海南環島高速G98綠化質量綜合評價方法

王 倜，薛 鑄，陶雙成，呂曉宇，王 風

(1. 交通運輸部科學研究院，北京100029；2. 海南省交通運輸廳，海南 海口 570204)

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海南環島高速G98綠化質量綜合評價方法

王 倜1，薛 鑄1，陶雙成1，呂曉宇2，王 風2

(1. 交通運輸部科學研究院，北京100029；2. 海南省交通運輸廳，海南 海口 570204)

為總結海南早期環島高速綠化工程建設經驗，以理想點法為基本原理，選取涵蓋公路綠化景觀功能、生態功能、安全功能3方面共15個指標作為評價指標，采用德爾-菲理想點法確定各個指標的權重系數，建立了基于德爾菲-理想點法的海南環島高速綠化質量綜合評價模型。通過數據運算，分析得出該高速公路綠化質量正負理想點判斷范圍和距離，最后對結果進行等級判別。結合現場調查，表明采用德爾菲-理想點法進行環島高速G98綠化質量綜合評價是科學有效的，且簡單明了，易于操作。

道路工程；綠化質量綜合評價；德爾菲-理想點法

0 引 言

公路綠化是公路建設重要組成部分，其作用主要包括固土護坡，防止水土流失[1]；美化道路景觀，改善路域環境[2]；提高行車安全，延長公路壽命[3]。但由于我國公路綠化工程中長期缺乏施工標準、方法和科學指導，致使綠化施工片面追求直接效果和覆蓋率，包括強調短期效果，忽視長期效果引起的植被短期退化現象[4]等不科學、不可持續的理念和技術引發的后期的景觀和環境問題都比較嚴重。近年來引進的國外先進的公路綠化技術雖然對公路綠化質量的改善具有一定的積極作用，但與此同時公路綠化也開始向生態恢復的方向轉變，施工前期的景觀綠化規劃設計受到重視[4]。公路景觀綠化規劃設計的前提是有科學設計依據和標準進行參考，但是由于我國目前還沒有系統的對以往和現有的公路綠化工程質量進行評價總結，造成適合我國的公路景觀綠化規劃設計的相關依據和標準較為缺乏。因此，公路綠化工程質量的評價影響公路景觀綠化效果的進一步提高以及生態公路建設的進程，通過評價結果可以及時總結綠化設計和施工，以便科學把握和引導公路綠化的發展方向。因而選擇簡單、準確的公路綠化質量評價方法意義重大。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是近年來在應用較為廣泛的定量與定性結合的評價方法，已經在公路綠化相關評價研究中采用，具有一定的系統性和科學性[5-6]。為了進一步簡化公路綠化評價方法、提高準確性，探索更為科學和實用的評價方法，筆者在公路綠化質量評價研究中首次引入了理想點法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS)[7]。TOPSIS 法是解決多目標決策問題的多因子綜合評價方法[8]，能夠對多個因子綜合評價以確定對象所屬類別。該方法通過計算各因子與理想點的距離來區分對象類別，其具有原理簡單、計算方便、擁有高分辨度等特點[9]。目前該方法在很多領域已經得到了廣泛的應用[10-11]。

根據公路綠化的功能和作用，并參考相關研究成果[6]，總結出公路綠化一般包含景觀、生態和安全這三大功能，每個功能均有相應的多種類型因子對其進行表征，因而公路綠化的質量需要進行多目標決策來綜合評價，TOPSIS 法能夠滿足該本評價的要求。因此，筆者引入了TOPSIS法，從公路綠化三大功能入手，研究構建公路綠化質量評價指標體系并對其進行評價，然后結合德爾菲-理想點方法確定各個評價指標的權重，建立基于德爾菲-理想點法的海南環島高速綠化質量綜合評價模型，最后驗證該方法的科學性和有效性，研究結果可以指導正在設計和實施的海南中線高速(海口—屯昌—瓊中—樂東)公路景觀綠化工程，對于本省和外省其他高速公路的景觀綠化也具有重要的示范意義。

