基于RS和GIS的彭州市震毀土地信息提取及分析

蔡柯柯，何政偉，3，倪忠云，高 慧，王 樂

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都610059；2.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都610059；3.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京100037）

“5·12”汶川大地震是建國以來我國發(fā)生的破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣的地震，造成了慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，舉世矚目。許多基于現(xiàn)場勘測或航空航天遙感數(shù)據(jù)的災(zāi)毀評估工作也相應(yīng)展開。而這種評估主要分為兩種，一種是針對大區(qū)域，有特定目標(biāo)的災(zāi)毀評估，陳世榮利用高分辨率的EROSB、QuickBird、SPOT－5、ALOS、福衛(wèi)2號等數(shù)據(jù)對包括汶川在內(nèi)的20個縣（市、區(qū)）國／省道基礎(chǔ)設(shè)施損毀情況評估［1］；另一種是對以汶川為中心的小區(qū)域或小流域的災(zāi)毀評估，王治華利用“塞斯納”高空遙感飛機(jī)拍攝的數(shù)據(jù)對映秀鎮(zhèn)快速進(jìn)行震后災(zāi)毀及次生地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查［2］。然而介于這兩者之間，以行政市（縣）為對象，研究其范圍內(nèi)震毀土地面積及空間分布規(guī)律的較少。

以彭州市為研究對象，結(jié)合高程數(shù)據(jù)對其進(jìn)行災(zāi)毀分析，調(diào)查和分析地震災(zāi)害的空間分布范圍及分布規(guī)律，估算受損土地面積，分析受損土地與坡度及高程的關(guān)系，為彭州市震后土地規(guī)劃整理、重建和生態(tài)恢復(fù)等工作提供服務(wù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

彭州市位于103°40′—104°10′E，30°54′—31°26′N，四川盆地西北部，為四川盆地西北緣與青藏高原的過渡地帶。市境北接茂縣、汶川，東鄰什邡、廣漢，南與郫縣、新都相望，西連都江堰市。彭州市擁有眾多的風(fēng)景名勝古跡，旅游資源十分豐富，有著名的銀廠溝、回龍溝、九峰山、天臺山、丹景山等省級風(fēng)景名勝區(qū)及國家級地質(zhì)公園等。在“5·12”地震中，彭州市災(zāi)毀嚴(yán)重，尤其在中北部山區(qū)，地震誘發(fā)大量的崩塌、滑坡、塌陷和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，直接導(dǎo)致了大面積的土地?fù)p毀。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用的數(shù)據(jù)為TM數(shù)據(jù)，分為震前、震后兩個時期，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為彭州市1∶25萬地形圖。彭州市全境共涉及三景遙感影像，其軌道號分別為129／038、130／038和130／039。表1為源數(shù)據(jù)簡介。

表1 遙感數(shù)據(jù)簡介

從數(shù)據(jù)分析可知，能形成災(zāi)前和災(zāi)后對比的影像有129／039、130／038、130／039共3景。其中，災(zāi)前數(shù)據(jù)主要集中在2007年5月和9月，災(zāi)后為2008年7月數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時相相差1a，成像時間相近，對地震造成的災(zāi)毀的影響范圍和程度具有可比性。

2 彭州市災(zāi)毀提取及分析

2.1 地震前后土地利用信息提取

為了便于準(zhǔn)確高效的解譯圖像，提取有用信息，本文分別對震前、震后的遙感影像進(jìn)行了幾何校正、剪裁、拼接和增強(qiáng)等處理。

2.1.1 地震前土地利用信息的提取 彭州市總體地勢北高南低，北面屬龍門山構(gòu)造帶中段，山巒起伏，植被覆蓋度非常高，土地利用類型較為單一；南面屬成都平原，土地利用類型主要有平原水田、平原旱地、河流、坑塘、灘涂、居民地等。針對這種特殊的地形地貌特點，文章采用分區(qū)處理的方法。對于北部山區(qū)，用R（4）G （3）B（2）組合直接進(jìn)行監(jiān)督分類，分類效果較好，用位置精度評價法進(jìn)行評價，分類精度達(dá)到90%以上；對于南部平原，因其土地利用類型較為復(fù)雜、斑塊破碎，加之一些地類色調(diào)較為接近，為了達(dá)到分類精度要求，對監(jiān)督分類的結(jié)果進(jìn)行了人工修正。

