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)
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,是一個地區內聯外通和支撐經濟社會發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經濟、社會發展,也是地區工業化進程的重要基礎。道路交通調查可以獲知某地區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,更是發揮著基礎性、先行性的作用。
境外特定地區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,發揮著難以替代的作用[4-8]。前人在邊境,主要是境內地區,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,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,探討路網關鍵節點的確定、關鍵節點周緣可能發育的災害隱患,及其災害隱患的地質環境背景等問題。
西里古里走廊是連接印度本土與其東北部的狹窄帶狀區域,該區西北側與尼泊爾接壤(尼泊爾梅吉專區查巴縣),東南側與孟加拉國為鄰(孟加拉國朗布爾專區班喬戈爾縣),東北側與不丹王國毗鄰,最窄的區域僅有23 km。該地區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。
本文工作區分為西里古里走廊1∶25萬區和1∶5萬重點區2個部分:①西里古里走廊1∶25萬區數據來源為高分一號(GF-1)衛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∶5萬重點區數據來源為高分二號(GF-2)衛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
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
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
(續表)
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點的識別,分析節點效率、全網效率等,對研究區路網進行最短路徑判斷,最終評估其通行能力。
1)關鍵節點。關鍵節點是指車輛線路故障、自然災害、恐怖活動等突發事件都可能使某些交通節點或線路癱瘓,從而影響交通網絡全局效率。不同節點癱瘓引起全局效率變化的大小叫作節點的脆弱性,脆弱性最大的節點對網絡整體效率影響最大。
2)節點效率。在復雜網絡理論中,網絡中任意2個節點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,節點間的效率越低,聯系越匱乏。當dij=∞時,εij=0,即節點νi和νj處于非連通狀態,它們之間的效率為0。
3)全網效率。若網絡有n個節點,則全網效率是網絡所有節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,為節點失效前的全網效率,E′為節點失效后的全網效率,全網效率的相對下降率e表示為:
(3)
針對工作區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∶5萬重點區路網分布特征圖顯示全部公路。
西里古里走廊1∶25萬區公路密集,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,占研究區公路總里程的31.29%,整體分布均勻,貫穿整個研究區域,貫通山地與平原區域,承擔各個城鎮的主要的交流溝通;二級公路里程為3 173 km,占研究區公路總里程的21.02%,分布較為密集,主要分布于研究區平原區,連通幾個大城鎮,研究區域東部西隆高原,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,占研究區總里程的47.69%,主要增加區域內的溝通交流的便利性。整體來說,研究區公路較發達,使該區域交通便利,有利于經濟發展,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∶25萬區路網分布特征Fig.3 Road network distribution in Siliguri Corridor area(1∶250 000)
研究區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/區域面積,單位:m/km2)存在差異性。恒河-布拉馬普特拉河平原區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,地形隆起區路網密度明顯較低,地形低洼區路網密度則較高,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。
進一步對西里古里走廊1∶5萬重點區開展路網特征研究,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。區內橋梁密集,集中分布在平原地區,平原區內的橋梁主要集中在2條水渠周邊,山地地區橋梁沿河流斷續線狀分布。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、鄉鎮之間可通行能力強。一級公路分布均勻,貫穿整個研究區,連接平原與山區各大城市,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,由于區內地形起伏較大,山區內部分路段較曲折,彎道較多;二級公路主要分布于中山區域,噶倫堡以北,依地形而建,道路密度為124 m/km2,將研究區各個城鎮連通,路面寬度大多將近7 m,且通行狀況良好,利于城鎮間交流發展;三級公路密度為108 m/km2,路面寬度均值約為4 m,主要分布于城鎮內部,路網密集,為城鎮內各大街道,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。
(a)路網分布特征
在前人資料的基礎上[20-25],運用GF-2衛星多光譜數據,對重點區構造、地質災害等要素進行了解譯,查明了本區地質環境特征。選取重點區內連接甘托克、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節所闡述的方法,對其基本通行能力進行分段評估,區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域,巖石較破碎,斷裂構造發育,地質災害發育,本區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境特征
工作區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,周邊山地區域內的路段通行能力普遍較差,部分區段受到地質災害的影響通行能力差(表4)。
表4 重點區各路段通行能力Tab.4 Each section of traffic capacity in key area
依據公式計算得到節點失效前的全網效率(網絡初始效率)為0.092 33,全區共有節點19個。通過對19個節點的計算,全網效率變化量(ΔE)和全網效率相對下降率(e)前4位的節點分別是節點5,6,7,15,表征了這4個節點對整個交通網絡通行的重要性依次遞減(表5)。
表5 重點區關鍵節點失效后指標值Tab.5 Index value after key node invalid in key area
基于上述關鍵節點,采用網絡分析模塊對重點地區交通網絡進行最短路徑分析,分別將不同的關鍵節點設置為禁止型阻礙點,得到不同情況重點區不同的最短路徑,通過對繞行路線增加的時間、距離成本反向驗證關鍵節點的準確性。
1)未禁止任何節點。重點區各個節點未被禁止、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)節點5禁止。將關鍵節點5設置為禁止型阻礙點后,甘托克—西里古里在區內將無法通行。
3)節點15禁止。將關鍵節點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,且繞行路段從節點17至節點11區段內,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)節點6禁止。將關鍵節點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,且繞行路段從節點6以北轉向節點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域,通行能力較差,如圖6(c)所示。
5)節點7禁止。將關鍵節點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,且繞行路段從節點10向節點11、節點12、節點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)節點15禁止 (c)節點6禁止 (d)節點7禁止
在對重點區道路通行能力、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(關鍵節點為圓心,半徑5 km)地質環境進行分析。地質環境孕育著各種災害風險,災害的觸發可能對關鍵節點造成破壞性打擊,使得關鍵點成為禁止型阻礙點,從而對本地區整個路網系統造成重大影響,其影響結果如4.2節所論述。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 關鍵節點5周緣地質環境Fig.7 Geological environment of key note No.5
圖8 關鍵節點6周緣地質環境Fig.8 Geological environment of key note No.6
圖9 關鍵節點7周緣地質環境Fig.9 Geological environment of key note No.7
圖10 關鍵節點15周緣地質環境Fig.10 Geological environment of key note No.15
1)西里古里走廊地區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,平原區道路以三級公路為主。西里古里走廊重點區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。重點區路網中的各關鍵節點以節點5最為重要,它的通行失效將導致重點區路網整體癱瘓。關鍵節點周緣地質環境對潛在災害隱患存在著顯著控制作用,具體表現在:關鍵節點周緣發育的巖性與其力學性質直接相關,即決定了節點環境的巖土體類型;構造特點控制了巖石的完整性,斷裂發育區巖石破碎程度通常較嚴重。以上2個方面(巖性、構造)的地質環境背景特征,影響了巖體抗打擊能力,再結合節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道路交通分布特征、通行能力及其與地質環境的耦合關系,發揮著不可或缺的作用。本研究為境外特定地區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,定量獲取各關鍵節點對于路網的重要性排名,從而有的放矢地分析關鍵節點周緣地質環境。