基于GIS技術(shù)的高速公路與城市道路銜接節(jié)點選址方法研究

張宏雨, 李宙峰, 劉 瑛

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200)

0 引言

高速公路與城市道路銜接處是城市交通的重要節(jié)點，對于城市內(nèi)外交通轉(zhuǎn)換效率及整體運行效率起著至關(guān)重要的影響作用。隨著經(jīng)濟社會和城市的快速發(fā)展，高速公路與城市道路的銜接日益受到關(guān)注。一方面，由于城市近年來不斷強化核心區(qū)功能和提高中心輻射力，周邊高速公路網(wǎng)不斷加密、城市道路快速化改造不斷推進，高速公路與城市道路相銜接的數(shù)量成倍增長；另一方面，城市居民快速增長的進出城需求導致了高速公路進出城路段擁堵、事故現(xiàn)象頻發(fā)，在節(jié)假日期間尤甚。如何讓高速公路與城市道路高效、順暢銜接，二網(wǎng)一體化發(fā)展，已成為城市發(fā)展中的關(guān)鍵問題[1]。

解決高速公路和城市道路之間銜接不暢、轉(zhuǎn)換效率低的問題，一個重要關(guān)鍵點及難點在于科學、合理選擇二者的銜接位置。高速公路和城市道路的銜接選址需全面考慮城市內(nèi)、外兩方面因素影響，傳統(tǒng)方法主要是基于地形圖并考慮相關(guān)制約因素進行人工定線，這種方法操作簡單，但存在影響因素考慮不全、實際操作中難以綜合判定各因素疊加影響等缺點，選線方案往往不夠合理。現(xiàn)有文獻中，應用GIS技術(shù)直接分析高速公路與城市道路銜接選址問題的案例較少，部分學者在公路選線領域中開展了相關(guān)研究，彭麗榮[2]結(jié)合層次分析方法對公路選線的各個因素進行權(quán)重分析，結(jié)合ArcGIS空間分析技術(shù)進行廊道分析及成本路徑生成；黃曉君等[3]采用GIS空間分析選線方法選取最佳路線方案，但上述研究在影響因素數(shù)據(jù)集生成方面有所欠缺，分類不盡合理；高健智[4]結(jié)合高速公路與城市道路銜接布局的影響因素和特點，提出了基于重要度與交通區(qū)位的銜接道路綜合布局方法，但其側(cè)重于交通區(qū)位和城市空間形態(tài)研究。針對上述不足，本文提出了一種基于GIS技術(shù)的高速公路與快速路銜接節(jié)點選址方法，該方法的核心特點是全面考慮各可能影響因素并將影響因素量化，基于量化的影響因子建立選址模型，最后借助GIS空間分析與處理技術(shù)進行模型具體求解，以此得到可能及合適的銜接位置。

1 選址影響因素分析

城市高速公路與快速路網(wǎng)絡常見的結(jié)構(gòu)形式有多環(huán)放射、環(huán)形放射+網(wǎng)格、帶形和自由式等四種類型[1]。高速公路與城市快速路銜接節(jié)點選址研究包括：銜接節(jié)點位置的選擇和新建項目靠近節(jié)點段的路線選線。

項目選址選線不僅受地形地貌、氣候條件、巖土類型、水文地質(zhì)、地質(zhì)災害等基本的自然因素影響，也受現(xiàn)有自然資源、與自然資源相應的政府政策法規(guī)、上位規(guī)劃和現(xiàn)有社會環(huán)境中各類因素的制約，高速公路與城市快速路銜接節(jié)點選址影響因素根據(jù)與其建設項目的關(guān)系總體分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素主要是指高速公路路線設計及節(jié)點選址需要滿足相關(guān)規(guī)范指標；外部因素分為自然因素和社會環(huán)境因素，是銜接節(jié)點選址和路線選擇的主要因素。

