多重因素下西南边疆地区中心城市空间可达性分析——以云南省为例*
时间：2023-03-04 18:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
李繁繁,陈长瑶,2，杨旺舟
(1.云南师范大学 经济与管理学院，云南 昆明 650500；
2.云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500)
区域、城市或城市内部某一地点的位置影响其参与经济活动的可能性与便捷性.增长极理论、“点-轴”开发理论和网络理论都表明区域经济的发展与其所处位置有不可忽视的重要关系.这种位置关系是造成区域经济发展空间差异的重要原因，也是区域整体规划的重要考虑因素.空间可达性是用来衡量某地所处位置与中心地区关系的一个重要指标.可达性的研究最早起源于古典区位论中对位置优劣程度的度量[1]，后来Hansen首次对可达性进行定义[2].随着国内外可达性研究的发展，目前可达性有着广泛的应用，如旅游景区的规划[3]和优化[4]、城市腹地的划分[5-6]、医疗资源分布合理性的评估[7]、人口分布的研究[8]以及对反贫困作用的分析[9]等.可达性与经济发展呈正相关[10]，可达性的改善有助于提高投资的效率[11]，增强区域空间经济联系[12].目前对可达性的度量可采用多种方式方法，如加权平均旅行时间[13]、构建综合可达性指标[14]、构建网络拓扑关系[15]、进行栅格分析[16]或运用插值法对区域整体进行模拟[17]等.
空间可达性更强调区域空间的每一位置距离中心发达地区的可达性,这决定着是否有机会参与到发达地区经济发展的分工之中，影响到该地区经济发展的前景[18].空间可达性越好则表示该位置与外界的连通性越好，经济发展的潜力越大[19-21].随着对区域协调发展的重视，对区域内部所有位置空间可达性的研究不再局限于交通道路网络，研究方法需要不断改进，研究精度也需要不断提高.张莉等[22]将交通道路网格外的非道路区域统一设定默认速度；
沈惊宏等[23]对湖泊、高山和江河等非道路进行区别并设定速度；
孟德友等[24]考虑到高速公路的封闭性，对高速公路等封闭道路设定了道路阻隔层；
吴旗韬等[25]将非道路区域与土地利用类型和高程相结合，进一步提高了模拟精度.
从已有的研究中可以发现，通过对不同数据的综合利用可以提高精度，但不同区域具有特殊性，如西部的高海拔、多山脉地区本身交通基础设施建设条件匮乏，绝对海拔高度对可达性的影响难以成为重要因素；
现有研究对交通路网数据较少使用低等级道路，如县道和乡道等，而在山地区域，像云南的山区由于过境道路少，交通相对不发达，此时低等级道路成为高等级道路的重要补充.综合考虑交通路网、土地利用和地面坡度情况，通过栅格分析和成本距离工具等方法对云南省中心城市的空间可达性进行研究，将有助于更精确地识别区域经济发展的潜力，为城市的发展定位、区域内部协调发展以及交通基础设施的规划等提供一定的科学参考.
云南省地处中国西南边陲，位于东经97°31′～106°11′和北纬21°8′～29°15′之间.云南省属山地高原地形，山地面积3.31×105km2，全省地势西北高、东南低，自北向南呈阶梯状逐级下降.省内共有8个自治州和8个地级市，由于自治州的特殊性，将8个地级市和8个自治州的市、州政府所在地定义为中心城市.十三五期间，云南省综合交通完成从“基本缓解”到“基本适应”的重大转变，新增高速公路5 000 km，交通基础设施投资1.15×1012元，路网覆盖面进一步扩大，为经济发展提供坚实的基础.
使用的路网矢量数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(https://www.webmap.cn)1∶100万公众版基础地理信息数据(2021)；
土地覆盖数据来源于30米全球地表覆盖数据“GlobeLand30”2020年数据(http://www.globallandcover.com)，共分为10个一级土地利用类型；
数字高程模型数据从地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)上获取，空间分辨率为30 m.各中心城市源位置为州、市政府所在地理位置，通过百度坐标拾取系统获取地理坐标并经过相应的转换确定.
