终极版论文1.docx
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终极版论文1
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords1
1绪论2
1.1研究背景2
1.2国内外研究现状2
1.3研究的目的、现状及意义3
2研究区域概况4
2.1地理位置4
2.2村庄土地利用现状4
3基于GIS的道路选线5
3.1数据准备5
3.2因素选取6
3.3因素分析7
3.4路径选取10
4结论14
4.1主要结论14
4.2不足与展望15
参考文献15
基于GIS的农村道路选线研究
姓名:
户有福学号:
20095084012
学院:
城市与环境科学学院 专业:
地理信息系统
指导老师:
谢文全 职称:
讲师
摘要:
应用GIS技术对农村道路选线的多种因素进行适宜性分析,为农村道路的规划研究提供了新的思路和方法。
这对改善农村运输条件和农业投资环境,促进农业生产发展和城乡交流,加快农村城镇化建设都发挥着重大作用。
本文应用地理建模的方法对明港镇前进村进行道路选线,通过层次分析法进行农村道路选线,得出明港镇前进村A点到B点的最优路径。
结果表明:
GIS技术在农村道路选线中起到了至关重要的作用,为提高路线设计方案决策的科学性和规范性提供了一条有效性和实用性的技术方法。
关键词:
GIS;道路选线;地理建模;明港镇前进村
ResearchonnewruralroadlineselectionbasedonGIS
Abstract:
RuralRoadLineavarietyoffactors,theapplicationofGIStechnologyintegratedsuitabilityanalysisforruralroadplanningstudyprovidesnewideasandmethods.Toimproveruraltransportconditionsandagriculturalinvestmentenvironmentandpromotethedevelopmentofagriculturalproductionandurban-ruralexchangestospeedupconstructionofruralurbanizationhasplayedasignificantrole.Inthispaper,geographicmodelingmethodoftheMingtownvillageforwardRoadLineAnalyticHierarchyProcessruralroadlineselection,drawtheMingtownvillageforwardpointAtopointB,theoptimalpath.Theresultsshowedthat:
GIStechnologyhasplayedacrucialroleinRuralRoadLineprovidesaneffectivenessandpracticalityoftechnicalmethods,inordertoimprovetheroutedesignscientificdecision-makingandnormative.
Keywords:
GIS;RoadLine;geo-modeling;Mingporttownvillageforward
1绪论
1.1研究背景
构建和谐社会、全面建设小康社会,都离不开农村的发展。
党的十六届五中全会“十一五”规划纲要提出了“建设社会主义新农村”这一重大的历史任务,体现了国家政策对农村的扶持,使得越来越多的资金、人才、技术涌入农村,促进农村产业结构的调整,提高了农村产业的竞争力、增加了务农劳动者的收入[1];使得农村的发展能够全面体现社会主义科学发展观,全面建设和谐社会。
地理信息系统(GIS)就是一种利用计算机对地理空间位置的数据信息进行存储、处理、查询和显示的计算机支持系统[2]。
当今社会为信息社会,世界已经进入到计算机信息管理领域中激烈竞争的时代。
计算机技术飞速发展,时代的信息化,让各行各业都采用计算机辅助及全自动实现工作过程,同时也为新农村的道路选线,提供了新的思路和发展方向。
在此基础之上,为了达到为国家建设和服务新农村的目的,正确选择一条即符合新农村实际要求又符合自然条件要求的道路路线,本研究提出了基于地理信息系统的新农村道路选线规划研究。
