西里古里走廊地區(qū)道路交通：分布特征、通行能力與地質環(huán)境

孫 昂，楊清華，劉 智，陳 華，蔣 校，蔣守敏，邊 宇，田 立

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.四川省地質調查院，成都 610036)

0 引言

道路交通是指透過器具或僅靠人力進行的人流、客流和貨物的交流運輸，是一個地區(qū)內聯外通和支撐經濟社會發(fā)展不可或缺的基礎設施。道路交通是商品交換、人員交流的先決條件，綜合反映了一個地區(qū)經濟、社會發(fā)展，也是地區(qū)工業(yè)化進程的重要基礎。道路交通調查可以獲知某地區(qū)人流物流交換的活躍程度，也可以推測城市或城市群的商業(yè)化、一體化程度[1-3]。道路交通調查對鞏固邊疆安全，解決特定需求，更是發(fā)揮著基礎性、先行性的作用。

境外特定地區(qū)往往由于各種原因人員無法到達，無法開展地面工作，而對于該區(qū)域的信息需求卻十分迫切。遙感技術在面對這種情勢下，針對各種應用領域，發(fā)揮著難以替代的作用[4-8]。前人在邊境，主要是境內地區(qū)，針對道路交通調查開展了大量有益的工作，取得了一系列基礎性數據[9]。但對于境外特定地區(qū)道路交通狀況，調查程度則相對較低。在未來不確定的時刻，相關需求凸顯或形勢異動的情況下，這將可能嚴重阻礙決策、遲滯部署。本文針對南亞西里古里走廊地區(qū)，開展道路交通調查工作，獲取道路分布特征、通行能力等信息，探討路網關鍵節(jié)點的確定、關鍵節(jié)點周緣可能發(fā)育的災害隱患，及其災害隱患的地質環(huán)境背景等問題。

1 研究區(qū)概況及數據源

1.1 研究區(qū)概況

西里古里走廊是連接印度本土與其東北部的狹窄帶狀區(qū)域，該區(qū)西北側與尼泊爾接壤(尼泊爾梅吉專區(qū)查巴縣)，東南側與孟加拉國為鄰(孟加拉國朗布爾專區(qū)班喬戈爾縣)，東北側與不丹王國毗鄰，最窄的區(qū)域僅有23 km。該地區(qū)主要城市為印度西孟加拉邦的西里古里，是連接尼泊爾、孟加拉國及印度的大吉嶺縣、大吉嶺山、錫金的中心樞紐。

1.2 數據源及其預處理

本文工作區(qū)分為西里古里走廊1∶25萬區(qū)和1∶5萬重點區(qū)2個部分：①西里古里走廊1∶25萬區(qū)數據來源為高分一號(GF-1)衛(wèi)星多光譜遙感影像共計10景，均為1A級，其中5景影像為WFV2，3景影像為WFV3，2景影像為WFV4，覆蓋總面積為147 410 km2，全部覆蓋工作區(qū)范圍，影像整體質量較好，可以滿足本次工作需要，坐標系統為GCS-WGS-1984，空間分辨率優(yōu)于16 m，數據采集時間范圍在2020年3月31日—4月7日之間；②1∶5萬重點區(qū)數據來源為高分二號(GF-2)衛(wèi)星多光譜遙感影像共計23景，均為1A級，其中 10景影像為PMS1，其余為PMS2，覆蓋總面積為7 4042，影像整體質量較好，坐標系統為GCS-WGS-1984，空間分辨率全色為0.8 m、多光譜為3.2 m，數據采集時間范圍在2019年1月16日—2020年4月9日之間(圖1)。

圖1 數據分布Fig.1 Data distribution

數字高程模型(digital elevation model,DEM)數據來源為ASTER GDEM，空間分辨率為30 m。點位數據包括地名、電站、橋梁等。地名點為谷歌地名與影像相結合解譯所得，電站、橋梁等點位數據均為遙感解譯。

