基于GIS技術的高速公路與城市道路銜接節點選址方法研究

張宏雨, 李宙峰, 劉 瑛

(湖南省交通規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點，對于城市內外交通轉換效率及整體運行效率起著至關重要的影響作用。隨著經濟社會和城市的快速發展，高速公路與城市道路的銜接日益受到關注。一方面，由于城市近年來不斷強化核心區功能和提高中心輻射力，周邊高速公路網不斷加密、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、事故現象頻發，在節假日期間尤甚。如何讓高速公路與城市道路高效、順暢銜接，二網一體化發展，已成為城市發展中的關鍵問題[1]。

解決高速公路和城市道路之間銜接不暢、轉換效率低的問題，一個重要關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、外兩方面因素影響，傳統方法主要是基于地形圖并考慮相關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?，F有文獻中，應用GIS技術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研究，彭麗榮[2]結合層次分析方法對公路選線的各個因素進行權重分析，結合ArcGIS空間分析技術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據集生成方面有所欠缺，分類不盡合理；高健智[4]結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位的銜接道路綜合布局方法，但其側重于交通區位和城市空間形態研究。針對上述不足，本文提出了一種基于GIS技術的高速公路與快速路銜接節點選址方法，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絡常見的結構形式有多環放射、環形放射+網格、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點選址研究包括：銜接節點位置的選擇和新建項目靠近節點段的路線選線。

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、地質災害等基本的自然因素影響，也受現有自然資源、與自然資源相應的政府政策法規、上位規劃和現有社會環境中各類因素的制約，高速公路與城市快速路銜接節點選址影響因素根據與其建設項目的關系總體分為內部因素和外部因素，內部因素主要是指高速公路路線設計及節點選址需要滿足相關規范指標；外部因素分為自然因素和社會環境因素，是銜接節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、礦產資源、能源、海洋資源等，而為實現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、自然公園[5]，及劃定的“三區三線”都是項目建設重要約束因素。根據相關保護條例等法規[6]，常見的自然保護區核心區、飲用水源一級水源保護區都為禁止進入區域，項目建設存在法律障礙。自然保護區一般控制區、飲用水源二級水源保護區、礦產資源開采區和勘察區、風景名勝區、森林公園都是需謹慎進入區域，為限制項目建設區域。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)、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、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??；需考慮惡劣的氣候對路基、路面、邊坡的毀壞，公路結構的溫度穩定性及水穩性，還需考慮高海拔地區大霧、結冰等對行車安全的影響；需要考慮巖石類型、地質構造、地質災害等工程地質因素；需考慮與地下水有關的水文地質條件，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。

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

2 選址模型構建

2.1 選址不同因素分區分級

不同因素對項目影響程度不同，同一類因素在不同研究區域對項目影響程度不同，需根據對項目的實際影響程度賦予不同分類或分級，分配在統一標準的分級區間，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]，根據上述因素對銜接節點選址的影響程度，將高速公路路線節點選址區域分為3大類5級分區。3類大依次為禁止區、限制區、自由區；5級分區依次為禁止區、高度限制區、一般限制區、優選自由區、一般自由區。

2.1.1分區概念

禁止區指法律、上位規劃禁止進入進行建設活動，公路必須避讓的區域，比如自然保護區核心區、飲用水源一級水源保護區、城市規劃區集中建設區等。

限制區指為保護生態環境、資源合理利用、各類設施合理布局等而限制建設活動的區域。該區域受因素制約大，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域，但需特別注重環境保護，減少對城市規劃建設影響，降低重大基礎設施之間干擾。比如自然保護區實驗區或一般控制區、飲用水水源二級保護區、森林公園、風景名勝區、礦產資源開發區、城市規劃未完全開發區等，這類區域面積相對占較大部分。限制區分為兩類：高度限制區和一般限制區。高度限制區指可進入但非必要進行建設活動的區域，這類區域一旦進入，會增加較高成本，比如生態環境脆弱區、村莊密集區、風景名勝區已開發區、礦產資源開采區等。一般限制區指高度限制區以外其他區域。

自由區指公路不受外部因素影響，在滿足項目建設內部因素條件下，可以自由選擇的區域。自由區分為兩類：優選自由區和一般自由區，優選自由區指戰略規劃和政府、專家、公眾等參與決策者建議或優先選擇的建設區，一般自由區指建議自由區以外其他區域。優選自由區比如有綜合交通運輸規劃、高速公路網規劃等上位規劃的區域。

2.1.2分級概念

一般自由區、優選自由區、一般限制區、高度限制區、禁止區分別對應為1～5級，禁止區和限制區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；自由區等級越大表示對項目正面影響越大，即為更優選擇。影響因素分區分級值表示為：

fij=j·N

(1)

