魏德照，潘建平

(1.國家測繪局重慶測繪院，重慶 400015；2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

利用遙感進行隧道建設生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化監(jiān)測

魏德照1，潘建平2

(1.國家測繪局重慶測繪院，重慶 400015；2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

為了深入了解隧道建設對環(huán)境的影響，利用遙感技術對山區(qū)隧道建設和運營過程中的環(huán)境問題進行監(jiān)測，選擇了合適的遙感圖像，利用不同時相的遙感圖像，對公路隧道建設和運營過程中的生態(tài)環(huán)境信息進行解譯，從而獲得隧道生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化信息。通過植被指數(shù)提取，遙感分類和信息提取等技術手段，獲得隧道生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化，結果與隧道實際調(diào)查信息相吻合，有重要的應用價值，拓寬了遙感在交通中的應用。

隧道建設；生態(tài)變化；遙感監(jiān)測

我國是一個多山的國家，隧道在公路建設中的建設和營運在為國民經(jīng)濟帶來快速發(fā)展的同時，也以各種各樣的形式破壞和污染著環(huán)境。伴隨著特長、大斷面隧道的出現(xiàn)，隧道區(qū)域內(nèi)的植被、水域、居民地等都在出現(xiàn)不同情況的變化，其對生態(tài)環(huán)境的影響也越來越受到重視。

傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測存在著許多不足，如數(shù)據(jù)更新困難，監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏空間分布信息，實時性差。遙感技術因其能夠進行大面積實時監(jiān)測，時效性強，信息量大，信息客觀、真實，數(shù)據(jù)綜合性與可比性好等特點，在環(huán)境領域的應用越來越廣。經(jīng)過多年的實踐，遙感技術現(xiàn)已成為環(huán)境動態(tài)監(jiān)測中不可缺少的地理空間信息獲取、更新與分析的手段和數(shù)據(jù)源。因此采用遙感技術對山區(qū)隧道動態(tài)生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測是可行性較高的一種選擇。

1 隧道建設和運營中的環(huán)境問題

隧道是山區(qū)高等級公路建設中常見的大型附屬工程，雖然修建隧道能夠合理利用土地資源以及創(chuàng)造較高的經(jīng)濟效益，如縮短行程，節(jié)約成本，減少占地面積等，但是其對生態(tài)環(huán)境的破壞很多都是難以恢復的，其環(huán)境問題正在引起人們的高度重視。

目前，隧道工程對生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在施工時的水土流失和植被破壞、隧道廢渣、施工污水和對地下水的破壞等[1]。

1）施工時的水土流失和植被破壞：主要表現(xiàn)在進洞口的施工。首先山體遭到破壞，在降水量大的季節(jié)和地區(qū)將引起嚴重的水土流失；其次洞口大范圍明挖導致地表植被嚴重破壞，有的地方植物幾乎不可能得到及時有效的恢復。

2）隧道廢渣：一條隧道的渣體往往上萬甚至幾十萬立方米，在棄渣過程中，可能侵占耕地，減少人均耕地面積和農(nóng)作物產(chǎn)量，或覆蓋植物，使植物不能得到有效地生長，引發(fā)新的水土流失等[3]。

3）施工污水和對地下水的破壞：隧道施工排出的廢水，一般來說已被油脂污染，加之混凝土或噴射混凝土所產(chǎn)生的堿性污染物，所以這些廢水常常是強堿性的。如果任其排放，就可能污染附近的河流，進而污染飲用水，同時廢水也使周圍的植被遭受到破壞[1]。

隨著隧道的運營，隧道連通兩區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展迅速，人口增長，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范圍擴大，對生態(tài)環(huán)境的壓力也越來越大。

2 基于遙感的隧道建設和運營環(huán)境監(jiān)測思路

文中對隧道建設和運營兩個時間段，制定了其生態(tài)環(huán)境的遙感監(jiān)測思路。在遙感技術的基礎上，能夠監(jiān)測出來的包括自然植被、地表存水以及需要灌溉的土地（主要是指耕地和經(jīng)濟林）。

為了對生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化進行分析，在實驗中需要提取這三種指數(shù)，即自然植被覆蓋率、地表存水面積占地表面積比例、需灌溉土地面積（耕地+經(jīng)濟林）所占比例。

實驗的過程和思路總結如下：

1）裁剪出感興趣的區(qū)域。裁剪沿著隧道走向的區(qū)域，且在同一隧道的三期圖像中裁剪區(qū)域應當相同。

2）波段組合，實驗中所用的圖像為LandsatTM和Quick Bird圖像兩種，為了使實驗精度更高，對兩種圖像采用不同的波段組合。其中碧雞關隧道隧道為QuickBird圖像，采用波段432組合；中梁山隧道為Landsat TM圖像，采用波段432組合。

3）遙感分類，實驗采用監(jiān)督分類中最大似然法進行地物的分類，再根據(jù)分類的結果提取三種指數(shù)。

4）根據(jù)提取的指數(shù)結果進行山區(qū)隧道生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化的原因進行分析和總結。

