鄉(xiāng)村振興背景下村莊道路規(guī)劃智能化研究
——以廣州市花都區(qū)港頭村為例

劉以娜，包世泰，佘美萱，陳順清

（1.華南農(nóng)業(yè)大學 a.資源環(huán)境學院；b.林學與風景園林學院，廣州 510642；2.奧格科技股份有限公司，廣州 510663）

自黨的“十九大”提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略以來，村莊規(guī)劃受到廣泛重視，成為因地制宜、精準施策、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村的重要舉措。鄉(xiāng)村振興的核心是規(guī)劃先行、提升產(chǎn)業(yè)、服務(wù)農(nóng)村，要以村莊為單元進行規(guī)劃；而村莊規(guī)劃的重要內(nèi)容是道路規(guī)劃，是進一步聯(lián)通鄉(xiāng)村生產(chǎn)生活、生態(tài)空間，加強村莊對外交通、對內(nèi)服務(wù)生產(chǎn)生活的重要抓手。對于村莊發(fā)展而言，“要想富、先通路”，重視村莊道路規(guī)劃、不斷優(yōu)化村莊內(nèi)外路網(wǎng)，是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興必不可少的環(huán)節(jié)。受農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)人才的限制，現(xiàn)有村莊道路通常缺乏合理的規(guī)劃設(shè)計，存在道路整體性差、連貫性不足、等級混亂等問題，不能滿足鄉(xiāng)村可持續(xù)發(fā)展的需求，在很大程度上限制了農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展（劉語軒 等，2019；王永慧 等，2021）。

國外對農(nóng)村路網(wǎng)規(guī)劃的研究中，比較有代表性的是印度和歐洲的規(guī)劃實踐。印度學者運用鄉(xiāng)村居民點層次和居民點之間的相互影響對鄉(xiāng)村公路網(wǎng)進行規(guī)劃和評價，其特征是將鄉(xiāng)村的路網(wǎng)規(guī)劃和鄉(xiāng)村聚點規(guī)劃綜合考慮（Howe et al., 1984）；歐洲學者則認為農(nóng)村次干道路規(guī)劃是土地整理的組成部分，并有機結(jié)合了經(jīng)濟、土地開發(fā)、實現(xiàn)現(xiàn)代化等需求（Meng et al., 2000）。相對而言，國內(nèi)研究多集中在城市道路和公路規(guī)劃，而村莊尺度下路網(wǎng)規(guī)劃的智能化方法研究相對較少，特別是鄉(xiāng)村振興背景下村莊道路規(guī)劃影響因素定性分析和定量計算尚不深入。如白雁等（2005）采用專家經(jīng)驗法和重要度布局法相結(jié)合的方法，提出由點到線、由線到網(wǎng)逐步完成公路網(wǎng)的布局；高紅江等（2012）提出農(nóng)村公路規(guī)劃要從農(nóng)村公路的功能定位出發(fā)，滿足村民對公共服務(wù)設(shè)施與資源的可達性需求；岳萍等（2016）探討影響新農(nóng)村公路網(wǎng)規(guī)劃布局的主要因素，提出中國新農(nóng)村公路網(wǎng)規(guī)劃的方法。

近年來，路網(wǎng)規(guī)劃不斷引入新的技術(shù)和方法，提升道路智能規(guī)劃水平。如Galin 等（2010）提出一種基于加權(quán)最短路徑算法的自動道路生成方法，給定一個輸入場景，將自動創(chuàng)建一條連接起點和終點的路徑。Kadi等（2019）通過分析影響森林滑坡的要素，構(gòu)建森林滑坡敏感性圖，對土耳其馬卡林業(yè)運營局區(qū)域的滑坡風險狀況進行分析，結(jié)合GIS技術(shù)生成該區(qū)域的最佳森林巡查路徑。Inti 等（2021）通過將多目標粒子群優(yōu)化和K-均值聚類策略相結(jié)合，開發(fā)了一個混合多目標優(yōu)化模型，并將其運用于印度東北部地區(qū)的道路規(guī)劃。王冉然（2010）以地理信息系統(tǒng)為研究平臺，結(jié)合城鄉(xiāng)道路規(guī)劃理論方法，構(gòu)建農(nóng)村道路生成適宜性模型，提出新農(nóng)村道路規(guī)劃選線的方法。陳元濤（2012）利用GIS強大的空間分析功能，將其作為道路規(guī)劃選線輔助分析技術(shù)，以實現(xiàn)道路規(guī)劃自動化。史涵等（2019）基于地理信息系統(tǒng)，提出一種智能道路規(guī)劃模型，應(yīng)用于高速公路的規(guī)劃選線。