2.1.2 地震后土地利用信息的提取 對于震后的土地利用圖，與震前一樣，采用分區(qū)處理的方法提取信息。震前、震后數(shù)據(jù)在時間上只相差一年，因此只提取了震后的災(zāi)毀信息，將其疊加在震前土地利用圖上，從而得到震后的土地利用圖。由于研究區(qū)的特殊地形，使得在“5·12”地震中，彭州市北部山區(qū)災(zāi)毀嚴(yán)重，全市絕大多數(shù)災(zāi)毀均分布于此，該區(qū)域土地利用類型較單一，僅采用監(jiān)督分類的方法即可提取災(zāi)毀信息。然而在真彩色、標(biāo)準(zhǔn)假彩色等常用的波段組合的影像上，災(zāi)毀和河流的顏色及色調(diào)都非常接近，很難區(qū)分。經(jīng)過對災(zāi)毀區(qū)域、河流區(qū)域的波譜特征進(jìn)行詳細(xì)分析及反復(fù)實驗，最終選擇用R（4）G（2）B（7）的波段組合方式進(jìn)行解譯。以該方式組合的影像，災(zāi)毀呈現(xiàn)為高亮的天藍(lán)色，河流則呈現(xiàn)為綠色，從而很容易進(jìn)行區(qū)分（附圖6），且能較好識別災(zāi)毀掩埋河流的區(qū)域，大大提高了分類的準(zhǔn)確度和分類速度。平原區(qū)災(zāi)毀分布很少且分布較散，因此直接采用目視解譯的方法提取災(zāi)毀信息。

圖1 彭州市土地利用遙感解譯流程圖

附圖4－5所示為彭州市震前震后土地利用圖。從附圖5可以看出，在“5·12”地震中，彭州市災(zāi)毀非常嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計，總災(zāi)毀面積達(dá)200.53km2，占彭州市總面積的14%。災(zāi)毀主要集中在丹景山鎮(zhèn)、新興鎮(zhèn)、通濟(jì)鎮(zhèn)、白鹿鎮(zhèn)、小魚洞鎮(zhèn)、磁峰鎮(zhèn)等海拔相對較高的區(qū)域。從土地利用類型上看，“5·12”地震共造成彭州市100.51km2的林地、74.13km2的草地、3.48km2的耕地被毀，1.47km2的河流被掩埋。

2.2 災(zāi)毀分析

將已有的1∶25萬彭州市等高線數(shù)據(jù)分別生成高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù)。運(yùn)用GIS的疊加分析功能，將災(zāi)毀區(qū)域分別與高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理?？傻玫脚碇菔懈鞲叱潭螢?zāi)毀分布圖、彭州市各坡度段災(zāi)毀分布圖和彭州市各坡 向災(zāi)毀分布圖。

圖2 各高程段災(zāi)毀面積與總面積比

圖3 各坡度段災(zāi)毀面積與總面積比

2.2.1 災(zāi)毀與高程的相關(guān)性分析 災(zāi)毀面積與高程成正相關(guān)，且隨著高程的增加，增幅增大。其中，高程值大于2 500m的災(zāi)毀面積占災(zāi)毀總面積的63.11%，而1 000m以下的災(zāi)毀面積僅占總災(zāi)毀面積的0.74%。圖2為各高程段災(zāi)毀面積占該高程段土地總面積的比例，從圖中可看出，高程越高，災(zāi)毀所占的比例越大。以1 500m為轉(zhuǎn)折點，高程低于1 500m的區(qū)域災(zāi)毀面積占總面積的比例很小，而1 500m以上，災(zāi)毀面積所占比例陡然增高，特別是在高程高于2 500m的區(qū)域，災(zāi)毀面積占該高程段總面積的79.05%。因此，彭州市在災(zāi)后重建時，應(yīng)盡量選擇在海拔低于1 500m的地方選址重建，以減小在大災(zāi)中受災(zāi)的風(fēng)險。