自然因素：主要包括自然資源條件和自然條件。①自然資源條件包括土地資源、水資源、礦產(chǎn)資源、能源、海洋資源等，而為實現(xiàn)自然資源科學保護和合理利用而建立的國家公園、自然保護區(qū)、自然公園[5]，及劃定的“三區(qū)三線”都是項目建設重要約束因素。根據(jù)相關(guān)保護條例等法規(guī)[6]，常見的自然保護區(qū)核心區(qū)、飲用水源一級水源保護區(qū)都為禁止進入?yún)^(qū)域，項目建設存在法律障礙。自然保護區(qū)一般控制區(qū)、飲用水源二級水源保護區(qū)、礦產(chǎn)資源開采區(qū)和勘察區(qū)、風景名勝區(qū)、森林公園都是需謹慎進入?yún)^(qū)域，為限制項目建設區(qū)域。②自然條件主要包括地形地貌、氣候條件、土壤條件(工程地質(zhì))、水文條件、動植物資源分布等，自然條件對公路路線選擇起決定性作用[7]。路線需依地形而建設，受地質(zhì)、氣象、水文等因素影響較大。地形地貌是公路項目建設最基本因素，需考慮其海拔高程、坡度等，直接影響路線及互通縱面設計及工程量大小；需考慮惡劣的氣候?qū)β坊?、路面、邊坡的毀壞，公路結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性及水穩(wěn)性，還需考慮高海拔地區(qū)大霧、結(jié)冰等對行車安全的影響；需要考慮巖石類型、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)災害等工程地質(zhì)因素；需考慮與地下水有關(guān)的水文地質(zhì)條件，以防滑坡、地基沉陷、道路凍脹和翻漿等危害[7]；動植物資源分布則需考慮路線對珍稀資源的阻隔影響。

社會環(huán)境因素：主要是指人們所創(chuàng)造的對公路建設運營產(chǎn)生正面影響或制約物質(zhì)、文化等成果。借鑒公路建設項目環(huán)境影響分析[8]，與社會環(huán)境影響后評價不同[9]，銜接節(jié)點研究主要強調(diào)現(xiàn)有社會環(huán)境因素對高速公路選址的影響。社會環(huán)境因素形式多樣，主要包括城市建成區(qū)、居民集聚區(qū)、重大基礎設施、軍事設施分布，以及利益相關(guān)者意見和決策[9]。社會環(huán)境因素對項目選址決策產(chǎn)生較大的影響，是項目前期決策和后評價不可或缺的部分。

2 選址模型構(gòu)建

2.1 選址不同因素分區(qū)分級

不同因素對項目影響程度不同，同一類因素在不同研究區(qū)域?qū)椖坑绊懗潭炔煌韪鶕?jù)對項目的實際影響程度賦予不同分類或分級，分配在統(tǒng)一標準的分級區(qū)間，以便GIS進行空間分析，解決GIS重分類分析中不同因素不能統(tǒng)一標準分級的問題。

參照建設用地適宜性評價分類思想[10-11]，根據(jù)上述因素對銜接節(jié)點選址的影響程度，將高速公路路線節(jié)點選址區(qū)域分為3大類5級分區(qū)。3類大依次為禁止區(qū)、限制區(qū)、自由區(qū)；5級分區(qū)依次為禁止區(qū)、高度限制區(qū)、一般限制區(qū)、優(yōu)選自由區(qū)、一般自由區(qū)。

2.1.1分區(qū)概念

禁止區(qū)指法律、上位規(guī)劃禁止進入進行建設活動，公路必須避讓的區(qū)域，比如自然保護區(qū)核心區(qū)、飲用水源一級水源保護區(qū)、城市規(guī)劃區(qū)集中建設區(qū)等。

