ArCGIS空間分析技術在公路棄土場選址中的應用

韋波 羅建干 麥格 秦秋文

摘要：文章在各行業GIS數據庫建設不斷完善的背景下，分析棄土場選址的影響因素，收集并處理與棄土場選址因子相關的GIS空間數據，并采用ArcGIS空間分析模塊，確定設計公路沿線可選址棄土場適宜位置，為西南丘陵山區公路棄土場優化選址提供參考。

關鍵詞：ArcGIS;空間分析;棄土場;選址

中圖分類號：U412 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.004

文章編號：1673-4874（2019）07-0010-04

0引言

丘陵山區地形條件復雜，公路工程建設過程中工程切坡、隧道開挖等產生大量的開挖方及不良路基換填棄方，在施工沿線需合理設置棄土場堆放棄方。當前，公路棄土場選址及使用過程中存在以下問題：（1）棄土場選址存在隨意性，設計階段與施工階段變動較大;（2）選址不合理造成施工成本增加;（3）根據分標段施工的需要，招投標后施工方往往根據需要自行選取棄土場，由于對相關政策缺乏了解，其隨意征用國家禁止占用區域的土地作為棄土場，因而被停工處罰，延誤施工進度。因此，迫切需要尋找合理、準確和高效的棄土場選址方法，并應用于公路設計、施工、管理當中。

地理信息系統（簡稱GIS）具有強大的采集、存儲、管理數據的功能，ArcGIS軟件平臺還提供了強大的空間分析功能和輔助決策功能，這些功能已廣泛應用于城市規劃、水利工程選址以及礦山等領域的研究。隨著信息化進程的推進，各行各業都在進行數據庫一張圖建設，涉及國土、農業、林業、環保等相關部門，均采用ArcGIS軟件平臺，為多部門數據的整合、分析、利用提供可能。

空間分析是ArcGIS的核心功能之一，是對空間數據的描述性和探索性分析，通過收集整合各行業部門海量大數據，提取需要的新數據。ArcGIS空間分析中，棄土場的優化選址問題可以描述為在棄土場滿足場地自然條件和政策要求的前提下，通過空間分析模塊測算滿足設定的經濟運距條件下的適宜選址空間位置，從而實現公路棄土場的優化選址，為公路棄土場的合理選址提供更多方案，完成高效設計作業，為設計、施工階段提供更為科學合理的棄土場選址建議。

1公路棄土場選址特點及影響因素分析

1.1公路棄土場選址影響因素

公路棄土場科學選址應綜合考慮多方面因素：（1）自然屬性。包括工程地質環境、地形條件、水文條件、環境狀況、占地等。棄土場選址的安全性是最根本的要求，也是棄土場選址合理的前提條件。（2）經濟屬性。經濟屬性包含棄方的運輸成本以及棄土場地的使用和恢復成本。（3）社會屬性。棄土場選址要符合相關部門及行業規定，嚴格在政策允許范圍內進行選址。禁止在基本農田保護區、自然保護區、國家Ⅱ級以上公益林等敏感區域設置棄土場。

1.2棄土場選址研究思路

根據公路棄土場選址的特點，搜集相關行業GIS數據，利用ArcGIS軟件平臺提取數據庫中的影響因素并制作專題地圖，設定相關因素影響范圍內禁止設置棄土場，利用ArcGIS空間分析模塊進行緩沖區分析，確定公路沿線棄土場選址禁止區，結合提取的等高線制作DEM，將各限定因素進行疊加分析，從而得出符合條件的備選棄土場選址區域。

2數據來源及處理

公路棄土場選址技術流程見圖1。

2.1數據收集

數據收集包括收集場地條件的基礎數據以及道路設計成果，根據棄土場選址的影響因素，收集相關涉及領域專題數據。其中基礎數據包含線路沿線地形圖數據、交通數據、土地利用現狀數據、土地利用總體規劃數據、水文地質資料和自然保護區總體規劃、生態功能區規劃、林地資源變更調查數據以及項目道路設計各路段挖填方平衡后需外運的棄方量。

