基于GIS的城镇公路网规划研究

杨　鹏，杨启福

(1.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507;

2. 南宁市交通运输局，广西 南宁 530022)



基于GIS的城镇公路网规划研究

杨鹏1，杨启福2

(1.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507;

2. 南宁市交通运输局，广西 南宁 530022)

摘要：利用GIS对空间数据的存储、管理和分析处理功能，实现公路网规划过程的可视化操作,能使规划结果更加直观，并显著提高公路网规划工作的效率.通过分析总量控制法在城镇公路网规划中的优势，在建设成本约束条件下采用路网规模预测模型和路网布局模型，开发了基于Arcgis软件的规划平台.实例分析表明，规划后的路网规模和布局合理.因此，基于GIS的路网规划具有良好的可操作性.

关键词：地理信息系统；公路网规划；总量控制法；城镇

2012年中央经济工作会议提出建设新型城镇化，强调提高城镇化的质量，在城镇化进程中融入生态文明理念和原则，全面走集约、智能、绿色和低碳的新型城镇化道路，使得城镇化发展成为中国经济发展新的增长动力和扩大内需的重要手段.根据联合国有关预测数据，我国城镇化率在2020年将达到53.2%，城市人口将超过7.5亿.同时我国城镇化进程中面临着城镇化水平低、布局不合理、基础设施不完善等一系列问题.其中基础设施不完善成为制约城镇化发展的主要因素之一.因此，加强基础设施建设，特别是交通基础设施，能够极大推动城镇化发展，引导产业布局优化.

1公路网规划方法

公路网规划方法大致经历了直观判断阶段、集聚模型与非集聚模型阶段、出行选择行为模型阶段和应用计算机技术阶段.其中，直观判断阶段是公路网规划初期，由具备经验的规划技术人员根据以往经验来进行规划和预测的一种定性规划的方法.集聚模型和非集聚模型阶段中集聚模型将研究对象划分成小区或群体等特定集合体为研究的基本单元，具有代表性的模型主要有四阶段法[1]和总量控制法[2]；而非集计模型以个人出行选择的离散量研究为基础，具有代表性的模型主要有Logit模型和Probit模型[3].出行选择行为模型阶段公路网规划方法转向基于人的活动的出行选择行为模型，该模型认为影响出行次数的因素主要是人们的心理活动过程等.应用计算机技术阶段是引入计算机技术，极大地提升了公路网规划的便利性.

我国公路网规划方法从最初的定性分析已向以数学模型为基础的定量定性分析的科学决策方法转变.目前，我国公路网规划工作应用比较广泛的有四阶段模型法和总量控制法.四阶段模型法从微观出发，以定量分析为依据，以路网现状出行量分布调查为基础，预测路段未来交通量,据此建立模型对路网规划方案进行设计与优化.总量控制法则从系统分析出发，从路网现有里程和等级结构等去把握公路网的合理发展规模,并应用图论原理进行公路网布局优化[4].

2公路规划中GIS的应用

公路网规划中最重要的工作就是数据处理，而传统的处理方法往往费时费力.随着GIS(Geographic Information System)即地理信息系统的兴起，其强大数据管理、分析及图形显示等方面的优势逐渐受到公路网规划人员的重视，从而被应用到公路网规划中.

由于公路网规划具有信息量大、规划涉及面广、系统性强、需要定量分析技术并实现方案寻优等特征. GIS除具有数据(数字、文字等属性数据和图形数据)的收集整理、存储管理、综合分析等处理信息的基本功能外，还包括叠加处理、地形分析、路径优化、栅格显示等功能，能够很好地满足公路规划的需求.目前，广泛运用于公路网规划的GIS系统平台主要有国外的ArcGIS、MapInfo及国内的MapStar、MapGis、GeoStar、SuperMap等[5].

3基于GIS的规划平台的搭建

路网规划GIS系统是以ArcGIS作为平台，利用二次开发构建的具有图形及影像处理、数据查询与统计、空间分析、分析预测及综合查询的GIS应用系统.

规划平台核心部分是建立地理空间数据库.地理空间数据一般包括空间数据、属性数据和关系数据，空间数据是描述地理要素的空间位置、形状、大小等特征的数据，主要有点、线、面三类，可以用来代表行政区划边界、河流、路网、居民点及主要控制点等；属性数据是用来描述地理要素属性特征的数据，表示区域经济社会数据(GDP、人口等)道路属性数据(线路起止点、里程、等级等)和土地利用属性数据等；关系数据是描述地理要素之间空间关系的数据，即拓扑关系.本文二次开发利用ArcGIS Engine平台进行分析计算.基于Arcgis平台公路网规划平台的框架如图1所示.

图1　公路网规划平台框架

4基于GIS的城镇公路网规划模型

4.1公路网规划方法的选取

由于四阶段法是以基年的OD数据作为出发点，城镇往往基础资料不完备，收集资料耗费大量人力物力，获取OD数据难度较大[6].总量控制法只需要当地已有的经济社会发展资料，获取较为容易，因此选择总量控制法作为城镇公路网规划的方法.应用该方法首先是要充分调查分析现有路网的基础特征，收集社会经济发展状况及区域交通量(运输量)变化趋势，通过区域内公路交通总需求来控制公路网建设总体规模，以区域内社会经济发展、产业布局特征等来确定公路网布局方案，最后以公路路线建设的迫切程度来安排公路项目建设序列及分期实施计划.