3.1 数据预处理与研究技术路线
首先，对道路矢量数据栅格化处理.为提高精度，栅格像元选择30 m×30 m；
其次，构建封闭道路图层.从路网数据中将高速公路、高速铁路和普通铁路提取出来，构建缓冲区.为防止缓冲区设置过小造成无法覆盖封闭道路栅格，设置缓冲区为封闭道路两侧60 m宽度[26]，并进行栅格化处理.运用ArcGIS表面分析功能，由DEM数据计算出坡度栅格数据.为保证空间分辨率相同，所有像元大小设置为30 m×30 m.研究技术路线如图1所示.
图1 空间可达性研究技术路线图Fig.1 Technical roadmap for spatial accessibility research
3.2 速度赋值与成本计算
按照中国《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)与《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)，参考陈伟等[27]的研究，结合边疆山区特殊地理条件，对不同交通方式的速度设定倾向于道路速度规范下限，分别为：高速铁路250 km/h，普通铁路100 km/h，高速公路100 km/h，一级公路70 km/h，二级公路60 km/h，三级公路50 km/h，三级公路以下40 km/h，封闭道路缓冲区1 km/h.考虑到非道路区域通行速度一般低于交通道路区域，不同土地利用类型的速度具有差异化特征，参考吴旗韬等[25]的研究，根据差异化赋值原则，将不同土地利用类型速度赋值为耕地15 km/h，林地10 km/h，草地20 km/h，灌木地5 km/h，湿地2 km/h，水体1 km/h，人造地表30 km/h，裸地2 km/h，冰川和永久积雪1 km/h.由于云南省全省平均海拔2 000 m，特殊的地理环境条件决定绝对海拔高度难以成为影响可达性的重要因素.在地形因素上，国际地理学会地貌调查和野外制图专业委员会将坡度分为7级:0°～2°为平原至微倾斜坡，2°～5°为缓倾斜坡，5°～15°为斜坡，15°～25°为陡坡，25°～35°为急坡，35°～55°为急陡坡，>55°为垂直坡.选择坡度大于35°的像元作为阻隔层，速度赋值1 km/h.所有速度赋值中，速度设定为1 km/h表示该像元难以通过.根据速度赋值，利用公式(1)计算单元栅格通行时间作为时间成本.
(1)
其中，T表示单元栅格通行时间成本，单位为s;l表示单元栅格长度，单位为m;v表示单元栅格通行速度，单位为km/h.计算出的时间成本值如表1所示.
表1 不同类型栅格时间成本表Table 1 Time cost of different types of grids
将不同的成本图层进行叠加，叠加时遵循的优先级规则为交通道路>阻隔层>土地属性类型.经过技术性处理后得到综合成本栅格数据，如图2a所示，共518 095 559个栅格像元，用来表征经过单元栅格时需要耗费的阻抗.封闭道路阻隔层设定如图2b所示，封闭道路与其他道路相交时打通缓冲区，如图2c所示.
该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266的标准地图制作，底图无修改．图2 综合成本栅格及细节图Fig.2 Comprehensive cost grid and detail diagram
3.3 成本距离计算
利用ArcGIS中的成本距离方法计算任意像元到成本面上最近源位置的最小累积成本距离，计算公式如(2)式所示.
(2)
其中，Ai表示像元的最小累积成本路径，Ti为经过第i个栅格所需耗费的成本值，Ti+1为经过第i+1个栅格所需耗费的成本值，n为栅格像元到最近源位置所需要经过的栅格总数.Ai越小则说明所需耗费的成本越小，可达性程度越高.州、市中心城区是资源聚集程度和经济发展水平较高的区域，对周边地区吸引力强，故选取各州府、市政府所在地作为可达性水平计算的源位置.
4.1 整体可达性分析
运用ArcGIS成本距离工具计算出云南省空间可达性水平，如图3所示.
