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    乡村振兴背景下村庄道路规划智能化研究——以广州市花都区港头村为例

    时间：2023-07-03 11:20:05来源：百花范文网本文已影响人

    刘以娜，包世泰，佘美萱，陈顺清

    （1.华南农业大学 a.资源环境学院；
    b.林学与风景园林学院，广州 510642；
    2.奥格科技股份有限公司，广州 510663）

    自党的“十九大”提出乡村振兴战略以来，村庄规划受到广泛重视，成为因地制宜、精准施策、建设美丽乡村的重要举措。乡村振兴的核心是规划先行、提升产业、服务农村，要以村庄为单元进行规划；
    而村庄规划的重要内容是道路规划，是进一步联通乡村生产生活、生态空间，加强村庄对外交通、对内服务生产生活的重要抓手。对于村庄发展而言，“要想富、先通路”，重视村庄道路规划、不断优化村庄内外路网，是实现乡村振兴必不可少的环节。受农村经济发展和技术人才的限制，现有村庄道路通常缺乏合理的规划设计，存在道路整体性差、连贯性不足、等级混乱等问题，不能满足乡村可持续发展的需求，在很大程度上限制了农村经济的发展（刘语轩 等，2019；
    王永慧 等，2021）。

    国外对农村路网规划的研究中，比较有代表性的是印度和欧洲的规划实践。印度学者运用乡村居民点层次和居民点之间的相互影响对乡村公路网进行规划和评价，其特征是将乡村的路网规划和乡村聚点规划综合考虑（Howe et al., 1984）；
    欧洲学者则认为农村次干道路规划是土地整理的组成部分，并有机结合了经济、土地开发、实现现代化等需求（Meng et al., 2000）。相对而言，国内研究多集中在城市道路和公路规划，而村庄尺度下路网规划的智能化方法研究相对较少，特别是乡村振兴背景下村庄道路规划影响因素定性分析和定量计算尚不深入。如白雁等（2005）采用专家经验法和重要度布局法相结合的方法，提出由点到线、由线到网逐步完成公路网的布局；
    高红江等（2012）提出农村公路规划要从农村公路的功能定位出发，满足村民对公共服务设施与资源的可达性需求；
    岳萍等（2016）探讨影响新农村公路网规划布局的主要因素，提出中国新农村公路网规划的方法。

    近年来，路网规划不断引入新的技术和方法，提升道路智能规划水平。如Galin 等（2010）提出一种基于加权最短路径算法的自动道路生成方法，给定一个输入场景，将自动创建一条连接起点和终点的路径。Kadi等（2019）通过分析影响森林滑坡的要素，构建森林滑坡敏感性图，对土耳其马卡林业运营局区域的滑坡风险状况进行分析，结合GIS技术生成该区域的最佳森林巡查路径。Inti 等（2021）通过将多目标粒子群优化和K-均值聚类策略相结合，开发了一个混合多目标优化模型，并将其运用于印度东北部地区的道路规划。王冉然（2010）以地理信息系统为研究平台，结合城乡道路规划理论方法，构建农村道路生成适宜性模型，提出新农村道路规划选线的方法。陈元涛（2012）利用GIS强大的空间分析功能，将其作为道路规划选线辅助分析技术，以实现道路规划自动化。史涵等（2019）基于地理信息系统，提出一种智能道路规划模型，应用于高速公路的规划选线。

    已有研究对道路的规划选线方法更多适用于全域公路选线和城市道路规划，难以满足中国乡村道路规划的特殊需求。村庄道路规划不能照搬以往城镇道路规划方法，需结合乡村发展实际状况、兼顾农业生产、村民生活、产业发展、历史文化保护等众多因素，因此，有必要探索普适高效智能的村庄道路规划方法。鉴于此，本文在乡村振兴战略的背景下，以村庄作为规划单元，采用模糊层次分析法全面梳理和量化村庄道路规划影响因素及其权重，构建村庄道路生成最小成本模型，利用GIS生成符合规划要求的成本最小、通达性最大的村庄道路。以期提升村庄道路规划智能化水平，有助于美丽乡村建设和乡村振兴。

