基于遙感數(shù)據(jù)的隧道地表NDVI格局與生境質(zhì)量動態(tài)變化研究
——以重慶市大學(xué)城隧道為例

鄭 煒,魏 濤,張華君,李瑞年,牛玉珍,王秀麗

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 崇州 611231;2.成都水生態(tài)文明建設(shè)研究重點(diǎn)基地,四川 崇州 611231;3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400067;4. 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,成都 610042)

0 引言

中國地形地貌復(fù)雜多樣,山區(qū)占國土面積的2/3[1]。修建隧道能夠合理利用土地資源、縮短行程、節(jié)約成本,有助于推動社會進(jìn)步[2]。因此,近年來我國隧道工程建設(shè)達(dá)到了前所未有的發(fā)展速度[3]。截至2016年,我國隧道工程數(shù)量及建設(shè)規(guī)模已躍居世界第一[4],至2022年底,我國投入運(yùn)營的鐵路隧道17 873 座,總長21 978 km,另有在建鐵路隧道3 025座和規(guī)劃鐵路隧道5 376座[5]。

隨著我國隧道工程建設(shè)規(guī)模的增大,以及生態(tài)文明思想的普及,隧道工程對生態(tài)環(huán)境的不利影響也越來越受到重視,包括施工時的水土流失、植被破壞、隧道廢渣,以及對地下水動態(tài)平衡的破壞等[1,6-7]。傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測存在數(shù)據(jù)更新困難、監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏空間分布信息、實(shí)時性差等問題[7],而遙感技術(shù)具有分辨率高、連續(xù)性強(qiáng)、覆蓋范圍大、成本低、時效性強(qiáng)、信息量大、可比性強(qiáng)、數(shù)據(jù)客觀真實(shí)等優(yōu)勢[2,7-9],近年來被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測[8,10]、環(huán)境影響評價[11]等領(lǐng)域。采用遙感技術(shù)對山區(qū)隧道生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化進(jìn)行分析是可行性好、經(jīng)濟(jì)效益高的一種選擇。

植被條件的好壞與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān),同時,植被又是遙感觀測、記錄的第一表層,它能在某種程度上反映某區(qū)域在地質(zhì)、人為、氣候等因素作用下的下墊面情況,因而,利用對植被的分析能反映生態(tài)環(huán)境的變化情況[12]。作為一種重要的大空間尺度植被信息檢測手段, 歸一化植被指數(shù)( Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)以其快捷準(zhǔn)確的特點(diǎn)已在農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、植被覆蓋密度評價、森林面積估算等方面得到了較廣泛的應(yīng)用,它是植被生長狀態(tài)和植被覆蓋度的最佳指示因子[13-14]。NDVI既可以反映不同地類的信息,又可以判斷同種地類具有不同密度和不同長勢的植被特征差異,彌補(bǔ)單純的遙感分類只能說明量的變化,無法說明質(zhì)的變化的不足[15-17]。

基于遙感影像計(jì)算NDVI分析隧道工程的生態(tài)環(huán)境影響在國內(nèi)外已進(jìn)行了大量的工作并取得了豐富的成果,但針對同一地區(qū)多條隧道交叉影響或二次影響的相關(guān)研究仍然處于起步階段[18]。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展,對隧道的需求增長迅速,包括單線隧道改建、擴(kuò)建、復(fù)建隧道數(shù)量逐漸增加,在同一地區(qū)重復(fù)修建隧道的情況也愈加普遍。利用遙感技術(shù)分析二次影響下隧道地表植被生長動態(tài)變化特征能夠?yàn)樗淼拦こ烫峁┥鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)的科學(xué)參考。

