ArCGIS空間分析技術(shù)在公路棄土場選址中的應用

韋波 羅建干 麥格 秦秋文

摘要：文章在各行業(yè)GIS數(shù)據(jù)庫建設不斷完善的背景下，分析棄土場選址的影響因素，收集并處理與棄土場選址因子相關(guān)的GIS空間數(shù)據(jù)，并采用ArcGIS空間分析模塊，確定設計公路沿線可選址棄土場適宜位置，為西南丘陵山區(qū)公路棄土場優(yōu)化選址提供參考。

關(guān)鍵詞：ArcGIS;空間分析;棄土場;選址

中圖分類號：U412 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.004

文章編號：1673-4874（2019）07-0010-04

0引言

丘陵山區(qū)地形條件復雜，公路工程建設過程中工程切坡、隧道開挖等產(chǎn)生大量的開挖方及不良路基換填棄方，在施工沿線需合理設置棄土場堆放棄方。當前，公路棄土場選址及使用過程中存在以下問題：（1）棄土場選址存在隨意性，設計階段與施工階段變動較大;（2）選址不合理造成施工成本增加;（3）根據(jù)分標段施工的需要，招投標后施工方往往根據(jù)需要自行選取棄土場，由于對相關(guān)政策缺乏了解，其隨意征用國家禁止占用區(qū)域的土地作為棄土場，因而被停工處罰，延誤施工進度。因此，迫切需要尋找合理、準確和高效的棄土場選址方法，并應用于公路設計、施工、管理當中。

地理信息系統(tǒng)（簡稱GIS）具有強大的采集、存儲、管理數(shù)據(jù)的功能，ArcGIS軟件平臺還提供了強大的空間分析功能和輔助決策功能，這些功能已廣泛應用于城市規(guī)劃、水利工程選址以及礦山等領(lǐng)域的研究。隨著信息化進程的推進，各行各業(yè)都在進行數(shù)據(jù)庫一張圖建設，涉及國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保等相關(guān)部門，均采用ArcGIS軟件平臺，為多部門數(shù)據(jù)的整合、分析、利用提供可能。

空間分析是ArcGIS的核心功能之一，是對空間數(shù)據(jù)的描述性和探索性分析，通過收集整合各行業(yè)部門海量大數(shù)據(jù)，提取需要的新數(shù)據(jù)。ArcGIS空間分析中，棄土場的優(yōu)化選址問題可以描述為在棄土場滿足場地自然條件和政策要求的前提下，通過空間分析模塊測算滿足設定的經(jīng)濟運距條件下的適宜選址空間位置，從而實現(xiàn)公路棄土場的優(yōu)化選址，為公路棄土場的合理選址提供更多方案，完成高效設計作業(yè)，為設計、施工階段提供更為科學合理的棄土場選址建議。

1公路棄土場選址特點及影響因素分析

1.1公路棄土場選址影響因素

公路棄土場科學選址應綜合考慮多方面因素：（1）自然屬性。包括工程地質(zhì)環(huán)境、地形條件、水文條件、環(huán)境狀況、占地等。棄土場選址的安全性是最根本的要求，也是棄土場選址合理的前提條件。（2）經(jīng)濟屬性。經(jīng)濟屬性包含棄方的運輸成本以及棄土場地的使用和恢復成本。（3）社會屬性。棄土場選址要符合相關(guān)部門及行業(yè)規(guī)定，嚴格在政策允許范圍內(nèi)進行選址。禁止在基本農(nóng)田保護區(qū)、自然保護區(qū)、國家Ⅱ級以上公益林等敏感區(qū)域設置棄土場。

1.2棄土場選址研究思路

根據(jù)公路棄土場選址的特點，搜集相關(guān)行業(yè)GIS數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件平臺提取數(shù)據(jù)庫中的影響因素并制作專題地圖，設定相關(guān)因素影響范圍內(nèi)禁止設置棄土場，利用ArcGIS空間分析模塊進行緩沖區(qū)分析，確定公路沿線棄土場選址禁止區(qū)，結(jié)合提取的等高線制作DEM，將各限定因素進行疊加分析，從而得出符合條件的備選棄土場選址區(qū)域。

2數(shù)據(jù)來源及處理

公路棄土場選址技術(shù)流程見圖1。

2.1數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集包括收集場地條件的基礎數(shù)據(jù)以及道路設計成果，根據(jù)棄土場選址的影響因素，收集相關(guān)涉及領(lǐng)域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)。其中基礎數(shù)據(jù)包含線路沿線地形圖數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)資料和自然保護區(qū)總體規(guī)劃、生態(tài)功能區(qū)規(guī)劃、林地資源變更調(diào)查數(shù)據(jù)以及項目道路設計各路段挖填方平衡后需外運的棄方量。

