与可达性最小值偏移量上来看，可达性值总体向苏南方向偏移，平均偏移量为60 334m，总体上体现了江苏省交通建设差异化发展的格局。其中，1996年偏移量达到最大，为67 476m，并且偏向几何重心的南南西方向，结合图4－3分析可知，南京作为江苏省省会，在基础设施投资方面得到优先发展，导致了1996年可达性最小值的偏移距离和方向。2002年，最小值偏移距离有所缩小，并且方向也由空间重心的南南西方向转向南南东方向，说明江苏省交通建设重心在逐步满足苏南需求的同时，开始向苏中苏北方向发展，区域总体差异有所缩小。2008年，可达性偏移量达到一个极小值，并且也位于研究年份的最北方向，说明总体上，虽然差异仍然存在（偏移55 826m），但江苏省交通建设在朝均衡方向发展，苏中苏北地区的可达性在逐步得到改善。

4.2.3　可达性改善区域差异显著

通过AccAVG插件获得全省可达性评价结果图的基础上，通过ArcGIS 9.2栅格、矢量数据处理、转换以及数据挖掘等工具和方法进行数据提取，获得各县（市）节点的平均可达性值，见表4－3。

表4－3　江苏省各城市1990—2008年平均可达性　　（单位：min）

平均可达性数据有一个特点，即在区域的居中性好的地区可达性较好，其值较小；而在区域的边缘地区可达性较差，其值较大。仅从可达性数值本身很难直观显示江苏省区域可达性改善情况。因此，对表4－3的数据进行加工处理，即分别计算每两个年份的改善值数据，它可充分反映某一区域可达性改善情况，结果见表4－4，用以分析区域可达性改善的程度。

从表4－4分析可知，可达性改善区域差异显著。相比1990年，1996年平均可达性改善按高低排序分别为苏南、苏北和苏中，且苏南改善较为明显，平均值达到48min，高于全省平均值44min，说明1990—1996年，江苏省交通建设倾向于苏南，使苏南交通可达性得到快速提高。苏北和苏中较为接近，均在40min左右，低于全省平均水平，说明苏北和苏中的交通建设相对滞后。

表4－4　江苏省可达性改善情况　　（单位：min）

相比1996年，2002年平均可达性改善最明显的区域按高低排序仍然是苏南、苏北和苏中，但苏南和苏北改善值较为接近，苏南为59min，苏北为57min，均高于全省平均值55min。说明1996—2002年期间，江苏省交通投资在改善苏南的同时，重点投向了苏北，使苏北的交通条件得到大大改善。苏中区域可达性改善情况较差，仅为50min，离全省平均值较远，属于交通建设边缘化区域。

相比2002年，2008年平均可达性改善排序发生了变化，依次为苏北、苏南和苏中，但区域差异已相当小，最大值与最小值期间差异仅为4min。

根据研究期间可达性改善程度，可分析江苏省交通建设有三个特点：一是1996年、2002年和2008年江苏省全省可达性改善平均值分别为44min、55min和22min，随着江苏省路网格局趋于完善，交通建设所带来的可达性改善效益下降；二是苏中在整个研究期间可达性改善程度均排在最末位，说明苏中地区处于全省交通建设的边缘化区域，这也是江苏省城市等级体系存在“金角”、“银边”、“草肚皮”格局的一个重要原因；三是对比图4－3分析可以发现，影响可达性改善的主要交通基础设施为高速公路，可达性能否得到较大改善，关键是看该区域是否建成并运行了高速公路，主要是高速公路时速快，在交通可达性改善方面起着核心支配作用。

4.2.4　交通建设边际效用明显

为了探讨和说明交通建设对可达性改善的边际效用，以在可达性改善当中起关键作用的高速公路为例，利用各个年份的路网数据文件，与江苏省苏南、苏中和苏北区域文件进行intersect操作，得到江苏省三大区域各个年份的高速公路里程数据（表4－5）。

