淺析GIS技術(shù)在城市地鐵建設(shè)中的應(yīng)用

石瑜

摘 要：交通堵塞問題日益嚴(yán)重，城市地鐵應(yīng)運(yùn)而生，速度快、容量大、無延誤，成為解決居民出行需求與交通系統(tǒng)服務(wù)水平之間矛盾的有效方式。GIS（地理信息系統(tǒng)）是地理科學(xué)、信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等的交叉學(xué)科，以其強(qiáng)大的空間分析和可視化功能廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。將GIS技術(shù)與城市地鐵建設(shè)工程相結(jié)合，在城市地鐵真正敷設(shè)之前，使地鐵線路及周邊的屬性信息和可視化地圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相互訪問，模擬地鐵線路及周邊環(huán)境的交互情況，為決策者提供直觀的地鐵站點(diǎn)布設(shè)圖形和屬性信息，具有理論研究意義和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：GIS；城市地鐵；站點(diǎn)布設(shè)

1 前言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，交通擁堵問題日益嚴(yán)重，地鐵越來越受到各地政府和城市居民的青睞。站點(diǎn)規(guī)劃和布設(shè)是城市地鐵建設(shè)中的重要組成部分，將GIS和城市地鐵站點(diǎn)的布設(shè)結(jié)合起來進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)布設(shè)方案的可視化，能夠?yàn)榻煌ㄒ?guī)劃和建設(shè)部門提供決策依據(jù)。

2 地鐵建設(shè)在解決城市交通問題中的重要性

城市地鐵，也稱地下鐵道，主要在城市的地下鋪設(shè)軌道并修建車站，也可延伸至地面或高架橋上（在城市郊區(qū)或者人員車輛較少的區(qū)域）。城市地鐵運(yùn)行速度快、運(yùn)量大、行車準(zhǔn)時(shí)、安全且節(jié)省能源，加之無污染、高效能，特別適用于城市內(nèi)部與郊區(qū)之間大運(yùn)量的集中性出行。城市地鐵的修建，一方面能夠吸引大批量的客流選擇地下通道作為出行方式，減少地面的交通需求量，彌補(bǔ)城區(qū)交通系統(tǒng)的不足，另一方面能夠合理利用地下空間，帶動(dòng)沿線周邊片區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3 地鐵建設(shè)的關(guān)鍵-站點(diǎn)布設(shè)

城市地鐵交通系統(tǒng)有建設(shè)成本高、施工風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)，規(guī)劃建設(shè)的成果將長期影響其運(yùn)營效率和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。而城市地鐵站點(diǎn)的布設(shè)是地鐵系統(tǒng)的重要難題，它不僅影響整個(gè)地鐵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)投資費(fèi)用，同時(shí)還關(guān)系到站點(diǎn)周邊片區(qū)以及地鐵沿線的經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展，甚至還會(huì)影響到城市的總體規(guī)劃和全局建設(shè)。

4 地鐵站點(diǎn)布設(shè)的涵義

城市地鐵站點(diǎn)布設(shè)是地鐵線路規(guī)劃的重要組成部分，主要內(nèi)容是確定站點(diǎn)的數(shù)量及布局形式。城市地鐵站點(diǎn)的布設(shè)確定了整條地鐵線路站點(diǎn)的總體布局，是由“線”（地鐵線路）轉(zhuǎn)入“點(diǎn)”（地鐵站點(diǎn)）的過程。就某一個(gè)具體站點(diǎn)而言，其布設(shè)除了受擬建地鐵線路規(guī)劃相關(guān)因素影響之外，還要考慮站點(diǎn)吸引范圍內(nèi)的乘客出行特點(diǎn)和土地功能劃分、與地下管線的沖突或其他社會(huì)因素等。因此，地鐵站點(diǎn)在實(shí)際建設(shè)過程中，不能完全按照線路規(guī)劃中的站位進(jìn)行施工，有時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)地情況在周邊一定范圍內(nèi)進(jìn)行偏移。

5 GIS技術(shù)在城市地鐵建設(shè)中的應(yīng)用

本文使用C#編程語言對美國ESRI公司的ArcGIS Engine組件進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建了“基于GIS的城市地鐵站點(diǎn)布設(shè)研究系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了地鐵站點(diǎn)布設(shè)方案的可視化。

5.1 系統(tǒng)的主要功能概述

系統(tǒng)的主要功能模塊有GIS的基本功能、地鐵站點(diǎn)布設(shè)專業(yè)功能、系統(tǒng)輔助功能三大模塊。

5.2 地鐵站點(diǎn)布設(shè)專業(yè)功能模塊

為了方便而全面地反映站點(diǎn)布設(shè)涉及到的問題，以石家莊地鐵三號(hào)線一期工程為例。

5.2.1 客流預(yù)測

石家莊市地鐵三號(hào)線一期工程自西向東穿越了石家莊主城區(qū)，建設(shè)項(xiàng)目全長為19.5 km，遠(yuǎn)期增至61.2 km，中間段為城市中心區(qū)域。城市客流量的產(chǎn)生及分布狀態(tài)是進(jìn)行地鐵站點(diǎn)布設(shè)前要考慮的關(guān)鍵因素。為了方便分析和研究，主要研究地鐵站點(diǎn)合理步行區(qū)范圍內(nèi)（線路兩側(cè)600 m內(nèi)區(qū)域）的客流分布情況。

