陽(yáng)春花，趙禮劍，胡吉林

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 重慶測(cè)繪院，重慶 400015）

高分遙感在隧道地表環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陽(yáng)春花1，趙禮劍1，胡吉林1

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 重慶測(cè)繪院，重慶 400015）

以重慶大學(xué)城隧道建設(shè)中與營(yíng)運(yùn)后的兩期高分遙感影像為例，通過(guò)人機(jī)交互式遙感解譯，提取各期影像的地表覆蓋分類(lèi)信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)生態(tài)環(huán)境中的林地、耕地、地表水以及其他用地的動(dòng)態(tài)變化情況以及相關(guān)環(huán)境指數(shù)作詳細(xì)分析，從而獲得隧道建設(shè)過(guò)程中的地表環(huán)境變化情況。為驗(yàn)證該應(yīng)用方法的可推廣性，選取碧雞關(guān)隧道建設(shè)前后3個(gè)不同時(shí)期的高分遙感影像，成功分析出該隧道在修建過(guò)程中的地表環(huán)境動(dòng)態(tài)變化情況。

山區(qū)公路隧道建設(shè)；環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；地表覆蓋

目前，對(duì)隧道建設(shè)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)主要集中在廢渣、水土流失、空氣污染、噪音污染等方面[1,2]，也有針對(duì)山區(qū)公路建設(shè)對(duì)物種影響的監(jiān)測(cè)研究和隧道養(yǎng)護(hù)的監(jiān)測(cè)[3]，但很少有針對(duì)隧道修建及營(yíng)運(yùn)過(guò)程中地表覆蓋環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)研究。對(duì)于隧道建設(shè)和營(yíng)運(yùn)過(guò)程的遙感監(jiān)測(cè)中，更多的是使用SAR或LiDAR數(shù)據(jù)開(kāi)展隧道地表或內(nèi)部沉降的監(jiān)測(cè)研究[4,5]，很少有從地表覆蓋的角度對(duì)隧道建設(shè)開(kāi)展環(huán)境監(jiān)測(cè)。魏德照、潘建平使用Landsat TM和QuickBird兩種遙感影像對(duì)隧道建設(shè)前后的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析[6]；茍亞青等使用Landsat7 ETM+、Landsat5 TM、GeoEye等遙感影像對(duì)青藏公路格爾木至拉薩段改建完善工程進(jìn)行了環(huán)境影響評(píng)價(jià)[7]；關(guān)磊等提出，遙感影像分辨率和實(shí)時(shí)監(jiān)控是阻礙評(píng)價(jià)結(jié)果更加精確的重要因素[8]。因此，有必要使用高空間分辨率的光學(xué)遙感影像對(duì)隧道建設(shè)前后的地表環(huán)境變化開(kāi)展監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究，從而推進(jìn)遙感技術(shù)在山區(qū)公路隧道地表環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與發(fā)展。

1 影響范圍與監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1.1 隧道建設(shè)影響范圍分析

根據(jù)路域生態(tài)系統(tǒng)影響域范圍邊界距離公路中心線(xiàn)的距離，小于50 m屬于直接影響區(qū)，路域生態(tài)系統(tǒng)極其敏感；50～100 m屬于過(guò)渡影響區(qū)，路域生態(tài)系統(tǒng)較為敏感；100～200 m屬于間接影響區(qū)，路域生態(tài)系統(tǒng)敏感度較低[9]。鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致的沿線(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)加速，對(duì)沿線(xiàn)1 000～5 000 m范圍的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)仍存在一定的負(fù)面影響[10]。根據(jù)《JTGB03-2006公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》，道路建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響一級(jí)評(píng)價(jià)范圍為公路用地外界不小于300 m。本文綜合公路路域與鐵路建設(shè)的影像范圍，根據(jù)遙感影像分景實(shí)際情況，將研究范圍選擇在隧道所在位置四周外延1 000 m左右。

1.2 遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容分析

為了從宏觀(guān)角度提供隧道建設(shè)過(guò)程中的地表生態(tài)環(huán)境變化過(guò)程，結(jié)合光學(xué)遙感影像可解譯識(shí)別出的地物類(lèi)別，針對(duì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)中的耕地利用指數(shù)、地表存水面積占地表面積比例和植被覆蓋率，本文選取山區(qū)隧道地表的耕地、水體、林地進(jìn)行重點(diǎn)識(shí)別解譯，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究。

2 監(jiān)測(cè)方法

以重慶大學(xué)城隧道施工中與營(yíng)運(yùn)后的兩期QuickBird影像為例，對(duì)使用高分遙感影像監(jiān)測(cè)山區(qū)隧道地表環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的方法進(jìn)行分析。