GIS自20世纪60年代问世以来,经过40多年的蓬勃发展,不论在理论上还是在技术上都取得了很大的进展,一些GIS系统和应用软件日趋成熟和完善。
但是地理信息系统技术的发展还远没有止境,仍处于急剧变化之中,主要表现在以下方面[3,4]:
GIS与专家系统和神经网络的结合;GIS与虚拟现实技术的结合;真三维GIS和时空GIS;移动GIS;GIS与GPS,RS(RemoteSystem),DPS(DigitalPhotographSystem)、DSS(DecisionSupportSystem)结合的“5S”技术等。
1.2国内外研究现状
随着地理信息系统(简称GIS)技术的发展,一些专业部门和研究人员对GIS在道路选线工程中的应用进行了探索和实践。
在国外关于道路选线的研究一直处于领先地位,一些国家很早就将地理信息系统用于道路选线建设中,利用先进的测设技术和根据前人经验总结的道路设计新理念,在设计理念方面、环保方面和道路设计方面摸索出了一系列新程序和技术。
如背景敏感性设计(Context-SensitiveDesign,CSD)是一种具有系统工程思想的协调方法和理念,能够综合平衡、处理道路建设中一些安全、快速、环保、美学、经济方面的要求,增加社区价值等各种因素[5];英国通过利用航测遥感、GPS卫星定位等多种先进技术获取数字化模型等数据与CAD系统衔接,建立具有强大的集成功能的MOSS系统,不仅可以完成控制点的比选、绿化的布局,还可以提供动态的景观评价[6]。
而我国在道路选线的研究领域起步较晚,还处于实验摸索阶段。
在道路选线方案评价方面,我国目前并没有比较全面的评价系统。
大部分都是采取比较单一传统的方法,所选取的评价指标也比较片面,定性的标准较多,定量的标准较少,而道路选线方案评价是一个十分复杂的系统,需要用大量系统的理论来全面反映多种影响因素和评价的要求。
目前在这方面主要的研究有:
裴玉龙和刘广萍运用层次分析法进行路线方案的比选,对层次结构模型的建立、比较矩阵的构造进行了论述,编程实现层次分析法的运算过程,更加方便地重构成对比较矩阵,增强其实用性[7];杨林等人应用层次分析法评价林区公路路线方案是切实可行的,进一步验证了该法具有很好的实用性,其结果具有一定的客观性和科学性[8]。
由国内外研究现状可以看出,GIS在道路选线设计中的重要地位,对其进行深一步的研究势在必行。
1.3研究的目的、现状及意义
1.3.1研究目的
当今社会为一个信息爆炸的时代,GIS产业也随着计算机的进步而蓬勃发展。
为了将一这新兴的信息技术应用到国家建设当中,为农村建设服务,道路建设又是农村建设的重中之重,因此这方面的研究很有必要。
同时,提升了地理信息系统理论在新农村规划建设中的应用价值,提高了新农村道路选线设计方案的规范性和社会经济效益,减少了主观因素导致的选线判断局限性和负面影响,在今后的农村道路选线工作中能够更加高效、科学地寻找出最佳的道路选线方案。
1.3.2研究技术路线
本次研究的数据大致由以下步骤转换得来:
裁剪
如上图中所示,经过裁剪,生成等高线,格式转换,DEM自动生成等多种方法得到了前进村DEM栅格图形。
利用前进村的数字高程模型作为数据源,提取高程、坡度等因素进行空间分析比较;从二调数据库中导出的前进村的地类图斑中提取地物、受益人群等因素,建立道路选线影响因子分类图层,然后采用层次分析法对影响因子进行定性和定量分析,得到前进村A点到B点的最佳道路选线方案。
研究过程中,数据统计和整理分析采用Excel数据处理,综合GIS与图像处理系统管理模块共同完成。
1.3.3研究意义
本研究提出了应用GIS的空间分析技术对影响农村道路选线的多种因素进行定性和定量的多层次化分析的方法。
该方法为我们农村的道路规划建设提供了新的思路,对改善农村运输条件和农业投资环境,促进农业生产发展和城乡交流,加快农村城镇化建设都发挥着重大作用。
2研究区域概况
2.1地理位置
本研究是以河南省信阳市明港镇前进村作为研究区域进行分析。
明港镇位于信阳平桥区北部,距信阳市区40千米。
是国家级小城镇试点和河南省重点镇之一。
总面积167平方千米,其中城市规划面积36平方千米、现建成面积23.8平方千米[9]。
前进村位于明港镇西南部。
2.2村庄土地利用现状
此次研究的区域是明港镇前进村,根据从数据库中调出的数据,我们不难看出,前进村耕地面积占据本村土地面积的一半,此外林地占据了剩下土地的绝大部分。
村民们居住分散,道路覆盖率太低,修建新的道路会为该村的经济发展带来巨大影响,因此科学的选线显的尤为必要。
