基于GIS的山西省黃河板塊旅游資源交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

顏偉， 劉敏， 李亞麗

太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院， 山西 晉中 030619

0 引言

旅游交通是指為旅游者從客源地到目的地的往返，以及在旅游目的地各處進(jìn)行各種旅游活動(dòng)所提供的交通設(shè)施服務(wù)[1].作為旅游地發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，交通路線的設(shè)計(jì)將影響到旅游地的服務(wù)水平和吸引力.目前旅游交通路線研究已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，如滕聰[2]運(yùn)用計(jì)算機(jī)算法制定最優(yōu)旅游線路；張洋[3]基于WebGIS平臺(tái)構(gòu)建新疆旅游信息系統(tǒng)，初步建立起新疆旅游線路體系；李淵[4]考慮游客的游憩時(shí)間和空間行為，采用GPS數(shù)據(jù)和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)模型分析游客對(duì)旅游景點(diǎn)的偏好，再以GIS設(shè)計(jì)最優(yōu)路線；Manoj[5]將地理信息系統(tǒng)與遺傳算法相結(jié)合，研究各種成本對(duì)路線選擇的影響，設(shè)計(jì)出旅游線路優(yōu)化模型；Beatriz[6]通過(guò)數(shù)學(xué)模型和交互式多標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，為游客規(guī)劃出個(gè)性化旅游線路；李鵬[7]以GIS格網(wǎng)化空間分析方法規(guī)劃出青島市專題旅游線路；它們闡述的是在現(xiàn)有旅游路線選取最佳路線的過(guò)程.本文通過(guò)GIS空間分析技術(shù)構(gòu)建了山西省黃河板塊旅游資源的交通網(wǎng)絡(luò)，以期豐富現(xiàn)有的研究成果.

1 研究區(qū)概況

山西黃河段始于偏關(guān)縣，止于垣曲縣，基本涵蓋了黃河中游.據(jù)《山西省黃河板塊旅游發(fā)展總體規(guī)劃》山西黃河板塊主要包括主體區(qū)和關(guān)聯(lián)區(qū)，主體區(qū)主要涉及山西省黃河沿岸地區(qū)的19個(gè)縣(市)；關(guān)聯(lián)區(qū)主要為主體區(qū)之外的呂梁山區(qū)和中條山區(qū)，涉及30個(gè)縣(市).

黃河板塊內(nèi)旅游資源種類多，總量豐富，資源質(zhì)量高；人文旅游資源占主導(dǎo)地位，影響范圍廣；多數(shù)旅游資源人文和自然屬性兼有，地域空間組群性好；特色資源區(qū)域呈規(guī)模化呈現(xiàn).

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用底圖來(lái)源于山西省人民政府網(wǎng)(http://www.shanxi.gov.cn/)公布的《山西省黃河板塊旅游發(fā)展總體規(guī)劃(2018年～2025年)》，比例尺為1∶500 000的山西省政區(qū)圖和交通圖[8].山西省土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自資源環(huán)境數(shù)據(jù)云(http://www.resdc.cn/Default.aspx)所下載分辨率為1 KM柵格數(shù)據(jù).山西省高程數(shù)據(jù)來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)公布的精度為30 M的SRTM(Stultle Radar Topography Mission)數(shù)字高程圖.

3 研究方法

3.1 山西省黃河板塊旅游公路選線的影響因素評(píng)價(jià)體系

旅游公路選線涉及多方面因素，這些影響因素主要包括：自然因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素以及技術(shù)因素等.本文以現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合分析國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，選取4個(gè)影響因素，即土地利用、現(xiàn)有公路網(wǎng)、地形因素、水文條件等.其中土地利用因素由耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦以及居民用地、未利用土地等因子構(gòu)成.現(xiàn)有公路網(wǎng)主要包括高速公路、國(guó)道、省道、縣道、鄉(xiāng)道.地形因素主要由坡度、坡向和起伏度因子構(gòu)成.水文條件主要包括現(xiàn)有河流和海拔因子.由于各影響因素和因子對(duì)最終選線結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同的影響程度，本研究以專家打分法和層次分析法[9]確定權(quán)重.具體定權(quán)過(guò)程如下：

