基于GIS的城鎮公路網規劃研究

楊　鵬，楊啟福

(1.廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507;

2. 南寧市交通運輸局，廣西 南寧 530022)

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基于GIS的城鎮公路網規劃研究

楊鵬1，楊啟福2

(1.廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507;

2. 南寧市交通運輸局，廣西 南寧 530022)

摘要：利用GIS對空間數據的存儲、管理和分析處理功能，實現公路網規劃過程的可視化操作,能使規劃結果更加直觀，并顯著提高公路網規劃工作的效率.通過分析總量控制法在城鎮公路網規劃中的優勢，在建設成本約束條件下采用路網規模預測模型和路網布局模型，開發了基于Arcgis軟件的規劃平臺.實例分析表明，規劃后的路網規模和布局合理.因此，基于GIS的路網規劃具有良好的可操作性.

關鍵詞：地理信息系統；公路網規劃；總量控制法；城鎮

2012年中央經濟工作會議提出建設新型城鎮化，強調提高城鎮化的質量，在城鎮化進程中融入生態文明理念和原則，全面走集約、智能、綠色和低碳的新型城鎮化道路，使得城鎮化發展成為中國經濟發展新的增長動力和擴大內需的重要手段.根據聯合國有關預測數據，我國城鎮化率在2020年將達到53.2%，城市人口將超過7.5億.同時我國城鎮化進程中面臨著城鎮化水平低、布局不合理、基礎設施不完善等一系列問題.其中基礎設施不完善成為制約城鎮化發展的主要因素之一.因此，加強基礎設施建設，特別是交通基礎設施，能夠極大推動城鎮化發展，引導產業布局優化.

1公路網規劃方法

公路網規劃方法大致經歷了直觀判斷階段、集聚模型與非集聚模型階段、出行選擇行為模型階段和應用計算機技術階段.其中，直觀判斷階段是公路網規劃初期，由具備經驗的規劃技術人員根據以往經驗來進行規劃和預測的一種定性規劃的方法.集聚模型和非集聚模型階段中集聚模型將研究對象劃分成小區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]；而非集計模型以個人出行選擇的離散量研究為基礎，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規劃方法轉向基于人的活動的出行選擇行為模型，該模型認為影響出行次數的因素主要是人們的心理活動過程等.應用計算機技術階段是引入計算機技術，極大地提升了公路網規劃的便利性.

我國公路網規劃方法從最初的定性分析已向以數學模型為基礎的定量定性分析的科學決策方法轉變.目前，我國公路網規劃工作應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，以定量分析為依據，以路網現狀出行量分布調查為基礎，預測路段未來交通量,據此建立模型對路網規劃方案進行設計與優化.總量控制法則從系統分析出發，從路網現有里程和等級結構等去把握公路網的合理發展規模,并應用圖論原理進行公路網布局優化[4].

2公路規劃中GIS的應用

公路網規劃中最重要的工作就是數據處理，而傳統的處理方法往往費時費力.隨著GIS(Geographic Information System)即地理信息系統的興起，其強大數據管理、分析及圖形顯示等方面的優勢逐漸受到公路網規劃人員的重視，從而被應用到公路網規劃中.

由于公路網規劃具有信息量大、規劃涉及面廣、系統性強、需要定量分析技術并實現方案尋優等特征. GIS除具有數據(數字、文字等屬性數據和圖形數據)的收集整理、存儲管理、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、路徑優化、柵格顯示等功能，能夠很好地滿足公路規劃的需求.目前，廣泛運用于公路網規劃的GIS系統平臺主要有國外的ArcGIS、MapInfo及國內的MapStar、MapGis、GeoStar、SuperMap等[5].

3基于GIS的規劃平臺的搭建

路網規劃GIS系統是以ArcGIS作為平臺，利用二次開發構建的具有圖形及影像處理、數據查詢與統計、空間分析、分析預測及綜合查詢的GIS應用系統.

規劃平臺核心部分是建立地理空間數據庫.地理空間數據一般包括空間數據、屬性數據和關系數據，空間數據是描述地理要素的空間位置、形狀、大小等特征的數據，主要有點、線、面三類，可以用來代表行政區劃邊界、河流、路網、居民點及主要控制點等；屬性數據是用來描述地理要素屬性特征的數據，表示區域經濟社會數據(GDP、人口等)道路屬性數據(線路起止點、里程、等級等)和土地利用屬性數據等；關系數據是描述地理要素之間空間關系的數據，即拓撲關系.本文二次開發利用ArcGIS Engine平臺進行分析計算.基于Arcgis平臺公路網規劃平臺的框架如圖1所示.

圖1　公路網規劃平臺框架

4基于GIS的城鎮公路網規劃模型

4.1公路網規劃方法的選取

由于四階段法是以基年的OD數據作為出發點，城鎮往往基礎資料不完備，收集資料耗費大量人力物力，獲取OD數據難度較大[6].總量控制法只需要當地已有的經濟社會發展資料，獲取較為容易，因此選擇總量控制法作為城鎮公路網規劃的方法.應用該方法首先是要充分調查分析現有路網的基礎特征，收集社會經濟發展狀況及區域交通量(運輸量)變化趨勢，通過區域內公路交通總需求來控制公路網建設總體規模，以區域內社會經濟發展、產業布局特征等來確定公路網布局方案，最后以公路路線建設的迫切程度來安排公路項目建設序列及分期實施計劃.

