基于GIS技术的高速公路与城市道路衔接节点选址方法研究

张宏雨, 李宙峰, 刘 瑛

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410200)

0 引言

高速公路与城市道路衔接处是城市交通的重要节点，对于城市内外交通转换效率及整体运行效率起着至关重要的影响作用。随着经济社会和城市的快速发展，高速公路与城市道路的衔接日益受到关注。一方面，由于城市近年来不断强化核心区功能和提高中心辐射力，周边高速公路网不断加密、城市道路快速化改造不断推进，高速公路与城市道路相衔接的数量成倍增长；另一方面，城市居民快速增长的进出城需求导致了高速公路进出城路段拥堵、事故现象频发，在节假日期间尤甚。如何让高速公路与城市道路高效、顺畅衔接，二网一体化发展，已成为城市发展中的关键问题[1]。

解决高速公路和城市道路之间衔接不畅、转换效率低的问题，一个重要关键点及难点在于科学、合理选择二者的衔接位置。高速公路和城市道路的衔接选址需全面考虑城市内、外两方面因素影响，传统方法主要是基于地形图并考虑相关制约因素进行人工定线，这种方法操作简单，但存在影响因素考虑不全、实际操作中难以综合判定各因素叠加影响等缺点，选线方案往往不够合理。现有文献中，应用GIS技术直接分析高速公路与城市道路衔接选址问题的案例较少，部分学者在公路选线领域中开展了相关研究，彭丽荣[2]结合层次分析方法对公路选线的各个因素进行权重分析，结合ArcGIS空间分析技术进行廊道分析及成本路径生成；黄晓君等[3]采用GIS空间分析选线方法选取最佳路线方案，但上述研究在影响因素数据集生成方面有所欠缺，分类不尽合理；高健智[4]结合高速公路与城市道路衔接布局的影响因素和特点，提出了基于重要度与交通区位的衔接道路综合布局方法，但其侧重于交通区位和城市空间形态研究。针对上述不足，本文提出了一种基于GIS技术的高速公路与快速路衔接节点选址方法，该方法的核心特点是全面考虑各可能影响因素并将影响因素量化，基于量化的影响因子建立选址模型，最后借助GIS空间分析与处理技术进行模型具体求解，以此得到可能及合适的衔接位置。

1 选址影响因素分析

城市高速公路与快速路网络常见的结构形式有多环放射、环形放射+网格、带形和自由式等四种类型[1]。高速公路与城市快速路衔接节点选址研究包括：衔接节点位置的选择和新建项目靠近节点段的路线选线。

项目选址选线不仅受地形地貌、气候条件、岩土类型、水文地质、地质灾害等基本的自然因素影响，也受现有自然资源、与自然资源相应的政府政策法规、上位规划和现有社会环境中各类因素的制约，高速公路与城市快速路衔接节点选址影响因素根据与其建设项目的关系总体分为内部因素和外部因素，内部因素主要是指高速公路路线设计及节点选址需要满足相关规范指标；外部因素分为自然因素和社会环境因素，是衔接节点选址和路线选择的主要因素。

自然因素：主要包括自然资源条件和自然条件。①自然资源条件包括土地资源、水资源、矿产资源、能源、海洋资源等，而为实现自然资源科学保护和合理利用而建立的国家公园、自然保护区、自然公园[5]，及划定的“三区三线”都是项目建设重要约束因素。根据相关保护条例等法规[6]，常见的自然保护区核心区、饮用水源一级水源保护区都为禁止进入区域，项目建设存在法律障碍。自然保护区一般控制区、饮用水源二级水源保护区、矿产资源开采区和勘察区、风景名胜区、森林公园都是需谨慎进入区域，为限制项目建设区域。②自然条件主要包括地形地貌、气候条件、土壤条件(工程地质)、水文条件、动植物资源分布等，自然条件对公路路线选择起决定性作用[7]。路线需依地形而建设，受地质、气象、水文等因素影响较大。地形地貌是公路项目建设最基本因素，需考虑其海拔高程、坡度等，直接影响路线及互通纵面设计及工程量大小；需考虑恶劣的气候对路基、路面、边坡的毁坏，公路结构的温度稳定性及水稳性，还需考虑高海拔地区大雾、结冰等对行车安全的影响；需要考虑岩石类型、地质构造、地质灾害等工程地质因素；需考虑与地下水有关的水文地质条件，以防滑坡、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等危害[7]；动植物资源分布则需考虑路线对珍稀资源的阻隔影响。

社会环境因素：主要是指人们所创造的对公路建设运营产生正面影响或制约物质、文化等成果。借鉴公路建设项目环境影响分析[8]，与社会环境影响后评价不同[9]，衔接节点研究主要强调现有社会环境因素对高速公路选址的影响。社会环境因素形式多样，主要包括城市建成区、居民集聚区、重大基础设施、军事设施分布，以及利益相关者意见和决策[9]。社会环境因素对项目选址决策产生较大的影响，是项目前期决策和后评价不可或缺的部分。

