楊　鵬，楊啟福

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507;

2. 南寧市交通運(yùn)輸局，廣西 南寧 530022)

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基于GIS的城鎮(zhèn)公路網(wǎng)規(guī)劃研究

楊鵬1，楊啟福2

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507;

2. 南寧市交通運(yùn)輸局，廣西 南寧 530022)

摘要：利用GIS對(duì)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析處理功能，實(shí)現(xiàn)公路網(wǎng)規(guī)劃過程的可視化操作,能使規(guī)劃結(jié)果更加直觀，并顯著提高公路網(wǎng)規(guī)劃工作的效率.通過分析總量控制法在城鎮(zhèn)公路網(wǎng)規(guī)劃中的優(yōu)勢(shì)，在建設(shè)成本約束條件下采用路網(wǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)模型和路網(wǎng)布局模型，開發(fā)了基于Arcgis軟件的規(guī)劃平臺(tái).實(shí)例分析表明，規(guī)劃后的路網(wǎng)規(guī)模和布局合理.因此，基于GIS的路網(wǎng)規(guī)劃具有良好的可操作性.

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；公路網(wǎng)規(guī)劃；總量控制法；城鎮(zhèn)

2012年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出建設(shè)新型城鎮(zhèn)化，強(qiáng)調(diào)提高城鎮(zhèn)化的質(zhì)量，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中融入生態(tài)文明理念和原則，全面走集約、智能、綠色和低碳的新型城鎮(zhèn)化道路，使得城鎮(zhèn)化發(fā)展成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長(zhǎng)動(dòng)力和擴(kuò)大內(nèi)需的重要手段.根據(jù)聯(lián)合國(guó)有關(guān)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)城鎮(zhèn)化率在2020年將達(dá)到53.2%，城市人口將超過7.5億.同時(shí)我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中面臨著城鎮(zhèn)化水平低、布局不合理、基礎(chǔ)設(shè)施不完善等一系列問題.其中基礎(chǔ)設(shè)施不完善成為制約城鎮(zhèn)化發(fā)展的主要因素之一.因此，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，特別是交通基礎(chǔ)設(shè)施，能夠極大推動(dòng)城鎮(zhèn)化發(fā)展，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化.

1公路網(wǎng)規(guī)劃方法

公路網(wǎng)規(guī)劃方法大致經(jīng)歷了直觀判斷階段、集聚模型與非集聚模型階段、出行選擇行為模型階段和應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)階段.其中，直觀判斷階段是公路網(wǎng)規(guī)劃初期，由具備經(jīng)驗(yàn)的規(guī)劃技術(shù)人員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)測(cè)的一種定性規(guī)劃的方法.集聚模型和非集聚模型階段中集聚模型將研究對(duì)象劃分成小區(qū)或群體等特定集合體為研究的基本單元，具有代表性的模型主要有四階段法[1]和總量控制法[2]；而非集計(jì)模型以個(gè)人出行選擇的離散量研究為基礎(chǔ)，具有代表性的模型主要有Logit模型和Probit模型[3].出行選擇行為模型階段公路網(wǎng)規(guī)劃方法轉(zhuǎn)向基于人的活動(dòng)的出行選擇行為模型，該模型認(rèn)為影響出行次數(shù)的因素主要是人們的心理活動(dòng)過程等.應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)階段是引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，極大地提升了公路網(wǎng)規(guī)劃的便利性.

我國(guó)公路網(wǎng)規(guī)劃方法從最初的定性分析已向以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的定量定性分析的科學(xué)決策方法轉(zhuǎn)變.目前，我國(guó)公路網(wǎng)規(guī)劃工作應(yīng)用比較廣泛的有四階段模型法和總量控制法.四階段模型法從微觀出發(fā)，以定量分析為依據(jù)，以路網(wǎng)現(xiàn)狀出行量分布調(diào)查為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)路段未來(lái)交通量,據(jù)此建立模型對(duì)路網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化.總量控制法則從系統(tǒng)分析出發(fā)，從路網(wǎng)現(xiàn)有里程和等級(jí)結(jié)構(gòu)等去把握公路網(wǎng)的合理發(fā)展規(guī)模,并應(yīng)用圖論原理進(jìn)行公路網(wǎng)布局優(yōu)化[4].