3實驗

3.1 云南碧雞關隧道

碧雞關隧道位于云南省昆明市西山區(qū)。于2003年1月開始施工，2005年12月峻工，中心處于北緯24° 58′，東經(jīng)102°36′，全長約3 200m。

在本實例中，采用的是美國陸地衛(wèi)星三期QuickBird高空間分辨率遙感圖像，成像時間分別是碧雞關隧道建設前（2003年1月18日）、隧道施工中（2005年4月23日）、隧道營運三年后（2009年12月6日）。原始圖像如圖1、圖2和圖3所示。通過目視判讀，可以看到自然植被基本呈現(xiàn)墨綠色和深綠色，而需要灌溉的土地呈現(xiàn)為淺綠色，水體呈現(xiàn)的是暗紫色，比較明顯，而居民區(qū)一般為紫色，裸地深紫色。

在經(jīng)過初步的目視判讀后，先確定分類的數(shù)目為五類，分別是：自然植被、水體、需灌溉土地、居民區(qū)以及裸地；再進行樣本區(qū)的訓練。

圖2 隧道施工中（2005年4月23日）

圖1 隧道建設前（2003年1月18日）

圖3 隧道營運三年后（2009年12月6日）

監(jiān)督分類（最大似然分類法）結果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 隧道修建前分類圖

圖6 隧道運營三年后分類圖

監(jiān)督分類后，對分類結果中三類指數(shù)（即自然植被覆蓋率、地表存水面積占地表面積比例、需灌溉土地面積所占比例）進行統(tǒng)計，如表1所示。

表 碧雞關隧道遙感圖像最大似然分類法地物信息指數(shù)表

從表中可以看到，對于碧雞關隧道，自然植被覆蓋率和地表存水面積均是先減小后增大，需灌溉土地面積為先增大后減小。在隧道修建中自然植被和地表水體的明顯減少，說明隧道的修建對自然植被和地表水體的影響較大。同時，隧道修建后，自然植被和水體面積又有所增大，可見生態(tài)環(huán)境又有一定的恢復。

在隧道開挖時，會產(chǎn)生許多的廢渣，廢渣的堆放是導致自然植被和地表水體減少的主要原因，同時，經(jīng)濟的快速發(fā)展也是原因之一，伴隨著的是人口增加，需灌溉的土地也在同時增加。在隧道營運后，隧道區(qū)采取一定的環(huán)保措施，退耕還林，灌溉土地減少的同時，自然植被和地表水體也會相應的增加。

3.2 重慶中梁山隧道

中梁山隧道位于成渝高速公路重慶段，東從大渡口區(qū)跳磴鎮(zhèn)吳家院子穿越中梁山，西在九龍坡區(qū)石板鎮(zhèn)余家灣出洞，于1990年6月開始施工，在1994年竣工，中心位于北緯29°31′，東經(jīng)106°25′。隧道區(qū)地質(zhì)條件復雜，有巖溶、壓煤、斷層等許多不良地質(zhì)問題。近年來，曾多次對其進行加固維修。

在本實例中，采用的是美國陸地衛(wèi)星Landsat上的三期 TM多光譜遙感圖像，成像時間分別是中梁山隧道建設前（1987年3月5日）、隧道施工中（1993年5月24日）、隧道營運三年后（1997年5月3日）。三張圖像均為七個波段，經(jīng)過預處理后，裁剪出面積相等的隧道區(qū)影像進行研究。

為了便遙感圖像顯示的信息量大，方便地物的目視判讀，所以本次試驗采用波段 432的假彩色組合方式，如圖7～圖9所示。

圖7 隧道修建前（1987年3月5日）

圖8 隧道修建中（1993年5月24日）

圖9 隧道營運三年后（1997年5月3日）

由于該實例圖像為Landsat TM圖像，空間分辨率相對QuickBird圖像來說要低很多。但是根據(jù)波段432假彩色的組合，還是很容易可以判斷圖像中的地物。圖中，自然植被呈鮮紅色和暗紅色，水體呈藍黑色，需灌溉土地呈現(xiàn)淺紅色。

經(jīng)初步目視判斷，分類類別數(shù)定為四類，其中自然植被、水體、需灌溉土地各成一類，由于圖中居民區(qū)和其他不易區(qū)分，所以將其統(tǒng)歸為一類。

監(jiān)督分類（最大似然分類法）結果分類如圖10～圖12所示。

圖10隧道修建前分類圖

圖11隧道修建中分類圖

圖12 隧道營運三年后分類圖

監(jiān)督分類后，對分類結果中三類指數(shù)（即自然植被覆蓋率、地表存水面積占地表面積比例、需灌溉土地面積所占比例）進行統(tǒng)計，如表2所示。

表 中梁山隧道遙感圖像最大似然分類法地物信息指數(shù)表

中梁山隧道，從表中可以看到，隧道區(qū)自然植被和地表存水面積在三期影像中是先減小后增加，而需灌溉土地面積是先增加后減小。

中梁山隧道的生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律與碧雞關隧道完全相同，同樣也是修建時對生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞，而在建成后生態(tài)環(huán)境又有一定的恢復。廢渣的產(chǎn)生和經(jīng)濟的發(fā)展是三大指數(shù)變化的原因。同時，在隧道修建好后，對環(huán)境的保護和修復也是營運后，自然植被和水體面積增加、灌溉土地減少的原因。