土地利用现状分布图如图1:
图1前进村土地利用现状图
3基于GIS的道路选线
3.1数据准备
数据的准备工作包括数据的获取、转换和编辑处理。
本研究数据的来源是明港镇地区的地形图,提取和生成前进村等高线图,以及从二调数据库中导出的前进村地类图斑。
数据的转换是将地形图数据进行综合整理,转换成ARCGIS10.0软件可以分析处理的数字数据。
数据的转换是建立地理空间数据库的必要过程。
随着现在各种软件的应用开发,数据的转换过程变的轻松和多元化。
本研究是采用MAPGIS软件来进行基础数据的转换。
数据的编辑处理是对已得到的空间数据进行的数据组织、修改分析等。
本研究是基于ArcGIS10.0软件平台并对已经获取到的空间数据进行加工处理和分析。
利用ARCGIS10.0进行前进村的道路选线研究的方法是依靠已有数据来进行空间分析和辅助选线决策,因此应将地形图和数据库中导出的数据按照系统要求进行组织修改,建立空间数据库,以便准确完成选线分析任务。
3.2因素选取
在道路选线的过程中,影响道路路线选择方案的因素有很多方面。
所以我们需要根据选线区域的实际经济和道路状况,对选线区域的主要影响因素进行定性和定量分析,科学有效地选出道路选线设计中的最优方案。
经过综合分析,根据前进村当地的地理特点,我们选择了一些有利于分析研究的影响因子,例如:
旱地,坑塘,道路,水田,林地,居民点等。
3.2.1地物
道路工程建设需要耗费巨大的资源成本,为了达到节约国家资源减少工程造价的目的,必须对道路所经过的区域的地物做详细的勘测,综合分析地物和道路工程建设两者间的相互关系。
前进村道路建设的目的是要合理利用土地资源发展农村经济,在不影响农民农业生产发展的基础上,方便农民的出行和劳动。
所以在路线的选比时,必须考虑对不同地物的占用比例,在尽量保留农民赖以生存的土地资源的前提下修筑道路,尽可能控制经济成本。
3.2.2地形
道路工程建设在保证交通量和行车运输安全、畅通、迅速的前提下,配合有利地形、地势,尽量回避不利地带,因此对道路的坡长、坡度(包括横坡、纵坡以及复合坡度)都有严格的要求,道路的等级越高,该要求越严格。
选择良好的地形作为选线道路,方便人流行走和车辆行驶,对道路线路的选择有十分重要的影响。
地形因素对道路选线的影响可以分为两个方面的因子来考虑:
一个方面是高程,由地表单元沿铅垂线方向相对大地水准面的高度表示;另一个方面是坡度,由地表单元陡缓的程度表示。
(1)坡度:
各种建筑物都有与之相对应适宜的坡度值,一般来说,道路建设场地都要求地势平坦,排水良好,土石方工程量小,道路建设的投资少,并且运营费用也少。
当地形的坡度超过一定的限度,修建道路就要采取工程措施如挖土填方,修建挡土墙和护坡工程。
故坡度是道路选线的一个重要的因素。
(1)高程:
从自然地理宏观角度,根据相对高度和绝对高度的形态特征来分,我国的地形的类型一般分为山地、丘陵、和平原三类,前两类地形的高程相差很大,影响道路的纵坡特性,由于汽车的行驶特性决定道路必须满足一定的纵坡的要求,而地形高程差决定道路的纵坡的坡度值,所以高程是一个非常重要的因素,在紧坡地段高程差还决定道路是否需要展线等关键问题。
3.3因素分析
根据对前进村获取的众多信息和地形图成果进行矢量化输入,建立空间数据库。
根据道路选线的地理空间数据的特点分别输入编辑处理,建立各种道路选线图层,为道路选线进行分析比较。
3.3.1地物因素分析
地物因素在道路选线费用模型的权重,由地物所占的土地的征用,地物拆迁和居民的安置费用的多少,或建造结构物的费用的多少来确定其权重。
我们根据乡镇道路建设规范和通过实地测量调查等手段得到的选线区域的地图,按照对道路选线的影响程度,将选线区域范围内不同的用地类型栅格图与区域内点、线、面状地物栅格图叠加分析,设定相应的分值。
在本研究项目区域内要考虑的主要的地物因子有:
旱地,坑塘,村庄,道路,水田,林地等。
3.3.2地形因素分析
道路是乡镇形成和发展的重要条件,对于农村来说与外部乡镇、农村进行交通运输联系的纽带。
选择良好的地形作为选线道路对道路建设的顺利进行有十分重要的影响。
不仅可以方便人流行走和车辆行驶,还可以促进农村的各种文化、经济交流。
对地形影响最重大的因子就是地理单元的高程和坡度变化。
本研究采用在ArcGIS10.0作为研究平台,选线高程和坡度作为地形因素对道路选线影响的两个因素进行分类分析。
(1)高程