1 研究區概況

海南自然條件優越，生物資源豐富，生態系統多樣，氣候潮濕多雨，四季常綠，極利于植物生長[12]，為海南公路綠化奠定了較好的環境條件。目前，海南省公路總里程已達22 916 km(2011年)，形成了覆蓋全島的公路網，其中環島高速公路G98(包括西線高速和東線高速)建設時間較早(1995年)，屬于海南省第一批建設的高速公路之一。

按照目前的公路景觀綠化發展趨勢來看，海南省高速公路的綠化存在諸多問題，例如綠化技術落后、綠化形式呆板、植物選擇與配置不合理、公路綠化與周邊環境缺乏融合、綠化養護管理缺乏等，亟需及時進行評價總結，以為正在進行的海南國際旅游島生態公路的建設提供參考標準和依據。由于高速公路綠化主要包括線性綠化工程(路側、邊坡及中分帶綠化)和節點綠化工程(服務區、收費站、互通立交等綠化)，兩者的評價指標和標準均有較大差異，因此本文僅針對高速公路線性綠化工程的綠化質量展開評價研究。

2 研究方法

2.1 德爾菲-理想點法

德爾菲-理想點法首先確定評價指標體系，再通過德爾菲法確定各個評價指標的權重，對數據規范化處理，然后定義m維歐式空間中各指標均為最優值時的理想點。通過閔可夫斯基公式(Minkowski)計算各評價指標的最優解到正負理想點的距離。根據距離正理想點越近、離負理想點越遠就越優的原則判斷對象所屬類別范圍。最終通過理想點貼近度來對對象的狀況進行評價。

2.1.1 建立評價指標矩陣

假設評價對象A有n個評價指標，這n個指標看成是評價對象決策的n個目標函數，則其向量函數為：F(x)=[f1(x),f2(x),…,fn(x)]，令相應的權重分別為W1，W2，…，Wn，且在對象A中yi=fi(x)，則評價矩陣可表示為：

(1)

2.1.2 指標權重確定

德爾菲-理想點法是采用匿名有序的連續個人征詢計劃，通過對應答者有控制的信息反饋，對某問題在不易獲得準確資料時，用以闡明和精選專家組所給判斷的一種方法[13]。該方法充分利用了專家的專業知識，盡可能地降低了專家的主觀影響因數，使得權重結果更科學，且更符合實際。操作步驟為：①專家小組選擇；②評價意見征詢表設計；③專家問題征詢；④各位專家給出自己的評判結果；④專家判斷意見匯總和信息反饋；⑤再次匯總、反饋；⑥權重確定和結果的數據處理，最終確定評判結果。計算過程如下：

(2)

(3)

歸一化處理：

(4)

權重矩陣為：

(5)

2.1.3 數據規格化

將指標所有數據做統一標準規格化處理，以消除不同指標的等級變差[14]：

(6)

式中：Bij為規格化后的第i個指標的第j個數據；xij為處理前的第i個指標的第j個數據；xi上為第i個指標第1級的上限值；xin下為第i個指標的第n級指標的下限值。

規格化后的評價矩陣為：

(7)

2.1.4 正負理想點法

假定指標單調變化，從而定義正理想點和反理想點。

正指標時：

(8)

(9)

負指標時：

(10)

(11)

2.1.5 理想點評價函數

指標的最優解距離正理想點越近，距離負理想點越遠解越優。

利用閔可夫斯基(Minkowski) 距離法：

(12)