已有研究對道路的規(guī)劃選線方法更多適用于全域公路選線和城市道路規(guī)劃，難以滿足中國鄉(xiāng)村道路規(guī)劃的特殊需求。村莊道路規(guī)劃不能照搬以往城鎮(zhèn)道路規(guī)劃方法，需結(jié)合鄉(xiāng)村發(fā)展實際狀況、兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、村民生活、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、歷史文化保護等眾多因素，因此，有必要探索普適高效智能的村莊道路規(guī)劃方法。鑒于此，本文在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的背景下，以村莊作為規(guī)劃單元，采用模糊層次分析法全面梳理和量化村莊道路規(guī)劃影響因素及其權(quán)重，構(gòu)建村莊道路生成最小成本模型，利用GIS生成符合規(guī)劃要求的成本最小、通達性最大的村莊道路。以期提升村莊道路規(guī)劃智能化水平，有助于美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和鄉(xiāng)村振興。

1 村莊道路智能規(guī)劃

1.1 村莊道路規(guī)劃影響因素

村莊道路系統(tǒng)作為鄉(xiāng)村空間的基本骨架，是村莊空間布局的基礎(chǔ)（劉語軒 等，2019）。為防止鄉(xiāng)村建設(shè)“千村一面”，村莊道路規(guī)劃必須要因地制宜、突出地域特色?；谇罢靶?、可持續(xù)發(fā)展、通達性、歷史文化保護等原則，充分考慮農(nóng)村生活特點、鄉(xiāng)村振興要求以及自然環(huán)境約束等，保證道路規(guī)劃的安全性、實用性和系統(tǒng)性（何耀，2014；王凱，2016）。結(jié)合中國鄉(xiāng)村道路實際情況，分析影響村莊道路規(guī)劃的主要因素，主要包括自然因素、工程因素、社會和人口因素及其他因素等。

1）自然因素：村莊道路規(guī)劃要考慮環(huán)境要素的影響，重點考慮地形地貌對道路交通安全性和舒適性的影響，如坡度、高程、起伏度。

2）工程因素：道路建設(shè)對村莊耕地、林地、居民地和水體等土地利用類型會產(chǎn)生不同的占用成本、拆遷成本和建設(shè)成本，村莊道路規(guī)劃要集約節(jié)約利用土地資源，避免破壞生態(tài)環(huán)境。

3）社會和人口因素：村莊道路不僅服務(wù)于當?shù)卮迕竦娜粘Ｐ枰?，也是帶動農(nóng)村區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵（欒翠霞，2017）。為更好地服務(wù)當?shù)卮迕竦慕煌ǔ鲂泻娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不僅要充分考慮對內(nèi)對外交通的聯(lián)系和出行的便利程度，還要考慮村莊各區(qū)域的人口規(guī)模，明確道路起止點與等級，確保整個村莊路網(wǎng)的通達性，更好地服務(wù)于村民（王冉然，2010）。

4）其他因素：道路建設(shè)還需要考慮保護村莊歷史和特色、尊重鄉(xiāng)村原有機理（王冉然，2010）。村莊內(nèi)歷史文物古跡如古建筑、院落、祠堂、水井、橋梁等，不僅需考慮道路規(guī)劃銜接，還要避免道路建設(shè)和通行對其產(chǎn)生的破壞，實現(xiàn)保護性開發(fā)與傳承，“留住鄉(xiāng)愁”。

1.2 研究方法與技術(shù)路線

根據(jù)村莊道路規(guī)劃影響因素，采用定性與定量相結(jié)合的模糊層次分析法（FAHP，F(xiàn)uzzy Analytic Hierarchy Process）細化量化影響村莊道路規(guī)劃的自然、工程、社會和人口等因素，借助GIS技術(shù)將影響因素轉(zhuǎn)換為地理要素數(shù)據(jù)，考慮其權(quán)重影響，采用加權(quán)疊加分析方法，多要素疊加形成村莊全域綜合成本柵格；自動提取道路起止點，計算多起點多終點不同等級最小成本道路，自動生成矢量化的村莊道路網(wǎng)。技術(shù)路線見圖1所示。