(1)對(duì)山西省黃河板塊旅游公路選線的影響因素評(píng)價(jià)體系中同一層中的各組成因子相對(duì)于上一層的同一因子的重要程度進(jìn)行兩兩比較來(lái)構(gòu)建判斷矩陣，如下所示：

其中，F(xiàn)ij(i,j=1,2,...,m)表示以上一層的評(píng)價(jià)為標(biāo)準(zhǔn)，下一層中第i個(gè)因素對(duì)于第j個(gè)因素的相對(duì)重要程度.取值采用1～9標(biāo)度法，其中判斷矩陣應(yīng)滿足Fij>0;Fij=1;Fij=1/Fji.

(2)以判斷矩陣為基礎(chǔ)，對(duì)評(píng)價(jià)因子賦值并通過(guò)一致性檢驗(yàn).具體計(jì)算步驟如下：

①計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積

②計(jì)算Ni的n次方根

④計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax：

⑤ 一致性檢驗(yàn)

CI=λmax-n/n-1,CR=CI/RI.其中，n為判斷矩證階數(shù)，CI為一致性指標(biāo)，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(表1).當(dāng)CI=0時(shí)表示矩陣滿足一致性條件，當(dāng)CI≠0，且CR≤0.1時(shí)，則矩陣滿足一致性.

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.1 Average random consistency index

基于以上計(jì)算步驟計(jì)算出各影響因素和因子的指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表2.

表2 影響因素及其子因子的權(quán)重Tab.2 The weight of influencing factors and their sub-factors

3.2 影響因素柵格數(shù)據(jù)集的生成

3.2.1 土地利用柵格數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

公路建設(shè)首要考慮要素就是建設(shè)區(qū)域的土地利用，特別注意要處理好建設(shè)用地與耕地、林地等之間的關(guān)系.根據(jù)相關(guān)政策規(guī)定，公路建設(shè)應(yīng)做到盡量少占或不占用耕地、林地以及城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，可選擇未利用土地(荒地、沙地)進(jìn)行建設(shè).本研究采用ArcGIS 10.5中“重分類”功能，依據(jù)各類型土地利用對(duì)最終選線結(jié)果的權(quán)重值(表2)，將山西省土地利用重分6個(gè)等級(jí)，生成土地利用柵格數(shù)據(jù)，如圖1所示.

圖1 土地利用數(shù)據(jù)集

3.2.2 現(xiàn)有公路網(wǎng)柵格數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

新修公路需處理好與原有公路之間的關(guān)系，可充分利用原有公路，對(duì)原有公路進(jìn)行等級(jí)升級(jí)達(dá)到新修公路等級(jí).若原有公路高于二級(jí)，可留作輔路.運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)山西省交通圖中公路網(wǎng)進(jìn)行矢量化處理，利用空間分析工具中的“歐氏距離”，生成公路兩側(cè)影響范圍的柵格數(shù)據(jù)集，再將各因子權(quán)重疊加產(chǎn)生現(xiàn)有公路網(wǎng)柵格數(shù)據(jù)，如圖2所示.

圖2 現(xiàn)有公路數(shù)據(jù)集

3.2.3 地形條件柵格數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

公路選線盡量避免起伏度較大、地形復(fù)雜地區(qū)，應(yīng)選擇地勢(shì)坡度平緩地帶.同時(shí)考慮研究區(qū)氣候因素，尤其冬季降雪，在一定程度上限制了來(lái)往車輛行駛.因此，公路選線盡量選擇陽(yáng)面坡上.地形起伏度是指特定的區(qū)域內(nèi)，最高點(diǎn)海拔與最低點(diǎn)海拔的差值.它是描述一個(gè)區(qū)域地形特征的宏觀性指標(biāo).基于ArcGIS空間分析，將地形起伏度、坡度、坡向“重分類”10個(gè)等級(jí)，生成柵格數(shù)據(jù).依據(jù)表2地形起伏度、坡度、坡向權(quán)重值，三者加權(quán)總和，獲取地形條件柵格，如圖3所示.

