基于GIS的公路选线环境评价体系的构建

马松豪

(河北省水利水电勘测设计研究院)

1 公路选线环境评价指标的选取

为使评价指标体系能够综合反映选线环境评价的多个方面,在选取评价指标的过程中,按照“全面考虑,突出重点”的原则,在专家评判的基础上,注重可比的关键问题和控制路线方案的重要指标,建立选线环境评价指标体系,进行选线环境优化,获得最佳的环境走廊。选择地质环境、土地利用、土壤侵蚀、敏感目标作为环境评价指标,建立的公路选线环境评价指标如图 1所示。

图1 公路选线环境评价指标

(1)地质环境对公路路线选择、施工有着关键的影响。尤其是在自然条件恶劣,地形、地质条件复杂地区,在前期工作中更要注重加强地质基础资料的收集和调查工作,以避免地质灾害对公路建设造成不利影响及人员财产损失。

(2)水土流失除了会导致土地肥力下降、土地沙化,严重破坏水土资源,淤积河床、水库,毁坏水利设施,加剧洪涝灾害、引发滑坡、泥石流等灾害以外,还会影响公路本身的建设与运营安全。因此,在公路选线时,应充分考虑到沿线土壤侵蚀状况,调查收集相关资料,合理布线,尽力避免可能会发生的严重水土流失。

(3)土地是关系国计民生的重要战略资源。在公路建设中要合理利用土地资源,减少对本已十分紧缺的土地资源的进一步破坏,要采取各种措施引导集约用地,提高土地利用率。

(4)公路将会穿越各种生态系统,不可避免地会涉及一些特殊的、敏感的应保护的生态目标,如湿地、自然保护区、水源区和风景名胜区等,尤其是自然保护区的保护要求更为严格。此外,公路建设对沿线居民集中区(包括学校、医院和居民点等)也会引起拆迁等问题。

2 利用GIS技术提取公路选线方案环境评价指标信息

(1)建立公路带状缓冲区。根据修建公路的等级及地形类型、环境状况资料,利用GIS的空间分析功能——缓冲区分析,建立相应的公路带状缓冲区模型,并制作参与公路选线环境评价的各因子图层:水系图、断层图、坡度图、岩性分布图、结构面图、土地利用图、土壤侵蚀图和敏感目标图等。

(2)空间叠加。利用基于GIS开发的公路生态环境设计系统,对该区域进行公路选线环境评价。依次打开参与公路环境选线指标评价的各指标图层与公路带状缓冲区模型进行叠加。

(3)特征提取。在空间叠加的基础上,提取符合某种条件的影响公路选线的特征信息。

(4)属性数据的空间操作。利用GIS对属性数据的操作功能,对每一影响因素属性表中影响公路选线方案环境评价的相关指标项进行计算、统计,得到各评价指标的影响信息。

(5)结果输出。根据需要,用GIS技术可输出公路诸影响因素属性表、各拟选方案评价指标信息统计表、环境综合指数等级划分图等。

3 评价指标体系的确定

3.1 建立层次分析模型

根据公路选线影响因素、方案评价指标及指标之间的相互关系,结合公路选线设计的性质和要求,将公路选线问题层次化,从而构造出公路选线环境评价的递阶层次分析模型。此模型由 4个层构成。

(1)目标层。公路选线设计方案环境评价的总目标,即获取最优线方案。

(2)准则层。目标层的主要影响因素,即方案评价指标,包括地质环境、土地利用、土壤侵蚀、敏感目标等指标组成。

(3)子准则层。准则层的主要影响因素,即公路选线设计影因素。包括地质环境指数、土地利用指数、土壤侵蚀指数、敏感目标指数等组成。

(4)方案层。可供选择的定线方案。

3.2 构造比较判断矩阵

多层次的评价体系结构一般比较复杂,各种评价指标的权重难以确定,人们往往求助于专家判断的方法,利用专家的知识和经验来判断评价因子的相对重要性。当评价指标很多时,由专家直接对权重做出估计,往往难以具体把握,通过两两比较评价指标的重要性来确定权重要比一次性确定所有指标的权重更易于把握,结果也更为准确。因此,用特征向量法和加权最小平方法确定权重时,要先构造各评价指标的两两比较判断矩阵A。

确定aij的方法是采用T.L.Saaty提出的1～9标度法(见表1),这是将思维判断数量化的一种方法,有相同、稍微重要、强烈重要等语言两两比较评价指标。对于定量指标,根据影响因素信息分析提取模型,获取影响因素信息的比值,确定标度值;对于定性指标,根据设计经验和专家意见,将定性分析的结果量化为标度值。

表1 1～9比例标度

在确定判断矩阵各系数值时,考虑到:构造比较判断矩阵,并根据判断矩阵,分别计算出该矩阵的特征向量及特征值。

其特征根λmax按下式计算

检验判断矩阵A的一致性指标

RI为Saaty理论的平均随机一致性指标。当随机一致性指标CR＜0.1时,可认为判断矩具有满意的一致性。否则应调整判断矩阵的元素值直至满足一致性要求。

研究各因子的权重之后,还需要对单个因子中各个分级标准赋分。这是按照其对公路建设是否有利为原则由专家打分确定。如果某条件下对公路建设较为有利,则分值较高,反之则较低。以此衡量各种环境条件对公路建设的有利程度,最终得出环境综合指数,从而确定区域中对于公路建设较为有利的选线走廊。

3.3 建立评价体系

公路选线环境评价指标体系结构见表 2。

区域环境综合指数计算方法

式中:P为区域环境综合指数;Xi为i评价因子的权重;Fi为i评价因子在某分级标准下的分值;k为公路通过某分级类型长度与总长度之比。

特殊情况:若选线通过自然保护区核心区和缓冲区,则直接将选线环境综合指数值设为 -1,表示该选线方案被否决。这是由于国家对自然保护区有特殊的保护要求,因而在公路选线中应尽力避免线路通过其核心区和缓冲区。

表2 公路选线环境评价指标体系结构

3.4 环境评价结果与方案优化

在给定区域,收集相关资料制作各环境因子图层,利用基于GIS的图形叠置法进行叠加分析计算区域综合环境值。将计算所得到的区域综合环境指数作为依据,在给定综合环境指数时,可自动计算出甲乙两控制点之间,在该区域内符合这个综合环境值的公路线路区域,即公路方案可以经过的走廊。

4 结 论

选取地质、地貌、土地利用、水土流失和敏感目标等生态环境因子,利用层次分析法建立了公路选线环境评价指标体系,并利用GIS技术开发了公路生态环境设计信息系统。在评价方法上,由定性评价实现了定量评价,以达到对公路沿线综合环境进行定量分析比较,可在区域中选择环境最佳走廊和比较具体线路的环境状况,从环境角度对选线方案进行优化,从而促进公路建设与环境的协调发展。