本次研究收集數據類型均為1A級產品，數據為TIFF格式，投入使用之前需要進行一系列數據預處理，主要處理流程包括多光譜影像輻射定標、大氣校正、正射校正和鑲嵌等。

利用ENVI軟件，根據所需的傳感器絕對輻射定標系數完成輻射定標。輻射定標后采用FLAASH對影像進行大氣校正。大氣校正后，為了減少因地形起伏引起的變形，基于研究區(qū)內的DEM數據，采用RPC(rational polynomial coefficient)對影像進行正射校正。本研究所有影像均完成上述的預處理流程之后，采用軟件自動鑲嵌流程工具完成鑲嵌。正射校正后的影像較處理前消除了地形起伏所造成的幾何畸變，色彩平衡后影像對比度、飽和度均有明顯增強，為交通信息的解譯提供了更加準確的基礎(圖2)。

(a)處理前 (b)處理后

2 研究方法

2.1 道路可解譯能力說明

以前人工作成果[10]為依據，將公路劃分為一級公路、二級公路、三級公路、四級公路和等外公路(表1)。通過應用不同空間分辨率影像，對比了不同寬度道路識別的能力，相關結果如表2所示。交通信息解譯過程中，路段名稱等是難以通過影像厘定的要素，本文此部分參考了Open street map開源數據。表2中影像波段為真彩色組合。

表1 公路等級劃分標準Tab.1 Standard of highway classification

表2 GF-1和GF-2影像對于不同寬度道路可解譯能力對比Tab.2 Comparison of the interpretability of roads of different widths based on GF-1 and GF-2 image

2.2 通行能力評估

對道路通行能力的研究主要集中在城市交通領域[11-13]，通常以“非擁堵狀態(tài)下的最大小時流率”和“排隊流率”來定義[14]。本文借鑒了城市交通領域通行能力的概念，由于應用方向與工區(qū)位置特殊，與城市交通領域通行能力主要以“流率”為衡量標準有著顯著區(qū)別。本文通行能力側重于考慮道路的可通過性、通行的風險性等因素，通過地貌、斷裂構造、巖性、地質災害發(fā)育程度、道路狀況等要素，采用層次分析法，綜合評價道路的通行能力，并將可通行能力劃分為好(75～100分)、中等(75～50分)、較差(25～50分)以及差(0～25分)4個等級。在所有評價因子中，依據各因子對道路通行的重要性設置不同的權重值(表3)：地質災害對道路通行有著直接的影響，權重系數為0.25，地貌次之，為0.2，斷裂構造、工程巖性、坡度的權重系數為0.15，路面寬度權重系數為0.1。

表3 道路通行能力評價因子系數及分值Tab.3 The coefficients and points of the evaluation factor for traffic capacity

(續(xù)表)

2.3 復雜網絡

復雜網絡是一種用來描述自然、社會科學以及工程技術中相互關聯的理論，以圖論為其理論基礎。以復雜網絡理論對道路交通網絡拓撲特征進行分析，已得到國內外廣泛應用[15-19]。本文以復雜網絡為理論基礎，通過交通網絡中關鍵節(jié)點的識別，分析節(jié)點效率、全網效率等，對研究區(qū)路網進行最短路徑判斷，最終評估其通行能力。

1)關鍵節(jié)點。關鍵節(jié)點是指車輛線路故障、自然災害、恐怖活動等突發(fā)事件都可能使某些交通節(jié)點或線路癱瘓，從而影響交通網絡全局效率。不同節(jié)點癱瘓引起全局效率變化的大小叫作節(jié)點的脆弱性，脆弱性最大的節(jié)點對網絡整體效率影響最大。

2)節(jié)點效率。在復雜網絡理論中，網絡中任意2個節(jié)點νi和νj之間的效率，即它們之間距離dij的倒數，用εij表示為:

(1)

dij越大，節(jié)點間的效率越低，聯系越匱乏。當dij=∞時，εij=0,即節(jié)點νi和νj處于非連通狀態(tài)，它們之間的效率為0。

3)全網效率。若網絡有n個節(jié)點，則全網效率是網絡所有節(jié)點之間效率的平均值。全網效率越高，表明網絡連通性越好，節(jié)點間的聚集程度越高，全網效率E表示為:

(2)

令ΔE=E-E′，其中ΔE為全網效率的變化量，為節(jié)點失效前的全網效率，E′為節(jié)點失效后的全網效率，全網效率的相對下降率e表示為：

(3)