圖3 地形條件數(shù)據(jù)集

3.2.4 水文條件柵格數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

公路建設(shè)遇到河流、湖泊時(shí)，需架橋通過(guò)，在一定程度上增加建設(shè)成本.所以，公路選線盡量避開(kāi)河流、湖泊，選擇地勢(shì)較高的分水嶺處.河流因子數(shù)據(jù)集的產(chǎn)生是采用ArcGIS空間分析工具中“歐式距離”生成河流兩側(cè)影響范圍的柵格數(shù)據(jù)集，依據(jù)緩沖距離的大小對(duì)柵格數(shù)據(jù)集重分10個(gè)類別.地勢(shì)因子主要提取分水嶺.以黃河板塊DEM為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用ArcGIS中Spatial Analyst工具中的鄰域分析提取正地形數(shù)據(jù)，通過(guò)水文分析方法[10]計(jì)算河流匯流累積量，最后運(yùn)用柵格計(jì)算器將二者疊加相乘生成地勢(shì)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù).最終將河流因子與地勢(shì)因子權(quán)重疊加產(chǎn)生水文條件柵格數(shù)據(jù)，如圖4所示.

圖4 水文條件數(shù)據(jù)集

3.2.5 綜合成本柵格數(shù)據(jù)集的產(chǎn)生

據(jù)表2層次分析法確定影響因素的指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用ArcGIS中Spatial Analyst工具中的加權(quán)總和，對(duì)土地利用、現(xiàn)有公路網(wǎng)、地形條件、水文條件數(shù)據(jù)集進(jìn)行權(quán)重疊加，生成綜合成本數(shù)據(jù)集.如圖5所示，綜合成本數(shù)據(jù)集反映出公路建設(shè)成本，二者呈正相關(guān)關(guān)系，即綜合成本值越大公路建設(shè)成本亦越大，反之亦然.

圖5 綜合成本數(shù)據(jù)集

3.3 旅游資源點(diǎn)及各區(qū)縣行政中心提取方法

據(jù)《山西省黃河板塊旅游發(fā)展總體規(guī)劃》中旅游公路支線、連接線道路規(guī)劃中顯示，旅游公路支線是連接黃河板塊區(qū)域內(nèi)A級(jí)及以上景區(qū)的旅游公路，包括主線—A級(jí)(及以上)景區(qū)旅游公路、A級(jí)(及以上)景區(qū)—A級(jí)(及以上)景區(qū)旅游公路，其主要作用是分流主線路旅游交通量至各個(gè)重要景區(qū)景點(diǎn)，串珠成鏈，連線成網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域均衡發(fā)展.旅游公路連接線是連接黃河板塊區(qū)域內(nèi)其他非A級(jí)景區(qū)的旅游公路，包括主線—景區(qū)旅游公路、支線—景區(qū)旅游公路、景區(qū)—景區(qū)旅游公路，同時(shí)為推動(dòng)鄉(xiāng)村旅游，落實(shí)農(nóng)村精準(zhǔn)扶貧的重要建設(shè)內(nèi)容，將連接特色鄉(xiāng)村、重要扶貧村的旅游公路一并納入旅游公路連接線中考慮.本文基于以上規(guī)劃內(nèi)容，選擇黃河板塊內(nèi)優(yōu)良旅游資源及各區(qū)縣行政中心來(lái)構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò).《山西省黃河板塊旅游發(fā)展總體規(guī)劃》中黃河旅游板塊區(qū)位圖、旅游資源分布圖的矢量范圍，與比列尺為1∶500 000的山西省政區(qū)圖和交通圖進(jìn)行矢量疊加分析，提取出優(yōu)良旅游資源點(diǎn)及各區(qū)縣行政中心點(diǎn).

3.4 基于最小成本路徑的旅游交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

構(gòu)建旅游交通網(wǎng)絡(luò)可以解決“城景通”“景景通”和“最后一公里”障礙問(wèn)題，增強(qiáng)旅游資源間的連接度，組成便捷的板塊旅游道路交通網(wǎng).最小成本路徑原理是修建旅游客源地和目的地之間公路所耗費(fèi)的累計(jì)成本值.該數(shù)學(xué)模型[11](公式1)具有運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理及應(yīng)用較廣等特點(diǎn).通過(guò)計(jì)算客源地和目的地間的最小累計(jì)成本來(lái)設(shè)計(jì)二者間的連接線路，能夠?yàn)槁糜喂返穆肪€設(shè)計(jì)提供借鑒意義.