圖1 村莊道路規(guī)劃生成技術(shù)路線Fig.1 Technology Roadmap of village road planning generation

1.2.1 模糊層次分析法 采用模糊層次分析法確定影響村莊道路規(guī)劃因素及權(quán)重，具體分為4個步驟：1）構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，梳理村莊道路規(guī)劃影響因素及相互關(guān)系；2）利用三角模糊數(shù)對評價指標進行兩兩比較，構(gòu)建模糊判斷矩陣；3）檢驗?zāi)：袛嗑仃嚨囊恢滦?，若不符合一致性重新調(diào)整模糊判斷矩陣；4）計算各項指標權(quán)重。

1.2.2 加權(quán)疊置分析 柵格加權(quán)疊置分析是一項重要的GIS空間分析功能，將影響因素對應(yīng)的多個柵格數(shù)據(jù)進行疊加，產(chǎn)生一個綜合已有柵格值的新柵格（Maribeth, 2015），計算模型為：

2.2 村莊全域綜合成本柵格構(gòu)建

根據(jù)村莊道路規(guī)劃4 個主要影響因素，結(jié)合港頭村實際情況收集地形、土地利用、現(xiàn)狀道路和歷史古跡等相應(yīng)地理要素數(shù)據(jù)，并對各要素數(shù)據(jù)分別進行柵格化、重分類等處理，形成村莊全域綜合成本柵格。其中，每類數(shù)據(jù)處理過程為：

1）地形數(shù)據(jù)：地形要素直接影響道路交通安全和建設(shè)成本。通過港頭村數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，提取村莊全域坡度、坡向和起伏度，重分類賦值、值越大表示道路建設(shè)和通行成本越高。

2）現(xiàn)狀道路數(shù)據(jù)：在現(xiàn)有道路基礎(chǔ)上規(guī)劃建設(shè)道路不僅能最大程度上節(jié)約成本，而且村莊居民點往往毗鄰現(xiàn)有道路，

式中：S為多因素綜合成本；Fi為單個影響因素的柵格值；Wi為單個影響因素所對應(yīng)的權(quán)重；n是參與成本計算的影響因素個數(shù)。

1.2.3 最小成本路徑 生成最小成本路徑的算法有多種，經(jīng)典的Dijkstra 算法是解決最短路徑問題的理論基礎(chǔ)，通過計算一個結(jié)點到其他所有結(jié)點的所有路徑，從中尋找一條權(quán)值最小的路徑，即最小成本路徑。主要特點是以原點為中心向外層擴展，直至終點為止，計算模型為：

式中：V是結(jié)點的集合；A是弧（路徑）的集合；（Vi，Vj） 表示結(jié)點Vi到結(jié)點Vj的??；Wij表示?。╲i，vj）的權(quán)值；Pij表示從Vi到Vj的路徑。

2 案例分析

2.1 研究區(qū)概況

以嶺南古村—港頭村為研究區(qū)，是廣東省廣州市花都區(qū)花東鎮(zhèn)下轄的行政村，南鄰流溪河，花都大道東西貫穿而過（圖2）。整個村莊面積2.83 km2，山、水、田、林、塘等自然資源較為豐富，形成頗具嶺南特色的自然村落格局；港頭村有著600多年的歷史文化底蘊，有“曾子文化”“書香文化”等多重文化名片，村內(nèi)仍保留文孫曾公祠、云門曾公祠、云門別墅等大量古建筑，被譽為“露天的明清建筑博物館”，形成具有廣府特色的古村區(qū)域。根據(jù)花都區(qū)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，正將港頭村打造為廣州市知名文明古村落、花都區(qū)人文生態(tài)旅游示范村。交通通達性和居住聚集效應(yīng)明顯（蘇木蘭 等，2016；方健 等，2017）。規(guī)劃路網(wǎng)將最大程度利用現(xiàn)有道路，本研究對港頭村現(xiàn)有道路經(jīng)歐式距離分析，得到村域距離柵格數(shù)據(jù)，距離現(xiàn)狀道路越近重分類賦值越低，表示建設(shè)和通行成本越低。