3 西里古里走廊地區(qū)道路交通特征

針對工作區(qū)開展了交通道路解譯。綜合考慮圖面各要素協調性、可讀性等因素，西里古里走廊1∶25萬區(qū)路網分布特征圖顯示前三級公路；西里古里走廊1∶5萬重點區(qū)路網分布特征圖顯示全部公路。

3.1 西里古里走廊1∶25萬區(qū)路網總體特征

西里古里走廊1∶25萬區(qū)公路密集，結構復雜(圖3)，前三級公路總里程為57 583 km。一級公路里程為47 212 km，占研究區(qū)公路總里程的31.29%，整體分布均勻，貫穿整個研究區(qū)域，貫通山地與平原區(qū)域，承擔各個城鎮(zhèn)的主要的交流溝通；二級公路里程為3 173 km，占研究區(qū)公路總里程的21.02%，分布較為密集，主要分布于研究區(qū)平原區(qū)，連通幾個大城鎮(zhèn)，研究區(qū)域東部西隆高原，因地勢原因，二級公路分布較少；三級公路則分布在二級道路附近，道路長度較短，但十分密集，里程為7 198 km，占研究區(qū)總里程的47.69%，主要增加區(qū)域內的溝通交流的便利性。整體來說，研究區(qū)公路較發(fā)達，使該區(qū)域交通便利，有利于經濟發(fā)展，公路覆蓋全面，并且有些公路貫穿城市，通行狀況以及路面狀況都較好。

圖3 西里古里走廊1∶25萬區(qū)路網分布特征Fig.3 Road network distribution in Siliguri Corridor area(1∶250 000)

研究區(qū)地貌以布拉馬普特拉河、賈木納河、恒河為界線，總體上可劃分為3個單元：恒河-布拉馬普特拉河平原、玄武巖臺地和西隆高原(圖3)。3個地貌單元路網密度(路網長度/區(qū)域面積，單位：m/km2)存在差異性。恒河-布拉馬普特拉河平原區(qū)一級公路路網密集度為46 m/km2，二級公路路網密集度為39 m/km2，三級公路路網密集度為96 m/km2。玄武巖臺地區(qū)一級公路路網密集度為70 m/km2，二級公路路網密集度為25 m/km2，三級公路路網密集度為67 m/km2。西隆高原區(qū)一級公路路網密集度為24 m/km2，二級公路路網密集度為17 m/km2，三級公路路網密集度為44 m/km2。從結果來看，地形隆起區(qū)路網密度明顯較低，地形低洼區(qū)路網密度則較高，顯示了地形地貌與路網密度的緊密關系，地形地貌對人類社會經濟活動存在著一定控制作用。

3.2 西里古里走廊重點區(qū)路網特征

進一步對西里古里走廊1∶5萬重點區(qū)開展路網特征研究，其總面積為3 893 km2，公路總里程為4 210 km，路網總密度為1 081 m/km2，鐵路總里程為184 km，道路主要分布在印度境內。區(qū)內橋梁密集，集中分布在平原地區(qū)，平原區(qū)內的橋梁主要集中在2條水渠周邊，山地地區(qū)橋梁沿河流斷續(xù)線狀分布。共計解譯橋梁160座，平均長度87 m，以公路橋為主，總計151座，占橋梁總數的94.4%，其余為鐵路橋，共計9座，占橋梁總數的5.6%。區(qū)內以四級公路及等外公路為主，其次為一級公路、二級公路及三級公路(圖4)。路網密度方面，重點區(qū)道路網密集，結構復雜，各等級公路分布均勻，道路連通性強，主要城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間可通行能力強。一級公路分布均勻，貫穿整個研究區(qū)，連接平原與山區(qū)各大城市，數量雖不多，但連通范圍廣泛，道路密度為195 m/km2，路面寬度均值在10 m左右，大多數道路為全年通行，主要沿著山谷修建，由于區(qū)內地形起伏較大，山區(qū)內部分路段較曲折，彎道較多；二級公路主要分布于中山區(qū)域，噶倫堡以北，依地形而建，道路密度為124 m/km2，將研究區(qū)各個城鎮(zhèn)連通，路面寬度大多將近7 m，且通行狀況良好，利于城鎮(zhèn)間交流發(fā)展；三級公路密度為108 m/km2，路面寬度均值約為4 m，主要分布于城鎮(zhèn)內部，路網密集，為城鎮(zhèn)內各大街道，便利居民生活起居，日常交流出行；四級公路密度為425 m/km2，路面寬度均值為3 m，廣泛分布于平原與山地區(qū)域；等外公路密度為229 m/km2，路面寬度均值為2 m，主要分布在平原地區(qū)。

