山地高速公路建設(shè)期對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響
——以莆炎高速YA12標(biāo)段為例

范雄周， 廉 育， 肖首在， 王俊杰， 廖小平， 劉智才

(1.中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 三明 365000; 2.三明莆炎高速公路有限責(zé)任公司，福建 三明 365000；3.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108)

隨著改革開放與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)公路建設(shè)的水平逐步走向世界前列[1]。公路建設(shè)作為長(zhǎng)間距、大規(guī)模的人造地物，在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)與民生效應(yīng)的同時(shí)，產(chǎn)生的不可逆生態(tài)環(huán)境影響也不可忽視。地形起伏區(qū)的生態(tài)環(huán)境往往更加復(fù)雜而脆弱，公路工程的地表擾動(dòng)會(huì)帶來(lái)極大的生態(tài)不穩(wěn)定性[2-3]。因此，開展山地公路的生態(tài)影響效應(yīng)分析有著不可忽視的重要性。

在公路路域生態(tài)質(zhì)量變化領(lǐng)域的探索中，以遙感技術(shù)為主體的地球空間信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)定性分析及粗放的計(jì)量方式難以比擬的[4]。近年來(lái)運(yùn)用遙感技術(shù)進(jìn)行高速公路生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的研究手段與思路不斷涌現(xiàn)[5-7]，學(xué)者們利用多源遙感數(shù)據(jù)從針對(duì)單個(gè)生態(tài)因子到路域綜合生態(tài)評(píng)價(jià)都開展了不少研究[8-11]。但是目前大部分研究由于指標(biāo)參數(shù)的主觀性、評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性，導(dǎo)致評(píng)價(jià)體系的可移植程度與普適性較差；且選取的遙感數(shù)據(jù)空間分辨率基本為30 m及以上，評(píng)價(jià)結(jié)果較粗糙。本文以莆田—炎陵高速公路(以下簡(jiǎn)稱“莆炎高速”)YA12標(biāo)段為研究對(duì)象，使用哨兵衛(wèi)星影像與Landsat-8數(shù)據(jù)，將區(qū)域遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Based Ecological Index,RSEI)應(yīng)用于山地高速公路建設(shè)的生態(tài)質(zhì)量影響效應(yīng)分析，并探尋路域沿線高程與RSEI的內(nèi)在聯(lián)系。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

莆炎高速YA12標(biāo)段路線長(zhǎng)8.12 km，項(xiàng)目在2018年11月6日正式開工，工期計(jì)劃為24個(gè)月。該項(xiàng)目位于福建省三明市境內(nèi)，處于閩浙丘陵區(qū)，地勢(shì)波狀起伏。該區(qū)域氣候溫和，雨熱同季，沿線生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，峰巒疊嶂。但是由于近年來(lái)社會(huì)發(fā)展與土地開發(fā)利用，區(qū)域內(nèi)生物多樣性銳減，因此，工程生命周期的生態(tài)維護(hù)顯得更為重要。在分析研究莆炎高速中仙—里心段YA12標(biāo)段建設(shè)過(guò)程中帶來(lái)的具體生態(tài)問題、充分考慮研究區(qū)域復(fù)雜的地形地貌條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)地調(diào)查研究、結(jié)合高清衛(wèi)星像片與數(shù)字化處理，將路域生態(tài)環(huán)境影響邊界確定為公路周邊緩沖區(qū)1 000 m(如圖1)。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the research area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取有10 m空間分辨率波段的哨兵2號(hào)(sentinel-2)衛(wèi)星影像計(jì)算地表參數(shù)，采用時(shí)相匹配的Landsat-8影像進(jìn)行地表溫度反演。影像數(shù)據(jù)均從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)下載。根據(jù)莆炎高速中仙—里心段YA12標(biāo)段的未建設(shè)期、建設(shè)前期、建設(shè)中期三個(gè)階段對(duì)應(yīng)時(shí)相進(jìn)行影像選擇，見表1。所獲取的Sentinel level-1C級(jí)影像提供的是大氣頂部的反射信號(hào)，需經(jīng)大氣校正得到提供地表反射率的level-2A級(jí)數(shù)據(jù)。歐空局專門為Sentinel系列衛(wèi)星提供進(jìn)行大氣校正的插件Sen2Cor，處理過(guò)程包括場(chǎng)景分類和卷云與大氣糾正兩部分。此外，使用歐空局的Snap軟件進(jìn)行Sentinel-2A/B數(shù)據(jù)的重采樣、鑲嵌、去云等處理，得到分辨率10 m的多光譜影像。Landsat-8數(shù)據(jù)的預(yù)處理在ENVI5.3環(huán)境下進(jìn)行，包括輻射定標(biāo)和大氣校正。