2.2數(shù)據(jù)提取及處理

（1）基礎數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)據(jù)量較大，其中包含大量非相關(guān)信息，在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后，需對獲取的數(shù)據(jù)信息進行處理，提取有用的信息，以減少后續(xù)數(shù)據(jù)分析運行的工作量，減少數(shù)據(jù)分析時間，提高分析運行效率。利用ArcGIS軟件平臺，提取數(shù)據(jù)庫中的交通用地、農(nóng)村道路、水系、居民點、基本農(nóng)田、自然保護區(qū)、國家公益林等屬性數(shù)據(jù)。

（2）公路設計成果數(shù)據(jù)處理。公路設計成果數(shù)據(jù)主要收集CAD格式公路沿線地形地圖數(shù)據(jù)以及進行挖填方計算后各路段棄方量。CAD地形數(shù)據(jù)優(yōu)先采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，由于在公路項目設計工程可行性研究階段未開展外業(yè)測量，可選用矢量化地形圖。所獲取地形圖數(shù)據(jù)非現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，地形圖時效性較差，不能反映現(xiàn)狀道路、居民點等要素，因此，將CAD中除等高線以外的其他要素刪除，保留等高線及高程數(shù)據(jù)，并將所有要素轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標系的空間坐標系統(tǒng)。

將轉(zhuǎn)換后的道路周邊地形圖數(shù)據(jù)導入Arcmap軟件，并對等高線進行賦值，利用3D分析模塊生成TIN表面模型。為保證生成地形模型真實反應現(xiàn)狀地形，采用TIN三維計算模型，建立DEM數(shù)字高程模型，計算公路沿線地形條件滿足作為棄土場要求的場地的地形坡度等要素。

2.3棄土場選址技術(shù)路線

在完成基礎數(shù)據(jù)處理后，選址可分為初步篩查及最優(yōu)化選址兩個步驟。

（1）根據(jù)收集的沿線基礎資料及規(guī)劃資料，制作專題圖層并進行緩沖區(qū)分析，將“棄土場禁止選址區(qū)域”剔除出涉及占用基本農(nóng)田、水源保護區(qū)等相關(guān)因素影響范圍。

（2）在剔除棄土場禁止選址區(qū)域后，結(jié)合棄土場選址的地形要求，初步篩選出備選區(qū)域，根據(jù)場地經(jīng)濟運距要求，選擇合理的選址方案。

3空間分析技術(shù)在棄土場選址中的應用

3.1數(shù)據(jù)收集提取制作專題圖

以興業(yè)高峰至貴港大嶺公路（興業(yè)段）為例，收集項目所在地興業(yè)縣沿線相關(guān)基礎數(shù)據(jù)及設計數(shù)據(jù)，根據(jù)棄土場選址影響因素，提取相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)Arcmap中按照屬性選擇的工具，選取基本農(nóng)田、居民點、城鎮(zhèn)建設用地、河流水面、道路用地等屬性后單獨導出，制作專題地圖。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查收集資料顯示，興業(yè)高峰至貴港大嶺公路（興業(yè)段）擬建道路沿線不涉及國家二級以上公益林及自然保護區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)，因此，只提取交通路網(wǎng)、基本農(nóng)田保護區(qū)、居民點、河流水系等要素。

3.2ArcGlS空間分析

ArcGIS具有強大的空間分析功能，ArcGIS空間分析技術(shù)是空間數(shù)據(jù)處理理論和方法的集成化實現(xiàn)，對包含空間坐標和專業(yè)屬性數(shù)據(jù)進行分析。棄土場選址應用模型影響因素眾多，不能單純依靠數(shù)學工具進行分析。在棄土場優(yōu)化選址過程中，主要利用了空間分析中緩沖區(qū)分析、疊加分析等功能。見圖2～8。

3.2.1緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是ArcGIS空間分析的一種。緩沖區(qū)分析的功能主要是為了建立點、線、面空間實體的鄰近一定范圍內(nèi)或影響范圍區(qū)域。在棄土場選址過程中，運用ArcGIS空間分析模塊中的緩沖區(qū)分析，設定因素影響范圍以確定禁止選址區(qū)域?；谶x址安全性考慮以及相關(guān)行業(yè)對棄土場選址的要求，棄土場禁止選址于基本農(nóng)田保護區(qū)、工程地質(zhì)條件差的地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)、采空區(qū)、國家Ⅱ級以上公益林地、水源保護區(qū)內(nèi)一定范圍、河流兩岸200～500m范圍內(nèi)以及主要匯水區(qū)、居民點及周邊存在棄土場滑坡影響區(qū)域、水源保護區(qū)一定半徑范圍等。對居民點特別是處于棄土場下游承泄區(qū)的居民點進行緩沖區(qū)分析，根據(jù)棄土對居民點的影響范圍設定緩沖半徑，并作為棄土場選址禁止區(qū)域。對水系、居民點等多個影響因子進行緩沖區(qū)分析后，形成新的圖層。根據(jù)本項目特點，沿線未涉及水源保護區(qū)及生態(tài)敏感區(qū)，因此，只對居民點、水系進行緩沖區(qū)分析：棄土場選址區(qū)域距離居民點應≥50m，設定緩沖半徑為50m;河流兩岸200m范圍內(nèi)不設置棄土場，設置河流緩沖區(qū)半徑為200m，進行緩沖區(qū)分析。

