基于GIS多因素加權(quán)疊加的機場選址方法

何 堯，舒富民，鄭皓文

（1.民航機場建設(shè)集團西南設(shè)計研究院有限公司，成都 610202；2.民航機場規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司西南分公司，成都 610202）

機場選址是機場建設(shè)的首要工作，決定了機場的工程投資、輻射能力及周邊城鎮(zhèn)的規(guī)劃建設(shè)。根據(jù)選址深度要求，選址分為：初選、預(yù)選和比選3 個環(huán)節(jié)。機場選址主要以專家決策的方式確定，近年對于機場選址的研究主要集中在多方案決策選址方法、場址評價體系和場址局部優(yōu)化等方面。劉照博[1]采用多目標遺傳算法對單個場址的布置方案進行了評估和優(yōu)化；朱來輝等[2]采用模糊層次分析法（AHP，analytic hierarchy process）對選址方案進行評估；李明捷等[3]運用突變評價法建立分層次的機場選址評價指標體系，得到影響機場選址的突變評價值；盧厚清等[4]基于主成分分析法建立機場選址綜合評價模型，將多個機場選址影響指標轉(zhuǎn)換為新的變量來進行評估。

上述研究推動了量化選址的應(yīng)用，但主要是對選址方案的評估，在選址空間分析決策方面還不完善，存在應(yīng)用場景偏理論化、實操性不強等問題。國內(nèi)外利用地理信息系統(tǒng)（GIS，geographic information system）技術(shù)進行交通、房地產(chǎn)、零售商店等的選址研究頗為成熟。Ardeshir 等[5]通過GIS 技術(shù)構(gòu)建了選址數(shù)據(jù)層次分析法模型，分析了河流橋梁的選址問題。Sharifi 等[6]利用GIS 技術(shù)研究有害垃圾填埋場的選址問題。何茸[7]利用GIS 技術(shù)構(gòu)建了養(yǎng)老地產(chǎn)選址模型。宋丹妮[8]融合GIS 技術(shù)和模糊綜合評價法，研究了避暑休閑地產(chǎn)的選址問題。

當前，有關(guān)機場選址的GIS 研究主要是將其作為一種技術(shù)手段進行探討，應(yīng)用案例較少。楊銳等[9]建立適用于機場選址的GIS 數(shù)據(jù)庫，探討了GIS 人機對話功能在機場選址中的應(yīng)用；何文斌等[10]基于規(guī)劃三維輔助決策支持系統(tǒng)分析了GIS 在機場選址中運用的可行性?；谝陨涎芯?，從機場選址空間適宜性角度出發(fā)，利用GIS 技術(shù)對地理信息數(shù)據(jù)融合的優(yōu)勢，構(gòu)建基于GIS 多因素加權(quán)疊加的機場選址空間模型，對機場適宜空間布局的區(qū)域進行可視化表達，可提高選址布局質(zhì)量和工作效率。

1 研究方案

1.1 基于GIS 的評價模型構(gòu)建

單因素評價是構(gòu)建GIS 模型的核心，包括：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)柵格化和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等多個步驟。單因素分析評價以城市規(guī)劃、交通規(guī)劃、數(shù)字高程模型（DEM，digital elevation model）和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，挖掘影響機場選址的因素，采用合理的評價方法對各單因素進行評價，再通過空間疊加、空間網(wǎng)絡(luò)和空間統(tǒng)計分析等方法實現(xiàn)模型構(gòu)建。GIS 模型構(gòu)建過程主要包括以下3 個主要步驟。

1）地理信息構(gòu)建

獲取機場選址范圍內(nèi)的數(shù)字地形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)DEM融合轉(zhuǎn)換，選取與機場布局相關(guān)性較強的轉(zhuǎn)換參數(shù)，如地形高程標準差、地形坡度和高程參數(shù)等，作為選址區(qū)域地理信息指標。