式中：i表示第i種因素，i取值1～n，n為自然數；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。

因素分區關系見圖1。

圖1 因素分區關系

2.2 銜接節點選址分析方法

2.2.1源數據處理

研究區域的源數據主要為dwg、shp格式文件，首先進行文件格式轉換，統一為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據，并將數據按照自然因素和社會環境因素分類。

2.2.2建立底圖數據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互通節點初步選址，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據，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，根據路線縱面高程設計區間，將高程屬性值分為5級分區。

2.2.3因素分區分級

由于影響因素種類繁多，故將因素歸類處理，便于后續結果分析。

建立自然因素分區分級圖層：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，使用面轉柵格工具將矢量數據轉為柵格數據，并保證數據同等像元大小及波段數；對于多等級數據，判定數據界值，并進行重分類，歸類至1～5級。

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

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境因子柵格圖層進一步疊加計算，即將5級分區的因素疊加，利用鑲嵌新柵格工具，采用多個等級數據疊加時取等級較高數據的算法原理，得到新的各類因素疊加分析結果，即新的5級分區柵格圖層，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。?。?/p>

當柵格數據集有重疊時，按式(2)計算G值：

G=Maxmum(f1j，f2j，f3j，…，fnj)

(2)

式中：f1j，f2j，f3j，…，fnj為柵格數據集，j取值1～5；G表示重疊區域的輸出像元值，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《廣西高速公路網規劃(2018-2030)》中龍勝至峒中口岸公路(規劃為“縱八線”)龍勝至南寧段終點與南寧市城市快速路網銜接為例，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，實現與南寧繞城高速轉換和南寧市城市快速路網與高速公路網二網融合(見圖2)。針對新建項目與環線銜接對接城市快速路的網絡節點進行研究，根據南寧繞城高速公路北環周邊現有影響因素及路線規范、設計指標，具體銜接節點選址方法步驟如下。

圖2 “環線放射+網格”網絡與新建項目關系示意

1)源數據處理。

確定以東至三南高速、西至蘭海高速、北至武鳴區太平鎮、南至興寧區三塘鎮昆侖大道所形成的區域為項目研究區域，將數據轉換并分類。

2)建立底圖數據DEM和重分類。

用數字化地形圖建立起DEM，作為研究的底圖數據(見圖3)，依據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區間，選擇該區間地形范圍為優選自由區。

圖3 DEM高程圖

3)因素分級。

建立自然因子圖層。將已有因素根據需要先分類，再分區分級，并闡明分區分級理由，項目區域內自然因素分類分區見表1。

表1 自然因素分類分區評價因子分類分區分級分類依據或者說明高程50～150 m一般自由區路線合理區高程150～200 m優選自由區路線合理區,設計高程分布較多區域,路線契合地形路段地形DEM高程200～300 m一般限制區路線填挖方較大或需設置短隧道高程300～400 m高度限制區需設置隧道通過高程400～670 m禁止區路線設計高程不合理區生態紅線所有區域高度限制區《廣西生態保護紅線管理辦法(試行)》基本農田保護范圍所有區域高度限制區《自然資源部農業農村部關于加強和改進永久基本農田保護工作的通知》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一級保護區二級保護區禁止區一般限制區《廣西壯族自治區飲用水水源保護條例》高峰森林公園建成區、開發區高度限制區自然公園開發區或者核心區,影響大且成本大一般控制區一般限制區自然公園一般控制區

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

表2 社會環境分類分區評價因子分類分級分區分類依據或者說明現狀互通互通影響范圍內(沿高速1 km內)高度限制區《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定互通影響范圍外一般自由區現狀服務區服務區范圍內高度限制區服務區范圍外一般自由區現狀鐵路安全距離范圍內高度限制區對鐵路干擾大安全距離范圍外一般自由區對鐵路無影響國土空間規劃城市總體規劃建成區禁止區對城市建成區影響大建成區以外一般限制區對城市建成區影響相對小村莊規劃村莊密集區禁止區對村莊密集區影響大村莊其他區一般限制區對村莊居民影響相對小南寧市國土空間規劃---交通系統規劃圖快速路規劃區優選自由區《城鎮化地區公路工程技術標準》(JTG 2112-2021)3.1.2中高速公路、作為干線的一級公路,宜與快速路銜接規定。

4)分級的因子圖層疊加分析和綜合評價。

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

圖4 GIS分析結果與路線關系

4 結論

研究系統總結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概念，建立基于GIS技術的矢量數據疊加分析算法，最終所得柵格綜合評價結果是合理的，為公路選址選線提供了科學合理的方法及決策依據。該方法在影響因素分類分區階段，部分因素可依據法律法規等政策，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，該方法較傳統選址方法更為精準全面，數據易處理，當前高速公路與城市快速路銜接的項目區域受制約和影響的因素越來越復雜，利用GIS分析方法大批量數據處理的優點，能較快較好地得到選址結果。為方案設計者提供更明確的思路，為數字化、智能化選址選線提供理論基礎和實用方法。