2公路規(guī)劃中GIS的應(yīng)用

公路網(wǎng)規(guī)劃中最重要的工作就是數(shù)據(jù)處理，而傳統(tǒng)的處理方法往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力.隨著GIS(Geographic Information System)即地理信息系統(tǒng)的興起，其強(qiáng)大數(shù)據(jù)管理、分析及圖形顯示等方面的優(yōu)勢(shì)逐漸受到公路網(wǎng)規(guī)劃人員的重視，從而被應(yīng)用到公路網(wǎng)規(guī)劃中.

由于公路網(wǎng)規(guī)劃具有信息量大、規(guī)劃涉及面廣、系統(tǒng)性強(qiáng)、需要定量分析技術(shù)并實(shí)現(xiàn)方案尋優(yōu)等特征. GIS除具有數(shù)據(jù)(數(shù)字、文字等屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù))的收集整理、存儲(chǔ)管理、綜合分析等處理信息的基本功能外，還包括疊加處理、地形分析、路徑優(yōu)化、柵格顯示等功能，能夠很好地滿足公路規(guī)劃的需求.目前，廣泛運(yùn)用于公路網(wǎng)規(guī)劃的GIS系統(tǒng)平臺(tái)主要有國(guó)外的ArcGIS、MapInfo及國(guó)內(nèi)的MapStar、MapGis、GeoStar、SuperMap等[5].

3基于GIS的規(guī)劃平臺(tái)的搭建

路網(wǎng)規(guī)劃GIS系統(tǒng)是以ArcGIS作為平臺(tái)，利用二次開發(fā)構(gòu)建的具有圖形及影像處理、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)、空間分析、分析預(yù)測(cè)及綜合查詢的GIS應(yīng)用系統(tǒng).

規(guī)劃平臺(tái)核心部分是建立地理空間數(shù)據(jù)庫(kù).地理空間數(shù)據(jù)一般包括空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)是描述地理要素的空間位置、形狀、大小等特征的數(shù)據(jù)，主要有點(diǎn)、線、面三類，可以用來(lái)代表行政區(qū)劃邊界、河流、路網(wǎng)、居民點(diǎn)及主要控制點(diǎn)等；屬性數(shù)據(jù)是用來(lái)描述地理要素屬性特征的數(shù)據(jù)，表示區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)(GDP、人口等)道路屬性數(shù)據(jù)(線路起止點(diǎn)、里程、等級(jí)等)和土地利用屬性數(shù)據(jù)等；關(guān)系數(shù)據(jù)是描述地理要素之間空間關(guān)系的數(shù)據(jù)，即拓?fù)潢P(guān)系.本文二次開發(fā)利用ArcGIS Engine平臺(tái)進(jìn)行分析計(jì)算.基于Arcgis平臺(tái)公路網(wǎng)規(guī)劃平臺(tái)的框架如圖1所示.

圖1　公路網(wǎng)規(guī)劃平臺(tái)框架

4基于GIS的城鎮(zhèn)公路網(wǎng)規(guī)劃模型

4.1公路網(wǎng)規(guī)劃方法的選取

由于四階段法是以基年的OD數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，城鎮(zhèn)往往基礎(chǔ)資料不完備，收集資料耗費(fèi)大量人力物力，獲取OD數(shù)據(jù)難度較大[6].總量控制法只需要當(dāng)?shù)匾延械慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展資料，獲取較為容易，因此選擇總量控制法作為城鎮(zhèn)公路網(wǎng)規(guī)劃的方法.應(yīng)用該方法首先是要充分調(diào)查分析現(xiàn)有路網(wǎng)的基礎(chǔ)特征，收集社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r及區(qū)域交通量(運(yùn)輸量)變化趨勢(shì)，通過區(qū)域內(nèi)公路交通總需求來(lái)控制公路網(wǎng)建設(shè)總體規(guī)模，以區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)布局特征等來(lái)確定公路網(wǎng)布局方案，最后以公路路線建設(shè)的迫切程度來(lái)安排公路項(xiàng)目建設(shè)序列及分期實(shí)施計(jì)劃.