圖2 港頭村區(qū)位Fig.2 Location of Gangtou Village

3）土地利用數(shù)據(jù)：包括村域的耕地、園地、林地、水體、建設(shè)用地、交通用地和其他用地。將土地利用數(shù)據(jù)柵格化后重分類賦值，值越大表示該土地類型上建設(shè)道路成本越高。

4）居民點數(shù)據(jù)：包括每戶村民數(shù)量和位置，代表潛在的交通需求，轉(zhuǎn)換為人口密度、值越大表示交通需求越強、道路等級越高。

5）歷史古跡數(shù)據(jù)：主要是港頭村的古村落面狀數(shù)據(jù)，規(guī)劃道路時要予以保護和避讓，其建設(shè)成本賦值較高。

各類要素成本賦值見表1所示，分數(shù)越高表示建設(shè)道路的成本越高。

表1 港頭村道路規(guī)劃影響要素成本賦值Table 1 Classification scores of road planning in Gangtou Village

通過模糊層次分析法確定各要素間相互重要程度，進而確定其權(quán)重，見表2所示。

表2 港頭村道路規(guī)劃影響因子矩陣及權(quán)重Table 2 Influence factor matrix and weight of road planning in Gangtou Village

基于各要素成本柵格數(shù)據(jù)，結(jié)合權(quán)重進行加權(quán)疊加分析，得到的村域綜合成本柵格綜合考慮了自然、工程、社會和人口等要素對道路規(guī)劃建設(shè)的量化成本。

2.3 基于最小成本路徑算法的村莊道路智能規(guī)劃

在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，以旅游產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向?qū)鹘y(tǒng)村落進行規(guī)劃和發(fā)展是傳統(tǒng)村落更新活化、健康可持續(xù)發(fā)展的有效途徑（成永剛，2017）。為更好地發(fā)展鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)，將港頭村打造為綜合性的“人文生態(tài)旅游示范村”，以點帶面，實現(xiàn)鄉(xiāng)村全面振興，需要對港頭村現(xiàn)有資源進行合理的整合和開發(fā)利用，規(guī)劃合理的村莊道路網(wǎng)，加強與外界的交通聯(lián)系，串聯(lián)各旅游景點，連通各產(chǎn)業(yè)基地。

基于前述的綜合成本柵格數(shù)據(jù)，計算得到村莊全域各起點出發(fā)的成本距離和回溯鏈接（距離方向）數(shù)據(jù)；然后利用GIS最小成本路徑方法，可生成村莊內(nèi)任意起點和終點間的最小成本道路。村莊道路規(guī)劃涉及多個起點和終點，如何智能選取多起點多終點、并自動計算生成多條成本最優(yōu)的規(guī)劃道路？這是道路智能規(guī)劃的難點。本研究選擇模糊層次分析法明確居住區(qū)、耕地、歷史古跡、公共設(shè)施和對外道路出入口等共5 類要素，根據(jù)表3 參數(shù)自動提取村莊規(guī)劃道路的起點和終點，自動生成多起點到多終點的村莊道路。

所構(gòu)建的GIS分析模型打包固化后形成流程化工具，如圖3所示。規(guī)劃生成的道路不僅能最大程度地避讓水體、古建筑等成本較高區(qū)域，而且能充分利用現(xiàn)有交通用地，在最大程度上減少對村莊環(huán)境的破壞。

圖3 基于GIS的村莊道路智能規(guī)劃流程Fig.3 Flow chart of village roads intelligent planning based on GIS

利用GIS規(guī)劃工具生成的港頭村規(guī)劃道路網(wǎng)如圖4 所示，共5 類7 個起點16 個終點，自動生成多起點到多終點的4級村莊道路，包括主干道路4條、次干道路2條、生產(chǎn)型支路9條、生活型支路13條和環(huán)村路1 條。根據(jù)《鄉(xiāng)村道路工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51224-2017）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2017）農(nóng)村道路等級應(yīng)該分級設(shè)置，可根據(jù)各要素權(quán)重確定各起止點的重要度，自動生成不同等級的村莊道路。第一級為主干道路，承擔村莊與城鎮(zhèn)區(qū)域之間的聯(lián)系，規(guī)劃生成與外部主干道連接的村莊主干道路，其起止點重要度以現(xiàn)有道路要素權(quán)重衡量；第二級為次干道路，主要是村莊內(nèi)部各組團之間的聯(lián)系，其起止點重要度以地形要素權(quán)重衡量；第三級為支路，主要是滿足村民日常出行（生活型支路）和進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的需求（生產(chǎn)型支路，主要為機耕路），其起點終點重要度以土地利用要素權(quán)重衡量。此外，近幾年鄉(xiāng)村規(guī)劃所關(guān)注的環(huán)村路，以港頭村居住區(qū)及其周圍園地、耕地組團為單元，采用圖形緩沖的方式，規(guī)劃生成寬度為10 m的環(huán)村路，以加強村莊內(nèi)部的聯(lián)系，提高村莊道路網(wǎng)的連通性。