1 項(xiàng)目概況

中梁山山脈位于重慶市西南地區(qū),緊挨歌樂山山脈與縉云山山脈,海拔高程480～640 m,位于亞熱帶溫濕季風(fēng)氣候區(qū),具有氣溫高、雨量大、光照比較少和空氣濕度大等特征。目前中梁山區(qū)域已建有十余條隧道,最早的為1971年開始修建,1978年開始運(yùn)營的襄渝鐵路中梁山隧道(簡稱中梁山隧道)。由于施工條件限制,隧道排水采用“以排為主”的方式,對2 km范圍內(nèi)的地下水影響顯著,引起大面積的地面沉降和塌陷,地下水位恢復(fù)情況差,隧道開挖后形成的降落漏斗范圍較大,對地表自然環(huán)境的影響亦較大[18]。在中梁山隧道北側(cè)200 m,2002-2006年修建渝遂高速公路大學(xué)城隧道(簡稱大學(xué)城隧道)。由于技術(shù)進(jìn)步,隧道排水采用“以堵為主,限量排放”的方式,但修建期間水文監(jiān)測資料收集不完整,對環(huán)境的影響不確定,至今大學(xué)城隧道仍有地下水流出,并已成為附近居民的生活用水來源之一。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

通過對存檔的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,綜合考慮分辨率、影像質(zhì)量、拍攝時間處于植被生長茂盛的季節(jié)且盡量一致等因素,最終選用IKONOS衛(wèi)星提供的2 m×2 m遙感數(shù)據(jù),分別選取研究區(qū)2002年9月11日、2004年10月20日、2009年6月4日的三期影像代表隧道建設(shè)前、建設(shè)中和建設(shè)后的情況。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1) 影像預(yù)處理

利用ERDAS IMAGINE 9.2遙感處理軟件,對3個時相的影像在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行幾何校正和定位登記。根據(jù)前人研究成果,隧道修建可能造成山頂泉水和地表水的漏失,影響范圍為線路中心線兩側(cè)各3 km的范圍。因此,本研究以大學(xué)城隧道兩側(cè)3 km作為研究區(qū)域,裁剪出研究所需影像。

(2) 土地利用類型劃分提取

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際,劃分旱地、針葉林、闊葉林(多為雜木林)、灌草地、水域、建設(shè)用地等六類土地利用類型。

(3) 水文地質(zhì)類型劃分提取

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際,劃分裸露型巖溶中度發(fā)育、裸露型巖溶強(qiáng)烈發(fā)育、碎屑巖孔隙層間水、砂巖裂隙層間水兼風(fēng)化裂隙水等四類水文地質(zhì)類型。

2.3 NDVI變化曲線提取

與計(jì)算研究區(qū)NDVI均值相比,研究不同時段和不同空間尺度的NDVI分布格局及其變化特征,有助于把握生境質(zhì)量的變化特征并判斷分析可能的各種外界影響因素[19]。

(1)利用ERDAS的建模功能計(jì)算三個時期的NDVI影像(精度2 m×2 m),公式如下:

式中,NDVI為歸一化植被指數(shù),計(jì)算結(jié)果在-1到1之間。NDVI的值越大,表示植被的長勢越好,密度越大,反之則表示植被長勢欠佳,較為稀疏。NIR為近紅外波段,RED為紅外波段。

(2) 根據(jù)各NDVI值對應(yīng)的像元數(shù)量占所有像元的百分比,并將像元百分比與對應(yīng)的NDVI值作圖,得到大學(xué)城隧道3個時期的NDVI頻度曲線。以像元百分比峰值所對應(yīng)的NDVI(NDVIp)和峰值區(qū)間所對應(yīng)的NDVI區(qū)間(NDVIpr)對NDVI頻度曲線的特征進(jìn)行定量描述和分析,其中NDVIp反映了位置特征,NDVIpr反映了集中程度[19]。

(3) 根據(jù)土地利用類型劃分和水文地質(zhì)類型劃分,分別計(jì)算NDVI頻度曲線和NDVIp。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI時序變化

大學(xué)城隧道3個時期的NDVI變化如圖1。隧道建設(shè)前(2002年9月)影像的NDVI值大多分布在-0.035左右,隧道建設(shè)中(施工1 a后,2004年10月)NDVI值也是大多分布在-0.035左右,而隧道建設(shè)后(運(yùn)營4 a后,2009年6月)NDVI值大多分布在0.257左右(見表1)。相較隧道建設(shè)前,建設(shè)中的頻度曲線曲峰降低約0.05。建設(shè)中與建設(shè)后頻度曲線的曲峰變化不大但往NDVI大的方向偏移,NDVIp增大約0.29,NDVIpr變寬(見圖2)。