2.2.2 災(zāi)毀與坡度的相關(guān)性分析 災(zāi)毀主要集中在25°～35°、35°～55°段。0°～2°段為平地，鮮有水土流失現(xiàn)象，可以自流灌溉，因為研究區(qū)該坡度段土地面積基數(shù)大，所以該坡度段災(zāi)毀面積較大，主要表現(xiàn)為沿河流兩岸分布的大量崩塌或滑坡物堆積在河流兩岸，不僅使大量的房屋及農(nóng)田被埋，而且堆積物填滿河道，阻斷河流。25°～35°段水土流失嚴(yán)重，該坡度段災(zāi)毀面積占總災(zāi)毀面積的25.7%。35°～55°段災(zāi)毀面積最大。震前，該坡度段的土地利用類型主要為林地、草地和裸巖，震后則主要為裸巖，生態(tài)環(huán)境遭到了較大的破壞，生態(tài)穩(wěn)定性降低。圖3為各坡度段災(zāi)毀面積與總面積比較圖，很直觀的反映了各坡度段災(zāi)毀發(fā)生的比例。從圖中可以看出，以25°為分界線，坡度小于25°時，災(zāi)毀比例很小，坡度大于25°時，隨著坡度的增加，災(zāi)毀占該坡度段總面積的比例急劇增加。但最大值不在55°～90°段，而是分布在35°～55°段。從這些數(shù)據(jù)可以看出，坡度大于25°是災(zāi)害發(fā)生的高危地段，在這些區(qū)域重建或從事生產(chǎn)活動時要充分考慮環(huán)境的穩(wěn)定性及抗干擾能力。

2.2.3 災(zāi)毀與坡向的相關(guān)性分析 災(zāi)毀面積與坡向不具相關(guān)性，災(zāi)毀面積在各個坡向基本呈均勻分布，在北西向相對較少，僅占總災(zāi)毀面積的4.4%，東、南東向略多。圖4為各坡向災(zāi)毀面積與該坡向總面積比較圖，如圖所示，東向災(zāi)毀占該坡向總面積的比例最小，為9.54%。西南向災(zāi)毀所占比例最大，災(zāi)毀面積占西南向總面積的49.17%，其次為南向。由上述分析可得，在彭州市山區(qū)進(jìn)行規(guī)劃重建時，應(yīng)多在東向、南東向選址，盡可能少在西南向、南向選址；在治理過程中應(yīng)加強(qiáng)西南坡向的治理力度。

圖4 各坡向災(zāi)毀面積與總面積比

3 結(jié)論

諸如地震這樣的大型自然災(zāi)害是人們難以預(yù)計和控制的，但是人們可以認(rèn)識并總結(jié)地震的發(fā)生對哪些區(qū)域造成的破壞最大，從而合理的規(guī)劃人類的居住及活動范圍，以減少災(zāi)害發(fā)生時的受災(zāi)機(jī)率。通過對彭州市震后災(zāi)毀區(qū)域進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：①海拔高度與災(zāi)毀呈正相關(guān)，以1 500m為轉(zhuǎn)折點，高程值小于1 500m的區(qū)域，災(zāi)毀發(fā)生的可能性??；高程大于1 500m的區(qū)域，隨著高程的增加，災(zāi)毀發(fā)生的可能性急劇增加。②災(zāi)毀與坡度的關(guān)系呈S型，以25°為轉(zhuǎn)折點，坡度小于25°的區(qū)域，災(zāi)毀發(fā)生的可能性小，而坡度大于25°時，災(zāi)毀發(fā)生幾率陡然增高，且35°～55°段為災(zāi)毀最嚴(yán)重的區(qū)域。③從災(zāi)毀面積上看，災(zāi)毀與坡向幾乎不相關(guān)；但從各方向災(zāi)害面積所占該方向總面積的比例上看，西、西南向災(zāi)毀占該方向總面積比例較大，東、東南向所占比例最小。由此，在彭州市震后選址重建時，應(yīng)盡量選擇在海拔小于1 500m，坡度小于25°的區(qū)域進(jìn)行重建，坡向最好為東或東南向。

［1］ 魏成階，劉亞嵐，王世新，等.四川汶川大地震震害遙感調(diào)查與評估［J］.遙感學(xué)報，2008，12（5）：673－682.

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