3.2.2疊加分析

同時將提取的基本農(nóng)田保護區(qū)、地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)、采空區(qū)、國家Ⅱ級以上公益林地、水系及居民點緩沖區(qū)、相關(guān)自然保護區(qū)核心區(qū)等多個圖層以及緩沖區(qū)圖層進行疊加分析，生成新的圖層，該圖層作為設計公路沿線棄土場禁止選址區(qū)域，反向選取其他區(qū)域作為初步選址備選區(qū)。通過與沿線DEM進行疊加，可以獲得滿足地形條件要求的棄土場選址區(qū)域。本次研究區(qū)域涉及地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)、采空區(qū)、國家Ⅱ級以上公益林地及自然保護區(qū)等生態(tài)功能區(qū)。

3.2.3網(wǎng)絡分析

網(wǎng)絡分析工具是ArcGIS空間分析中路徑優(yōu)化選擇的方法。在進行疊加分析后，剔除禁止選址區(qū)，并加載沿線等高線以及交通路網(wǎng)，通過網(wǎng)絡分析功能，進行定性定量分析。棄土場選址合理性的關(guān)鍵是對棄方運距進行合理計算，尋找最佳經(jīng)濟運距，主要以單位棄方量單位運距的運輸消耗量作為衡量指標。不同道路狀況對運輸?shù)南木哂杏绊?，對于不同道路等級棄方控制距離為：一級公路<5.6km;二級公路控制運距為5.3km;三級公路控制運距為5.0km;四級公路及施工便道控制運距為4.8km和4.3km.新修施工便道運距為2.8km。參考實際棄土場選址過程進行考慮，根據(jù)西南地區(qū)地形條件限制以及涉及不壓占基本農(nóng)田等限制，綜合運距設置為≤10km。因此，根據(jù)調(diào)查，項目區(qū)均為三級及以下道路，設定經(jīng)濟運距為<5km，運距>10km為不適宜選址區(qū)。

3、2.4篩選棄土場

在完成緩沖區(qū)分析和疊加分析后剔除棄土場禁止選址區(qū)，選取剩余場地，并將圖層與沿線DEM模型疊合，根據(jù)棄土場選址的地形要求，在現(xiàn)有交通路網(wǎng)條件下和滿足經(jīng)濟運距基礎上進行篩選，本次共篩選出8處備選棄土場場地。

3.2.5空間統(tǒng)計分析

為進一步測算備選場地容渣量，通過空間統(tǒng)計功能可以獲取棄土場容渣量以及至棄土場擬建道路運距?？梢岳肁rcGIS中的3D分析模塊里的土方分析功能，根據(jù)地形線生成TIN或者柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)棄土場場地設計標高，對棄土場容渣量進行統(tǒng)計。本次研究由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)未對每個備選棄土場場地容渣量進行統(tǒng)計分析。

4結(jié)語

（1）本文以興業(yè)高峰至貴港大嶺公路（興業(yè)段）為例，通過運用ArcGIS空間分析功能，分析項目區(qū)沿線棄土場可選址場地8處，探討了提高棄土場選址的合理性和精度的方法和技術(shù)路徑，減少了不必要的外業(yè)調(diào)查的工作量，同時提高了公路設計精度。對于廣西全區(qū)路網(wǎng)設計、施工、建設管理具有一定借鑒意義。

（2）根據(jù)公路多階段設計特點，在公路不同設計階段對棄土場重新選址，可以直接調(diào)閱前一設計階段每個棄土場選址適宜區(qū)域的運距、容渣量等參數(shù)，提高決策精度和效率，指導工程造價編制和施工方的經(jīng)營。

（3）ArCGIS空間分析模塊在棄土場優(yōu)化選址中應用的準確性取決于獲取各基礎數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及全面性。由于相關(guān)數(shù)據(jù)為涉密數(shù)據(jù)，只有在從事相關(guān)業(yè)務前提下才能獲取，因此，在數(shù)據(jù)獲取過程中存在一定困難。綜合性公路設計及前期咨詢服務企業(yè)在全面獲取相關(guān)數(shù)據(jù)中占據(jù)優(yōu)勢地位。