鄉村振興背景下村莊道路規劃智能化研究
——以廣州市花都區港頭村為例

劉以娜，包世泰，佘美萱，陳順清

（1.華南農業大學 a.資源環境學院；b.林學與風景園林學院，廣州 510642；2.奧格科技股份有限公司，廣州 510663）

自黨的“十九大”提出鄉村振興戰略以來，村莊規劃受到廣泛重視，成為因地制宜、精準施策、建設美麗鄉村的重要舉措。鄉村振興的核心是規劃先行、提升產業、服務農村，要以村莊為單元進行規劃；而村莊規劃的重要內容是道路規劃，是進一步聯通鄉村生產生活、生態空間，加強村莊對外交通、對內服務生產生活的重要抓手。對于村莊發展而言，“要想富、先通路”，重視村莊道路規劃、不斷優化村莊內外路網，是實現鄉村振興必不可少的環節。受農村經濟發展和技術人才的限制，現有村莊道路通常缺乏合理的規劃設計，存在道路整體性差、連貫性不足、等級混亂等問題，不能滿足鄉村可持續發展的需求，在很大程度上限制了農村經濟的發展（劉語軒 等，2019；王永慧 等，2021）。

國外對農村路網規劃的研究中，比較有代表性的是印度和歐洲的規劃實踐。印度學者運用鄉村居民點層次和居民點之間的相互影響對鄉村公路網進行規劃和評價，其特征是將鄉村的路網規劃和鄉村聚點規劃綜合考慮（Howe et al., 1984）；歐洲學者則認為農村次干道路規劃是土地整理的組成部分，并有機結合了經濟、土地開發、實現現代化等需求（Meng et al., 2000）。相對而言，國內研究多集中在城市道路和公路規劃，而村莊尺度下路網規劃的智能化方法研究相對較少，特別是鄉村振興背景下村莊道路規劃影響因素定性分析和定量計算尚不深入。如白雁等（2005）采用專家經驗法和重要度布局法相結合的方法，提出由點到線、由線到網逐步完成公路網的布局；高紅江等（2012）提出農村公路規劃要從農村公路的功能定位出發，滿足村民對公共服務設施與資源的可達性需求；岳萍等（2016）探討影響新農村公路網規劃布局的主要因素，提出中國新農村公路網規劃的方法。

近年來，路網規劃不斷引入新的技術和方法，提升道路智能規劃水平。如Galin 等（2010）提出一種基于加權最短路徑算法的自動道路生成方法，給定一個輸入場景，將自動創建一條連接起點和終點的路徑。Kadi等（2019）通過分析影響森林滑坡的要素，構建森林滑坡敏感性圖，對土耳其馬卡林業運營局區域的滑坡風險狀況進行分析，結合GIS技術生成該區域的最佳森林巡查路徑。Inti 等（2021）通過將多目標粒子群優化和K-均值聚類策略相結合，開發了一個混合多目標優化模型，并將其運用于印度東北部地區的道路規劃。王冉然（2010）以地理信息系統為研究平臺，結合城鄉道路規劃理論方法，構建農村道路生成適宜性模型，提出新農村道路規劃選線的方法。陳元濤（2012）利用GIS強大的空間分析功能，將其作為道路規劃選線輔助分析技術，以實現道路規劃自動化。史涵等（2019）基于地理信息系統，提出一種智能道路規劃模型，應用于高速公路的規劃選線。

已有研究對道路的規劃選線方法更多適用于全域公路選線和城市道路規劃，難以滿足中國鄉村道路規劃的特殊需求。村莊道路規劃不能照搬以往城鎮道路規劃方法，需結合鄉村發展實際狀況、兼顧農業生產、村民生活、產業發展、歷史文化保護等眾多因素，因此，有必要探索普適高效智能的村莊道路規劃方法。鑒于此，本文在鄉村振興戰略的背景下，以村莊作為規劃單元，采用模糊層次分析法全面梳理和量化村莊道路規劃影響因素及其權重，構建村莊道路生成最小成本模型，利用GIS生成符合規劃要求的成本最小、通達性最大的村莊道路。以期提升村莊道路規劃智能化水平，有助于美麗鄉村建設和鄉村振興。