在具體公路網(wǎng)的布局中，首先是要計(jì)算規(guī)劃區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的重要度，通過動(dòng)態(tài)聚類分析劃分節(jié)點(diǎn)層次，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)公路網(wǎng)分層布局，整體優(yōu)化.其次是通過交通流量分配和投資決策過程，將總規(guī)模分解落實(shí)到各條具體路線上.最后以路線建設(shè)的迫切度來(lái)安排公路項(xiàng)目建設(shè)序列.總量控制法以交通特征參數(shù)為理論基礎(chǔ)，關(guān)鍵是要確定公路網(wǎng)合理規(guī)模，然后利用“最優(yōu)樹”原理，重點(diǎn)研究公路網(wǎng)的布局優(yōu)化.

4.2公路網(wǎng)規(guī)劃模型

公路網(wǎng)規(guī)劃模型建立在總量控制法基礎(chǔ)上，在建設(shè)資金約束的條件下，建立公路網(wǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)模型和路網(wǎng)布局模型.

4.2.1公路網(wǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)模型

公路網(wǎng)規(guī)模主要由規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、交通發(fā)展?fàn)顩r、區(qū)位特征等因素決定，常用的模型有國(guó)土系數(shù)法模型和連通度法模型.本文采用國(guó)土系數(shù)法模型，在該模型中，公路網(wǎng)的合理規(guī)模是由區(qū)域人口、面積及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等決定的，即路網(wǎng)合理程度L可表示為：

(1)

式中：

L——公路網(wǎng)合理長(zhǎng)度(千米)；

k——國(guó)土系數(shù)(經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)系數(shù))；

P——區(qū)域人口數(shù)量(萬(wàn)人)；

A——區(qū)域面積(平方公里).

研究發(fā)現(xiàn)，式1中，k值與人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(Pg)呈線性關(guān)系，可通過類比法或者數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析法確定，具體可表達(dá)為k=a+b*Pg.

同時(shí)，由于受城鎮(zhèn)財(cái)政的限制，在一定的建設(shè)資金下實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)整體效益最佳是規(guī)劃人員考慮的重要內(nèi)容之一.因此，本文采用資金約束條件表達(dá)為：

li*qi≤M

(2)

式中：

M——建設(shè)資金(萬(wàn)元)；

li——第i類道路的里程(公里)；

qi——第i類道路的單價(jià)(萬(wàn)元/公里).

4.2.2路網(wǎng)布局模型

基于總量控制法的公路網(wǎng)布局模型采用節(jié)點(diǎn)重要度布局法，通過對(duì)規(guī)劃地區(qū)的運(yùn)輸集散分析，即社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)力分布等的調(diào)查，選擇運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)；運(yùn)用與交通密切關(guān)聯(lián)的多個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的重要程度；通過聚類分析等方法劃分路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的層次；再通過計(jì)算層次路網(wǎng)重要度構(gòu)造路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，確定線路基本走向，得出路網(wǎng)重要度最大樹；最后得出規(guī)劃地區(qū)的公路網(wǎng)絡(luò)圖.該方法的工作思路是由節(jié)點(diǎn)到線路再成線網(wǎng)的布局過程[7].

(1)公路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要度計(jì)算方法

節(jié)點(diǎn)重要度即描述公路網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間重要程度的指標(biāo).通常節(jié)點(diǎn)重要度可通過總?cè)丝?、工業(yè)總產(chǎn)值、財(cái)政收入等3項(xiàng)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行定量分析：

(3)

式中，Ii——某一區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)i的重要度；Pi——節(jié)點(diǎn)i的人口數(shù)(萬(wàn)人)；

Gi——節(jié)點(diǎn)i的工業(yè)總產(chǎn)值(萬(wàn)元)；Si——節(jié)點(diǎn)i的財(cái)政收入(萬(wàn)元)；

節(jié)點(diǎn)重要度計(jì)算完成后，通常還需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的層次性進(jìn)行分析，即按節(jié)點(diǎn)重要度大小進(jìn)行排序，同時(shí)綜合考慮各節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重要性，用聚類分析的方法，將節(jié)點(diǎn)劃分為非常重要、重要、較為重要、一般重要等四個(gè)不同的層次，以確定不同層次路線布局的主要控制點(diǎn).

