西里古里走廊地区道路交通：分布特征、通行能力与地质环境

孙 昂，杨清华，刘 智，陈 华，蒋 校，蒋守敏，边 宇，田 立

(1.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083；2.四川省地质调查院，成都 610036)

0 引言

道路交通是指透过器具或仅靠人力进行的人流、客流和货物的交流运输，是一个地区内联外通和支撑经济社会发展不可或缺的基础设施。道路交通是商品交换、人员交流的先决条件，综合反映了一个地区经济、社会发展，也是地区工业化进程的重要基础。道路交通调查可以获知某地区人流物流交换的活跃程度，也可以推测城市或城市群的商业化、一体化程度[1-3]。道路交通调查对巩固边疆安全，解决特定需求，更是发挥着基础性、先行性的作用。

境外特定地区往往由于各种原因人员无法到达，无法开展地面工作，而对于该区域的信息需求却十分迫切。遥感技术在面对这种情势下，针对各种应用领域，发挥着难以替代的作用[4-8]。前人在边境，主要是境内地区，针对道路交通调查开展了大量有益的工作，取得了一系列基础性数据[9]。但对于境外特定地区道路交通状况，调查程度则相对较低。在未来不确定的时刻，相关需求凸显或形势异动的情况下，这将可能严重阻碍决策、迟滞部署。本文针对南亚西里古里走廊地区，开展道路交通调查工作，获取道路分布特征、通行能力等信息，探讨路网关键节点的确定、关键节点周缘可能发育的灾害隐患，及其灾害隐患的地质环境背景等问题。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

西里古里走廊是连接印度本土与其东北部的狭窄带状区域，该区西北侧与尼泊尔接壤(尼泊尔梅吉专区查巴县)，东南侧与孟加拉国为邻(孟加拉国朗布尔专区班乔戈尔县)，东北侧与不丹王国毗邻，最窄的区域仅有23 km。该地区主要城市为印度西孟加拉邦的西里古里，是连接尼泊尔、孟加拉国及印度的大吉岭县、大吉岭山、锡金的中心枢纽。

1.2 数据源及其预处理

本文工作区分为西里古里走廊1∶25万区和1∶5万重点区2个部分：①西里古里走廊1∶25万区数据来源为高分一号(GF-1)卫星多光谱遥感影像共计10景，均为1A级，其中5景影像为WFV2，3景影像为WFV3，2景影像为WFV4，覆盖总面积为147 410 km2，全部覆盖工作区范围，影像整体质量较好，可以满足本次工作需要，坐标系统为GCS-WGS-1984，空间分辨率优于16 m，数据采集时间范围在2020年3月31日—4月7日之间；②1∶5万重点区数据来源为高分二号(GF-2)卫星多光谱遥感影像共计23景，均为1A级，其中 10景影像为PMS1，其余为PMS2，覆盖总面积为7 4042，影像整体质量较好，坐标系统为GCS-WGS-1984，空间分辨率全色为0.8 m、多光谱为3.2 m，数据采集时间范围在2019年1月16日—2020年4月9日之间(图1)。

图1 数据分布Fig.1 Data distribution

数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据来源为ASTER GDEM，空间分辨率为30 m。点位数据包括地名、电站、桥梁等。地名点为谷歌地名与影像相结合解译所得，电站、桥梁等点位数据均为遥感解译。

本次研究收集数据类型均为1A级产品，数据为TIFF格式，投入使用之前需要进行一系列数据预处理，主要处理流程包括多光谱影像辐射定标、大气校正、正射校正和镶嵌等。

利用ENVI软件，根据所需的传感器绝对辐射定标系数完成辐射定标。辐射定标后采用FLAASH对影像进行大气校正。大气校正后，为了减少因地形起伏引起的变形，基于研究区内的DEM数据，采用RPC(rational polynomial coefficient)对影像进行正射校正。本研究所有影像均完成上述的预处理流程之后，采用软件自动镶嵌流程工具完成镶嵌。正射校正后的影像较处理前消除了地形起伏所造成的几何畸变，色彩平衡后影像对比度、饱和度均有明显增强，为交通信息的解译提供了更加准确的基础(图2)。

(a)处理前 (b)处理后

2 研究方法

2.1 道路可解译能力说明

以前人工作成果[10]为依据，将公路划分为一级公路、二级公路、三级公路、四级公路和等外公路(表1)。通过应用不同空间分辨率影像，对比了不同宽度道路识别的能力，相关结果如表2所示。交通信息解译过程中，路段名称等是难以通过影像厘定的要素，本文此部分参考了Open street map开源数据。表2中影像波段为真彩色组合。