限制區(qū)指為保護生態(tài)環(huán)境、資源合理利用、各類設施合理布局等而限制建設活動的區(qū)域。該區(qū)域受因素制約大，在采取一定保護措施、滿足一定要求下，可開展建設活動的區(qū)域，但需特別注重環(huán)境保護，減少對城市規(guī)劃建設影響，降低重大基礎設施之間干擾。比如自然保護區(qū)實驗區(qū)或一般控制區(qū)、飲用水水源二級保護區(qū)、森林公園、風景名勝區(qū)、礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)、城市規(guī)劃未完全開發(fā)區(qū)等，這類區(qū)域面積相對占較大部分。限制區(qū)分為兩類：高度限制區(qū)和一般限制區(qū)。高度限制區(qū)指可進入但非必要進行建設活動的區(qū)域，這類區(qū)域一旦進入，會增加較高成本，比如生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)、村莊密集區(qū)、風景名勝區(qū)已開發(fā)區(qū)、礦產(chǎn)資源開采區(qū)等。一般限制區(qū)指高度限制區(qū)以外其他區(qū)域。

自由區(qū)指公路不受外部因素影響，在滿足項目建設內(nèi)部因素條件下，可以自由選擇的區(qū)域。自由區(qū)分為兩類：優(yōu)選自由區(qū)和一般自由區(qū)，優(yōu)選自由區(qū)指戰(zhàn)略規(guī)劃和政府、專家、公眾等參與決策者建議或優(yōu)先選擇的建設區(qū)，一般自由區(qū)指建議自由區(qū)以外其他區(qū)域。優(yōu)選自由區(qū)比如有綜合交通運輸規(guī)劃、高速公路網(wǎng)規(guī)劃等上位規(guī)劃的區(qū)域。

2.1.2分級概念

一般自由區(qū)、優(yōu)選自由區(qū)、一般限制區(qū)、高度限制區(qū)、禁止區(qū)分別對應為1～5級，禁止區(qū)和限制區(qū)的等級值越大表示對項目的負面影響越大，即制約程度越大；自由區(qū)等級越大表示對項目正面影響越大，即為更優(yōu)選擇。影響因素分區(qū)分級值表示為：

fij=j·N

(1)

式中：i表示第i種因素，i取值1～n，n為自然數(shù)；j表示第j級因素，j取值1～5；fij表示第i種因素分級值；N取值0或1，N=0時，說明該級別因素不存在，N=1時，則存在。

因素分區(qū)關(guān)系見圖1。

圖1 因素分區(qū)關(guān)系

2.2 銜接節(jié)點選址分析方法

2.2.1源數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)域的源數(shù)據(jù)主要為dwg、shp格式文件，首先進行文件格式轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一為shp格式文件。從2000國家大地坐標系獲取一系列線文件和面文件，作為評價分析的基礎數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按照自然因素和社會環(huán)境因素分類。

2.2.2建立底圖數(shù)據(jù)DEM和重分類

DEM即高程模型，是方案設計中最基本的因素，可通過高程分色直接識別路線走廊和實現(xiàn)互通節(jié)點初步選址，并完成縱面設計。因此，將DEM作為選址方法研究的底圖柵格數(shù)據(jù)，DEM也屬于自然因子圖層中的最重要部分。將DEM在GIS中空間分析中重分類，根據(jù)路線縱面高程設計區(qū)間，將高程屬性值分為5級分區(qū)。

2.2.3因素分區(qū)分級

由于影響因素種類繁多，故將因素歸類處理，便于后續(xù)結(jié)果分析。

建立自然因素分區(qū)分級圖層：將矢量化的自然因素按照對項目實際不同影響程度和制約程度分區(qū)分級，將影響因素矢量面文件在GIS中屬性表中賦予等級值，使用面轉(zhuǎn)柵格工具將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)同等像元大小及波段數(shù)；對于多等級數(shù)據(jù)，判定數(shù)據(jù)界值，并進行重分類，歸類至1～5級。

建立社會環(huán)境因素分區(qū)分級圖層：社會環(huán)境影響因素的分區(qū)分級步驟和自然因素一致，但社會環(huán)境因素復雜多樣，一般情形下，某一類社會環(huán)境因素有一定安全距離或影響范圍，分級規(guī)律性不強，定義第一安全距離或影響范圍內(nèi)為某一級值區(qū)域。