式中：f(x)為評價指標函數；fi(x)為第i個指標數據；f*(+)為第i個指標的正理想點；f*(-)為第i個指標的負理想點；Wi為第i個指標的權重。

當P=1 時，為海明距離或絕對距離；當P=2 時，為歐氏距離；當P=∞時為切比雪夫距離。筆者采用歐式距離進行計算。

2.2 數據的獲取

包括定量和定性的數據，定量數據一般采用現場調查、測定獲取，定性數據一般采用專家評分法獲取。

2.2.1 現場調查

公路綠化質量現場調查主要是對公路路域綠化植物多樣性調查，群落結構和特征等現場量化指標進行調查和記錄。筆者于2011—2013年采取均勻分布和典型樣地相結合的方法，對G98路側和邊坡位置的植物群落采取了樣方調查。由于G98高速全長612.8 km，為了便于調查工作的開展，參考各服務區的間距，平均40 km左右的里程設置1個植物調查樣方，共計設置了15個樣方。樣方調查步驟為：① 設置植物調查樣方。每一樣方的面積為10 m(寬度，垂直公路)×10 m(長度，平行公路)×2(路兩側)。將大樣方平均劃分為4×4=16個小樣方調查灌木，在每一小樣方內隨機布設2個1 m×1 m 的小樣方調查草本植物。② 植物群落調查。記錄大樣方內喬木種類、數量、每株胸徑；記錄每一小樣方內的灌木種類、蓋度、高度；記錄每一小樣方內的草本植物種類、數量、蓋度。③ 記錄樣方所在地的兩側綠化帶寬度，植物生長狀態，外來種入侵的比率等。利用Shannon-Weiner 多樣性指數、Pielou 均勻度指數計算每個樣方喬、灌、草的多樣性指數和均勻度指數[15]。

2.2.2 專家打分

2011年7月，邀請公路環保和景觀綠化領域專家3人，高校園林專業教師2 人、交通運輸廳管理人員2人、公路綠化管理人員2人、道路的使用者(司機或者乘客)1人共10人進行打分；2012年再次邀請有關人員進行現場考察，對各指標所得分值進行校正。

2.2.3 數據處理

數據分析及圖表建立利用SPSS1 9.0及Excel 2013進行處理。

3 德爾菲-理想點法實際應用

3.1 建立評價指標體系

3.1.1 指標選取原則

景觀、生態和安全三大功能的優劣反應了公路綠化的質量和效果，因此評價指標的選取應以最大可能科學、有效、全面的反應綠化功能相應的特點為指導思想，遵循客觀性、代表性、可操作性、獨立性、可比性等原則，以減少因指標選取不當而導致的評價結果偏離。同時，指標的選擇還考慮了本高速公路的區域環境、植被和景觀特點，力爭更客觀合理的對本高速公路綠化質量進行評價。

3.1.2 指標的選取與評述

公路綠化的景觀功能是指路域植被通過特定的組合方式、栽植形式、外觀特征、彩色搭配等，給司乘人員帶來的視覺體驗和心理感受，基于以上特點，篩選了以下6個指標作為景觀功能的表征：①綠化物種種類數量(Z4)的多少，可以增加植被景觀的豐富性和綠化結構層次，有利于減少單一植被的重復出現帶來的視覺疲勞；②綠化結構和形式(Z5)是前期景觀綠化規劃設計的最終體現，其可以呈現多種不同植被的栽植形式和配置方式，還能夠以此來寓意本地環境特點和文化特色，是景觀特色體現的重要因子；③本地綠化種比例(Z6)強調了使用不同生態區劃綠化植物在公路景觀綠化中的重要性，是綠化物種選擇的趨勢[16]，不僅能體現植被地域景觀特色，還對本地物種多樣性保護、構建生態功能區安全具有舉足輕重的作用；④綠化植被色彩多樣性(Z7)指標的選取基于色彩與人心理感受關系的理論研究基礎[27]，不同植物色彩及其組合能夠予人多種心理感受，以滿足不同公路部位的景觀功能需求；⑤綠化植被的總體觀賞性(Z8)是指綠化植被的個體形態呈現的景觀效果，包括單個植被和群落的觀賞性；⑥植物與周邊環境的融合程度(Z15)是指綠化植被與周圍環境植被的過渡和融合情況，是景觀適宜性的重要指標。

公路綠化的生態功能是指路域植被能夠起到固土護坡、改善環境等維護路域生態系統穩定的作用，因而篩選了以下7個指標作為生態功能的表征：①Shannon-Weiner多樣性指數(Z1)是反應植被多樣性高低的常用且重要的生態系指標，同樣適用于公路路域植被調查，可以說明一定空間和時間內公路綠化演替的效果；②物種豐富度指數(Z2)表明了公路路域植被種類的豐富性，也能夠說明公路綠化演替的效果；③Pielou均勻度指數(Z3)反應了路域植被群落的均勻性和穩定性，是群落生態特征的重要指標；④邊坡植被防護效果(Z11)是指綠化植被固土護坡、防止水土流失的效果，是綠化植被建植成敗的重要生態指標；⑤路側裸露情況(Z12)也反指綠化植被覆蓋率，是驗證綠化效果最常用最直觀的生態指標；⑥綠化植被生長狀況(Z13)是指個體植被或群落的生長勢，影響群落演替進展的速率；⑦外來種侵入情況(Z14)是反應路域生態系統安全的一項重要指標。