1 村莊道路智能規劃

1.1 村莊道路規劃影響因素

村莊道路系統作為鄉村空間的基本骨架，是村莊空間布局的基礎（劉語軒 等，2019）。為防止鄉村建設“千村一面”，村莊道路規劃必須要因地制宜、突出地域特色。基于前瞻性、可持續發展、通達性、歷史文化保護等原則，充分考慮農村生活特點、鄉村振興要求以及自然環境約束等，保證道路規劃的安全性、實用性和系統性（何耀，2014；王凱，2016）。結合中國鄉村道路實際情況，分析影響村莊道路規劃的主要因素，主要包括自然因素、工程因素、社會和人口因素及其他因素等。

1）自然因素：村莊道路規劃要考慮環境要素的影響，重點考慮地形地貌對道路交通安全性和舒適性的影響，如坡度、高程、起伏度。

2）工程因素：道路建設對村莊耕地、林地、居民地和水體等土地利用類型會產生不同的占用成本、拆遷成本和建設成本，村莊道路規劃要集約節約利用土地資源，避免破壞生態環境。

3）社會和人口因素：村莊道路不僅服務于當地村民的日常需要，也是帶動農村區域經濟發展的關鍵（欒翠霞，2017）。為更好地服務當地村民的交通出行和農業生產，不僅要充分考慮對內對外交通的聯系和出行的便利程度，還要考慮村莊各區域的人口規模，明確道路起止點與等級，確保整個村莊路網的通達性，更好地服務于村民（王冉然，2010）。

4）其他因素：道路建設還需要考慮保護村莊歷史和特色、尊重鄉村原有機理（王冉然，2010）。村莊內歷史文物古跡如古建筑、院落、祠堂、水井、橋梁等，不僅需考慮道路規劃銜接，還要避免道路建設和通行對其產生的破壞，實現保護性開發與傳承，“留住鄉愁”。

1.2 研究方法與技術路線

根據村莊道路規劃影響因素，采用定性與定量相結合的模糊層次分析法（FAHP，Fuzzy Analytic Hierarchy Process）細化量化影響村莊道路規劃的自然、工程、社會和人口等因素，借助GIS技術將影響因素轉換為地理要素數據，考慮其權重影響，采用加權疊加分析方法，多要素疊加形成村莊全域綜合成本柵格；自動提取道路起止點，計算多起點多終點不同等級最小成本道路，自動生成矢量化的村莊道路網。技術路線見圖1所示。

圖1 村莊道路規劃生成技術路線Fig.1 Technology Roadmap of village road planning generation

1.2.1 模糊層次分析法 采用模糊層次分析法確定影響村莊道路規劃因素及權重，具體分為4個步驟：1）構建層次結構模型，梳理村莊道路規劃影響因素及相互關系；2）利用三角模糊數對評價指標進行兩兩比較，構建模糊判斷矩陣；3）檢驗模糊判斷矩陣的一致性，若不符合一致性重新調整模糊判斷矩陣；4）計算各項指標權重。

1.2.2 加權疊置分析 柵格加權疊置分析是一項重要的GIS空間分析功能，將影響因素對應的多個柵格數據進行疊加，產生一個綜合已有柵格值的新柵格（Maribeth, 2015），計算模型為：

2.2 村莊全域綜合成本柵格構建

根據村莊道路規劃4 個主要影響因素，結合港頭村實際情況收集地形、土地利用、現狀道路和歷史古跡等相應地理要素數據，并對各要素數據分別進行柵格化、重分類等處理，形成村莊全域綜合成本柵格。其中，每類數據處理過程為：

1）地形數據：地形要素直接影響道路交通安全和建設成本。通過港頭村數字高程模型數據，提取村莊全域坡度、坡向和起伏度，重分類賦值、值越大表示道路建設和通行成本越高。

2）現狀道路數據：在現有道路基礎上規劃建設道路不僅能最大程度上節約成本，而且村莊居民點往往毗鄰現有道路，

式中：S為多因素綜合成本；Fi為單個影響因素的柵格值；Wi為單個影響因素所對應的權重；n是參與成本計算的影響因素個數。

1.2.3 最小成本路徑 生成最小成本路徑的算法有多種，經典的Dijkstra 算法是解決最短路徑問題的理論基礎，通過計算一個結點到其他所有結點的所有路徑，從中尋找一條權值最小的路徑，即最小成本路徑。主要特點是以原點為中心向外層擴展，直至終點為止，計算模型為：