(1)

式中，MCR為最小累計(jì)成本值，fmin為客源地和目的地間最小累計(jì)成本值，Dij表示游客從客源地j到目的地i的空間距離，Ri表示旅游目的地i的成本值.(Dij×Ri)的值是衡量游客從j到空間某點(diǎn)的路徑的相對(duì)容易到達(dá)程度.

4 結(jié)果與分析

4.1 山西省黃河板塊旅游公路選線的影響因素重要性分析

本文構(gòu)建黃河板塊旅游資源最佳交通網(wǎng)絡(luò)，選取了4個(gè)影響因素及16個(gè)影響因子(表2).以專家打分為基礎(chǔ)，運(yùn)用層次分析法計(jì)算權(quán)重并進(jìn)行排序，權(quán)重值高的表明影響因素及因子在構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)的重要性大，反之亦然.分析表2可知，影響因素層權(quán)重由高到低依次為土地利用、地形條件、水文條件、現(xiàn)有公路網(wǎng).其中土地利用的權(quán)重值0.476 5位于首位，遠(yuǎn)高于均值0.250 0.由于公路建設(shè)會(huì)占用大量的土地，所以公路建設(shè)必須處理好與原有耕地之間的關(guān)系，特別是旅游景區(qū)之間的公路建設(shè)應(yīng)遵守《土地管理法》規(guī)定的“十分珍惜、合理利用土地和切實(shí)保護(hù)耕地”的基本國(guó)策.地形條件的權(quán)重值0.287 9位于第二位，高出位于第三位水文條件權(quán)重值0.133 2.說(shuō)明公路建設(shè)應(yīng)避開(kāi)坡度高、地形起伏度大的地區(qū)，同時(shí)考慮雨雪天氣，應(yīng)選擇地勢(shì)平緩的陽(yáng)坡地形條件.水文條件權(quán)重值0.154 7處于第三位，低于均值0.250 0.為了協(xié)調(diào)公路建設(shè)與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，公路選線應(yīng)避開(kāi)河流、沼澤地，盡可能靠近地勢(shì)較高的分水嶺處，這樣有利于降低公路的建設(shè)成本.現(xiàn)有公路網(wǎng)以0.081 0的權(quán)重值位于末位，表明新修公路應(yīng)盡可能利用原有的道路系統(tǒng)作為輔道.土地利用中6個(gè)因子重要性依次為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地、耕地、水域、林地、草地、未利用土地等，其中水域中的河流歸類到水文條件中，交通運(yùn)輸用地歸類到現(xiàn)有公路網(wǎng)中；現(xiàn)有公路網(wǎng)5個(gè)影響因子重要性依次為高速公路、國(guó)道、省道、縣道、鄉(xiāng)道等；地形條件中坡度與起伏度同等重要，比坡向稍重要.水文條件中河流因子重要性高于地勢(shì)因子.

4.2 旅游資源點(diǎn)及各區(qū)縣行政中心提取結(jié)果

對(duì)山西省黃河板塊旅游發(fā)展總體規(guī)劃綱要中黃河旅游板塊區(qū)位圖、旅游資源評(píng)價(jià)圖的矢量范圍與山西省政區(qū)圖進(jìn)行矢量化疊加，共提取優(yōu)良旅游資源81個(gè)，區(qū)縣行政中心44個(gè)，并對(duì)山西省黃河板塊優(yōu)良旅游資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3).

表3 旅游資源類型分類統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Tourism resource type classification statistical table

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 18972-2017)對(duì)黃河板塊優(yōu)良旅游資源進(jìn)行分類，結(jié)果見(jiàn)表3.由表可知建筑與設(shè)施類旅游資源占旅游資源總數(shù)量的約35.80 %，主要分布在運(yùn)城市與呂梁市，其他各市如忻州市、太原市、臨汾市也零星分布；水域風(fēng)光類占比例約為23.46 %，主要分布在運(yùn)城市、呂梁市、臨汾市，這些旅游資源點(diǎn)主要分布于黃河沿岸，以黃河景觀為主；地文景觀占比例為17.28 %，主要分布于運(yùn)城市與呂梁市，地文景觀中山丘型景觀居多.遺址遺跡約占12.35 %，主要集中在呂梁市，旅游資源主要以革命舊址為主.自然保護(hù)區(qū)約占11.11 %，主要分布于臨汾市、呂梁市，由于呂梁山植被類型多樣，物種豐富，形成了多個(gè)自然保護(hù)區(qū).