2 选址模型构建

2.1 选址不同因素分区分级

不同因素对项目影响程度不同，同一类因素在不同研究区域对项目影响程度不同，需根据对项目的实际影响程度赋予不同分类或分级，分配在统一标准的分级区间，以便GIS进行空间分析，解决GIS重分类分析中不同因素不能统一标准分级的问题。

参照建设用地适宜性评价分类思想[10-11]，根据上述因素对衔接节点选址的影响程度，将高速公路路线节点选址区域分为3大类5级分区。3类大依次为禁止区、限制区、自由区；5级分区依次为禁止区、高度限制区、一般限制区、优选自由区、一般自由区。

2.1.1分区概念

禁止区指法律、上位规划禁止进入进行建设活动，公路必须避让的区域，比如自然保护区核心区、饮用水源一级水源保护区、城市规划区集中建设区等。

限制区指为保护生态环境、资源合理利用、各类设施合理布局等而限制建设活动的区域。该区域受因素制约大，在采取一定保护措施、满足一定要求下，可开展建设活动的区域，但需特别注重环境保护，减少对城市规划建设影响，降低重大基础设施之间干扰。比如自然保护区实验区或一般控制区、饮用水水源二级保护区、森林公园、风景名胜区、矿产资源开发区、城市规划未完全开发区等，这类区域面积相对占较大部分。限制区分为两类：高度限制区和一般限制区。高度限制区指可进入但非必要进行建设活动的区域，这类区域一旦进入，会增加较高成本，比如生态环境脆弱区、村庄密集区、风景名胜区已开发区、矿产资源开采区等。一般限制区指高度限制区以外其他区域。

自由区指公路不受外部因素影响，在满足项目建设内部因素条件下，可以自由选择的区域。自由区分为两类：优选自由区和一般自由区，优选自由区指战略规划和政府、专家、公众等参与决策者建议或优先选择的建设区，一般自由区指建议自由区以外其他区域。优选自由区比如有综合交通运输规划、高速公路网规划等上位规划的区域。

2.1.2分级概念

一般自由区、优选自由区、一般限制区、高度限制区、禁止区分别对应为1～5级，禁止区和限制区的等级值越大表示对项目的负面影响越大，即制约程度越大；自由区等级越大表示对项目正面影响越大，即为更优选择。影响因素分区分级值表示为：

fij=j·N

(1)

式中：i表示第i种因素，i取值1～n，n为自然数；j表示第j级因素，j取值1～5；fij表示第i种因素分级值；N取值0或1，N=0时，说明该级别因素不存在，N=1时，则存在。

因素分区关系见图1。

图1 因素分区关系

2.2 衔接节点选址分析方法

2.2.1源数据处理

研究区域的源数据主要为dwg、shp格式文件，首先进行文件格式转换，统一为shp格式文件。从2000国家大地坐标系获取一系列线文件和面文件，作为评价分析的基础数据，并将数据按照自然因素和社会环境因素分类。

2.2.2建立底图数据DEM和重分类

DEM即高程模型，是方案设计中最基本的因素，可通过高程分色直接识别路线走廊和实现互通节点初步选址，并完成纵面设计。因此，将DEM作为选址方法研究的底图栅格数据，DEM也属于自然因子图层中的最重要部分。将DEM在GIS中空间分析中重分类，根据路线纵面高程设计区间，将高程属性值分为5级分区。

2.2.3因素分区分级

由于影响因素种类繁多，故将因素归类处理，便于后续结果分析。

建立自然因素分区分级图层：将矢量化的自然因素按照对项目实际不同影响程度和制约程度分区分级，将影响因素矢量面文件在GIS中属性表中赋予等级值，使用面转栅格工具将矢量数据转为栅格数据，并保证数据同等像元大小及波段数；对于多等级数据，判定数据界值，并进行重分类，归类至1～5级。

建立社会环境因素分区分级图层：社会环境影响因素的分区分级步骤和自然因素一致，但社会环境因素复杂多样，一般情形下，某一类社会环境因素有一定安全距离或影响范围，分级规律性不强，定义第一安全距离或影响范围内为某一级值区域。

2.2.4分级的因子图层叠加算法

将分好等级的自然因子栅格图层和社会环境因子栅格图层进一步叠加计算，即将5级分区的因素叠加，利用镶嵌新栅格工具，采用多个等级数据叠加时取等级较高数据的算法原理，得到新的各类因素叠加分析结果，即新的5级分区栅格图层，可以清晰判断路线可以选择的走廊带，获得可能的衔接位置。取：

当栅格数据集有重叠时，按式(2)计算G值：

G=Maxmum(f1j，f2j，f3j，…，fnj)

(2)