表1 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)Table 1 Satellite image data

本研究地形數(shù)據(jù)來(lái)自于使用無(wú)人機(jī)實(shí)測(cè)的路域等高線地形數(shù)據(jù)(dwg格式)，并于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載覆蓋研究區(qū)域的ASTER GDEM第一版本(V1)空間分辨率為30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品,對(duì)等高線未覆蓋區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)全。

1.3 研究方法

本研究選取新型區(qū)域遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對(duì)高速公路建設(shè)的生態(tài)影響效應(yīng)進(jìn)行探究，其指標(biāo)優(yōu)點(diǎn)包括可獲得性較高、權(quán)重自由、基本象元單位可視化，還可通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行時(shí)空維度的分析預(yù)測(cè)[12-13]。RSEI方法已被廣泛應(yīng)用于綜合治理、城市規(guī)劃、水土流失等生態(tài)質(zhì)量研究中[14-16]。

1.3.1參數(shù)反演

RSEI指數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)分別是與人類生產(chǎn)生活及自然環(huán)境息息相關(guān)的綠度、濕度、干度及熱度指標(biāo)。綠度指標(biāo)通過(guò)地表植被生長(zhǎng)狀態(tài)反映，植被對(duì)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量狀況的變化極為敏感，常用來(lái)表示區(qū)域生態(tài)優(yōu)良情況；濕度指標(biāo)由土壤濕度表示，其是度量土壤退化等生態(tài)環(huán)境研究的重要指示；干度指標(biāo)代表原有自然系統(tǒng)因人類改造而被裸地與不透水取代的“干化”程度，說(shuō)明了生態(tài)質(zhì)量的惡化情況；熱度指標(biāo)由地表溫度代表，是反映地表生態(tài)質(zhì)量不可缺少的參數(shù)。各指標(biāo)所選指數(shù)見表2，使用Sentinel-2影像進(jìn)行綠度、濕度與干度指標(biāo)計(jì)算，同期的Landsat-8影像進(jìn)行熱度指標(biāo)計(jì)算。

表2 各指標(biāo)對(duì)應(yīng)指數(shù)Table 2 Corresponding indexes of each index

1.3.2RSEI指數(shù)構(gòu)建

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，以主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，各年份研究區(qū)RSEI可以表示為：

RSEI2017=0.688 6PC1+0.161 8PC2+0.098 2PC3+
0.051 3PC4
=0.299NDVI+0.337Wet-0.194LST-
0.521NDSI

RSEI2018=0.657 0PC1+0.168 9PC2+0.106 2PC3+
0.067 9PC4
=0.285NDVI+0.337Wet-0.190LST-
0.495NDSI

RSEI2019=0.675 3PC1+0.188 7PC2+0.079 2PC3+
0.056 8PC4
=0.375NDVI+0.367Wet-0.203LST-
0.450NDSI

代表綠度的NDVI和代表濕度的Wet變量系數(shù)為正值，它們協(xié)同對(duì)生態(tài)起正面的貢獻(xiàn);代表熱度和干度的LST、NDSI變量系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明它們從負(fù)面作用于生態(tài)變化，可見RSEI指數(shù)對(duì)路域的生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)有其適用性，可用于進(jìn)行下一步的分析。

1.3.3ESI指數(shù)

由于研究路域地形復(fù)雜，土地利用類型分布不均，因此無(wú)法簡(jiǎn)單地用RSEI均值來(lái)描述路域某一時(shí)相的生態(tài)質(zhì)量。為了客觀描述和定量分析研究路域的生態(tài)質(zhì)量變化，采用RSEI等級(jí)面積加權(quán)的形式來(lái)計(jì)算各個(gè)時(shí)相的生態(tài)質(zhì)量[29]。公式如下：

式中：n為RSEI的等級(jí)數(shù);Ai為分析單位中等級(jí)i所占面積;Sj為分析單位j所占的面積;Pi為等級(jí)i的量化等級(jí)值。ESI數(shù)值越高，說(shuō)明生態(tài)質(zhì)量改善越好。