在具體公路網的布局中，首先是要計算規劃區域內各節點的重要度，通過動態聚類分析劃分節點層次，進而實現公路網分層布局，整體優化.其次是通過交通流量分配和投資決策過程，將總規模分解落實到各條具體路線上.最后以路線建設的迫切度來安排公路項目建設序列.總量控制法以交通特征參數為理論基礎，關鍵是要確定公路網合理規模，然后利用“最優樹”原理，重點研究公路網的布局優化.

4.2公路網規劃模型

公路網規劃模型建立在總量控制法基礎上，在建設資金約束的條件下，建立公路網規模預測模型和路網布局模型.

4.2.1公路網規模預測模型

公路網規模主要由規劃區域內的人口數量、經濟發展狀況、交通發展狀況、區位特征等因素決定，常用的模型有國土系數法模型和連通度法模型.本文采用國土系數法模型，在該模型中，公路網的合理規模是由區域人口、面積及經濟發展水平等決定的，即路網合理程度L可表示為：

(1)

式中：

L——公路網合理長度(千米)；

k——國土系數(經濟發展指標系數)；

P——區域人口數量(萬人)；

A——區域面積(平方公里).

研究發現，式1中，k值與人均國內生產總值(Pg)呈線性關系，可通過類比法或者數理統計回歸分析法確定，具體可表達為k=a+b*Pg.

同時，由于受城鎮財政的限制，在一定的建設資金下實現路網整體效益最佳是規劃人員考慮的重要內容之一.因此，本文采用資金約束條件表達為：

li*qi≤M

(2)

式中：

M——建設資金(萬元)；

li——第i類道路的里程(公里)；

qi——第i類道路的單價(萬元/公里).

4.2.2路網布局模型

基于總量控制法的公路網布局模型采用節點重要度布局法，通過對規劃地區的運輸集散分析，即社會經濟及生產力分布等的調查，選擇運輸節點；運用與交通密切關聯的多個經濟指標來綜合評價節點的重要程度；通過聚類分析等方法劃分路網節點的層次；再通過計算層次路網重要度構造路網結構，確定線路基本走向，得出路網重要度最大樹；最后得出規劃地區的公路網絡圖.該方法的工作思路是由節點到線路再成線網的布局過程[7].

(1)公路網節點重要度計算方法

節點重要度即描述公路網絡中任意兩個節點間重要程度的指標.通常節點重要度可通過總人口、工業總產值、財政收入等3項指標來進行定量分析：

(3)

式中，Ii——某一區域內節點i的重要度；Pi——節點i的人口數(萬人)；

Gi——節點i的工業總產值(萬元)；Si——節點i的財政收入(萬元)；

節點重要度計算完成后，通常還需要對節點的層次性進行分析，即按節點重要度大小進行排序，同時綜合考慮各節點在區域內經濟和社會發展中的重要性，用聚類分析的方法，將節點劃分為非常重要、重要、較為重要、一般重要等四個不同的層次，以確定不同層次路線布局的主要控制點.

(2)公路網路線重要度計算方法

路網中兩個節點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.路線重要度的計算公式為：

(4)

式中，Wij——節點i和j之間的路線重要度值；Ii、Ij——節點i和j的重要度；

Ni、Nj——與節點i和j直接連通的節點個數；QN——i和j間交通量；

QN——路網交通量；σ——道路行政級別與功能修正系數.

通過上一步得到線路重要度后，可以通過最小樹和最優樹原理，采用“破圈法”計算得到區域內干線路網路線重要度最大樹.它是公路網的主骨架和公路網建設的重點項目，它保證了區域內各節點間的有效連通.

5案例分析

圖2　某縣公路網規劃方案

某縣人口162萬，區域總面積2354.2平方公里，生產總值326億元，規模以上工業總產值79億元，公共財政預算收入9.7億元，計劃在未來15年間投資110億元進行公路建設.通過Arcgis搭建路網規劃平臺，利用二次開發平臺計算得出規劃路網的合理規模和布局方案，路網規劃方案如圖2所示.

根據上述規模方法，計算得出該縣路網規模為857.3公里，公路網系數到達12.78，其中非常重要節點1個，重要節點7個，較為重要節點和一般重要節點22個.

6結語

本文主要是研究如何將GIS技術運用于公路網規劃之中，充分應用GIS強大的數據管理、分析及圖形顯示等方面的優勢，使得公路網規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規劃的方法，通過公路網布局優化中重要度布局法的節點重要度和節點間路線重要度的分析和計算，為公路網布局優化提供科學的手段和依據.通過實例證明，該方法具有可操作性, 能在實際應用中取得較好的效果.

參考文獻：

[1]Cackowski J M, Nasar J L. The restorative effects of roadside vegetation: Implications for automobile drive anger and frustration [J].Environment and Behavior,2003,(6):736-751.

[2]張樹升，周偉.公路網規劃的總量控制法[J].華東公路，1996,(2):42-46.

[3]吳群琪,袁長偉.公路網規劃研究進展及發展趨勢[J].中國公路學報，2006,(3):91-96.

[4]裴玉龍.公路網規劃[M].北京:人民交通出版社，2004.

[5]沙曉東，顏淋麗.GIS 技術在縣域公路網規劃中的應用[J].交通信息與安全交通信息與安全,2008,(S1):91-94.

[6]孫根彥.我國城鎮公路布局研究[D].西安:長安大學碩士學位論文，2004.

[7]張倩.基于GIS的青海省高速公路網規劃方法研究[D].西安:長安大學碩士學位論文，2011.

(責任編校：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:U49

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0084-03

作者簡介：楊鵬(1986— )，男，甘肅天水人,廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司助理工程師，碩士.研究方向：交通規劃.

收稿日期：2016-01-13