2.2數據提取及處理

（1）基礎數據處理。由于數據量較大，其中包含大量非相關信息，在獲取相關數據后，需對獲取的數據信息進行處理，提取有用的信息，以減少后續數據分析運行的工作量，減少數據分析時間，提高分析運行效率。利用ArcGIS軟件平臺，提取數據庫中的交通用地、農村道路、水系、居民點、基本農田、自然保護區、國家公益林等屬性數據。

（2）公路設計成果數據處理。公路設計成果數據主要收集CAD格式公路沿線地形地圖數據以及進行挖填方計算后各路段棄方量。CAD地形數據優先采用現場實測數據，由于在公路項目設計工程可行性研究階段未開展外業測量，可選用矢量化地形圖。所獲取地形圖數據非現場實測數據，地形圖時效性較差，不能反映現狀道路、居民點等要素，因此，將CAD中除等高線以外的其他要素刪除，保留等高線及高程數據，并將所有要素轉換為2000國家大地坐標系的空間坐標系統。

將轉換后的道路周邊地形圖數據導入Arcmap軟件，并對等高線進行賦值，利用3D分析模塊生成TIN表面模型。為保證生成地形模型真實反應現狀地形，采用TIN三維計算模型，建立DEM數字高程模型，計算公路沿線地形條件滿足作為棄土場要求的場地的地形坡度等要素。

2.3棄土場選址技術路線

在完成基礎數據處理后，選址可分為初步篩查及最優化選址兩個步驟。

（1）根據收集的沿線基礎資料及規劃資料，制作專題圖層并進行緩沖區分析，將“棄土場禁止選址區域”剔除出涉及占用基本農田、水源保護區等相關因素影響范圍。

（2）在剔除棄土場禁止選址區域后，結合棄土場選址的地形要求，初步篩選出備選區域，根據場地經濟運距要求，選擇合理的選址方案。

3空間分析技術在棄土場選址中的應用

3.1數據收集提取制作專題圖

以興業高峰至貴港大嶺公路（興業段）為例，收集項目所在地興業縣沿線相關基礎數據及設計數據，根據棄土場選址影響因素，提取相關屬性數據，根據Arcmap中按照屬性選擇的工具，選取基本農田、居民點、城鎮建設用地、河流水面、道路用地等屬性后單獨導出，制作專題地圖。

根據現場調查收集資料顯示，興業高峰至貴港大嶺公路（興業段）擬建道路沿線不涉及國家二級以上公益林及自然保護區等生態敏感區，因此，只提取交通路網、基本農田保護區、居民點、河流水系等要素。

3.2ArcGlS空間分析

ArcGIS具有強大的空間分析功能，ArcGIS空間分析技術是空間數據處理理論和方法的集成化實現，對包含空間坐標和專業屬性數據進行分析。棄土場選址應用模型影響因素眾多，不能單純依靠數學工具進行分析。在棄土場優化選址過程中，主要利用了空間分析中緩沖區分析、疊加分析等功能。見圖2～8。

3.2.1緩沖區分析

緩沖區分析是ArcGIS空間分析的一種。緩沖區分析的功能主要是為了建立點、線、面空間實體的鄰近一定范圍內或影響范圍區域。在棄土場選址過程中，運用ArcGIS空間分析模塊中的緩沖區分析，設定因素影響范圍以確定禁止選址區域。基于選址安全性考慮以及相關行業對棄土場選址的要求，棄土場禁止選址于基本農田保護區、工程地質條件差的地質災害多發區、采空區、國家Ⅱ級以上公益林地、水源保護區內一定范圍、河流兩岸200～500m范圍內以及主要匯水區、居民點及周邊存在棄土場滑坡影響區域、水源保護區一定半徑范圍等。對居民點特別是處于棄土場下游承泄區的居民點進行緩沖區分析，根據棄土對居民點的影響范圍設定緩沖半徑，并作為棄土場選址禁止區域。對水系、居民點等多個影響因子進行緩沖區分析后，形成新的圖層。根據本項目特點，沿線未涉及水源保護區及生態敏感區，因此，只對居民點、水系進行緩沖區分析：棄土場選址區域距離居民點應≥50m，設定緩沖半徑為50m;河流兩岸200m范圍內不設置棄土場，設置河流緩沖區半徑為200m，進行緩沖區分析。