1）遙感影像預(yù)處理。對(duì)隧道建設(shè)不同時(shí)期的不同時(shí)相遙感影像進(jìn)行輻射校正、幾何糾正等預(yù)處理后，以隧道為中心，向四周外延1 000 m左右作為研究區(qū)域，如圖1所示。

圖1 遙感影像預(yù)處理目標(biāo)效果

2）地表信息解譯。首先將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人工干預(yù)，得到精細(xì)化分類(lèi)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 地表信息分類(lèi)目標(biāo)效果

3）統(tǒng)計(jì)矩陣生成。對(duì)精細(xì)化分類(lèi)結(jié)果中的重點(diǎn)識(shí)別目標(biāo)進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)相的環(huán)境指數(shù)，形成統(tǒng)計(jì)矩陣，如表1所示。

表1 信息統(tǒng)計(jì)矩陣

4）動(dòng)態(tài)變化分析。數(shù)據(jù)分析方面，首先對(duì)信息統(tǒng)計(jì)矩陣中的指數(shù)進(jìn)行分項(xiàng)分析，選取變化較大的指數(shù)所涉及的地物類(lèi)別，然后針對(duì)發(fā)生變化的各類(lèi)地物分析其動(dòng)態(tài)變化軌跡，并計(jì)算變化面積比例，最后得到量化的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果。圖形分析方面，將精細(xì)化分類(lèi)結(jié)果數(shù)據(jù)疊加到研究區(qū)域影像數(shù)據(jù)上，通過(guò)設(shè)置不同變化軌跡類(lèi)型的顏色，形成動(dòng)態(tài)分析圖，如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)變化分析疊加效果

3 碧雞關(guān)隧道應(yīng)用

碧雞關(guān)隧道位于云南省昆明市西山區(qū)，于2003年1月開(kāi)始施工，2005年12月峻工，中心處于北緯24°58'，東經(jīng)102°36'，全長(zhǎng)約3 200 m。收集到的3期Quick Bird成像時(shí)間分別是碧雞關(guān)隧道建設(shè)前（2003-01-18）、隧道施工中（2005-04-23）、隧道營(yíng)運(yùn)3 a后（2009-12-06）。3期影像均為4個(gè)波段的多光譜數(shù)據(jù)，分辨率為2.4 m。以碧雞關(guān)隧道所在位置四周外延1 000 m左右為界，受影像自身范圍限制，隧道通行方向兩側(cè)及北側(cè)外延有效距離僅為700 m左右，如圖4所示。

圖4 碧雞關(guān)隧道監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)影像數(shù)據(jù)

本文首先對(duì)該隧道監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的3期遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動(dòng)分類(lèi)，根據(jù)耕地利用指數(shù)、地表存水面積占地表面積比例和植被覆蓋率指標(biāo)計(jì)算內(nèi)容需要，將類(lèi)別設(shè)置為林地、耕地、水體和其他4大類(lèi)，在此基礎(chǔ)上人工干預(yù)進(jìn)行了分類(lèi)結(jié)果精細(xì)化，得到結(jié)果如圖5。

圖5 碧雞關(guān)隧道各期分類(lèi)信息精細(xì)化結(jié)果

隧道建設(shè)3個(gè)時(shí)期對(duì)應(yīng)各時(shí)相的分類(lèi)信息統(tǒng)計(jì)與指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 碧雞關(guān)隧道分類(lèi)信息提取結(jié)果

由表2中的環(huán)境指數(shù)分析結(jié)果可見(jiàn)，林地與耕地的變化較明顯，因此將用地類(lèi)型中涉及到林地與耕地相對(duì)于隧道建設(shè)前的變化進(jìn)行綜合分析，如表3所示。

表3 隧道地表生態(tài)環(huán)境變化綜合分析/%

從表3可見(jiàn)，碧雞關(guān)隧道建設(shè)過(guò)程中，生態(tài)環(huán)境的變化主要表現(xiàn)為其他用地占用耕地和林地，而在隧道營(yíng)運(yùn)后，耕地?cái)?shù)量有所恢復(fù)。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)隧道建設(shè)前-建設(shè)施工中、建設(shè)施工中-營(yíng)運(yùn)3 a后、隧道建設(shè)前-營(yíng)運(yùn)3 a后的變化對(duì)照情況進(jìn)行疊加，結(jié)果如圖6所示。