2.2.4分級的因子圖層疊加算法

將分好等級的自然因子柵格圖層和社會環(huán)境因子柵格圖層進一步疊加計算，即將5級分區(qū)的因素疊加，利用鑲嵌新柵格工具，采用多個等級數(shù)據(jù)疊加時取等級較高數(shù)據(jù)的算法原理，得到新的各類因素疊加分析結(jié)果，即新的5級分區(qū)柵格圖層，可以清晰判斷路線可以選擇的走廊帶，獲得可能的銜接位置。取：

當柵格數(shù)據(jù)集有重疊時，按式(2)計算G值：

G=Maxmum(f1j，f2j，f3j，…，fnj)

(2)

式中：f1j，f2j，f3j，…，fnj為柵格數(shù)據(jù)集，j取值1～5；G表示重疊區(qū)域的輸出像元值，為疊置像元的最大值。

2.2.5綜合評價

對得到的柵格地圖進行分析，也可通過GIS統(tǒng)計分析，量化項目對影響因素的影響大小，識別項目可能的銜接位置和路線廊道。

3 案例分析

以《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018-2030)》中龍勝至峒中口岸公路(規(guī)劃為“縱八線”)龍勝至南寧段終點與南寧市城市快速路網(wǎng)銜接為例，該高速銜接點位于三南高速五塘互通和蘭海國家高速安吉互通之間，實現(xiàn)與南寧繞城高速轉(zhuǎn)換和南寧市城市快速路網(wǎng)與高速公路網(wǎng)二網(wǎng)融合(見圖2)。針對新建項目與環(huán)線銜接對接城市快速路的網(wǎng)絡節(jié)點進行研究，根據(jù)南寧繞城高速公路北環(huán)周邊現(xiàn)有影響因素及路線規(guī)范、設計指標，具體銜接節(jié)點選址方法步驟如下。

圖2 “環(huán)線放射+網(wǎng)格”網(wǎng)絡與新建項目關(guān)系示意

1)源數(shù)據(jù)處理。

確定以東至三南高速、西至蘭海高速、北至武鳴區(qū)太平鎮(zhèn)、南至興寧區(qū)三塘鎮(zhèn)昆侖大道所形成的區(qū)域為項目研究區(qū)域，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并分類。

2)建立底圖數(shù)據(jù)DEM和重分類。

用數(shù)字化地形圖建立起DEM，作為研究的底圖數(shù)據(jù)(見圖3)，依據(jù)設計高程將地形高程重分類，本項目主線設計高程主要分布在150～200 m區(qū)間，選擇該區(qū)間地形范圍為優(yōu)選自由區(qū)。

圖3 DEM高程圖

3)因素分級。

建立自然因子圖層。將已有因素根據(jù)需要先分類，再分區(qū)分級，并闡明分區(qū)分級理由，項目區(qū)域內(nèi)自然因素分類分區(qū)見表1。

表1 自然因素分類分區(qū)評價因子分類分區(qū)分級分類依據(jù)或者說明高程50～150 m一般自由區(qū)路線合理區(qū)高程150～200 m優(yōu)選自由區(qū)路線合理區(qū),設計高程分布較多區(qū)域,路線契合地形路段地形DEM高程200～300 m一般限制區(qū)路線填挖方較大或需設置短隧道高程300～400 m高度限制區(qū)需設置隧道通過高程400～670 m禁止區(qū)路線設計高程不合理區(qū)生態(tài)紅線所有區(qū)域高度限制區(qū)《廣西生態(tài)保護紅線管理辦法(試行)》基本農(nóng)田保護范圍所有區(qū)域高度限制區(qū)《自然資源部農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于加強和改進永久基本農(nóng)田保護工作的通知》東山水庫、老虎嶺水庫、同仁村、石楞水庫等飲用水水源保護區(qū)一級保護區(qū)二級保護區(qū)禁止區(qū)一般限制區(qū)《廣西壯族自治區(qū)飲用水水源保護條例》高峰森林公園建成區(qū)、開發(fā)區(qū)高度限制區(qū)自然公園開發(fā)區(qū)或者核心區(qū),影響大且成本大一般控制區(qū)一般限制區(qū)自然公園一般控制區(qū)