    1.1 村庄道路规划影响因素

    村庄道路系统作为乡村空间的基本骨架，是村庄空间布局的基础（刘语轩 等，2019）。为防止乡村建设“千村一面”，村庄道路规划必须要因地制宜、突出地域特色。基于前瞻性、可持续发展、通达性、历史文化保护等原则，充分考虑农村生活特点、乡村振兴要求以及自然环境约束等，保证道路规划的安全性、实用性和系统性（何耀，2014；
    王凯，2016）。结合中国乡村道路实际情况，分析影响村庄道路规划的主要因素，主要包括自然因素、工程因素、社会和人口因素及其他因素等。

    1）自然因素：村庄道路规划要考虑环境要素的影响，重点考虑地形地貌对道路交通安全性和舒适性的影响，如坡度、高程、起伏度。

    2）工程因素：道路建设对村庄耕地、林地、居民地和水体等土地利用类型会产生不同的占用成本、拆迁成本和建设成本，村庄道路规划要集约节约利用土地资源，避免破坏生态环境。

    3）社会和人口因素：村庄道路不仅服务于当地村民的日常需要，也是带动农村区域经济发展的关键（栾翠霞，2017）。为更好地服务当地村民的交通出行和农业生产，不仅要充分考虑对内对外交通的联系和出行的便利程度，还要考虑村庄各区域的人口规模，明确道路起止点与等级，确保整个村庄路网的通达性，更好地服务于村民（王冉然，2010）。

    4）其他因素：道路建设还需要考虑保护村庄历史和特色、尊重乡村原有机理（王冉然，2010）。村庄内历史文物古迹如古建筑、院落、祠堂、水井、桥梁等，不仅需考虑道路规划衔接，还要避免道路建设和通行对其产生的破坏，实现保护性开发与传承，“留住乡愁”。

    1.2 研究方法与技术路线

    根据村庄道路规划影响因素，采用定性与定量相结合的模糊层次分析法（FAHP，Fuzzy Analytic Hierarchy Process）细化量化影响村庄道路规划的自然、工程、社会和人口等因素，借助GIS技术将影响因素转换为地理要素数据，考虑其权重影响，采用加权叠加分析方法，多要素叠加形成村庄全域综合成本栅格；
    自动提取道路起止点，计算多起点多终点不同等级最小成本道路，自动生成矢量化的村庄道路网。技术路线见图1所示。

    图1 村庄道路规划生成技术路线Fig.1 Technology Roadmap of village road planning generation

    1.2.1 模糊层次分析法 采用模糊层次分析法确定影响村庄道路规划因素及权重，具体分为4个步骤：1）构建层次结构模型，梳理村庄道路规划影响因素及相互关系；
    2）利用三角模糊数对评价指标进行两两比较，构建模糊判断矩阵；
    3）检验模糊判断矩阵的一致性，若不符合一致性重新调整模糊判断矩阵；
    4）计算各项指标权重。

    1.2.2 加权叠置分析 栅格加权叠置分析是一项重要的GIS空间分析功能，将影响因素对应的多个栅格数据进行叠加，产生一个综合已有栅格值的新栅格（Maribeth, 2015），计算模型为：

    2.2 村庄全域综合成本栅格构建

    根据村庄道路规划4 个主要影响因素，结合港头村实际情况收集地形、土地利用、现状道路和历史古迹等相应地理要素数据，并对各要素数据分别进行栅格化、重分类等处理，形成村庄全域综合成本栅格。其中，每类数据处理过程为：

    1）地形数据：地形要素直接影响道路交通安全和建设成本。通过港头村数字高程模型数据，提取村庄全域坡度、坡向和起伏度，重分类赋值、值越大表示道路建设和通行成本越高。

    2）现状道路数据：在现有道路基础上规划建设道路不仅能最大程度上节约成本，而且村庄居民点往往毗邻现有道路，

    式中：S为多因素综合成本；
    Fi为单个影响因素的栅格值；
    Wi为单个影响因素所对应的权重；
    n是参与成本计算的影响因素个数。

    1.2.3 最小成本路径 生成最小成本路径的算法有多种，经典的Dijkstra 算法是解决最短路径问题的理论基础，通过计算一个结点到其他所有结点的所有路径，从中寻找一条权值最小的路径，即最小成本路径。主要特点是以原点为中心向外层扩展，直至终点为止，计算模型为：