式中：f1j，f2j，f3j，…，fnj为栅格数据集，j取值1～5；G表示重叠区域的输出像元值，为叠置像元的最大值。

2.2.5综合评价

对得到的栅格地图进行分析，也可通过GIS统计分析，量化项目对影响因素的影响大小，识别项目可能的衔接位置和路线廊道。

3 案例分析

以《广西高速公路网规划(2018-2030)》中龙胜至峒中口岸公路(规划为“纵八线”)龙胜至南宁段终点与南宁市城市快速路网衔接为例，该高速衔接点位于三南高速五塘互通和兰海国家高速安吉互通之间，实现与南宁绕城高速转换和南宁市城市快速路网与高速公路网二网融合(见图2)。针对新建项目与环线衔接对接城市快速路的网络节点进行研究，根据南宁绕城高速公路北环周边现有影响因素及路线规范、设计指标，具体衔接节点选址方法步骤如下。

图2 “环线放射+网格”网络与新建项目关系示意

1)源数据处理。

确定以东至三南高速、西至兰海高速、北至武鸣区太平镇、南至兴宁区三塘镇昆仑大道所形成的区域为项目研究区域，将数据转换并分类。

2)建立底图数据DEM和重分类。

用数字化地形图建立起DEM，作为研究的底图数据(见图3)，依据设计高程将地形高程重分类，本项目主线设计高程主要分布在150～200 m区间，选择该区间地形范围为优选自由区。

图3 DEM高程图

3)因素分级。

建立自然因子图层。将已有因素根据需要先分类，再分区分级，并阐明分区分级理由，项目区域内自然因素分类分区见表1。

表1 自然因素分类分区评价因子分类分区分级分类依据或者说明高程50～150 m一般自由区路线合理区高程150～200 m优选自由区路线合理区,设计高程分布较多区域,路线契合地形路段地形DEM高程200～300 m一般限制区路线填挖方较大或需设置短隧道高程300～400 m高度限制区需设置隧道通过高程400～670 m禁止区路线设计高程不合理区生态红线所有区域高度限制区《广西生态保护红线管理办法(试行)》基本农田保护范围所有区域高度限制区《自然资源部农业农村部关于加强和改进永久基本农田保护工作的通知》东山水库、老虎岭水库、同仁村、石楞水库等饮用水水源保护区一级保护区二级保护区禁止区一般限制区《广西壮族自治区饮用水水源保护条例》高峰森林公园建成区、开发区高度限制区自然公园开发区或者核心区,影响大且成本大一般控制区一般限制区自然公园一般控制区

建立社会环境因子图层，需要将各类复杂社会环境影响因素以矢量面文件的形式表达，项目区域内社会环境分类分区具体结果如表2所示。

表2 社会环境分类分区评价因子分类分级分区分类依据或者说明现状互通互通影响范围内(沿高速1 km内)高度限制区《公路立体交叉设计细则》(JTG/T D21-2014)中,表5.4.4互通式立体交叉及其他设施的最小净距规定互通影响范围外一般自由区现状服务区服务区范围内高度限制区服务区范围外一般自由区现状铁路安全距离范围内高度限制区对铁路干扰大安全距离范围外一般自由区对铁路无影响国土空间规划城市总体规划建成区禁止区对城市建成区影响大建成区以外一般限制区对城市建成区影响相对小村庄规划村庄密集区禁止区对村庄密集区影响大村庄其他区一般限制区对村庄居民影响相对小南宁市国土空间规划---交通系统规划图快速路规划区优选自由区《城镇化地区公路工程技术标准》(JTG 2112-2021)3.1.2中高速公路、作为干线的一级公路,宜与快速路衔接规定。

4)分级的因子图层叠加分析和综合评价。

将GIS分析结果与项目实际选线结果叠加分析，如图4所示，项目没有进入禁止区范围，不可避免进入少部分高度限制区范围，路线大部分进入一般限制区和优选自由区范围，且部分路段在优选自由区和一般限制区的成片片区内，更倾向于选择优选自由区。项目推荐方案(右2线)基本能与城市规划的快速路衔接，且与禁止区比较靠近，说明方案还有一定优化空间。经验证实际项目方案，有效地完成了高速公路和快速路衔接节点数字化、智能化选址。

图4 GIS分析结果与路线关系

4 结论

研究系统总结了高速公路衔接选址的影响因素，提出了影响因素分类分区概念，建立基于GIS技术的矢量数据叠加分析算法，最终所得栅格综合评价结果是合理的，为公路选址选线提供了科学合理的方法及决策依据。该方法在影响因素分类分区阶段，部分因素可依据法律法规等政策，但也有部分依靠人为主观评价因素影响程度进行分级，缺乏客观性，存在进一步研究空间。总体而言，该方法较传统选址方法更为精准全面，数据易处理，当前高速公路与城市快速路衔接的项目区域受制约和影响的因素越来越复杂，利用GIS分析方法大批量数据处理的优点，能较快较好地得到选址结果。为方案设计者提供更明确的思路，为数字化、智能化选址选线提供理论基础和实用方法。