表4－5　江苏省高速公路累计里程　　（单位：km）

注：里程数为路网提取数据，因地图投影差异，与统计数据有一定误差。

相比1990年，1996年可达性改善最为明显的区域分别是昆山、太仓、吴江、苏州、常熟等区域（均属苏州市），平均可达性改善值均在60min以上，特别是昆山，达到了106min。究其原因，是因为随着改革开放的深入，上海地位的上升，江苏省建成了省内首条高速公路——沪宁高速，该高速的建成大大改善了原来处于江苏东南角边缘地带的苏州所辖区域的交通可达性。

相比1996年，2002年可达性改善最为明显的区域分别是邳州、丰县、铜山和徐州（均属徐州市），改善值均超过100min，整个徐州市平均改善值达90min。深入分析可知，2002年徐州区域开通运行了高速公路，而1996年徐州连国道都不通畅（相对于省内），因此，可达性值大为提高。再仔细分析可以发现，连云港区域也于2002年运行了高速公路，但该区域可达性值改善却并不明显，区域平均可达性改善值为66min。究其原因可发现，1996年，连云港区域的国道建设比较通畅，其可达性基础较好，改善相对来说不明显。

相比2002年，2008年区域可达性改善总体较为均衡，相对改善较为明显的区域为江苏中部区域的宿迁，平均改善值为33min，南通平均改善值为32min。

通过以上分析我们可以发现，交通建设对区域可达性的影响符合边际效用递减原理，即在交通欠发达地区投资的可达性效益要高于交通发达地区。

4.3　江苏省城市间可达性演变分析

1956年，美国学者乌尔曼（E.L.Ullman）提出了空间相互作用的概念，并系统地阐述了决定空间相互作用的三个基本要素：可转移性、互补性和中介机会（乌尔曼，1986）。尽管当代运输和通讯工具已经十分发达，但是距离仍然是影响要素流动的一个重要因素，因为一切转移都需要费用和时间。因此，从李小建的引力模型（李小建，1999），到康维斯（P.D.Coverse，1949）的断裂点理论，均离不开距离这个要素。但在以往的很多研究中，城市间相互作用的距离均采用空间直线距离或道路距离（顾朝林，2008；姜海宁，2008；顾朝林，2009；李俊峰，2010），难以反映出城市间相互作用的时间，也难以克服不同的路况所造成的时间上的差异。因此，本书基于可达性的研究方法，得到江苏省城市间的两两时间距离，将为城市间两两相互作用提供更为准确的表达方法。

4.3.1　城市间可达性评价方法

根据本书4.1.2中介绍的方法，生成江苏省可达性成本图后，便可对各城市两两之间的可达性值进行提取。具体方法和步骤为：单个城市＋可达性成本图→可达性空间分布图→提取该城市到其他城市的两两时间距离。以1990年南京市为例，选取南京市作为求取可达性的源数据，对南京市进行加权成本距离运算，便可得到南京市的可达性空间分布图（图4－5），在此基础上，提取南京市至其余64个研究单元的可达性值，分4年，每年重复操作65次便可得到每一年的可达性值。由于工作量太大，因此，采用VB编程语言，通过设置循环运算，得到江苏省65个城市两两可达性值（因为数据量太大，详见附录A：江苏省城市间可达性）。同时，为了方便可达性与城市间直线距离的比较，通过ArcGIS 9.2的Point　Distance提取了65个研究单元两两直线距离，详见附录B。

图4－5　南京1990年可达性分布图

4.3.2　城市间可达性特征

4.3.2.1　城市间可达性提高明显

根据附录A中的城市间可达性数据可知，江苏省城市两两距离提高明显，1990年、1996年、2002年和2008年城市两两可达性最大值分别为785min、690min、529min和442min，研究年度内提高了44%。通过对附录A数据进行计算，求出城市两两可达性的平均值，发现1990年、1996年、2002年和2008年城市两两可达性平均值分别为280min、235min、179min和157min，研究年度间平均可达性提升值分别为45min、56min和22min。从结果分析可知，1990—1996年后，沪宁高速的建成以及国道路网的优化（如宁连、宁通一级道路建设）大大提高了城市间可达性。可达性改善最为明显的是1996—2002年，这个阶段江苏省大规模建设运行高速公路，高速公路对区域可达性改善最为显著，也使得这个研究期间可达性提升达到最大值54min。截至2002年，江苏基本形成了高速公路框架，使城市间可达性得到大大改善。因此，2002—2008年的高速公路加密对提高区域可达性并不明显，尽管高速公路里程翻了一番，但城市间可达性仅提高了22min，仅为1996—2002年期间的40%。研究结果表明，具有高速性质的道路骨架网对可达性改善显著，在此基础上的加密路网对可达性改善并不明显，但可增强运能。这同时也验证了前述提出的观点，即交通建设的边际效应，在交通欠发达地区投资的可达性效益要高于交通发达地区。