2）實體緩沖區(qū)構(gòu)建

采用GIS 系統(tǒng)中重分類和緩沖區(qū)功能，根據(jù)點、線、面的實體形態(tài)，按照一定距離劃分實體周邊的緩沖區(qū)，可分為鄰近、中端和外圍緩沖區(qū)，代表不同實體的空間影響程度，如圖1 所示。對于影響機場選址的空間地理信息要素，如高速公路、高速鐵路、城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)域和臨近機場等要素均可通過原始數(shù)據(jù)的實體轉(zhuǎn)換，對影響度重分類并構(gòu)建緩沖區(qū)。

圖1 實體緩沖區(qū)構(gòu)建Fig.1 Construction of entity buffer

3）多因素疊加模型構(gòu)建

采用GIS 重置分析功能，將影響機場選址的單因素評價對象圖層疊加或建立對象間的空間對應(yīng)關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生空間區(qū)域的多重屬性特征，最終的多因素疊加分類結(jié)果是經(jīng)分類權(quán)重疊加后得到的空間區(qū)域。

1.2 構(gòu)建機場選址的評價指標體系

影響機場選址區(qū)域位置的影響因素眾多，預(yù)選和比選主要是針對具體場址的經(jīng)濟適宜性進行比較。本研究主要是針對機場場址初選，是對機場選址大區(qū)域、重點范圍的確定，作為機場選址空間適宜性的評價手段。因此，基于“規(guī)劃適宜性，地形適宜性，飛行適宜性”3 類評價因素建立機場選址評價體系。

1）規(guī)劃適宜性

考慮影響機場選址的規(guī)劃因素，重點是機場對城市的影響及配套條件優(yōu)劣兩方面。按照常規(guī)的選址規(guī)范[11]建議，中型及以上機場距離城市中心的直線距離宜為20～30 km，小型機場宜為10～20 km。但由于城市發(fā)展超預(yù)期、可用地減少及機場噪聲影響等問題，實際機場距城市中心的適宜距離通常超過30 km。此外，機場距離中心城市周邊的重點城鎮(zhèn)，特別是新區(qū)、衛(wèi)星城和重要組團的距離也需要著重考慮。選址區(qū)域與周邊高速公路和高速鐵路的距離體現(xiàn)了交通通達性，也間接反映了利用機場打造綜合交通網(wǎng)絡(luò)的可行性和配套條件接入的投資差異。城鎮(zhèn)“三區(qū)三線”是空間規(guī)劃體系控制的內(nèi)核，機場選址也要符合現(xiàn)有的國土空間管控，不觸及生態(tài)紅線、基本農(nóng)田和城鎮(zhèn)開發(fā)邊界，契合當?shù)氐纳衔灰?guī)劃。

2）地形適宜性

地形復(fù)雜性會帶來土石方工程量大、地基處理量大和凈空條件差等問題，因此需要相應(yīng)指標反映地形條件。與機場土石方工程量最為相關(guān)的系數(shù)是地形高程標準差，相關(guān)性系數(shù)接近于1，地面起伏程度直接決定了工程量的大??；坡度系數(shù)與土石方工程量的相關(guān)性也達到了0.8 以上，說明可以通過坡度系數(shù)來對場址的地形條件做判斷[12]。海拔高程對機場建設(shè)和飛機性能具有重要影響，高海拔意味著山地或高原地貌，建設(shè)投資相對較大，且高原機場往往有更嚴格的管理標準，飛機也面臨性能衰減等難題。為了有針對性地選擇地形條件較好的場址，需要根據(jù)不同選址區(qū)域的地形特征、海拔分布和選址偏好來設(shè)定指標，并且考慮機場高原和高高原的分級。

3）飛行適宜性

飛行適宜性分為機場輻射能力和空域條件兩個方面。輻射能力應(yīng)考慮輻射的周邊人口和周邊機場，若臨近機場有重疊服務(wù)區(qū)域并且其他區(qū)域的人口密度較低，則在該空間設(shè)置機場的必要性不足?？沼驐l件則反映空中飛行的資源，周邊的民用機場、軍用機場及訓(xùn)練空域都可能會對該地區(qū)新建機場有影響。綜合來看，引進人口和空域數(shù)據(jù)可以大致反映飛行適宜性情況。