在具体公路网的布局中，首先是要计算规划区域内各节点的重要度，通过动态聚类分析划分节点层次，进而实现公路网分层布局，整体优化.其次是通过交通流量分配和投资决策过程，将总规模分解落实到各条具体路线上.最后以路线建设的迫切度来安排公路项目建设序列.总量控制法以交通特征参数为理论基础，关键是要确定公路网合理规模，然后利用“最优树”原理，重点研究公路网的布局优化.

4.2公路网规划模型

公路网规划模型建立在总量控制法基础上，在建设资金约束的条件下，建立公路网规模预测模型和路网布局模型.

4.2.1公路网规模预测模型

公路网规模主要由规划区域内的人口数量、经济发展状况、交通发展状况、区位特征等因素决定，常用的模型有国土系数法模型和连通度法模型.本文采用国土系数法模型，在该模型中，公路网的合理规模是由区域人口、面积及经济发展水平等决定的，即路网合理程度L可表示为：

(1)

式中：

L——公路网合理长度(千米)；

k——国土系数(经济发展指标系数)；

P——区域人口数量(万人)；

A——区域面积(平方公里).

研究发现，式1中，k值与人均国内生产总值(Pg)呈线性关系，可通过类比法或者数理统计回归分析法确定，具体可表达为k=a+b*Pg.

同时，由于受城镇财政的限制，在一定的建设资金下实现路网整体效益最佳是规划人员考虑的重要内容之一.因此，本文采用资金约束条件表达为：

li*qi≤M

(2)

式中：

M——建设资金(万元)；

li——第i类道路的里程(公里)；

qi——第i类道路的单价(万元/公里).

4.2.2路网布局模型

基于总量控制法的公路网布局模型采用节点重要度布局法，通过对规划地区的运输集散分析，即社会经济及生产力分布等的调查，选择运输节点；运用与交通密切关联的多个经济指标来综合评价节点的重要程度；通过聚类分析等方法划分路网节点的层次；再通过计算层次路网重要度构造路网结构，确定线路基本走向，得出路网重要度最大树；最后得出规划地区的公路网络图.该方法的工作思路是由节点到线路再成线网的布局过程[7].

(1)公路网节点重要度计算方法

节点重要度即描述公路网络中任意两个节点间重要程度的指标.通常节点重要度可通过总人口、工业总产值、财政收入等3项指标来进行定量分析：

(3)

式中，Ii——某一区域内节点i的重要度；Pi——节点i的人口数(万人)；

Gi——节点i的工业总产值(万元)；Si——节点i的财政收入(万元)；

节点重要度计算完成后，通常还需要对节点的层次性进行分析，即按节点重要度大小进行排序，同时综合考虑各节点在区域内经济和社会发展中的重要性，用聚类分析的方法，将节点划分为非常重要、重要、较为重要、一般重要等四个不同的层次，以确定不同层次路线布局的主要控制点.

(2)公路网路线重要度计算方法

路网中两个节点间连成的路线可以有多条路径，每条路径通常由多条路段组成.路线重要度的计算公式为：

(4)

式中，Wij——节点i和j之间的路线重要度值；Ii、Ij——节点i和j的重要度；

Ni、Nj——与节点i和j直接连通的节点个数；QN——i和j间交通量；

QN——路网交通量；σ——道路行政级别与功能修正系数.

通过上一步得到线路重要度后，可以通过最小树和最优树原理，采用“破圈法”计算得到区域内干线路网路线重要度最大树.它是公路网的主骨架和公路网建设的重点项目，它保证了区域内各节点间的有效连通.

5案例分析

图2　某县公路网规划方案

某县人口162万，区域总面积2354.2平方公里，生产总值326亿元，规模以上工业总产值79亿元，公共财政预算收入9.7亿元，计划在未来15年间投资110亿元进行公路建设.通过Arcgis搭建路网规划平台，利用二次开发平台计算得出规划路网的合理规模和布局方案，路网规划方案如图2所示.

根据上述规模方法，计算得出该县路网规模为857.3公里，公路网系数到达12.78，其中非常重要节点1个，重要节点7个，较为重要节点和一般重要节点22个.

6结语

本文主要是研究如何将GIS技术运用于公路网规划之中，充分应用GIS强大的数据管理、分析及图形显示等方面的优势，使得公路网规划方案能够更加直观地展示.文中采用了基于总量控制理论和最小生成树的原理作为公路网规划的方法，通过公路网布局优化中重要度布局法的节点重要度和节点间路线重要度的分析和计算，为公路网布局优化提供科学的手段和依据.通过实例证明，该方法具有可操作性, 能在实际应用中取得较好的效果.

参考文献：

[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]张树升，周伟.公路网规划的总量控制法[J].华东公路，1996,(2):42-46.

[3]吴群琪,袁长伟.公路网规划研究进展及发展趋势[J].中国公路学报，2006,(3):91-96.

[4]裴玉龙.公路网规划[M].北京:人民交通出版社，2004.

[5]沙晓东，颜淋丽.GIS 技术在县域公路网规划中的应用[J].交通信息与安全交通信息与安全,2008,(S1):91-94.

[6]孙根彦.我国城镇公路布局研究[D].西安:长安大学硕士学位论文，2004.

[7]张倩.基于GIS的青海省高速公路网规划方法研究[D].西安:长安大学硕士学位论文，2011.

(责任编校：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

中图分类号:U49

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2016)02-0084-03

作者简介：杨鹏(1986— )，男，甘肃天水人,广东省交通规划设计研究院股份有限公司助理工程师，硕士.研究方向：交通规划.

收稿日期：2016-01-13