相邻地理单元之间的高程量变化导致道路纵坡坡度的陡缓,而在道路选线设计中,道路的纵坡坡度越小行人行走越容易,行驶的车辆所需要的运营费也越小。
因此在选线设计时参考乡镇道路规划对纵坡的要求(下表为新农村居民区内道路纵坡控制参数),需要将起点和终点之间的高程作为参考量进行分析。
表1新农村居民区内道路纵坡控制参数
道路类别
最小纵坡(%)
最大纵坡(%)
多严寒地区最大纵坡(%)
机动车
0.3
8.0L≤200m
5.0L≤600m
非机动车
0.3
3.0L≤50m
2.0L≤100m
步行道
0.5
8
4
(2)坡度
在ArcGIS10.0平台下对地形进行坡度分析,选择“3DAnalyst”——“表面分析”——“坡度”命令进行分析,用图例编辑器设定不同颜色对于不同高程区域进行重分类,并根据不同的坡度类型适宜性程度赋以相应的权值。
我们按照习惯的分级方式结合实际地形将坡度分为九个级别,分别是0°~5°,5°~10°,10°~15°,15°~20°,20°~30°,30°~40°,40°~50°,50°~60°,>60°。
并对不同的坡度类型赋以相应的权值。
如图2,颜色越深的地理单元,坡度就越大,相应的在这些区域建设道路的工程难度也就越大,选线适宜性程度越低。
图2明港镇前进村坡度专题图
3.3.3受益人群因素分析
根据实地考察获得的情况,我们按照农民日常的活动范围作为分级方式,以农民的居住用地做缓冲区。
图3受益人群缓冲分析图
如图3所示,通常情况下农民出门作农活的范围在1km以内,频繁活动区在500m以内。
用颜色的深浅表示,颜色越深的地块,人口活动越频繁,也就是受益人群的数目大,相应的在这些区域修筑道路的对农村建设发展的适宜性程度就越大。
3.3.4选线影响因素分值
根据三方面的影响因素分类分析,结合农村道路选线专家知识可以分析得出各因素层中不同类别的分值。
得出明港镇前进村选线适宜性评价分值表。
表2明港镇前进村选线适宜性分值表
评价因子
适宜性强度
分类条件
单因子分值
地物影响
很适宜
道路用地
2
适宜
旱地
4
较适宜
农田
8
一般适宜
林地
16
不适宜
水域
32
很不适宜
居住用地
64
高程影响
非常适宜
316-330m
1
很适宜
330-344m
2
适宜
344-358m
4
较适宜
358-372m
8
一般适宜
372-386m
16
不适宜
386-400m
32
很不适宜
400-414m
64
非常不适宜
414-428m
100
非常不适宜
428-440m
100
坡度影响
非常适宜
0°-5°
1
很适宜
5°-10°
2
适宜
10°-15°
4
较适宜
15°-20°
8
一般适宜
20°-30°
16
不适宜
30°-40°
32
很不适宜
40°-50°
64
非常不适宜
50°-60°
100
非常不适宜
60°-76°
100
受益人群
适宜
0-500m
2
不适宜
500-1000m
4
3.4路径选取
3.4.1选线因素权重的确定
目前,在所有的定权方法中,层次分析法被一致认为是一种较为合理、可行的定权方法。
因此本研究采用的是层次分析法对长五间农村道路选线影响因子进行的定性和定量的综合分析。
美国的运筹学专家匹兹堡大学教授Saaty于70年代提出层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,AHP)[13],原理简单,有较严格的数学依据,它结合了专家打分法定性分析的优点,以采用适当的数学模型定量分析,弥补了定性与定量的不足之处,比较适合于具有定性指标又具有定量指标的评价领域。
(1)构造判断矩阵
对于n个影响因子Y={y1,…,yn}
,对关于R的影响大小,采取对因子两两比较,建立成对比较矩阵。
即每次取两个因子yi
和yj以专家对各种影响因子的权系数为zij(zij的值的确定见表3取值表)表示yi
和yj对R的影响大小之比,全部比较结果用矩阵Z=(zij)mn
表示,Z
为R-Y之间的成对比较判断矩阵。
表3AHPzij取值表
标度
含义
1
表示两个因素相比,具有同样的重要性
3
表示两个因素相比,一个因素比另一因素稍微重要
5
表示两个因素相比,一个因素比另一个因素明显重要
7
表示两个因素相比,一个因素比另一个因素强烈重要
9
表示两个因素相比,一个因素比另一个因素极端重要
2,4,6,8
为上述相邻判断的中值
(2)求解和检验
可以采用和积法,计算判断矩阵特征向W的值
a、将判断矩阵每一行元素进行归一化处理:
zij=zij/
(i,j=1,2,…,n)