根據(jù)機場選址評價指標體系目標層，為上述3 個影響因素層構(gòu)造相應(yīng)指標層，分別從因素層選擇合適的指標層來表征各個條件，建立機場選址評價指標體系如表1 所示。根據(jù)國家政策，城鎮(zhèn)“三區(qū)三線”嚴格控制區(qū)域為不可選空間，該指標疊加后作為不適宜區(qū)，不納入指標層。

表1 機場選址評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of airport location

1.3 基于層次分析法的評價因素權(quán)重確定

評價因素的權(quán)重需要體現(xiàn)不同類型、不同條件和不同地方選址偏好，評價標準應(yīng)突出方案之間的差異性。選址評價指標體系中因素層和指標層的權(quán)重大小將直接影響選址結(jié)果的合理性。

對于權(quán)重的量化，可引入層次分析法對評價因素進行權(quán)重分級。層次分析法是一種計算多目標復(fù)雜問題的定性和定量相結(jié)合的決策權(quán)重方法。對于不同類別的目標層都有相同的因素層，可以按照因素對不同目標的重要程度進行“兩兩比較”，形成判斷矩陣。

當比較第i 個元素相對于第j 個元素的重要性時，可使用相對權(quán)重pi，j來描述，即

式中：ai為第i 個元素的權(quán)重；aj為第j 個元素的權(quán)重。按照層次分析法，對不同元素的權(quán)重進行賦值，權(quán)重取值范圍為1～9，權(quán)重的取值隨著對比元素的不同而不同。設(shè)共有個n 元素參與比較，則形成判斷矩陣如下

由于成對比較的判斷矩陣通常不是一致陣，為了能用最大特征值λ 的特征向量作為因素的權(quán)向量，需要引入一致性指標（CI，consistency index）進行一致性檢驗，即

CI 為0 時表明該判斷矩陣為一致陣；CI 越大，矩陣的不一致性就越大。為了衡量矩陣一致指標的標準，引入了隨機一致性指標RI（random index）[13]，并將CI 與同階的RI 之比，即一致性比率（CR consistency ratio）作為檢驗標準，CR 小于0.1 時則滿足一致性檢驗。

通過計算，得到不同選址目標的特征向量和檢驗情況。通過檢驗即可采用其權(quán)重值進行下一步工作。若指標層需要進行子權(quán)重取值，則單獨構(gòu)建判斷矩陣按照上述方法計算指標層權(quán)重，再對指標層和因素層的權(quán)重進行融合。

2 基于GIS 多因素加權(quán)疊加的選址方法

2.1 技術(shù)路線

基于GIS 多因素加權(quán)疊加的選址模型實現(xiàn)技術(shù)步驟如下：①構(gòu)建機場選址的GIS 地理信息模型和評價指標體系；②基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，將選址區(qū)域的地形、城市規(guī)劃數(shù)據(jù)和空域數(shù)據(jù)等進行數(shù)據(jù)矢量化；③在GIS模型中對選址區(qū)域的各個要素進行柵格化分級，形成單因素適宜性評價，具備可視化分析條件；④確定選址目標層區(qū)域特征，基于層次分析法對因素權(quán)重進行確定，形成量化分析結(jié)果；⑤采用GIS 模型地圖疊加技術(shù)，結(jié)合單因素權(quán)重生成選址區(qū)域綜合空間布局適宜性評價分類，有針對性地進行選址工作。技術(shù)路線圖如圖2 所示。

圖2 基于GIS 多因素加權(quán)疊加的選址技術(shù)路線Fig.2 Technical route of location selection based on GIS multi-factor weighted superposition

在GIS 中對機場選址的空間情況進行可視化呈現(xiàn)，得到多因素加權(quán)疊加的空間分類結(jié)果。分類的準確性取決于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和權(quán)重的確定，這就要求在模型中權(quán)衡每種因素的權(quán)重及其對機場布局的影響。

2.2 案例分析

云南?。ê喎Q滇）規(guī)劃建設(shè)昆明市第二機場，機場定位為國際樞紐機場、大型民用運輸機場，要求機場服務(wù)范圍能夠覆蓋以昆明市為中心的滇中城市圈，城市圈有6 個重點城市，4 個已有機場。該選址區(qū)域的地形條件復(fù)雜，以山地為主，海拔集中在1 000～4 000 m，選址的范圍如圖3 所示（審圖號云S（2017）045 號）。