    式中：V是结点的集合；
    A是弧（路径）的集合；
    （Vi，Vj） 表示结点Vi到结点Vj的弧；
    Wij表示弧（vi，vj）的权值；
    Pij表示从Vi到Vj的路径。

    2.1 研究区概况

    以岭南古村—港头村为研究区，是广东省广州市花都区花东镇下辖的行政村，南邻流溪河，花都大道东西贯穿而过（图2）。整个村庄面积2.83 km2，山、水、田、林、塘等自然资源较为丰富，形成颇具岭南特色的自然村落格局；
    港头村有着600多年的历史文化底蕴，有“曾子文化”“书香文化”等多重文化名片，村内仍保留文孙曾公祠、云门曾公祠、云门别墅等大量古建筑，被誉为“露天的明清建筑博物馆”，形成具有广府特色的古村区域。根据花都区乡村振兴战略，正将港头村打造为广州市知名文明古村落、花都区人文生态旅游示范村。交通通达性和居住聚集效应明显（苏木兰 等，2016；
    方健 等，2017）。规划路网将最大程度利用现有道路，本研究对港头村现有道路经欧式距离分析，得到村域距离栅格数据，距离现状道路越近重分类赋值越低，表示建设和通行成本越低。

    图2 港头村区位Fig.2 Location of Gangtou Village

    3）土地利用数据：包括村域的耕地、园地、林地、水体、建设用地、交通用地和其他用地。将土地利用数据栅格化后重分类赋值，值越大表示该土地类型上建设道路成本越高。

    4）居民点数据：包括每户村民数量和位置，代表潜在的交通需求，转换为人口密度、值越大表示交通需求越强、道路等级越高。

    5）历史古迹数据：主要是港头村的古村落面状数据，规划道路时要予以保护和避让，其建设成本赋值较高。

    各类要素成本赋值见表1所示，分数越高表示建设道路的成本越高。

    表1 港头村道路规划影响要素成本赋值Table 1 Classification scores of road planning in Gangtou Village

    通过模糊层次分析法确定各要素间相互重要程度，进而确定其权重，见表2所示。

    表2 港头村道路规划影响因子矩阵及权重Table 2 Influence factor matrix and weight of road planning in Gangtou Village

    基于各要素成本栅格数据，结合权重进行加权叠加分析，得到的村域综合成本栅格综合考虑了自然、工程、社会和人口等要素对道路规划建设的量化成本。

    2.3 基于最小成本路径算法的村庄道路智能规划

    在乡村振兴战略背景下，以旅游产业为导向对传统村落进行规划和发展是传统村落更新活化、健康可持续发展的有效途径（成永刚，2017）。为更好地发展乡村产业，将港头村打造为综合性的“人文生态旅游示范村”，以点带面，实现乡村全面振兴，需要对港头村现有资源进行合理的整合和开发利用，规划合理的村庄道路网，加强与外界的交通联系，串联各旅游景点，连通各产业基地。

    基于前述的综合成本栅格数据，计算得到村庄全域各起点出发的成本距离和回溯链接（距离方向）数据；
    然后利用GIS最小成本路径方法，可生成村庄内任意起点和终点间的最小成本道路。村庄道路规划涉及多个起点和终点，如何智能选取多起点多终点、并自动计算生成多条成本最优的规划道路？这是道路智能规划的难点。本研究选择模糊层次分析法明确居住区、耕地、历史古迹、公共设施和对外道路出入口等共5 类要素，根据表3 参数自动提取村庄规划道路的起点和终点，自动生成多起点到多终点的村庄道路。

    所构建的GIS分析模型打包固化后形成流程化工具，如图3所示。规划生成的道路不仅能最大程度地避让水体、古建筑等成本较高区域，而且能充分利用现有交通用地，在最大程度上减少对村庄环境的破坏。