b、将每一列处理后的判断矩阵按行相加:
(i,j=1,2,…,n)
c、对向量
,归一化处理:
(i,j=1,2,…,n)
为特征向量近似解,得到最大特征值,算得出最大特征值:
得到
后,由于判断矩阵偏离一致性过多话,会导致分析产生问题,所以需要检验构造出来的判断矩阵是否严重地非一致,以便确定是否接受。
检验公式为:
由最大特征根的平均值
,得出平均随机一致指标RI为:
随机一致性比例CR
为:
当CR<0.10时,认为判断矩阵的一致性是可以接受的,否则应对判断矩阵作适当修正。
基于层次分析方法,本研究分两个层次结构来分析描述道路选线影响因子之间的相对重要性。
第一个层次,是用地物、地形坡度、地形高程和受益人群的分值来描述单项选线影响因素中不同类别对于选线的适宜性程度。
第二个层次,是利用其权值的大小来描述各评价因素之间的相对重要性。
结合前进村的实地情况和专家的理论分析赋与影响因子相对比较系数,得到层次分析法判断矩阵如下表4道路选线因子相对重要性判断矩阵所示,将其行归一化,再进行列求和,计算出道路选线多个影响因子的相对重要性权重。
表4道路选线因子相对重要性判断矩阵
地物
高程
坡向
受益人群
求和
地物
1
5/3
7/2
4
10.17
高程
3/5
1
4/3
2
4.93
坡向
2/7
3/4
1
3/2
3.54
受益人群
1/4
1/2
2/3
1
2.42
下表5是由选线矩阵计算得出的影响因子相对重要性权重的数据,由于CR<0.10,使得判断矩阵的数据可以使用。
得出地物、高程、坡度及受益人群四个因子在选线模型中的权值比重约为1:
2:
3:
4。
表5道路选线因子相对重要性权重
地物
高程
坡向
受益人群
求和
地物
0.2
0.16
0.34
0.36
0.96
高程
0.11
0.2
0.27
0.41
1
坡向
0.08
0.11
0.28
0.42
0.99
受益人群
0.1
0.21
0.28
0.44
1.21
求和
0.4
0.88
1.17
1.63
3.79
权值
0.1
0.2
0.3
0.4
0.9
3.4.2最优路径的选取
根据表5计算得出地物:
高程:
坡度:
受益人群=1:
2:
3:
4的道路选线因素的适宜性权重,将单因子因素图层进行加权叠加,生成选线综合多因素的费用成本分析图(图4)。
图4前进村最终费用成本分析
如图4所示,由颜色的由深至浅可以看出研究区域内多因素选线综合适宜性程度的大小。
从图中,我们可以清晰的看出,颜色越深的地方成本越低,适宜性就越高。
在林地、水域及离人群较远的地区的选线成本明显低于人群密集,地形平坦的区域,说明选线综合多因素选线费用成本数据图的实用性和可信度。
基于GIS空间分析技术所得到的最优路径如图5所示,图中连接A点和B点的黑线为选出的最优路径。
图5前进村最优路径图
经过分析可知,黑色的最佳路径所经过的区域较集中在农民频繁活动区,且地势平坦,所用的费用成本最低。
所以利用道路选线综合多因素适宜性分析图能够为我们进行新农村道路选线设计提供良好的辅助决策分析,可以从多种因素综合的角度来全面地满足农民的实际需求。
4结论
4.1主要结论
利用GIS空间分析道路选线技术的原理和方法,针对研究项目综合分析了农村道路选线的各方面影响因素,根据农村道路建设的特点选择地物、地形和受益人群三方面的因素进行分类分析,将其对农村道路选线的适宜性程度转化为选线因素图层。
应用层次分析法进行定性和定量分析,得出适宜性的权值,将四个因素图层加权叠加生成综合多因素最终费用成本分析图。
根据分析结果,结合实地情况和公路路线设计规范,规划设计出最优路径。
经实际检验分析,得出道路选线综合多因素最终费用成本分析图对农村道路选线的辅助分析是有实用性的。
4.2不足与展望
影响农村道路选线的因素有很多,由于数据收集有限,本人只是针对地物、地形和受益人群这几个方面的影响因素进行分析研究,应用地理信息系统技术对新农村的道路选线设计进行探讨。
将来的研究考虑在目前的基础上涉及更多更广的影响因素,尝试更多因素的综合适宜性分析,更全面深入的对农村道路选线进行研究。
对于道路选线影响因子的权重分析也只是采用层次分析这些含有较多主观因素的方法来确定。
希望今后能摆脱决策者的主观因素的干扰,找到一种更为客观的方法来确定权重,提高线路设计的科学性。
参考文献:
[1]方明,策艳芳.新农村社区规划设计研究[M].北京:
中国建筑
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