式中：V是結點的集合；A是?。窂剑┑募?；（Vi，Vj） 表示結點Vi到結點Vj的弧；Wij表示?。╲i，vj）的權值；Pij表示從Vi到Vj的路徑。

2 案例分析

2.1 研究區概況

以嶺南古村—港頭村為研究區，是廣東省廣州市花都區花東鎮下轄的行政村，南鄰流溪河，花都大道東西貫穿而過（圖2）。整個村莊面積2.83 km2，山、水、田、林、塘等自然資源較為豐富，形成頗具嶺南特色的自然村落格局；港頭村有著600多年的歷史文化底蘊，有“曾子文化”“書香文化”等多重文化名片，村內仍保留文孫曾公祠、云門曾公祠、云門別墅等大量古建筑，被譽為“露天的明清建筑博物館”，形成具有廣府特色的古村區域。根據花都區鄉村振興戰略，正將港頭村打造為廣州市知名文明古村落、花都區人文生態旅游示范村。交通通達性和居住聚集效應明顯（蘇木蘭 等，2016；方健 等，2017）。規劃路網將最大程度利用現有道路，本研究對港頭村現有道路經歐式距離分析，得到村域距離柵格數據，距離現狀道路越近重分類賦值越低，表示建設和通行成本越低。

圖2 港頭村區位Fig.2 Location of Gangtou Village

3）土地利用數據：包括村域的耕地、園地、林地、水體、建設用地、交通用地和其他用地。將土地利用數據柵格化后重分類賦值，值越大表示該土地類型上建設道路成本越高。

4）居民點數據：包括每戶村民數量和位置，代表潛在的交通需求，轉換為人口密度、值越大表示交通需求越強、道路等級越高。

5）歷史古跡數據：主要是港頭村的古村落面狀數據，規劃道路時要予以保護和避讓，其建設成本賦值較高。

各類要素成本賦值見表1所示，分數越高表示建設道路的成本越高。

表1 港頭村道路規劃影響要素成本賦值Table 1 Classification scores of road planning in Gangtou Village

通過模糊層次分析法確定各要素間相互重要程度，進而確定其權重，見表2所示。

表2 港頭村道路規劃影響因子矩陣及權重Table 2 Influence factor matrix and weight of road planning in Gangtou Village

基于各要素成本柵格數據，結合權重進行加權疊加分析，得到的村域綜合成本柵格綜合考慮了自然、工程、社會和人口等要素對道路規劃建設的量化成本。

2.3 基于最小成本路徑算法的村莊道路智能規劃

在鄉村振興戰略背景下，以旅游產業為導向對傳統村落進行規劃和發展是傳統村落更新活化、健康可持續發展的有效途徑（成永剛，2017）。為更好地發展鄉村產業，將港頭村打造為綜合性的“人文生態旅游示范村”，以點帶面，實現鄉村全面振興，需要對港頭村現有資源進行合理的整合和開發利用，規劃合理的村莊道路網，加強與外界的交通聯系，串聯各旅游景點，連通各產業基地。

基于前述的綜合成本柵格數據，計算得到村莊全域各起點出發的成本距離和回溯鏈接（距離方向）數據；然后利用GIS最小成本路徑方法，可生成村莊內任意起點和終點間的最小成本道路。村莊道路規劃涉及多個起點和終點，如何智能選取多起點多終點、并自動計算生成多條成本最優的規劃道路？這是道路智能規劃的難點。本研究選擇模糊層次分析法明確居住區、耕地、歷史古跡、公共設施和對外道路出入口等共5 類要素，根據表3 參數自動提取村莊規劃道路的起點和終點，自動生成多起點到多終點的村莊道路。

所構建的GIS分析模型打包固化后形成流程化工具，如圖3所示。規劃生成的道路不僅能最大程度地避讓水體、古建筑等成本較高區域，而且能充分利用現有交通用地，在最大程度上減少對村莊環境的破壞。