公路綠化的安全功能是指路域綠化植被發揮的交通安全的作用，通常選擇以下2個指標作為安全功能的表征：①綠化植物的誘導和緩沖效果(Z9)，是指在公路不同部位利用植被通過視覺提醒來吸引駕駛人員的注意，已達到特定的目的，最終維護行車安全；②中分帶植物的隔離和防眩效果(Z10)是指植被在夜間能夠有效阻隔反方向行車車燈光線對駕駛人員眼睛的直射，保證夜間行車安全。

綜上所述，以上15個指標涵蓋了公路綠化的三大功能，篩選過程最大可能保證了指標的代表性和科學性，兼顧了公路綠化的最新理論和方法，以及海南省的環境和工程特點。因此指標的篩選既有通用性也有特殊性，如海南省由于植被生長條件較佳，生長迅速，因此較為強調綠化的景觀效果，尤其是綠化植被的彩色效果等因子。本研究的指標篩選方法和原則對于其他類似工程有一定的參考意義，但是指標的選擇應該因地制宜，通過專家咨詢和文獻查閱來對指標進行調整。

3.1.3 指標體系建立

表1為通過指標篩選建立的指標體系，其中“+”代表正效益指標；“-”代表負效益指標。

表1 G98綠化質量綜合評價指標體系

參考其他研究將評價指標劃分為優、良、中、次、差等 5個等級，以Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ表示。定性的指標按照百分制進行等級劃分，定量指標按照實際統計或計算結果劃分等級，等級的劃分標準以均等間隔為基礎，同時參考其他學者的研究成果，并根據專家咨詢意見和本高速綠化工程實際情況進行了各個指標評分標準的適當調整，如表2。

表2 G98綠化質量綜合評價分級標準

3.2 理想點矩陣

所選指標中，Z1～Z11，Z13，Z15為正指標，其值越大，綠化質量越好；Z12和Z14為逆指標，其值越小，綠化質量越好。根據式(8)和式(9)，得到Ⅰ～Ⅴ級綠化質量的理想點矩陣f*(+)和反理想點矩陣f*(-)：

3.3 實現過程

現場樣方調查、軟件處理、即專家評分獲得數據，基于已確定的評價指標體系和正負理想點，根據式(12)計算出各評價對象到理想點的歐氏距離，最終對綠化質量進行評價。實現過程如圖1。

圖1 綠化質量綜合評價理想點運算過程Fig.1 Flow chart of ideal point method for G98 highway greening quality evaluation

3.4 評價指標值

將G98高速分成東線和西線兩段統計評價指標值，根據現場調查、數據處理、專家打分，得出以下指標值，見表3。

表3 綠化質量評價指標值

3.5 權重的確定

利用德爾菲-理想點法確定各個指標權重，具體如表4。

表4 各評價因子權重

由各指標權重計算結果可以看出，10位專家對于目前G98綠化植被色彩多樣性(Z7)和多樣性指數(Z1)的意見分散性比較大，其方差最大，為3.57和3.06；路側裸露情況(Z14)，與周圍環境的融合度(Z15)，綠化植被生長狀況(Z13)的意見分散性相對較小。各指標的歸一化權重系數由大到小依次為：Z13>Z12>Z8>Z10>Z1>Z4>Z6>Z2>Z7>Z11>Z15>Z3>Z14>Z5>Z9。

可以看出綠化植被的生長狀況是綠化質量級別最重要的指標，其次是路側裸露情況和植被總體觀賞性。高速公路綠化質量評價權重矩陣：W=[0.077，0.066，0.052，0.076，0.048，0.067，0.065，0.084，0.042，0.083，0.064，0.085，0.086，0.05，0.053]。