4.3.2.2　城市间可达性结构改变　

根据附录A中的数据，对65个研究单元两两可达性值进行排序，并以小时为单位进行分级，结果见表4－6、图4－6。表4－6显示，从城市数量来看，江苏省城市两两距离在4小时内的城市对数均有所提高，其中提高比例最大的是1小时内的城市，由1990年的61对提升为2008年194对，提高了2.18倍；其次为2小时内的城市，由1990年的229对提升为2008年的582对，提高了1.54倍；3小时的城市由1990年的309对提升至2008年的570对，提高了0.84倍；4小时的城市由1990年的340对提升到2008年的423对，提升了0.24倍；4小时以上的城市对数在逐步减少。城市间可达性结构改变也较明显，由1990年的“纺锤形”结构向2008年的“倒金字塔形”结构转变。1990年，城市间可达性数量最多的期间为3～4小时，数量达340对，然后向两头缩小；1996年和2002年均为2～3小时为最大，分别为405对和538对；2008年，最大值为1～2小时，582对，占据了总数量的28%，然后向可达性差的方向逐步递减。

表4－6　江苏省城市间可达性分级及累计频率

图4－6　江苏省城市间可达性分级结构图

4.3.2.3　城市间可达性差距缩小

从表4－6和附录A分析可知，城市间可达性差距在不断缩小，1990年、1996年、2002年和2008年最大值与最小值可达性差距分别为768min、676min、515min和428min。城市间可达性提高最为明显的是相距较远的城市，相距较近的城市可达性改善不明显。以距离最近的徐州市和铜山县为例，直线距离9 598m，可达性值在4个研究年度内均为14min；而相距最远的丰县和启东市，直线距离为569105m，可达性值在4个研究年度内分别是763min、690min、529min和442min。深入分析可知，当两城市距离较近时，其路况的变化不能很好地反映在可达性上，如徐州市和铜山县，1990年两城市之间便有国道通行，2002年后有高速通行，但因为高速一般不经过城市而是绕城而行，因此对短距离的城市来说，可达性主要体现以国道为主的可达性。长距离的城市连接路网结构复杂，随着交通建设的不断完善，路网结构大为改善，特别是高速的形成使长距离的行车时间大为缩短，大大改善城市间可达性。

4.3.2.4　城市间联系更加紧密

这里我们关注一个时间界线，即3小时的时间界限。据日本的一日交流圈的划分方法，3小时被界定为一日交流圈的时间范围（王德，2008）。一日交流圈基本限定了城市之间的居民是否能够实现一日往返的基本界限。从表4－6可知，1990年、1996年、2002年和2008年，城市间可达性能够实现一日往返的比例分别为28.80%、39.18%、55.00%和64.71%，能够实现一日往返并适当处理事务的城市间对数比例，2008年是1990年的2.25倍。再以一日到达圈为例，一日到达圈以8小时为时间界限（钟业喜，2009）。从表4－6分析可知，一日到达圈的城市对数比例分别为89.52%、95.48、99.81和100.00%。因此，我们可以说，经过近20年的交通建设，江苏省交通路网格局基本完善，城市间可达性大大改善，将有力促进城市间的联系。