表1 公路等级划分标准Tab.1 Standard of highway classification

表2 GF-1和GF-2影像对于不同宽度道路可解译能力对比Tab.2 Comparison of the interpretability of roads of different widths based on GF-1 and GF-2 image

2.2 通行能力评估

对道路通行能力的研究主要集中在城市交通领域[11-13]，通常以“非拥堵状态下的最大小时流率”和“排队流率”来定义[14]。本文借鉴了城市交通领域通行能力的概念，由于应用方向与工区位置特殊，与城市交通领域通行能力主要以“流率”为衡量标准有着显著区别。本文通行能力侧重于考虑道路的可通过性、通行的风险性等因素，通过地貌、断裂构造、岩性、地质灾害发育程度、道路状况等要素，采用层次分析法，综合评价道路的通行能力，并将可通行能力划分为好(75～100分)、中等(75～50分)、较差(25～50分)以及差(0～25分)4个等级。在所有评价因子中，依据各因子对道路通行的重要性设置不同的权重值(表3)：地质灾害对道路通行有着直接的影响，权重系数为0.25，地貌次之，为0.2，断裂构造、工程岩性、坡度的权重系数为0.15，路面宽度权重系数为0.1。

表3 道路通行能力评价因子系数及分值Tab.3 The coefficients and points of the evaluation factor for traffic capacity

(续表)

2.3 复杂网络

复杂网络是一种用来描述自然、社会科学以及工程技术中相互关联的理论，以图论为其理论基础。以复杂网络理论对道路交通网络拓扑特征进行分析，已得到国内外广泛应用[15-19]。本文以复杂网络为理论基础，通过交通网络中关键节点的识别，分析节点效率、全网效率等，对研究区路网进行最短路径判断，最终评估其通行能力。

1)关键节点。关键节点是指车辆线路故障、自然灾害、恐怖活动等突发事件都可能使某些交通节点或线路瘫痪，从而影响交通网络全局效率。不同节点瘫痪引起全局效率变化的大小叫作节点的脆弱性，脆弱性最大的节点对网络整体效率影响最大。

2)节点效率。在复杂网络理论中，网络中任意2个节点νi和νj之间的效率，即它们之间距离dij的倒数，用εij表示为:

(1)

dij越大，节点间的效率越低，联系越匮乏。当dij=∞时，εij=0,即节点νi和νj处于非连通状态，它们之间的效率为0。

3)全网效率。若网络有n个节点，则全网效率是网络所有节点之间效率的平均值。全网效率越高，表明网络连通性越好，节点间的聚集程度越高，全网效率E表示为:

(2)

令ΔE=E-E′，其中ΔE为全网效率的变化量，为节点失效前的全网效率，E′为节点失效后的全网效率，全网效率的相对下降率e表示为：

(3)

3 西里古里走廊地区道路交通特征

针对工作区开展了交通道路解译。综合考虑图面各要素协调性、可读性等因素，西里古里走廊1∶25万区路网分布特征图显示前三级公路；西里古里走廊1∶5万重点区路网分布特征图显示全部公路。

3.1 西里古里走廊1∶25万区路网总体特征

西里古里走廊1∶25万区公路密集，结构复杂(图3)，前三级公路总里程为57 583 km。一级公路里程为47 212 km，占研究区公路总里程的31.29%，整体分布均匀，贯穿整个研究区域，贯通山地与平原区域，承担各个城镇的主要的交流沟通；二级公路里程为3 173 km，占研究区公路总里程的21.02%，分布较为密集，主要分布于研究区平原区，连通几个大城镇，研究区域东部西隆高原，因地势原因，二级公路分布较少；三级公路则分布在二级道路附近，道路长度较短，但十分密集，里程为7 198 km，占研究区总里程的47.69%，主要增加区域内的沟通交流的便利性。整体来说，研究区公路较发达，使该区域交通便利，有利于经济发展，公路覆盖全面，并且有些公路贯穿城市，通行状况以及路面状况都较好。

图3 西里古里走廊1∶25万区路网分布特征Fig.3 Road network distribution in Siliguri Corridor area(1∶250 000)