首先針對目標層的類型進行影響分級，以確定不同目標下的選址偏好；然后對因素的重要程度進行分類。該對象的屬性為山地樞紐機場，包括規(guī)劃適宜性、地形適宜性和飛行適宜性因子3 個因素。根據(jù)調(diào)查分析和需求特點，認為該類型機場考慮的重要程度應(yīng)為：規(guī)劃適宜性＞地形適宜性＞飛行適宜性，構(gòu)造3 個因素對選址影響的判斷矩陣為

計算矩陣A3特征向量等參數(shù)如表2 所示。

圖3 案例研究范圍Fig.3 Range of case studies

從表2 可知，針對規(guī)劃適宜性、地形適宜性、飛行適宜性3 個因素構(gòu)建了3 階判斷矩陣進行層次法分析，根據(jù)特征向量值可計算得到最大特征值λ 為3.054，繼而計算得到CI 值為0.027。針對CI 作一致性檢驗，經(jīng)查詢得到3 階判斷矩陣的RI 值為0.520，則CR 值為0.052，且小于0.1，構(gòu)建的判斷矩陣滿足一致性檢驗，所計算權(quán)重能夠用于模型中。同理，通過計算可獲得指標層的權(quán)重結(jié)果如表3 所示。

表2 基于AHP 的因素層權(quán)重Tab.2 Factor layer weight based on AHP

表3 樞紐機場選址影響因素權(quán)重計算Tab.3 Calculation of influencing factors weight for location selection of hub airport

對于各單因素的適宜性評價，評價值分級為1～5級，其中：1 級是不適宜，2 級是基本不適宜，3 級是一般適宜，4 級是基本適宜，5 級是適宜。單因素評價分級原則如表4 所示，各指標層適宜性可視化評價結(jié)果如圖4 所示（審圖號同圖3）。

表4 單因素評價分級原則Tab.4 Grading principle of single-factor evaluation

圖4 指標層適宜性可視化評價結(jié)果Fig.4 Visualized evaluation results of suitability of index layer

針對城鎮(zhèn)“三區(qū)三線”嚴格控制區(qū)域，將該類空間定義為不可選空間，疊加后直接作為不適宜區(qū)域。單因素評價結(jié)束后，將基于層次分析法得到的權(quán)重進行空間加權(quán)疊加，形成多個地理對象的圖層疊合，選址空間的多重屬性特征信息可體現(xiàn)在一張圖上，適宜性選址區(qū)域分類結(jié)果如圖5 所示（審圖號同圖3）。

圖5 適宜性選址區(qū)域分類Fig.5 Classification of suitable location areas

從圖5 可以看出，機場布局較優(yōu)的區(qū)域集中在滇中城市圈西部和南部區(qū)域，可作為重點的機場布局區(qū)域。一般來說，確定的重點選址區(qū)域可集中展開場址預(yù)選工作，這不僅符合宏觀的選址特征和要求，也能夠縮小選址范圍提高選址精確性。而城市的中心范圍、靠近已有機場的區(qū)域及地形區(qū)位條件差的區(qū)域為不適宜選址區(qū)域，可以直接排除。案例結(jié)果與滇中城市圈的規(guī)劃、交通、經(jīng)濟發(fā)展和機場功能相匹配，符合重點選址范圍的實際，減少了選址分析工作量。

3 結(jié)語

采用GIS 技術(shù)對機場選址區(qū)域進行適宜性分類，不僅能彌補目前機場選址量化工作的不足，同時還能全方位地評估選址范圍，快速準確地提供初步選址重點區(qū)域的結(jié)論，為初選場址進一步開展預(yù)選、比選打下堅實的基礎(chǔ)。把影響機場選址的因素融合成空間信息，采用定量評估和可視化呈現(xiàn)的方式，為決策者提供更科學(xué)的決策依據(jù)。

下一步研究不僅要細化空間適宜性的評價指標，也要融入預(yù)選和比選過程，特別是針對具體場址的凈空可行性和經(jīng)濟適宜性進行量化，建立一套科學(xué)的全過程選址評價體系，通過GIS 技術(shù)來確定首選場址。