4.3.2.5　城市间可达性改善不均衡

结合附录A和附录B的数据分析可知，城市间的可达性并非完全跟距离成正比，还需考虑很多客观因素。以直线距离最近的徐州市和铜山县（直线距离9598m，排第一）、江阴市和靖江市（直线距离13228m，排第二）为例，1990—2008年，由国道相连的徐州和铜山间可达性均为14min，而有长江之隔的江阴和靖江间可达性1990年为32min，1996年为30min，提高不明显，2002—2008年间为14min，提高非常明显，尽管距离比徐州和铜山远，但取得了与之相同的可达性。深入分析可知，徐州和铜山以国道连接，高速绕城对之影响不大，因此，可达性值没有改变；江阴和靖江因为长江阻隔，导致1990—2002年可达性较差。随着京沪高速的建成和运行，江阴长江大桥改变了两城市的可达性，使之一次提升到14min。再以最远的丰县和启东（直线距离569105m）和仅次之的丰县和太仓（直线距离553918m）为例，前者4年两两可达性值分别为763min、690min、529min和442min，后者分别为785min、658min、488min和427min。深入分析可知，1990年，长江上桥梁建设不完善，处于长江以南的太仓市尽管直线距离小于长江以北的启东市，但可达性却比启东要差，随着横跨长江的大桥的逐步建成和运行，天堑变通途，太仓市的可达性又重新比启东市优越。从中可得出基本结论，距离和阻隔是影响可达性的自然因素，但交通建设是影响可达性的社会因素，两者密不可分。交通建设的不均衡发展，将导致城市可达性和区位优势的改变。

4.4　本章小结

在不同的空间尺度上，可达性所衡量的具体对象也不相同。在区域范围内，可达性反映了某一城市或区域之间发生相互作用的难易程度。可达性是产生区域经济发展空间差异，并且使各区域在新的空间经济格局中进行角色调整、重新组织的重要原因。因此，可达性是空间经济结构再组织的“发生器”（Mackiewica A，1996）。在评价现有可达性分析方法的基础上，本书提出了基于ArcGIS的可达性分析思路和分析方法，较好解决了可达性分析当中封闭路网的出入口处理问题，并且通过VB编写的AccAVG插件容易嵌入ArcGIS工具模块，移植性好。

本书深入分析了江苏省4个研究年度的可达性变化。结果表明，江苏省可达性改善明显，整体可达性平均改善高达42.8%。全省可达性改善并不均衡，可达性最小值1996年向南南西方向偏移，2002年向南南东方向偏移，2008年向北偏移。这也从另一侧面反映了江苏交通建设的发展情况，首先是围绕南京为核心的交通建设，其次是改善整个苏南地区的交通，2002年以后，开始逐步改善苏中苏北地区的交通，使全省可达性值改善程度逐步走向均衡，全省交通结构也逐步走向完善。江苏省三大区域可达性改善差异较大，苏南可达性改善最为明显，苏北次之，苏中在整个研究期间均落后于苏南和苏北。通过分析江苏省高速公路路网建设和可达性之间的相关性可得出结论，即交通建设对区域可达性的影响符合边际效用递减原理，即在交通欠发达地区投资的可达性效益要高于交通发达地区。

通过GIS空间分析技术和VB编程语言，对江苏省65个研究单元两两之间的直线距离、1990—2008年的可达性数据进行了挖掘和提取。结果表明，江苏省城市间可达性改善明显，城市间可达性结构由“纺锤形”向“倒金字塔形”转变，城市间可达性总体差距在不断缩小，城市间联系更加紧密。自然条件和区位条件的不同，影响了城市间可达性的改善，使城市间可达性改善并不均衡。距离和阻隔是影响可达性的自然因素，交通建设是影响可达性的社会因素，两者密不可分。交通建设的不均衡发展，将导致城市可达性和区位优势的改变。

本章一是提出并验证了交通建设的边际效应原理，即在交通欠发达地区投资的可达性效益要高于交通发达地区，这将为交通投资决策提供理论依据和实例支撑；二是提出了距离和阻隔是影响可达性的自然因素，交通建设是影响可达性的社会因素，随着社会的发展和进步，交通建设将逐步成为影响城市可达性并最终改变城市区位条件的主要因素；三是由于距离衰减规律的存在，交通建设对长距离的可达性改善程度要优于短距离的可达性改善程度。

本章的创新点主要体现在方法创新，通过VB编程语言，以ArcGIS为平台，通过GIS的数据挖掘技术和方法，提取了4个研究年度65个研究单元的两两可达性数据，并提取了65个研究单元的两两直线距离数据，获得海量数据库。正因为数据量太大，以往的研究均在小范围内进行，提取数据量很有限。本研究通过海量数据的提取和分析，为能发现小范围研究所不能发现的现象和规律奠定了坚实的基础。