研究区地貌以布拉马普特拉河、贾木纳河、恒河为界线，总体上可划分为3个单元：恒河-布拉马普特拉河平原、玄武岩台地和西隆高原(图3)。3个地貌单元路网密度(路网长度/区域面积，单位：m/km2)存在差异性。恒河-布拉马普特拉河平原区一级公路路网密集度为46 m/km2，二级公路路网密集度为39 m/km2，三级公路路网密集度为96 m/km2。玄武岩台地区一级公路路网密集度为70 m/km2，二级公路路网密集度为25 m/km2，三级公路路网密集度为67 m/km2。西隆高原区一级公路路网密集度为24 m/km2，二级公路路网密集度为17 m/km2，三级公路路网密集度为44 m/km2。从结果来看，地形隆起区路网密度明显较低，地形低洼区路网密度则较高，显示了地形地貌与路网密度的紧密关系，地形地貌对人类社会经济活动存在着一定控制作用。

3.2 西里古里走廊重点区路网特征

进一步对西里古里走廊1∶5万重点区开展路网特征研究，其总面积为3 893 km2，公路总里程为4 210 km，路网总密度为1 081 m/km2，铁路总里程为184 km，道路主要分布在印度境内。区内桥梁密集，集中分布在平原地区，平原区内的桥梁主要集中在2条水渠周边，山地地区桥梁沿河流断续线状分布。共计解译桥梁160座，平均长度87 m，以公路桥为主，总计151座，占桥梁总数的94.4%，其余为铁路桥，共计9座，占桥梁总数的5.6%。区内以四级公路及等外公路为主，其次为一级公路、二级公路及三级公路(图4)。路网密度方面，重点区道路网密集，结构复杂，各等级公路分布均匀，道路连通性强，主要城市、乡镇之间可通行能力强。一级公路分布均匀，贯穿整个研究区，连接平原与山区各大城市，数量虽不多，但连通范围广泛，道路密度为195 m/km2，路面宽度均值在10 m左右，大多数道路为全年通行，主要沿着山谷修建，由于区内地形起伏较大，山区内部分路段较曲折，弯道较多；二级公路主要分布于中山区域，噶伦堡以北，依地形而建，道路密度为124 m/km2，将研究区各个城镇连通，路面宽度大多将近7 m，且通行状况良好，利于城镇间交流发展；三级公路密度为108 m/km2，路面宽度均值约为4 m，主要分布于城镇内部，路网密集，为城镇内各大街道，便利居民生活起居，日常交流出行；四级公路密度为425 m/km2，路面宽度均值为3 m，广泛分布于平原与山地区域；等外公路密度为229 m/km2，路面宽度均值为2 m，主要分布在平原地区。

(a)路网分布特征

4 西里古里走廊重点区道路通行能力与地质环境

4.1 通行能力评估

在前人资料的基础上[20-25]，运用GF-2卫星多光谱数据，对重点区构造、地质灾害等要素进行了解译，查明了本区地质环境特征。选取重点区内连接甘托克、辛塔姆、伦格博、纳姆吉、噶伦堡等几个主要城市的重要交通干线，即一级公路。选取路段为重要城市之间连接的主干道路及通往重点工矿区的公路，平均人流量为100人次/min以上和公共交通线路较多的路段，全长756 km。通过2.2节所阐述的方法，对其基本通行能力进行分段评估，区内主要地貌类型以山地为主，地形起伏较大，尤其是辛塔姆—噶伦堡沿线右侧属于中大起伏中山及中大起伏高山区域，岩石较破碎，断裂构造发育，地质灾害发育，本区道路通行能力评估结果及沿公路轨迹的1～7号点高程变化剖面图如图5所示。

(a)道路通行能力与地质环境特征

工作区内重要交通干线的可通行性整体情况一般。处在河谷地带的路段可通行性中等，周边山地区域内的路段通行能力普遍较差，部分区段受到地质灾害的影响通行能力差(表4)。

表4 重点区各路段通行能力Tab.4 Each section of traffic capacity in key area

4.2 交通网络关键节点识别

依据公式计算得到节点失效前的全网效率(网络初始效率)为0.092 33，全区共有节点19个。通过对19个节点的计算，全网效率变化量(ΔE)和全网效率相对下降率(e)前4位的节点分别是节点5，6，7，15，表征了这4个节点对整个交通网络通行的重要性依次递减(表5)。

表5 重点区关键节点失效后指标值Tab.5 Index value after key node invalid in key area

基于上述关键节点，采用网络分析模块对重点地区交通网络进行最短路径分析，分别将不同的关键节点设置为禁止型阻碍点，得到不同情况重点区不同的最短路径，通过对绕行路线增加的时间、距离成本反向验证关键节点的准确性。

1)未禁止任何节点。重点区各个节点未被禁止、通行状况良好时，公路总里程112 km，通行时间预计5 h，由上文对区内主要交通干线通行能力评估成果得见，该路段通行能力中等，如图6(a)所示。

