基于GIS多因素加权叠加的机场选址方法

2021-09-26舒富民郑皓文

中国民航大学学报 2021年4期

何尧，舒富民，郑皓文

（1.民航机场建设集团西南设计研究院有限公司，成都 610202；2.民航机场规划设计研究总院有限公司西南分公司，成都 610202）

机场选址是机场建设的首要工作，决定了机场的工程投资、辐射能力及周边城镇的规划建设。根据选址深度要求，选址分为：初选、预选和比选3 个环节。机场选址主要以专家决策的方式确定，近年对于机场选址的研究主要集中在多方案决策选址方法、场址评价体系和场址局部优化等方面。刘照博[1]采用多目标遗传算法对单个场址的布置方案进行了评估和优化；朱来辉等[2]采用模糊层次分析法（AHP，analytic hierarchy process）对选址方案进行评估；李明捷等[3]运用突变评价法建立分层次的机场选址评价指标体系，得到影响机场选址的突变评价值；卢厚清等[4]基于主成分分析法建立机场选址综合评价模型，将多个机场选址影响指标转换为新的变量来进行评估。

上述研究推动了量化选址的应用，但主要是对选址方案的评估，在选址空间分析决策方面还不完善，存在应用场景偏理论化、实操性不强等问题。国内外利用地理信息系统（GIS，geographic information system）技术进行交通、房地产、零售商店等的选址研究颇为成熟。Ardeshir 等[5]通过GIS 技术构建了选址数据层次分析法模型，分析了河流桥梁的选址问题。Sharifi 等[6]利用GIS 技术研究有害垃圾填埋场的选址问题。何茸[7]利用GIS 技术构建了养老地产选址模型。宋丹妮[8]融合GIS 技术和模糊综合评价法，研究了避暑休闲地产的选址问题。

当前，有关机场选址的GIS 研究主要是将其作为一种技术手段进行探讨，应用案例较少。杨锐等[9]建立适用于机场选址的GIS 数据库，探讨了GIS 人机对话功能在机场选址中的应用；何文斌等[10]基于规划三维辅助决策支持系统分析了GIS 在机场选址中运用的可行性。基于以上研究，从机场选址空间适宜性角度出发，利用GIS 技术对地理信息数据融合的优势，构建基于GIS 多因素加权叠加的机场选址空间模型，对机场适宜空间布局的区域进行可视化表达，可提高选址布局质量和工作效率。

1 研究方案

1.1 基于GIS 的评价模型构建

单因素评价是构建GIS 模型的核心，包括：数据获取、数据栅格化和数据统计等多个步骤。单因素分析评价以城市规划、交通规划、数字高程模型（DEM，digital elevation model）和社会经济数据为基础，挖掘影响机场选址的因素，采用合理的评价方法对各单因素进行评价，再通过空间叠加、空间网络和空间统计分析等方法实现模型构建。GIS 模型构建过程主要包括以下3 个主要步骤。

1）地理信息构建

获取机场选址范围内的数字地形数据，实现DEM融合转换，选取与机场布局相关性较强的转换参数，如地形高程标准差、地形坡度和高程参数等，作为选址区域地理信息指标。

2）实体缓冲区构建

采用GIS 系统中重分类和缓冲区功能，根据点、线、面的实体形态，按照一定距离划分实体周边的缓冲区，可分为邻近、中端和外围缓冲区，代表不同实体的空间影响程度，如图1 所示。对于影响机场选址的空间地理信息要素，如高速公路、高速铁路、城镇规划区域和临近机场等要素均可通过原始数据的实体转换，对影响度重分类并构建缓冲区。

图1 实体缓冲区构建Fig.1 Construction of entity buffer

3）多因素叠加模型构建

采用GIS 重置分析功能，将影响机场选址的单因素评价对象图层叠加或建立对象间的空间对应关联，以产生空间区域的多重属性特征，最终的多因素叠加分类结果是经分类权重叠加后得到的空间区域。

1.2 构建机场选址的评价指标体系

影响机场选址区域位置的影响因素众多，预选和比选主要是针对具体场址的经济适宜性进行比较。本研究主要是针对机场场址初选，是对机场选址大区域、重点范围的确定，作为机场选址空间适宜性的评价手段。因此，基于“规划适宜性，地形适宜性，飞行适宜性”3 类评价因素建立机场选址评价体系。