该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266的标准地图制作，底图无修改．
可以看出，2020年云南省空间可达性水平东部高于西部，呈块状的空间分布形态.滇中城市群作为云南省经济发展的“领头羊”，空间可达性水平高，昆明市、玉溪市、曲靖市和楚雄彝族自治州趋于一体化.这可能是由于一方面滇中地区地处平原坝子，利于城市扩张和交通基础设施建设，另一方面滇中城市群成员本身在地理位置上距离较近，提供了较好的现实基础.由滇中地区往西，“昆-楚-大”城际高铁的开通提高了云南省东西部地区的时空收敛，高空间可达性水平地区主要沿交通基础设施呈条状分布，随距离交通基础设施的地理距离的增加而衰减.滇南地区的普洱市、西双版纳傣族自治州及滇东南红河哈尼族彝族自治州和文山壮族苗族自治州呈现“抱团”区域融合形势.但由于红河哈尼族彝族自治州和文山壮族苗族自治州距离滇中地区地理位置较近，且红河哈尼族彝族自治州部分区县已划入滇中城市群规划范围，因此红河哈尼族彝族自治州和文山壮族苗族自治州对滇中城市群融入程度相对较好，而普洱市与滇中地区存在明显的断裂.昭通市和临沧市与周边中心城市地理距离较远，其本身经济发展水平较低，受时间成本距离的制约形成可达性“孤岛”.滇西北地区怒江傈僳族自治州是云南省海拔最高的地区，多为高山陡坡，山区半山区面积大，空间可达性最低.
通过对各地区交通可达性进行分区统计，并根据地区空间可达性平均水平和标准差进行排序，如表2所示.
表2 云南省各州市平均空间可达性水平和标准差Table 2 Average spatial accessibility levels and standard deviations of prefectures in Yunnan province
将云南省16州、市平均空间可达性水平按自然断裂点方法分为高可达性、中等可达性和低可达性三类.高可达性的州、市共有10个，分别为昆明市、大理白族自治州、保山市、玉溪市、西双版纳傣族自治州、曲靖市、楚雄彝族自治州、红河哈尼族彝族自治州、文山壮族苗族自治州和德宏傣族景颇族自治州；
中等可达性5个，分别为丽江市、昭通市、临沧市、普洱市和迪庆藏族自治州；
低可达性仅有怒江傈僳族自治州1个.全省平均空间可达性为2.068 8 h.从整体上来看，云南省空间可达性水平较高，最高为昆明市1.447 4 h，最低为怒江傈僳族自治州4.126 2 h.从各州市内部看，作为云南省经济政治中心和交通枢纽城市，昆明市平均空间可达性水平最高，但标准差为0.924 3 h，说明存在较大的区域不平衡现象.这主要是因为北部禄劝彝族苗族自治县和东川区等地多山脉，空间可达性水平较低，与主城区的高可达性差异过大.大理白族自治州作为通往滇西南和滇西北的重要交通枢纽，平均空间可达性水平为1.480 7 h，标准差0.721 7 h，空间可达性属于全省较好水平.西双版纳傣族自治州、保山市和曲靖市等地标准差水平较小，这可能是由于这三个州、市中通行成本极高的栅格单元(如水体、冰川和永久积雪、道路缓冲区以及大于35°坡度)在数量上相对较少，空间可达性的差异较小，故均衡性较好.
4.2 城市等时圈分析
城市等时圈是指以城市中心为起点，在特定时间内能够到达的距离覆盖的范围.根据对等时圈的划分可以识别城市腹地范围和发展的可能性边界，有助于进一步发挥中心城区的辐射带动作用，推动区域经济统筹和协调发展.将云南省等时圈划分3类，分别为0～1 h、1～2 h、2～3 h.其中，0～1 h范围内表示中心城市发展的核心腹地，主要是各城市中心城区；
1～2 h为城市发展可能性边界区域，是城市发展扩张的潜力范围；
2～3 h主要为城市边缘地区，对资源的吸收和辐射力散发均存在一定的难度.等时圈划分结果如图4所示.