4.3 旅游資源交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

綜合成本值的確定是構(gòu)建旅游資源點(diǎn)及各區(qū)縣行政中心最佳交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，本文運(yùn)用層次分析法計(jì)算出各影響因素的權(quán)重，采用ArcGIS中Spatial Analyst工具中的加權(quán)總和，得出山西黃河板塊綜合成本值(圖5).運(yùn)用公式1計(jì)算出81個(gè)優(yōu)良旅游資源點(diǎn)及44個(gè)行政中心間的最小成本路徑，共121條(圖6).對(duì)研究區(qū)121條最小成本路徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.由最短路徑分布及數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖(圖7和圖8)可知，呂梁市和運(yùn)城市路徑數(shù)量最多，路徑數(shù)量超過(guò)了35條，忻州市、太原市、晉中市的路徑數(shù)量最少，分別為8條、10條、1條，臨汾市約為22條.通過(guò)對(duì)路徑長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)分析，呂梁市、臨汾市、運(yùn)城市總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，長(zhǎng)度大于60 km，忻州市、太原市、晉中市路徑長(zhǎng)度較短，分別為21 km、15 km、3 km.分析可知，路徑數(shù)量與路徑長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)系，即路徑數(shù)量越多，路徑總長(zhǎng)度越長(zhǎng).由于呂梁市、臨汾市和運(yùn)城市旅游資源點(diǎn)分布較多，景區(qū)與景區(qū)之間連通性較強(qiáng).忻州市、太原市、晉中市只有少部分區(qū)域位于黃河板塊，旅游資源點(diǎn)分布較少，景區(qū)之間連接的路徑相對(duì)較少.

圖6 旅游資源交通網(wǎng)絡(luò)

圖7 各地區(qū)路徑數(shù)量

圖8 各地區(qū)路徑長(zhǎng)度Fig.8 Path length of each region

5 結(jié)論與不足

5.1 結(jié)論

本文基于層次分析法、專題地圖矢量化疊加、GIS空間分析等技術(shù)對(duì)旅游資源之間交通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提出了一個(gè)設(shè)計(jì)模型和實(shí)證分析，主要得出了以下結(jié)論：

(1)對(duì)于山西省黃河板塊旅游公路選線影響因素分析，影響因素重要性由高到低依次為土地利用、地形條件、水文條件、現(xiàn)有公路網(wǎng)，基于影響因素和因子的權(quán)重，運(yùn)用加權(quán)疊加法構(gòu)建綜合成本值.

(2)山西省黃河板塊優(yōu)良旅游資源類型多樣，主要以建筑與設(shè)施為主，水域風(fēng)光、地文景觀、遺址遺跡、自然保護(hù)區(qū)占比例相對(duì)較小，分別占總數(shù)量的23.46 %，17.28 %，12.35 %，11.11 %.

(3)以山西省黃河板塊旅游公路選線的綜合成本值為基礎(chǔ)，采用最小成本路徑數(shù)學(xué)模型提取出121條路線，構(gòu)成山西省黃河板塊旅游資源交通網(wǎng)絡(luò)，對(duì)最小成本路徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.其中運(yùn)城市和呂梁市最短路徑數(shù)量最多，同時(shí)兩市路徑總長(zhǎng)度最長(zhǎng)，達(dá)到65 km以上.

5.2 不足

本研究還存在以下不足.首先土地利用數(shù)據(jù)分辨率為1 km，分辨率較低，容易產(chǎn)生較大誤差.其次本文僅僅基于最小成本路徑構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)，未能對(duì)比分析構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)前后時(shí)間成本的變化.最后，在人本思潮影響下，未能考慮旅游者的個(gè)人偏好.這三方面不足是下一步研究需要改進(jìn)之處.