1）规划适宜性

考虑影响机场选址的规划因素，重点是机场对城市的影响及配套条件优劣两方面。按照常规的选址规范[11]建议，中型及以上机场距离城市中心的直线距离宜为20～30 km，小型机场宜为10～20 km。但由于城市发展超预期、可用地减少及机场噪声影响等问题，实际机场距城市中心的适宜距离通常超过30 km。此外，机场距离中心城市周边的重点城镇，特别是新区、卫星城和重要组团的距离也需要着重考虑。选址区域与周边高速公路和高速铁路的距离体现了交通通达性，也间接反映了利用机场打造综合交通网络的可行性和配套条件接入的投资差异。城镇“三区三线”是空间规划体系控制的内核，机场选址也要符合现有的国土空间管控，不触及生态红线、基本农田和城镇开发边界，契合当地的上位规划。

2）地形适宜性

地形复杂性会带来土石方工程量大、地基处理量大和净空条件差等问题，因此需要相应指标反映地形条件。与机场土石方工程量最为相关的系数是地形高程标准差，相关性系数接近于1，地面起伏程度直接决定了工程量的大小；坡度系数与土石方工程量的相关性也达到了0.8 以上，说明可以通过坡度系数来对场址的地形条件做判断[12]。海拔高程对机场建设和飞机性能具有重要影响，高海拔意味着山地或高原地貌，建设投资相对较大，且高原机场往往有更严格的管理标准，飞机也面临性能衰减等难题。为了有针对性地选择地形条件较好的场址，需要根据不同选址区域的地形特征、海拔分布和选址偏好来设定指标，并且考虑机场高原和高高原的分级。

3）飞行适宜性

飞行适宜性分为机场辐射能力和空域条件两个方面。辐射能力应考虑辐射的周边人口和周边机场，若临近机场有重叠服务区域并且其他区域的人口密度较低，则在该空间设置机场的必要性不足。空域条件则反映空中飞行的资源，周边的民用机场、军用机场及训练空域都可能会对该地区新建机场有影响。综合来看，引进人口和空域数据可以大致反映飞行适宜性情况。

根据机场选址评价指标体系目标层，为上述3 个影响因素层构造相应指标层，分别从因素层选择合适的指标层来表征各个条件，建立机场选址评价指标体系如表1 所示。根据国家政策，城镇“三区三线”严格控制区域为不可选空间，该指标叠加后作为不适宜区，不纳入指标层。

表1 机场选址评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of airport location

1.3 基于层次分析法的评价因素权重确定

评价因素的权重需要体现不同类型、不同条件和不同地方选址偏好，评价标准应突出方案之间的差异性。选址评价指标体系中因素层和指标层的权重大小将直接影响选址结果的合理性。

对于权重的量化，可引入层次分析法对评价因素进行权重分级。层次分析法是一种计算多目标复杂问题的定性和定量相结合的决策权重方法。对于不同类别的目标层都有相同的因素层，可以按照因素对不同目标的重要程度进行“两两比较”，形成判断矩阵。

当比较第i 个元素相对于第j 个元素的重要性时，可使用相对权重pi，j来描述，即

式中：ai为第i 个元素的权重；aj为第j 个元素的权重。按照层次分析法，对不同元素的权重进行赋值，权重取值范围为1～9，权重的取值随着对比元素的不同而不同。设共有个n 元素参与比较，则形成判断矩阵如下

由于成对比较的判断矩阵通常不是一致阵，为了能用最大特征值λ 的特征向量作为因素的权向量，需要引入一致性指标（CI，consistency index）进行一致性检验，即

CI 为0 时表明该判断矩阵为一致阵；CI 越大，矩阵的不一致性就越大。为了衡量矩阵一致指标的标准，引入了随机一致性指标RI（random index）[13]，并将CI 与同阶的RI 之比，即一致性比率（CR consistency ratio）作为检验标准，CR 小于0.1 时则满足一致性检验。

通过计算，得到不同选址目标的特征向量和检验情况。通过检验即可采用其权重值进行下一步工作。若指标层需要进行子权重取值，则单独构建判断矩阵按照上述方法计算指标层权重，再对指标层和因素层的权重进行融合。