圖6 碧雞關(guān)隧道動(dòng)態(tài)變化提取結(jié)果

通過(guò)疊加分析可見(jiàn)，碧雞關(guān)隧道施工中相對(duì)于建設(shè)前，地表生態(tài)環(huán)境變化主要表現(xiàn)為耕地減少，包括其他用地占用耕地以及耕地變?yōu)榱值?，結(jié)合信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，變化用地面積占分析范圍內(nèi)總面積4.5%，營(yíng)運(yùn)后相對(duì)于施工中存在6%的面積用地類(lèi)型發(fā)生改變，其中2.1%為其他用地占用耕地；1.5%為其他用地占用林地；1.3%為其他用地被復(fù)墾為耕地；0.1%的面積為其他用地被復(fù)墾為林地；其余1%耕地轉(zhuǎn)為林地。而營(yíng)運(yùn)后相對(duì)于建設(shè)前則總共存在7.3%的用地類(lèi)型發(fā)生改變，且生態(tài)環(huán)境變化較建設(shè)前有所恢復(fù)。

對(duì)碧雞關(guān)隧道四周各外延1 km左右的3.5 km2范圍內(nèi)分類(lèi)結(jié)果的綜合分析可知，該范圍內(nèi)91.2%的用地類(lèi)型始終未發(fā)生改變； 1.5%的耕地在施工過(guò)程中被占用，但隧道營(yíng)運(yùn)后被恢復(fù)； 4.5%的耕地最終被轉(zhuǎn)化為其他用地； 1.7%的耕地最終被轉(zhuǎn)化為綠化林地；0.2%的其他用地被復(fù)墾為耕地；其余0.9%為其他用地占用林地。

4 結(jié) 語(yǔ)

山區(qū)公路隧道建設(shè)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響以生態(tài)環(huán)境為主，國(guó)內(nèi)外很少有針對(duì)山區(qū)公路隧道建設(shè)的地表覆蓋環(huán)境變化監(jiān)測(cè)，尤其光學(xué)遙感技術(shù)在該方面的應(yīng)用研究。相對(duì)于中低分辨率衛(wèi)星遙感影像，高空間分辨率的遙感影像可以提高生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)判讀精度，有利于開(kāi)展大尺度地表變化監(jiān)測(cè)。

[1] Forman R,Alexander L. Roads and Their Major Ecological Effects[J]. Annual Review of Ecology and Systematics,1998(29): 207-231

[2] Nagendra H, Lucas R, Honrado J P, et al.Remote Sensing for Conservation Monitoring: Assessing Protected Areas, Habitat Extent, Habitat Condition,Species Diversity, and Threats[J].Ecological Indicators, 2013(33): 45-59

[3] Prud'homme G, Dobbin N A, Sun L, et al. Comparison of Remote Wensing and Fixed-site Monitoring Approaches for Examining Air Pollution and Health in a National Study Population[J]. Atmospheric Environment,2013(80):161-171

[4] Walton G, Delaloye D,Diederichs M S. Development of an Elliptical Fitting Algorithm to Improve Change Detection Capabilities with Applications for Deformation Monitoring in Circular Tunnels and Shafts[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2014(43):336-349

[5] Strozzi T, Delaloye R, Poffet D, et al.Surface Subsidence and Uplift Above a Headrace Tunnel in Metamorphic Basement Rocks of the Swiss Alps as Detected by Satellite SAR Interferometry[J].Remote Sensing of Environment,2011,115(6):1 353-1 360

[6] 魏德照,潘建平.利用遙感進(jìn)行隧道建設(shè)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)[J].地理空間信息,2011,9(1): 16-19

[7] 茍亞青,劉昕,李思遠(yuǎn),等.基于3S技術(shù)的青藏公路改建工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2012,32(10):1 914-1 920

[8] 關(guān)磊,李華,蘇倩,等.公路路域生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源選取研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2013,28(2):315-323

[9] 危閆事攀. 基于生態(tài)影響域的山區(qū)路域生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)防護(hù)體系研究——以宜巴高速公路為例[D]. 武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院,2012

[10] 李佳承.基于遙感和GIS的青藏鐵路生態(tài)累積效應(yīng)研究[D].南京:南京信息工程大學(xué),2013

P237.9

B

1672-4623（2015）04-0032-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.012

陽(yáng)春花，碩士，主要從事國(guó)土資源與遙感技術(shù)應(yīng)用、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、質(zhì)量檢查方面的工作。

2015-02-12。

項(xiàng)目來(lái)源：2012年重慶市建設(shè)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（城科字2012第（02-50）號(hào)）。