    图3 基于GIS的村庄道路智能规划流程Fig.3 Flow chart of village roads intelligent planning based on GIS

    利用GIS规划工具生成的港头村规划道路网如图4 所示，共5 类7 个起点16 个终点，自动生成多起点到多终点的4级村庄道路，包括主干道路4条、次干道路2条、生产型支路9条、生活型支路13条和环村路1 条。根据《乡村道路工程技术规范》（GB/T 51224-2017）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2017）农村道路等级应该分级设置，可根据各要素权重确定各起止点的重要度，自动生成不同等级的村庄道路。第一级为主干道路，承担村庄与城镇区域之间的联系，规划生成与外部主干道连接的村庄主干道路，其起止点重要度以现有道路要素权重衡量；
    第二级为次干道路，主要是村庄内部各组团之间的联系，其起止点重要度以地形要素权重衡量；
    第三级为支路，主要是满足村民日常出行（生活型支路）和进行农业生产活动的需求（生产型支路，主要为机耕路），其起点终点重要度以土地利用要素权重衡量。此外，近几年乡村规划所关注的环村路，以港头村居住区及其周围园地、耕地组团为单元，采用图形缓冲的方式，规划生成宽度为10 m的环村路，以加强村庄内部的联系，提高村庄道路网的连通性。

    图4 港头村道路智能规划Fig.4 intelligent planning of Gangtou Village"s Road

    本文围绕乡村振兴战略背景下村庄道路规划需求，探讨村庄道路智能规划理论方法，采用模糊层次分析法系统分析影响村庄道路规划的自然、工程、社会和人口及其他因素及权重；
    收集处理对应的要素数据并采用加权叠加分析量化计算，自动生成村域综合成本栅格；
    构建GIS分析模型流程化工具，采用最小成本路径算法，自动选取多起点多终点自动生成不同等级村庄道路；
    并以广州市花都区的港头村为例，模拟规划生成港头村主干道路、次干道路和支路（生活型支路和生产型支路）3 种等级的村庄道路进行验证，生成了多起点到多终点的4 级村庄道路，包括主干道路4 条、次干道路2 条、生产型支路9 条、生活型支路13 条和环村路1 条，与现有道路实现无缝连接，并兼顾对外交通、生产和生活等多重需求。

    本文所提出的村庄道路智能规划方法充分考虑了村庄单元内生产（农田和产业）、生活（设施）布局，通过构建村域综合成本栅格，并智能提取起止点，基于最小成本路径算法，对村庄道路网进行规划优化，具有较强的实用性和普适性。与城市道路、公路规划等相关研究（黄德军，2019；
    郑培松，2020；
    叶瑞云 等，2021）相比，本文提出的村庄道路智能规划主要有3点提升：1）所考虑影响因素重要性不同，本文系统分析影响村庄道路规划的自然、工程、社会和人口等因素，如将历史文物保护、现有道路等要素纳入其中，更符合乡村振兴战略下村庄道路规划的需求；
    2）规划方法不同，对村庄道路的规划方法更细化量化，如计算多因素影响下的村域综合成本栅格，并基于最小成本自动生成规划道路；
    3）规划结果不同，根据影响要素权重确定相应起止点重要度，自动生成不同等级道路，即村庄主干道路（宽5～8 m）、次干道路（宽3～5 m）、支路（宽2～3 m，主要为生活型支路和生产型支路），所生成的村庄道路更具有针对性和实用性。

    本研究提出的村庄道路规划方法摆脱了传统道路规划过多依靠人工主观经验的限制，为乡村道路规划提供了系统化思路和自动化方法，有利于推动村庄道路规划智能化。村庄道路智能规划是一个涉及因素复杂、广泛的综合性问题，虽然本文提出的村庄道路智能规划生成方法，能生成成本最小的不同等级村庄道路，但在实际规划生成村庄道路的过程中，除了要生成最小成本道路，还要满足景观美观等需求，需考虑特定道路的分布形态与连接需求，如部分道路需要趋直、部分道路需要呈环状等，这些在后续研究中需进一步加以考虑。

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