2 結(jié)果分析

2.1 全路域生態(tài)質(zhì)量的時(shí)空變化分析

以0.2為間隔進(jìn)行斷點(diǎn)，將RSEI按照數(shù)值由小到大劃分為差(1)、較差(2)、中等(3)、良(4)和優(yōu)(5)五個(gè)生態(tài)等級(jí)，如圖2。

圖2 各年份RSEI分級(jí)圖Fig.2 RSEI grading charts for each year

三個(gè)年份區(qū)域內(nèi)生態(tài)優(yōu)良的面積占比均達(dá)65%以上，而生態(tài)較差及以下的面積比例均低于20%，表明區(qū)域生態(tài)質(zhì)量本底較佳，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)受到高速公路工程建設(shè)影響范圍較小。各年份生態(tài)質(zhì)量較差的部分集中分布于區(qū)域東西兩端與中間段，并向外逐漸依等級(jí)變高而擴(kuò)散。原因主要有兩個(gè)：一方面自東向西分布著漈頭村、璞溪村與滄州村三個(gè)村莊居民點(diǎn)，人工建筑和居民活動(dòng)的密集對(duì)這些區(qū)塊的生態(tài)質(zhì)量起負(fù)面作用；另一方面，高速線路出露于地表的橋梁和路基部分緊貼璞溪村平行延伸，工程建設(shè)產(chǎn)生的影響疊加于原來(lái)的居民擾動(dòng)上，生態(tài)質(zhì)量差的部分雖逐年外擴(kuò)，但未產(chǎn)生明顯的空間轉(zhuǎn)移。生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)良的區(qū)域分布于人類干擾活動(dòng)少、地表硬化程度低的地塊；并且區(qū)域內(nèi)生態(tài)質(zhì)量本底較好的部分主要為植被覆蓋度多的高處，其工程建設(shè)類型主要為穿山而過(guò)的隧道，線路本體產(chǎn)生的地表生態(tài)擾動(dòng)程度小。

2.1.1研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量時(shí)間變化分析

將2017和2019年的RSEI等級(jí)分布圖進(jìn)行差值運(yùn)算，以更好地分析路域的生態(tài)質(zhì)量變化。2017—2019年研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)化的區(qū)域占總面積的19.23%，生態(tài)質(zhì)量改善以增加一級(jí)為主；生態(tài)質(zhì)量惡化的區(qū)域面積占總面積的12.41%，以降低一級(jí)為主，如圖3。

圖3 研究區(qū)路域RSEI等級(jí)變化空間分布圖(2017—2019)Fig.3 Spatial distribution diagram of RSEI grade change in research road area

高速公路建設(shè)產(chǎn)生的生態(tài)質(zhì)量負(fù)面影響范圍較小，生態(tài)質(zhì)量下降區(qū)塊明顯集中于高速公路線路兩側(cè)：線路中段和東西端的紅色區(qū)域呈條帶延伸，其主要是由橋梁及路基工程與臨時(shí)占地建設(shè)帶來(lái)的地表硬化以及植被的損失所導(dǎo)致；而隧道建設(shè)段工程穿山而過(guò)，地表生態(tài)質(zhì)量受到線路本身建設(shè)的影響較小，主要的負(fù)面影響來(lái)自于隧道出口處設(shè)置的棄渣場(chǎng)和施工便道，以及拌合站等加工占地帶來(lái)的低植被覆蓋度、地表裸露區(qū)，其降低了生態(tài)質(zhì)量。

2.1.2研究區(qū)生態(tài)空間變化分析

為研究高速公路在建設(shè)、施工過(guò)程中對(duì)路域范圍生態(tài)質(zhì)量影響的空間變化特征，對(duì)路域生態(tài)質(zhì)量影響邊界范圍內(nèi)的高速公路ESI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以100 m為間距，對(duì)高速公路中線兩側(cè)逐層建立緩沖區(qū)，得出1 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)ESI數(shù)值變化，如圖4。