(2)公路網(wǎng)路線重要度計(jì)算方法

路網(wǎng)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間連成的路線可以有多條路徑，每條路徑通常由多條路段組成.路線重要度的計(jì)算公式為：

(4)

式中，Wij——節(jié)點(diǎn)i和j之間的路線重要度值；Ii、Ij——節(jié)點(diǎn)i和j的重要度；

Ni、Nj——與節(jié)點(diǎn)i和j直接連通的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；QN——i和j間交通量；

QN——路網(wǎng)交通量；σ——道路行政級(jí)別與功能修正系數(shù).

通過上一步得到線路重要度后，可以通過最小樹和最優(yōu)樹原理，采用“破圈法”計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)干線路網(wǎng)路線重要度最大樹.它是公路網(wǎng)的主骨架和公路網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目，它保證了區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的有效連通.

5案例分析

圖2　某縣公路網(wǎng)規(guī)劃方案

某縣人口162萬(wàn)，區(qū)域總面積2354.2平方公里，生產(chǎn)總值326億元，規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值79億元，公共財(cái)政預(yù)算收入9.7億元，計(jì)劃在未來(lái)15年間投資110億元進(jìn)行公路建設(shè).通過Arcgis搭建路網(wǎng)規(guī)劃平臺(tái)，利用二次開發(fā)平臺(tái)計(jì)算得出規(guī)劃路網(wǎng)的合理規(guī)模和布局方案，路網(wǎng)規(guī)劃方案如圖2所示.

根據(jù)上述規(guī)模方法，計(jì)算得出該縣路網(wǎng)規(guī)模為857.3公里，公路網(wǎng)系數(shù)到達(dá)12.78，其中非常重要節(jié)點(diǎn)1個(gè)，重要節(jié)點(diǎn)7個(gè)，較為重要節(jié)點(diǎn)和一般重要節(jié)點(diǎn)22個(gè).

6結(jié)語(yǔ)

本文主要是研究如何將GIS技術(shù)運(yùn)用于公路網(wǎng)規(guī)劃之中，充分應(yīng)用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、分析及圖形顯示等方面的優(yōu)勢(shì)，使得公路網(wǎng)規(guī)劃方案能夠更加直觀地展示.文中采用了基于總量控制理論和最小生成樹的原理作為公路網(wǎng)規(guī)劃的方法，通過公路網(wǎng)布局優(yōu)化中重要度布局法的節(jié)點(diǎn)重要度和節(jié)點(diǎn)間路線重要度的分析和計(jì)算，為公路網(wǎng)布局優(yōu)化提供科學(xué)的手段和依據(jù).通過實(shí)例證明，該方法具有可操作性, 能在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的效果.

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(責(zé)任編校：晴川)

Urban Road Network Planning Based on GIS

YANG Peng1，YANG Qifu2

(1. Guangdong Province Communications Planning & Design Institute Co., Ltd,>Guangzhou Guangdong 510507, China;2. Nanning Transport Bureau, Nanning Guangxi 530022, China)

Abstract：After analyzing the advantages of using total control method in urban road network planning, a planning platform based on Arcgis is developed by using road network scale predictive model and network layout model under the constraints of construction costs. The results show that the size and the layout of the road network are reasonable, which indicates that the network planning based on GIS is of good operability.

Key Words：geographic information system; road network planning; total control method; urban

中圖分類號(hào):U49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-4681(2016)02-0084-03

作者簡(jiǎn)介：楊鵬(1986— )，男，甘肅天水人,廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司助理工程師，碩士.研究方向：交通規(guī)劃.

收稿日期：2016-01-13