何 堯，舒富民，鄭皓文

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

機(jī)場選址是機(jī)場建設(shè)的首要工作，決定了機(jī)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(jī)場選址主要以專家決策的方式確定，近年對于機(jī)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(biāo)遺傳算法對單個場址的布置方案進(jìn)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(jìn)行評估；李明捷等[3]運用突變評價法建立分層次的機(jī)場選址評價指標(biāo)體系，得到影響機(jī)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(jī)場選址綜合評價模型，將多個機(jī)場選址影響指標(biāo)轉(zhuǎn)換為新的變量來進(jìn)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(qiáng)等問題。國內(nèi)外利用地理信息系統(tǒng)（GIS，geographic information system）技術(shù)進(jìn)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(dāng)前，有關(guān)機(jī)場選址的GIS 研究主要是將其作為一種技術(shù)手段進(jìn)行探討，應(yīng)用案例較少。楊銳等[9]建立適用于機(jī)場選址的GIS 數(shù)據(jù)庫，探討了GIS 人機(jī)對話功能在機(jī)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(jī)場選址中運用的可行性。基于以上研究，從機(jī)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(jī)場選址空間模型，對機(jī)場適宜空間布局的區(qū)域進(jìn)行可視化表達(dá)，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(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，挖掘影響機(jī)場選址的因素，采用合理的評價方法對各單因素進(jìn)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(jī)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(jī)場布局相關(guān)性較強(qiáng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，如地形高程標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。

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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)場選址的評價指標(biāo)體系

影響機(jī)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(jì)適宜性進(jìn)行比較。本研究主要是針對機(jī)場場址初選，是對機(jī)場選址大區(qū)域、重點范圍的確定，作為機(jī)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(jī)場選址評價體系。

1）規(guī)劃適宜性

考慮影響機(jī)場選址的規(guī)劃因素，重點是機(jī)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(jī)場距離城市中心的直線距離宜為20～30 km，小型機(jī)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(jī)場噪聲影響等問題，實際機(jī)場距城市中心的適宜距離通常超過30 km。此外，機(jī)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(tuán)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(dá)性，也間接反映了利用機(jī)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(jī)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(dāng)?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(biāo)反映地形條件。與機(jī)場土石方工程量最為相關(guān)的系數(shù)是地形高程標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jī)場建設(shè)和飛機(jī)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(jī)場往往有更嚴(yán)格的管理標(biāo)準(zhǔn)，飛機(jī)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(biāo)，并且考慮機(jī)場高原和高高原的分級。

3）飛行適宜性

飛行適宜性分為機(jī)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(jī)場，若臨近機(jī)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(jī)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(jī)場、軍用機(jī)場及訓(xùn)練空域都可能會對該地區(qū)新建機(jī)場有影響。綜合來看，引進(jìn)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(jī)場選址評價指標(biāo)體系目標(biāo)層，為上述3 個影響因素層構(gòu)造相應(yīng)指標(biāo)層，分別從因素層選擇合適的指標(biāo)層來表征各個條件，建立機(jī)場選址評價指標(biāo)體系如表1 所示。根據(jù)國家政策，城鎮(zhèn)“三區(qū)三線”嚴(yán)格控制區(qū)域為不可選空間，該指標(biāo)疊加后作為不適宜區(qū)，不納入指標(biāo)層。

表1 機(jī)場選址評價指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)突出方案之間的差異性。選址評價指標(biāo)體系中因素層和指標(biāo)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(jìn)行權(quán)重分級。層次分析法是一種計算多目標(biāo)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(biāo)層都有相同的因素層，可以按照因素對不同目標(biāo)的重要程度進(jìn)行“兩兩比較”，形成判斷矩陣。

當(dāng)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(jìn)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(biāo)（CI，consistency index）進(jìn)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(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，引入了隨機(jī)一致性指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)的特征向量和檢驗情況。通過檢驗即可采用其權(quán)重值進(jìn)行下一步工作。若指標(biāo)層需要進(jìn)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(biāo)層權(quán)重，再對指標(biāo)層和因素層的權(quán)重進(jìn)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(jī)場選址的GIS 地理信息模型和評價指標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(biāo)層區(qū)域特征，基于層次分析法對因素權(quán)重進(jìn)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(jìn)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(jī)場選址的空間情況進(jìn)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(zhǔn)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(jī)場布局的影響。

2.2 案例分析

云南省（簡稱滇）規(guī)劃建設(shè)昆明市第二機(jī)場，機(jī)場定位為國際樞紐機(jī)場、大型民用運輸機(jī)場，要求機(jī)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(jī)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(biāo)層的類型進(jìn)行影響分級，以確定不同目標(biāo)下的選址偏好；然后對因素的重要程度進(jìn)行分類。該對象的屬性為山地樞紐機(jī)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(rèn)為該類型機(jī)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(jìn)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(biāo)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(jī)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(biāo)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(biāo)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(yán)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)發(fā)展和機(jī)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(jī)場選址區(qū)域進(jìn)行適宜性分類，不僅能彌補(bǔ)目前機(jī)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(zhǔn)確地提供初步選址重點區(qū)域的結(jié)論，為初選場址進(jìn)一步開展預(yù)選、比選打下堅實的基礎(chǔ)。把影響機(jī)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(xì)化空間適宜性的評價指標(biāo)，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(jì)適宜性進(jìn)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。