圖4 各年份多級(jí)緩沖區(qū)ESI值Fig.4 Multilevel buffer ESI values for each year

2017年的曲線變化反映了研究區(qū)域的本地生態(tài)情況，由于工程未開工，影響區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的因素主要為村莊居民點(diǎn)人類活動(dòng)的干擾，而居民點(diǎn)的布局并非完全與高速公路走向平行，ESI值隨道路中線距離呈現(xiàn)上下波動(dòng)。從2018、2019年的ESI數(shù)值分布明顯可見，高速公路建設(shè)對(duì)路域生態(tài)質(zhì)量的影響程度隨緩沖區(qū)半徑的增大而減小，即距離公路核心區(qū)越遠(yuǎn)，受其影響就越小。公路建設(shè)期兩個(gè)時(shí)相的ESI指數(shù)在300 m緩沖距離處均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，在300 m緩沖距離內(nèi)，ESI增速隨緩沖距離增大而迅速上升，但超過(guò)300 m后增速明顯放緩，表明公路兩側(cè)300 m范圍內(nèi)生態(tài)質(zhì)量受到工程建設(shè)與人為影響最為顯著，為生態(tài)影響的核心區(qū)域。

2.2 地形對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響分析

在300 m影響核心區(qū)內(nèi)將路域高程以10 m間隔為間距逐層劃定分析緩沖區(qū)，通過(guò)建立分析緩沖區(qū)內(nèi)高程與RSEI均值的定量關(guān)系來(lái)考察二者之間的相互影響。高程均值與對(duì)應(yīng)RSEI均值的關(guān)系如圖5。

圖5 各年份高程均值和RSEI均值關(guān)系圖Fig.5 Relation diagram of mean values of elevation and RSEI in each year

總體而言，高程變化對(duì)地表生態(tài)產(chǎn)生了梯度效應(yīng)，各年份RSEI均值總體隨高度升高而增大。地勢(shì)低處，由于人類活動(dòng)密集與施工布點(diǎn)的集中，人工構(gòu)筑物替代了原本的自然地表，造成植被覆蓋少、土地裸露多、環(huán)境破壞明顯，生態(tài)受到影響程度大。從2019年的數(shù)據(jù)分布可看出，高程<300 m的區(qū)域RSEI均值比之前降低，可見工程建設(shè)帶來(lái)的影響隨著施工推進(jìn)逐漸占主導(dǎo)地位，主要因?yàn)榈吞幍貏?shì)平坦，為路基、橋梁工程以及各類臨時(shí)占地點(diǎn)的集中布局處，生態(tài)質(zhì)量受建設(shè)工程項(xiàng)目的影響較大；而>500 m的高度處一方面由于人類活動(dòng)難以觸及，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，脆弱性降低，受到的破壞程度隨之減小，另一方面該工程主要采取挖山隧道的建設(shè)方式，其所造成的環(huán)境影響難以通過(guò)遙感數(shù)據(jù)探測(cè)，因此RSEI未有較大波動(dòng)。

3 結(jié)論

本文基于Sentinel-2多光譜數(shù)據(jù)與Landsat-8 TIRS傳感器熱紅外遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建RSEI來(lái)對(duì)以莆炎高速中仙—里心段YA12標(biāo)段未建設(shè)期、建設(shè)前期與建設(shè)中期三個(gè)階段的路域生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明通過(guò)RSEI對(duì)路域的生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行快速評(píng)價(jià)具有一定的科學(xué)性和實(shí)用性。計(jì)算發(fā)現(xiàn)高速公路對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響隨著與公路垂直距離的增加而逐漸降低，公路兩側(cè)300 m范圍內(nèi)為生態(tài)質(zhì)量影響的核心區(qū)，尤其是路基與橋梁建設(shè)段、隧道口的堆土區(qū)、棄渣場(chǎng)及臨時(shí)占地等地表擾動(dòng)區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)給予關(guān)注和保護(hù)。垂直方向上高程對(duì)生態(tài)質(zhì)量變化產(chǎn)生梯度效應(yīng)，這與人類活動(dòng)范圍及工程施工特性有關(guān)。較高空間分辨率數(shù)據(jù)的應(yīng)用與遙感信息指數(shù)的提取可為通過(guò)空間分析技術(shù)進(jìn)行路域生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)及生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供技術(shù)參考。該評(píng)價(jià)方法指標(biāo)參數(shù)和權(quán)重取值較為客觀，具有良好的可移植性，有助于道路建設(shè)方及時(shí)調(diào)整本項(xiàng)目建設(shè)后期不同路段的建設(shè)策略，以滿足生態(tài)質(zhì)量要求，也能對(duì)其他類似項(xiàng)目的建設(shè)提出可行性的意見和建議。然而，RSEI采用的指標(biāo)沒有進(jìn)一步針對(duì)公路工程的地表擾動(dòng)特性完善指標(biāo)體系，比如揚(yáng)塵等大氣污染的影響，今后可嘗試在多指標(biāo)的耦合方面深入研究。