（1）出行生成預(yù)測。將客流的出行目的按照由家工作出行、由家上學(xué)出行、由家娛樂出行、由家其它出行、非由家工作出行和非由家其它出行六項(xiàng)進(jìn)行分類；然后用C#編程語言將與交通小區(qū)對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)讀入datagridview中，最后，點(diǎn)擊“交通產(chǎn)生量預(yù)測”和“交通吸引量預(yù)測”按鈕，進(jìn)行計(jì)算。

（2）出行分布預(yù)測。出行分布預(yù)測旨在根據(jù)交通分區(qū)的產(chǎn)生吸引總量，確定其在各個(gè)小區(qū)之間的分布情況。采用雙約束重力模型進(jìn)行計(jì)算：

[Tij=ai*Pi*bj*Aj*f（dij）]

阻抗函數(shù)f（dij）=a*dij–b*e-c*dij（[a、b、c]為擬合得到的參數(shù)，dij為交通小區(qū)之間的距離）。公式無法用代數(shù)方法直接求解，只能反復(fù)迭代求近似解。指定迭代次數(shù)為50，允許誤差值為10。

5.2.2 初步布設(shè)方案的生成

（1）尋找備選站點(diǎn)。石家莊地鐵三號(hào)線一期工程沿線分布有規(guī)劃、建設(shè)中的重要建筑和市政設(shè)施，由西北向東南主要有：水上公園、河北醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院、石家莊市第二中學(xué)、新百廣場、河北省藝術(shù)中心、新火車站、空中花園等，此為I級(jí)站點(diǎn)。

石家莊地鐵三號(hào)線一期工程多位于城市中心區(qū)域，將最小站間距dmin和最大站間距dmax分別定為500 m和2 000 m。以I級(jí)站點(diǎn)中心為圓心，dmin和dmax為緩沖半徑畫圓。尋找兩種緩沖區(qū)與地鐵線的交點(diǎn)，得到I、II級(jí)站點(diǎn)。其中，紅色圓區(qū)域代表I級(jí)站點(diǎn)，綠色圓區(qū)域代表II級(jí)站點(diǎn)，淺綠色帶狀區(qū)域?yàn)槿?hào)線沿線兩側(cè)600 m的區(qū)域范圍，即論文的研究范圍。

（2）生成虛擬站點(diǎn)布局。將地鐵沿線主要客流集散點(diǎn)找出后，選定備選站點(diǎn)。根據(jù)站間距盡量適中分布的約束條件，將備選站點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)組合，形成三種布設(shè)方案：

方案一：西三莊、泰華街、柏林路、中儲(chǔ)橋、市莊、二中、新百廣場、十一中、槐安大橋、中星路、新石家莊站、金利街、印刷二廠、塔冢、裕華、南王、卓達(dá)、位同，共18個(gè)站點(diǎn)；

方案二：西三莊、泰華街、柏林路、中儲(chǔ)橋、市莊、省二院、二中、新百廣場、十一中、槐安大橋、中星路、新石家莊站、金利街、印刷二廠、塔冢、裕華、南王、卓達(dá)、位同，共19個(gè)站點(diǎn)；

方案三：西三莊、泰華街、高東街、柏林路、市莊、省二院、二中、新百廣場、十一中、槐安大橋、中星路、新石家莊站、金利街、印刷二廠、塔冢、裕華、南王、卓達(dá)、位同，共19個(gè)站點(diǎn)。

（3）地鐵線路費(fèi)用效益和吸引量計(jì)算。虛擬站點(diǎn)布設(shè)方案生成之后，對不同的方案進(jìn)行地鐵線路費(fèi)用效益值計(jì)算，同理，計(jì)算各個(gè)備選站點(diǎn)的站點(diǎn)吸引量和不同布設(shè)方案的線路吸引量。

（4）站點(diǎn)布設(shè)的初步方案。分別計(jì)算初步選定的三種布設(shè)方案的線路費(fèi)用效益值和線路吸引量，得到如下結(jié)果：方案一的線路覆蓋量最大；方案二稍小，最后是方案三。依據(jù)相同站點(diǎn)個(gè)數(shù)方案的取舍原則，淘汰方案三，剩下的方案一和方案二定為石家莊市地鐵三號(hào)線一期工程的站點(diǎn)初步布設(shè)參考方案。

6 結(jié)語

站點(diǎn)規(guī)劃和布設(shè)是城市地鐵建設(shè)的一個(gè)重要組成部分，其效果優(yōu)劣對城市總體布局和發(fā)展模式以及總體經(jīng)濟(jì)水平都將產(chǎn)生不可估量的深遠(yuǎn)影響。論文將GIS應(yīng)用于城市地鐵站點(diǎn)的布設(shè)問題當(dāng)中，為交通規(guī)劃相關(guān)部門提供城市施工建設(shè)前的可視化信息，避免不必要的投資費(fèi)用。

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