圖3 基于GIS的村莊道路智能規劃流程Fig.3 Flow chart of village roads intelligent planning based on GIS

利用GIS規劃工具生成的港頭村規劃道路網如圖4 所示，共5 類7 個起點16 個終點，自動生成多起點到多終點的4級村莊道路，包括主干道路4條、次干道路2條、生產型支路9條、生活型支路13條和環村路1 條。根據《鄉村道路工程技術規范》（GB/T 51224-2017）（中華人民共和國住房和城鄉建設部，2017）農村道路等級應該分級設置，可根據各要素權重確定各起止點的重要度，自動生成不同等級的村莊道路。第一級為主干道路，承擔村莊與城鎮區域之間的聯系，規劃生成與外部主干道連接的村莊主干道路，其起止點重要度以現有道路要素權重衡量；第二級為次干道路，主要是村莊內部各組團之間的聯系，其起止點重要度以地形要素權重衡量；第三級為支路，主要是滿足村民日常出行（生活型支路）和進行農業生產活動的需求（生產型支路，主要為機耕路），其起點終點重要度以土地利用要素權重衡量。此外，近幾年鄉村規劃所關注的環村路，以港頭村居住區及其周圍園地、耕地組團為單元，采用圖形緩沖的方式，規劃生成寬度為10 m的環村路，以加強村莊內部的聯系，提高村莊道路網的連通性。

圖4 港頭村道路智能規劃Fig.4 intelligent planning of Gangtou Village's Road

3 結論與討論

本文圍繞鄉村振興戰略背景下村莊道路規劃需求，探討村莊道路智能規劃理論方法，采用模糊層次分析法系統分析影響村莊道路規劃的自然、工程、社會和人口及其他因素及權重；收集處理對應的要素數據并采用加權疊加分析量化計算，自動生成村域綜合成本柵格；構建GIS分析模型流程化工具，采用最小成本路徑算法，自動選取多起點多終點自動生成不同等級村莊道路；并以廣州市花都區的港頭村為例，模擬規劃生成港頭村主干道路、次干道路和支路（生活型支路和生產型支路）3 種等級的村莊道路進行驗證，生成了多起點到多終點的4 級村莊道路，包括主干道路4 條、次干道路2 條、生產型支路9 條、生活型支路13 條和環村路1 條，與現有道路實現無縫連接，并兼顧對外交通、生產和生活等多重需求。

本文所提出的村莊道路智能規劃方法充分考慮了村莊單元內生產（農田和產業）、生活（設施）布局，通過構建村域綜合成本柵格，并智能提取起止點，基于最小成本路徑算法，對村莊道路網進行規劃優化，具有較強的實用性和普適性。與城市道路、公路規劃等相關研究（黃德軍，2019；鄭培松，2020；葉瑞云 等，2021）相比，本文提出的村莊道路智能規劃主要有3點提升：1）所考慮影響因素重要性不同，本文系統分析影響村莊道路規劃的自然、工程、社會和人口等因素，如將歷史文物保護、現有道路等要素納入其中，更符合鄉村振興戰略下村莊道路規劃的需求；2）規劃方法不同，對村莊道路的規劃方法更細化量化，如計算多因素影響下的村域綜合成本柵格，并基于最小成本自動生成規劃道路；3）規劃結果不同，根據影響要素權重確定相應起止點重要度，自動生成不同等級道路，即村莊主干道路（寬5～8 m）、次干道路（寬3～5 m）、支路（寬2～3 m，主要為生活型支路和生產型支路），所生成的村莊道路更具有針對性和實用性。

本研究提出的村莊道路規劃方法擺脫了傳統道路規劃過多依靠人工主觀經驗的限制，為鄉村道路規劃提供了系統化思路和自動化方法，有利于推動村莊道路規劃智能化。村莊道路智能規劃是一個涉及因素復雜、廣泛的綜合性問題，雖然本文提出的村莊道路智能規劃生成方法，能生成成本最小的不同等級村莊道路，但在實際規劃生成村莊道路的過程中，除了要生成最小成本道路，還要滿足景觀美觀等需求，需考慮特定道路的分布形態與連接需求，如部分道路需要趨直、部分道路需要呈環狀等，這些在后續研究中需進一步加以考慮。