3.6 等級判別

根據式(8)～式(11)計算表2各級指標上下限到正負理想點距離，評價等級標準范圍如表5。

表5 G98綠化質量評價等級

計算兩個分路段的指標到理想點的距離〔式(12)〕，并根據表 5的距離范圍確定兩個分路段的綠化質量評價等級，其結果如表 6。

表6 G98綠化質量綜合評價結果

從表 6 中可以看出，東線段的判別結果為中，西線段的正理想點判別為次，負理想點判別為中。評價結果說明目前G98東線段的綠化質量處于中等水平，而西線段的綠化質量較次。將得出的結果用于評分專家回訪調查，專家同意研究的評價結果與綠化工程質量的現場實際情況基本相符。因此提出的德爾菲-理想點法評價模型能夠應用于海南G98高速公路綠化質量綜合評價中，評價結果較為客觀，評價方法具有可行性，操作簡單準確度高，能夠滿足一般公路綠化工程質量的綜合評價。

4 討 論

筆者的評價結果說明了海南省G98高速的綠化工程確實存在一定的問題，從表4每個指標的平均得分可以看出，綠化植物的誘導和緩沖效果(Z9)得分最低，說明全線綠化工程基本沒有發揮行車安全的作用，這與綠化種類的選擇以及綠化施工的千篇一律有關；其次是綠化結構和形式(Z5)指標，這表明G98高速起初設計的綠化栽植形式和植物配置模式已經不能滿足目前的綠化工程的新要求；然后是外來種侵入情況(Z14)，說明外來物種在公路沿線的侵入情況比較嚴重，這與最初的綠化設計以及后期的綠化管養措施有一定的關系。

總體而言，評價結構指出了海南G98高速在綠化設計、施工、養護上存在的一系列問題，這與現場實際調查結果基本相符。這些問題導致了現階段公路綠化存在種類少、綠化形式呆板、綠化結構單一、色彩無變化、外來綠化種南美蟛蜞菊(Wedelia trilobata)泛濫成災等一系列問題，綠化質量綜合評價結果較次。因此本次評價的結果具有客觀性和科學性，基本闡明了海南省G98高速的綠化工程的現狀和突出問題。

5 結 語

德爾菲-理想點法具有簡單、方便、準確等特點，筆者首次將該方法引入到高速公路綠化質量評價研究中，根據公路綠化的主要功能選擇評價指標，建立評價體系，對高速公路綠化質量進行了經驗總結，為綠化工程的設計、施工、養護等工作提供了參考和依據，能夠指導海南省公路綠化今后的發展方向，其指標的選取、評價體系的建立等研究方法也能夠為其他地區生態公路的建設起到示范作用。同時由于該方法是一種系統綜合性很強的評價分析方法，因此在使用本研究結果用于公路綠化質量評價中時，應綜合考慮環境和地域的差別和特點，明確評價的方向，指標的選取也要綜合分析，因地制宜，同時還要進一步完善評價指標體系，明確科學合理的評判因子和理想點，用更科學的方法使各指標權重系數的確定更加合理，使判別結果更為準確和符合實際，不斷提高其適用性。

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Comprehensive Evaluation Method for Greening Quality in Island Ring Highway (G98) of Hainan

Wang Ti1, Xue Zhu1, Tao Shuangcheng1, Lv Xiaoyu2, Wang Feng2

(1. China Academy of Transportation Sciences, Beijing 100029, China; 2. Hainan Provincial Department of Transportation, Haikou 570204, Hainan, China)

In order to summarize the greening experience of island ring highway, based on the basic principles of the ideal point method, fifteen indexes of the landscape features, ecological functions and security features were selected as the evaluation indexes. The weight coefficient of each evaluation index was determined by the Delphi-ideal point method. A comprehensive evaluation model for highway greening quality was established based on the Delphi method and ideal point method. The range and distance of plus-minus grade classification of the highway greening quality given by the ideal point method were analyzed by data operating. And the results were graded at last. Combined with site investigation, the results show that the method is scientific and effective, also easy to operate.

road engineering; greening quality evaluation; Delphi-ideal point method

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.14

2013-12-19；

2014-04-08

交通運輸部建設科技項目(2013318221470)；海南省交通科技項目(JT20120898016)

王 倜(1983—)，男，重慶萬州人，助理研究員，碩士，主要從事公路環保方面的研究。E-mail: wangti119@163.com。

U418.9；S731.8；X821

A

1674-0696(2015)02-063-06