2 基于GIS 多因素加权叠加的选址方法

2.1 技术路线

基于GIS 多因素加权叠加的选址模型实现技术步骤如下：①构建机场选址的GIS 地理信息模型和评价指标体系；②基础数据收集，将选址区域的地形、城市规划数据和空域数据等进行数据矢量化；③在GIS模型中对选址区域的各个要素进行栅格化分级，形成单因素适宜性评价，具备可视化分析条件；④确定选址目标层区域特征，基于层次分析法对因素权重进行确定，形成量化分析结果；⑤采用GIS 模型地图叠加技术，结合单因素权重生成选址区域综合空间布局适宜性评价分类，有针对性地进行选址工作。技术路线图如图2 所示。

图2 基于GIS 多因素加权叠加的选址技术路线Fig.2 Technical route of location selection based on GIS multi-factor weighted superposition

在GIS 中对机场选址的空间情况进行可视化呈现，得到多因素加权叠加的空间分类结果。分类的准确性取决于基础数据的收集和权重的确定，这就要求在模型中权衡每种因素的权重及其对机场布局的影响。

2.2 案例分析

云南省（简称滇）规划建设昆明市第二机场，机场定位为国际枢纽机场、大型民用运输机场，要求机场服务范围能够覆盖以昆明市为中心的滇中城市圈，城市圈有6 个重点城市，4 个已有机场。该选址区域的地形条件复杂，以山地为主，海拔集中在1 000～4 000 m，选址的范围如图3 所示（审图号云S（2017）045 号）。

首先针对目标层的类型进行影响分级，以确定不同目标下的选址偏好；然后对因素的重要程度进行分类。该对象的属性为山地枢纽机场，包括规划适宜性、地形适宜性和飞行适宜性因子3 个因素。根据调查分析和需求特点，认为该类型机场考虑的重要程度应为：规划适宜性＞地形适宜性＞飞行适宜性，构造3 个因素对选址影响的判断矩阵为

计算矩阵A3特征向量等参数如表2 所示。

图3 案例研究范围Fig.3 Range of case studies

从表2 可知，针对规划适宜性、地形适宜性、飞行适宜性3 个因素构建了3 阶判断矩阵进行层次法分析，根据特征向量值可计算得到最大特征值λ 为3.054，继而计算得到CI 值为0.027。针对CI 作一致性检验，经查询得到3 阶判断矩阵的RI 值为0.520，则CR 值为0.052，且小于0.1，构建的判断矩阵满足一致性检验，所计算权重能够用于模型中。同理，通过计算可获得指标层的权重结果如表3 所示。

表2 基于AHP 的因素层权重Tab.2 Factor layer weight based on AHP

表3 枢纽机场选址影响因素权重计算Tab.3 Calculation of influencing factors weight for location selection of hub airport

对于各单因素的适宜性评价，评价值分级为1～5级，其中：1 级是不适宜，2 级是基本不适宜，3 级是一般适宜，4 级是基本适宜，5 级是适宜。单因素评价分级原则如表4 所示，各指标层适宜性可视化评价结果如图4 所示（审图号同图3）。

表4 单因素评价分级原则Tab.4 Grading principle of single-factor evaluation

图4 指标层适宜性可视化评价结果Fig.4 Visualized evaluation results of suitability of index layer

针对城镇“三区三线”严格控制区域，将该类空间定义为不可选空间，叠加后直接作为不适宜区域。单因素评价结束后，将基于层次分析法得到的权重进行空间加权叠加，形成多个地理对象的图层叠合，选址空间的多重属性特征信息可体现在一张图上，适宜性选址区域分类结果如图5 所示（审图号同图3）。

图5 适宜性选址区域分类Fig.5 Classification of suitable location areas

从图5 可以看出，机场布局较优的区域集中在滇中城市圈西部和南部区域，可作为重点的机场布局区域。一般来说，确定的重点选址区域可集中展开场址预选工作，这不仅符合宏观的选址特征和要求，也能够缩小选址范围提高选址精确性。而城市的中心范围、靠近已有机场的区域及地形区位条件差的区域为不适宜选址区域，可以直接排除。案例结果与滇中城市圈的规划、交通、经济发展和机场功能相匹配，符合重点选址范围的实际，减少了选址分析工作量。