(a)路網分布特征

4 西里古里走廊重點區(qū)道路通行能力與地質環(huán)境

4.1 通行能力評估

在前人資料的基礎上[20-25]，運用GF-2衛(wèi)星多光譜數據，對重點區(qū)構造、地質災害等要素進行了解譯，查明了本區(qū)地質環(huán)境特征。選取重點區(qū)內連接甘托克、辛塔姆、倫格博、納姆吉、噶倫堡等幾個主要城市的重要交通干線，即一級公路。選取路段為重要城市之間連接的主干道路及通往重點工礦區(qū)的公路，平均人流量為100人次/min以上和公共交通線路較多的路段，全長756 km。通過2.2節(jié)所闡述的方法，對其基本通行能力進行分段評估，區(qū)內主要地貌類型以山地為主，地形起伏較大，尤其是辛塔姆—噶倫堡沿線右側屬于中大起伏中山及中大起伏高山區(qū)域，巖石較破碎，斷裂構造發(fā)育，地質災害發(fā)育，本區(qū)道路通行能力評估結果及沿公路軌跡的1～7號點高程變化剖面圖如圖5所示。

(a)道路通行能力與地質環(huán)境特征

工作區(qū)內重要交通干線的可通行性整體情況一般。處在河谷地帶的路段可通行性中等，周邊山地區(qū)域內的路段通行能力普遍較差，部分區(qū)段受到地質災害的影響通行能力差(表4)。

表4 重點區(qū)各路段通行能力Tab.4 Each section of traffic capacity in key area

4.2 交通網絡關鍵節(jié)點識別

依據公式計算得到節(jié)點失效前的全網效率(網絡初始效率)為0.092 33，全區(qū)共有節(jié)點19個。通過對19個節(jié)點的計算，全網效率變化量(ΔE)和全網效率相對下降率(e)前4位的節(jié)點分別是節(jié)點5，6，7，15，表征了這4個節(jié)點對整個交通網絡通行的重要性依次遞減(表5)。

表5 重點區(qū)關鍵節(jié)點失效后指標值Tab.5 Index value after key node invalid in key area

基于上述關鍵節(jié)點，采用網絡分析模塊對重點地區(qū)交通網絡進行最短路徑分析，分別將不同的關鍵節(jié)點設置為禁止型阻礙點，得到不同情況重點區(qū)不同的最短路徑，通過對繞行路線增加的時間、距離成本反向驗證關鍵節(jié)點的準確性。

1)未禁止任何節(jié)點。重點區(qū)各個節(jié)點未被禁止、通行狀況良好時，公路總里程112 km，通行時間預計5 h，由上文對區(qū)內主要交通干線通行能力評估成果得見，該路段通行能力中等，如圖6(a)所示。

2)節(jié)點5禁止。將關鍵節(jié)點5設置為禁止型阻礙點后，甘托克—西里古里在區(qū)內將無法通行。

3)節(jié)點15禁止。將關鍵節(jié)點15設置為禁止型阻礙點后，計算得到一條新的最短路徑，總里程129 km左右，通行時間預計在5.5 h上下，該道路與關鍵節(jié)點15未禁止前增加了17 km，通行時間增加30 min，且繞行路段從節(jié)點17至節(jié)點11區(qū)段內，路面質量較差，公路等級三級以下，平均路面寬度為3 m，以碎礫石硬路面為主，最小轉彎半徑為4 m，轉彎較多，對通行時間造成較大影響，海拔高、地勢起伏較大，通行能力較差，如圖6(b)所示。

4)節(jié)點6禁止。將關鍵節(jié)點6設置為禁止型阻礙點后，計算得到一條新的最短路徑，總里程142 km左右，通行時間預計在5.5 h上下，該道路與關鍵節(jié)點6未禁止前增加了30 km，通行時間增加30 min，且繞行路段從節(jié)點6以北轉向節(jié)點7方向，主要以三級公路為主，平均路面寬度為4 m，最小轉彎半徑為3 m，原路線西側的地形相對東側平緩，屬于小起伏的中低山區(qū)域，通行能力較差，如圖6(c)所示。