建立社會環(huán)境因子圖層，需要將各類復雜社會環(huán)境影響因素以矢量面文件的形式表達，項目區(qū)域內(nèi)社會環(huán)境分類分區(qū)具體結(jié)果如表2所示。

表2 社會環(huán)境分類分區(qū)評價因子分類分級分區(qū)分類依據(jù)或者說明現(xiàn)狀互通互通影響范圍內(nèi)(沿高速1 km內(nèi))高度限制區(qū)《公路立體交叉設計細則》(JTG/T D21-2014)中,表5.4.4互通式立體交叉及其他設施的最小凈距規(guī)定互通影響范圍外一般自由區(qū)現(xiàn)狀服務區(qū)服務區(qū)范圍內(nèi)高度限制區(qū)服務區(qū)范圍外一般自由區(qū)現(xiàn)狀鐵路安全距離范圍內(nèi)高度限制區(qū)對鐵路干擾大安全距離范圍外一般自由區(qū)對鐵路無影響國土空間規(guī)劃城市總體規(guī)劃建成區(qū)禁止區(qū)對城市建成區(qū)影響大建成區(qū)以外一般限制區(qū)對城市建成區(qū)影響相對小村莊規(guī)劃村莊密集區(qū)禁止區(qū)對村莊密集區(qū)影響大村莊其他區(qū)一般限制區(qū)對村莊居民影響相對小南寧市國土空間規(guī)劃---交通系統(tǒng)規(guī)劃圖快速路規(guī)劃區(qū)優(yōu)選自由區(qū)《城鎮(zhèn)化地區(qū)公路工程技術(shù)標準》(JTG 2112-2021)3.1.2中高速公路、作為干線的一級公路,宜與快速路銜接規(guī)定。

4)分級的因子圖層疊加分析和綜合評價。

將GIS分析結(jié)果與項目實際選線結(jié)果疊加分析，如圖4所示，項目沒有進入禁止區(qū)范圍，不可避免進入少部分高度限制區(qū)范圍，路線大部分進入一般限制區(qū)和優(yōu)選自由區(qū)范圍，且部分路段在優(yōu)選自由區(qū)和一般限制區(qū)的成片片區(qū)內(nèi)，更傾向于選擇優(yōu)選自由區(qū)。項目推薦方案(右2線)基本能與城市規(guī)劃的快速路銜接，且與禁止區(qū)比較靠近，說明方案還有一定優(yōu)化空間。經(jīng)驗證實際項目方案，有效地完成了高速公路和快速路銜接節(jié)點數(shù)字化、智能化選址。

圖4 GIS分析結(jié)果與路線關(guān)系

4 結(jié)論

研究系統(tǒng)總結(jié)了高速公路銜接選址的影響因素，提出了影響因素分類分區(qū)概念，建立基于GIS技術(shù)的矢量數(shù)據(jù)疊加分析算法，最終所得柵格綜合評價結(jié)果是合理的，為公路選址選線提供了科學合理的方法及決策依據(jù)。該方法在影響因素分類分區(qū)階段，部分因素可依據(jù)法律法規(guī)等政策，但也有部分依靠人為主觀評價因素影響程度進行分級，缺乏客觀性，存在進一步研究空間?？傮w而言，該方法較傳統(tǒng)選址方法更為精準全面，數(shù)據(jù)易處理，當前高速公路與城市快速路銜接的項目區(qū)域受制約和影響的因素越來越復雜，利用GIS分析方法大批量數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點，能較快較好地得到選址結(jié)果。為方案設計者提供更明確的思路，為數(shù)字化、智能化選址選線提供理論基礎和實用方法。