圖4 港頭村道路智能規(guī)劃Fig.4 intelligent planning of Gangtou Village's Road

3 結(jié)論與討論

本文圍繞鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下村莊道路規(guī)劃需求，探討村莊道路智能規(guī)劃理論方法，采用模糊層次分析法系統(tǒng)分析影響村莊道路規(guī)劃的自然、工程、社會和人口及其他因素及權(quán)重；收集處理對應(yīng)的要素數(shù)據(jù)并采用加權(quán)疊加分析量化計算，自動生成村域綜合成本柵格；構(gòu)建GIS分析模型流程化工具，采用最小成本路徑算法，自動選取多起點多終點自動生成不同等級村莊道路；并以廣州市花都區(qū)的港頭村為例，模擬規(guī)劃生成港頭村主干道路、次干道路和支路（生活型支路和生產(chǎn)型支路）3 種等級的村莊道路進行驗證，生成了多起點到多終點的4 級村莊道路，包括主干道路4 條、次干道路2 條、生產(chǎn)型支路9 條、生活型支路13 條和環(huán)村路1 條，與現(xiàn)有道路實現(xiàn)無縫連接，并兼顧對外交通、生產(chǎn)和生活等多重需求。

本文所提出的村莊道路智能規(guī)劃方法充分考慮了村莊單元內(nèi)生產(chǎn)（農(nóng)田和產(chǎn)業(yè)）、生活（設(shè)施）布局，通過構(gòu)建村域綜合成本柵格，并智能提取起止點，基于最小成本路徑算法，對村莊道路網(wǎng)進行規(guī)劃優(yōu)化，具有較強的實用性和普適性。與城市道路、公路規(guī)劃等相關(guān)研究（黃德軍，2019；鄭培松，2020；葉瑞云 等，2021）相比，本文提出的村莊道路智能規(guī)劃主要有3點提升：1）所考慮影響因素重要性不同，本文系統(tǒng)分析影響村莊道路規(guī)劃的自然、工程、社會和人口等因素，如將歷史文物保護、現(xiàn)有道路等要素納入其中，更符合鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略下村莊道路規(guī)劃的需求；2）規(guī)劃方法不同，對村莊道路的規(guī)劃方法更細化量化，如計算多因素影響下的村域綜合成本柵格，并基于最小成本自動生成規(guī)劃道路；3）規(guī)劃結(jié)果不同，根據(jù)影響要素權(quán)重確定相應(yīng)起止點重要度，自動生成不同等級道路，即村莊主干道路（寬5～8 m）、次干道路（寬3～5 m）、支路（寬2～3 m，主要為生活型支路和生產(chǎn)型支路），所生成的村莊道路更具有針對性和實用性。

本研究提出的村莊道路規(guī)劃方法擺脫了傳統(tǒng)道路規(guī)劃過多依靠人工主觀經(jīng)驗的限制，為鄉(xiāng)村道路規(guī)劃提供了系統(tǒng)化思路和自動化方法，有利于推動村莊道路規(guī)劃智能化。村莊道路智能規(guī)劃是一個涉及因素復(fù)雜、廣泛的綜合性問題，雖然本文提出的村莊道路智能規(guī)劃生成方法，能生成成本最小的不同等級村莊道路，但在實際規(guī)劃生成村莊道路的過程中，除了要生成最小成本道路，還要滿足景觀美觀等需求，需考慮特定道路的分布形態(tài)與連接需求，如部分道路需要趨直、部分道路需要呈環(huán)狀等，這些在后續(xù)研究中需進一步加以考慮。