5)節(jié)點7禁止。將關鍵節(jié)點7設置為禁止型阻礙點后，計算得到一條新的最短路徑，總里程182 km左右，通行時間預計在10 h上下，該道路與關鍵節(jié)點7未禁止前增加了70 km，通行時間增加5 h，且繞行路段從節(jié)點10向節(jié)點11、節(jié)點12、節(jié)點8，海拔高程由低向高、地勢由緩至陡、道路轉彎增多，最小轉彎半徑為3 m，從河谷地帶進入山地區(qū)域，道路通行能力由中等轉向較差，如圖6(d)所示。

(a)無阻礙 (b)節(jié)點15禁止 (c)節(jié)點6禁止 (d)節(jié)點7禁止

4.3 關鍵節(jié)點周緣地質環(huán)境隱患分析

在對重點區(qū)道路通行能力、關鍵點的識別、關鍵點受阻后最短路徑特征進行了論述的基礎上，再對關鍵點周緣(關鍵節(jié)點為圓心，半徑5 km)地質環(huán)境進行分析。地質環(huán)境孕育著各種災害風險，災害的觸發(fā)可能對關鍵節(jié)點造成破壞性打擊，使得關鍵點成為禁止型阻礙點，從而對本地區(qū)整個路網系統造成重大影響，其影響結果如4.2節(jié)所論述。巖性與工程巖土體類型的對應關系，主要參考了相關文獻[26-27]及技術要求[10]。

圖7 關鍵節(jié)點5周緣地質環(huán)境Fig.7 Geological environment of key note No.5

圖8 關鍵節(jié)點6周緣地質環(huán)境Fig.8 Geological environment of key note No.6

圖9 關鍵節(jié)點7周緣地質環(huán)境Fig.9 Geological environment of key note No.7

圖10 關鍵節(jié)點15周緣地質環(huán)境Fig.10 Geological environment of key note No.15

5 結論

1)西里古里走廊地區(qū)道路交通受地形地貌控制明顯，道路主要集中分布在恒河-布拉馬普特拉河平原，平原區(qū)道路以三級公路為主。西里古里走廊重點區(qū)道路以四級公路及等外公路為主，瑟佛克-西里古里-潘塞德瓦路段通行能力好，蒼古湖-甘托克路段通行能力最差。重點區(qū)路網中的各關鍵節(jié)點以節(jié)點5最為重要，它的通行失效將導致重點區(qū)路網整體癱瘓。關鍵節(jié)點周緣地質環(huán)境對潛在災害隱患存在著顯著控制作用，具體表現在：關鍵節(jié)點周緣發(fā)育的巖性與其力學性質直接相關，即決定了節(jié)點環(huán)境的巖土體類型；構造特點控制了巖石的完整性，斷裂發(fā)育區(qū)巖石破碎程度通常較嚴重。以上2個方面(巖性、構造)的地質環(huán)境背景特征，影響了巖體抗打擊能力，再結合節(jié)點周緣地形地貌特征(坡度、高差等)及重要目標，分析得出了節(jié)點存在的潛在災害與隱患。

2)遙感手段對于揭示無法到達的境外特定地區(qū)道路交通分布特征、通行能力及其與地質環(huán)境的耦合關系，發(fā)揮著不可或缺的作用。本研究為境外特定地區(qū)開展道路交通遙感調查，探索了一套方法，具有以下特點：① 采用道路特征(路面寬度、坡度等要素)與地質環(huán)境特征(基礎地質、工程地質、地形地貌、地質災害等要素)相結合的思路，賦予各要素權重進行打分，可獲得特定地區(qū)路網通行能力定性-半定量的結果；② 通過最短路徑分析，清晰地展現了各個關鍵節(jié)點失效后對路網的影響結果；③ 依據復雜網絡理論，運算獲取全網效率變化量、全網效率相對下降率等因子，定量獲取各關鍵節(jié)點對于路網的重要性排名，從而有的放矢地分析關鍵節(jié)點周緣地質環(huán)境。