為了做一個更為有利于動因變化分析的統(tǒng)計，現(xiàn)將兩個隧道在建設期間和營運期間的三大指數(shù)變化統(tǒng)計成表3。

表 隧道三大指數(shù)建設與運營時間段的增減率統(tǒng)計表

分類結果總結：

從表中可以看到，三大指數(shù)在建設與運營兩個時間段有不盡相同的增減變化。

1）碧雞關隧道和中梁山隧道，所有階段，大三指數(shù)的變化規(guī)律均相同；2）在隧道修建前--隧道施工中期間，自然植被覆蓋率和地表存水減少，需灌溉土地面積增加；3）在隧道施工中--營運后期間，自然植被覆蓋率和地表存水增加，需灌溉土地面積減少。

4結語

從結果中可以看到，山區(qū)隧道的不同指數(shù)的變化不盡相同，同時，兩大隧道所有的變化趨勢均相同，可見隧道生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化也有一定的規(guī)律可尋。針對上述的結果，再對生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化的原因進行總結和分析，影響因素主要表現(xiàn)以下幾個方面：

1）經(jīng)濟增長。表1可以看到，在隧道修建前，隧道區(qū)域的水資源和自然植被就呈現(xiàn)一致性的減少，相應的，需要灌溉的土地（耕地+經(jīng)濟林）由于經(jīng)濟增長迅速，呈現(xiàn)的增長的趨勢。在碧雞關和中梁山隧道中，自然植被的破壞率也比較大，這都是由于經(jīng)濟發(fā)展所伴隨的環(huán)境問題。

2）隧道開挖。隧道工程在建設工程中伴隨著大量的開挖，對水土資源產(chǎn)生的影響會越來越大。隧道開挖不可避免地會破壞影響區(qū)域內(nèi)的水系，因為一個山脈的地下水經(jīng)過長期演變逐漸穩(wěn)定，有其自身的水流規(guī)律，隧道的出現(xiàn)必將改變地下水流的賦存狀況，并成為地下水排出的天然通道，造成地下水量的大量流失，同時導致隧道區(qū)域局部地下水位降低，從而導致地表水和泉、井枯竭，地表自然植被枯萎甚至死亡[2]。

3）隧道廢渣。山區(qū)高等級公路隧道通常為復線雙洞，每公里長度隧道開挖產(chǎn)生的洞渣在100 000m3以上，由于隧道施工受隧道區(qū)域地形條件所限，一般僅有部分洞渣可以作為路線填方合理利用，每公里長度隧道有數(shù)萬立方米洞廢棄，并且這類廢渣通常為各種巖石碎塊或風化巖類與泥土的混合物，無法當作植被土加以利用。在實例中，需灌溉土地面積的指數(shù)，在第二個階段，即隧道施工時到營運期（表1）一致呈現(xiàn)下降的趨勢，可以說，廢渣對其的影響應該是最大的。

4）人口增長。山區(qū)隧道的修建的意義不僅僅在于縮短了行程，更是成為了山脈兩邊城市交流的通道。隨著隧道的修建，隧道區(qū)域隨之而來就是開始人口密集，人們不斷的將城市范圍擴大，人口壓力迫使人們不斷的向自然索取，這樣又造成了自然植被和水體資源的流失。

5）季節(jié)因素。本文中所用隧道的影像成像時間基本是一個季節(jié)，但是不排除部分地區(qū)由于季節(jié)原因，可灌溉土地面積變化存在一定的誤差。同時如果遭遇雨季，水體資源也會相應地增加。這些都是將在以后的研究中應該注意到的問題。

綜上所述，影響山區(qū)隧道生態(tài)環(huán)境變化的原因是多種多樣，錯綜復雜的，各種原因之間不僅是相互聯(lián)系，同時也相互制約，因此在分析獨立的一個隧道的時候要綜合考慮多方面的因素。遙感監(jiān)測能夠看到生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化規(guī)律，符合實際情況?？梢娎眠b感進行隧道建設生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化監(jiān)測是可行的，該方法值得推廣和應用。

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Dynamic Monitoring of the Ecoenvironment Influence of Tunnel Constructiont Based on Rem ote Sensing

by WeiDezhao

In order to deeply understand the ecoenvironment influence of tunnel construction,using remote sensing technology on the mountain tunnel construction and operation process to monitoring the environmenta l changes.This paper studied the methods and technical routes using multi-tempora remote sensing images in dynamic inspection of the influence of tunnel construction and operation process.

tunnel construction,ecoenvironment influence,remote sensing inspection （Page:16）

P237

B

1672-4623(2011)01-0016-04

2010-11-22

魏德照，高級工程師，主要從事測繪技術管理與應用工作。