2)节点5禁止。将关键节点5设置为禁止型阻碍点后，甘托克—西里古里在区内将无法通行。

3)节点15禁止。将关键节点15设置为禁止型阻碍点后，计算得到一条新的最短路径，总里程129 km左右，通行时间预计在5.5 h上下，该道路与关键节点15未禁止前增加了17 km，通行时间增加30 min，且绕行路段从节点17至节点11区段内，路面质量较差，公路等级三级以下，平均路面宽度为3 m，以碎砾石硬路面为主，最小转弯半径为4 m，转弯较多，对通行时间造成较大影响，海拔高、地势起伏较大，通行能力较差，如图6(b)所示。

4)节点6禁止。将关键节点6设置为禁止型阻碍点后，计算得到一条新的最短路径，总里程142 km左右，通行时间预计在5.5 h上下，该道路与关键节点6未禁止前增加了30 km，通行时间增加30 min，且绕行路段从节点6以北转向节点7方向，主要以三级公路为主，平均路面宽度为4 m，最小转弯半径为3 m，原路线西侧的地形相对东侧平缓，属于小起伏的中低山区域，通行能力较差，如图6(c)所示。

5)节点7禁止。将关键节点7设置为禁止型阻碍点后，计算得到一条新的最短路径，总里程182 km左右，通行时间预计在10 h上下，该道路与关键节点7未禁止前增加了70 km，通行时间增加5 h，且绕行路段从节点10向节点11、节点12、节点8，海拔高程由低向高、地势由缓至陡、道路转弯增多，最小转弯半径为3 m，从河谷地带进入山地区域，道路通行能力由中等转向较差，如图6(d)所示。

(a)无阻碍 (b)节点15禁止 (c)节点6禁止 (d)节点7禁止

4.3 关键节点周缘地质环境隐患分析

在对重点区道路通行能力、关键点的识别、关键点受阻后最短路径特征进行了论述的基础上，再对关键点周缘(关键节点为圆心，半径5 km)地质环境进行分析。地质环境孕育着各种灾害风险，灾害的触发可能对关键节点造成破坏性打击，使得关键点成为禁止型阻碍点，从而对本地区整个路网系统造成重大影响，其影响结果如4.2节所论述。岩性与工程岩土体类型的对应关系，主要参考了相关文献[26-27]及技术要求[10]。

图7 关键节点5周缘地质环境Fig.7 Geological environment of key note No.5

图8 关键节点6周缘地质环境Fig.8 Geological environment of key note No.6

图9 关键节点7周缘地质环境Fig.9 Geological environment of key note No.7

图10 关键节点15周缘地质环境Fig.10 Geological environment of key note No.15

5 结论

1)西里古里走廊地区道路交通受地形地貌控制明显，道路主要集中分布在恒河-布拉马普特拉河平原，平原区道路以三级公路为主。西里古里走廊重点区道路以四级公路及等外公路为主，瑟佛克-西里古里-潘塞德瓦路段通行能力好，苍古湖-甘托克路段通行能力最差。重点区路网中的各关键节点以节点5最为重要，它的通行失效将导致重点区路网整体瘫痪。关键节点周缘地质环境对潜在灾害隐患存在着显著控制作用，具体表现在：关键节点周缘发育的岩性与其力学性质直接相关，即决定了节点环境的岩土体类型；构造特点控制了岩石的完整性，断裂发育区岩石破碎程度通常较严重。以上2个方面(岩性、构造)的地质环境背景特征，影响了岩体抗打击能力，再结合节点周缘地形地貌特征(坡度、高差等)及重要目标，分析得出了节点存在的潜在灾害与隐患。

2)遥感手段对于揭示无法到达的境外特定地区道路交通分布特征、通行能力及其与地质环境的耦合关系，发挥着不可或缺的作用。本研究为境外特定地区开展道路交通遥感调查，探索了一套方法，具有以下特点：① 采用道路特征(路面宽度、坡度等要素)与地质环境特征(基础地质、工程地质、地形地貌、地质灾害等要素)相结合的思路，赋予各要素权重进行打分，可获得特定地区路网通行能力定性-半定量的结果；② 通过最短路径分析，清晰地展现了各个关键节点失效后对路网的影响结果；③ 依据复杂网络理论，运算获取全网效率变化量、全网效率相对下降率等因子，定量获取各关键节点对于路网的重要性排名，从而有的放矢地分析关键节点周缘地质环境。