云南省0～1 h等时圈面积占比17.75%，1～2 h等时圈面积占比36.16%，2～3 h等时圈面积占比27.52%，0～3 h等时圈占总面积比例为81.43%，这说明省内大部分空间位置到达最近中心城市的时间成本在3 h以内.滇中城市群0～3 h等时圈面积占全部面积比例为94.84%，0～1 h占比27.39%，1～2 h占比44.44%，2～3 h占比23.01%.1 h等时圈是区域经济协调发展的基础条件，在交通1 h可到达的范围内，具有较明显的集聚效应和竞争优势，也表征区域间融合程度.相对云南省总体水平，滇中城市群0～1 h等时圈面积占比是全省0～1 h的1.54倍.以昆明为中心，昆明市、曲靖市、玉溪市和楚雄彝族自治州在1 h等时圈上趋向于区域的空间融合.
该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266的标准地图制作，底图无修改．图4 云南省各州市等时圈划分图Fig.4 Isochronal circle partition of prefectures in Yunnan province
对各州市等时圈进行裁剪，以WGS 1984投影坐标系对各州市不同等时圈面积进行统计，结果如表3所示.
0～1 h等时圈面积最大的地区为昆明市，为10 443.81 km2，其次为大理白族自治州，为10 088.19 km2.这可能是由于昆明市和大理白族自治州都处于交通枢纽地区，经济发展水平较高，交通网络蔓延地区广阔，空间可达性水平高.0～1 h等时圈面积最小地区为怒江傈僳族自治州，为1 106.94 km2.从不同等时圈的面积大小来看，除昆明市外，各州市0～1 h等时圈面积均低于1～2 h等时圈.昆明0～1 h面积大于1～2 h 面积是在多重因素作用下1 h等时圈面积扩张的结果，也预演了其他城市未来可达性扩张的路径；
2～3 h等时圈面积大于1～2 h等时圈面积的州市仅有昭通市、丽江市、普洱市、临沧市和怒江傈僳族自治州.其中，昭通市两者差别较小，可能是东北部山区对2 h等时圈的扩张造成了屏障.而丽江市、普洱市、临沧市和怒江傈僳族自治州由于多高山陡坡地区，等时圈向外扩张受到阻碍.
表3 云南省各州市等时圈面积统计表Table 3 Statistical table of isochronal area of prefectures in Yunnan province
通过综合土地利用数据、坡度数据和综合交通网络，结合边疆山区地区的地理特性，运用栅格分析和成本距离工具等方法，对云南省中心城市的空间可达性水平进行了更为精确地模拟.从整体上而言，云南省空间可达性呈东部高、西部低的块状空间分布特征.空间可达性较好的地区多是沿交通基础设施周边分布，其中滇中城市群基本实现空间融合.部分州、市属于可达性较弱地区，如临沧市和昭通市形成可达性“孤岛”，可以对这些地区加强政策和资金的倾斜，增加快速交通基础设施建设，提高区域间时空收敛程度.而怒江傈僳族自治州由于山地面积占比较高，州府所在地位置特殊，地区经济发展应打破行政单元壁垒，提高各种资源和要素的流动效率.省内处于交通枢纽的地区，如大理白族自治州，空间可达性水平较高.大理白族自治州、保山市和德宏傣族景颇族自治州作为面向东南亚的重要窗口地区，应积极加强区域间经济合作程度，打造成云南省西部地区城市群.
基于数据的可得性，仅选择2020年作为研究时点，对西南边疆地区中心城市空间可达性进行了研究.研究结果反映了现阶段云南省中心城市空间可达性的空间特征.由于土地覆盖数据在短时间内变化较小，且数据可得性较低，需要在更长的研究时间区间上考虑区域空间可达性的变化，以准确地把握区域发展演变的规律，这也将是未来研究的重要方向.
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