3.2.2疊加分析

同時將提取的基本農田保護區、地質災害多發區、采空區、國家Ⅱ級以上公益林地、水系及居民點緩沖區、相關自然保護區核心區等多個圖層以及緩沖區圖層進行疊加分析，生成新的圖層，該圖層作為設計公路沿線棄土場禁止選址區域，反向選取其他區域作為初步選址備選區。通過與沿線DEM進行疊加，可以獲得滿足地形條件要求的棄土場選址區域。本次研究區域涉及地質災害多發區、采空區、國家Ⅱ級以上公益林地及自然保護區等生態功能區。

3.2.3網絡分析

網絡分析工具是ArcGIS空間分析中路徑優化選擇的方法。在進行疊加分析后，剔除禁止選址區，并加載沿線等高線以及交通路網，通過網絡分析功能，進行定性定量分析。棄土場選址合理性的關鍵是對棄方運距進行合理計算，尋找最佳經濟運距，主要以單位棄方量單位運距的運輸消耗量作為衡量指標。不同道路狀況對運輸的消耗具有影響，對于不同道路等級棄方控制距離為：一級公路<5.6km;二級公路控制運距為5.3km;三級公路控制運距為5.0km;四級公路及施工便道控制運距為4.8km和4.3km.新修施工便道運距為2.8km。參考實際棄土場選址過程進行考慮，根據西南地區地形條件限制以及涉及不壓占基本農田等限制，綜合運距設置為≤10km。因此，根據調查，項目區均為三級及以下道路，設定經濟運距為<5km，運距>10km為不適宜選址區。

3、2.4篩選棄土場

在完成緩沖區分析和疊加分析后剔除棄土場禁止選址區，選取剩余場地，并將圖層與沿線DEM模型疊合，根據棄土場選址的地形要求，在現有交通路網條件下和滿足經濟運距基礎上進行篩選，本次共篩選出8處備選棄土場場地。

3.2.5空間統計分析

為進一步測算備選場地容渣量，通過空間統計功能可以獲取棄土場容渣量以及至棄土場擬建道路運距。可以利用ArcGIS中的3D分析模塊里的土方分析功能，根據地形線生成TIN或者柵格數據，根據棄土場場地設計標高，對棄土場容渣量進行統計。本次研究由于缺乏相關數據未對每個備選棄土場場地容渣量進行統計分析。

4結語

（1）本文以興業高峰至貴港大嶺公路（興業段）為例，通過運用ArcGIS空間分析功能，分析項目區沿線棄土場可選址場地8處，探討了提高棄土場選址的合理性和精度的方法和技術路徑，減少了不必要的外業調查的工作量，同時提高了公路設計精度。對于廣西全區路網設計、施工、建設管理具有一定借鑒意義。

（2）根據公路多階段設計特點，在公路不同設計階段對棄土場重新選址，可以直接調閱前一設計階段每個棄土場選址適宜區域的運距、容渣量等參數，提高決策精度和效率，指導工程造價編制和施工方的經營。

（3）ArCGIS空間分析模塊在棄土場優化選址中應用的準確性取決于獲取各基礎數據的質量以及全面性。由于相關數據為涉密數據，只有在從事相關業務前提下才能獲取，因此，在數據獲取過程中存在一定困難。綜合性公路設計及前期咨詢服務企業在全面獲取相關數據中占據優勢地位。