表1 大學(xué)城隧道不同研究尺度NDVIp

圖1 大學(xué)城隧道建設(shè)前與建設(shè)中、建設(shè)中與建設(shè)后NDVI變化

圖2 大學(xué)城隧道建設(shè)前、建設(shè)中、建設(shè)后NDVI頻度曲線

3.2 不同研究尺度NDVI變化

大學(xué)城隧道3個時期土地利用情況及六類主要土地利用類型的NDVI頻度曲線如圖3。各期圖像針葉林、旱地的NDVI值均比較高,闊葉林、灌草地、水域和建設(shè)用地的NDVI值較低。隧道建設(shè)前至施工1a后,旱地、針葉林、雜木林和灌草地的NDVIp變化為上升,針葉林、水域和建設(shè)用地NDVIp下降,其中水域變化最為顯著(-0.293)。究其原因,可能是隧道建設(shè)產(chǎn)生的涌水使地表泉眼水位下降甚至疏干。這一點(diǎn)較符合原住民訪問和專家咨詢情況,同時,眾多對巖溶地區(qū)包括渝襄線歌樂山隧道、中梁山隧道等的地下水研究都反映,地表泉眼多因施工涌水而被疏干。隧道建設(shè)中至建設(shè)后階段,除雜木林生境有輕微變差外,其余生境NDVIp均呈現(xiàn)上升,說明隧道營運(yùn)期間所有地類的生境質(zhì)量基本沒有改變或變好,隧道運(yùn)營并沒有對地類尺度上的生境質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

圖3 大學(xué)城隧道建設(shè)前、建設(shè)中、建設(shè)后土地利用情況及NDVI頻度曲線

建設(shè)前各種地類分布規(guī)律明顯,有較好的分離度,除針葉林和旱地外其余頻度曲線不重疊。建設(shè)中,不同地類的特征差異減小,針葉林、旱地和建設(shè)用地,建設(shè)用地、闊葉林與灌草地的NDVI有一定重疊,說明它們的區(qū)分能力下降。建設(shè)后,針葉林、旱地和建設(shè)用地,闊葉林、灌木林和建設(shè)用地重疊較多,說明在隧道建成運(yùn)營后,闊葉林、灌木林與建設(shè)用地的邊界受干擾趨于模糊,針葉林、旱地和建設(shè)用地受干擾而混合。

大學(xué)城隧道3個時期四類水文地質(zhì)類型NDVI頻度曲線如圖4所示。大學(xué)城隧區(qū)屬于沙坪壩區(qū)中梁山背斜山地區(qū)地貌,有著“一山三嶺兩槽”的地貌特征。其中裸露型巖溶中度發(fā)育類型對應(yīng)中央山嶺,裸露型巖溶強(qiáng)烈發(fā)育類型對應(yīng)兩槽。兩槽區(qū)歷來有集鎮(zhèn)分布,是隧址區(qū)的主要生產(chǎn)生活區(qū),中央山嶺有聯(lián)結(jié)兩槽的通道,受人為開墾現(xiàn)象也較重。根據(jù)水文地質(zhì)圖件和重慶師范大學(xué)的基礎(chǔ)研究資料,大學(xué)城隧區(qū)的泉眼主要分布在這兩個類型內(nèi),尤其是裸露型巖溶強(qiáng)烈發(fā)育類型區(qū)。碎屑巖孔隙裂隙層間水類型分布與“一山三嶺兩槽”地貌中的兩側(cè)山嶺基本對應(yīng),是自然植被最茂盛的地區(qū)。砂巖裂隙層間水兼風(fēng)化裂隙水類型分布于山體兩側(cè)山腳區(qū),面積較小,且靠近城區(qū)。

圖4 大學(xué)城隧道建設(shè)前、建設(shè)中、建設(shè)后各水文地質(zhì)類型NDVI頻度曲線

各期圖像均是碎屑巖孔隙裂隙層間水類型的NDVI值最高,砂巖裂隙層間水兼風(fēng)化裂隙水類型最低,與實(shí)際情況相符。砂巖裂隙層間水兼風(fēng)化裂隙水類型位于山腳區(qū),由于坡度緩且靠近城區(qū),多被開發(fā)利用為建設(shè)用地,碎屑巖孔隙裂隙層間水類型是兩側(cè)的山嶺,是植被分布最茂密的地區(qū),且影像成像時間為9-10月,所以NDVI值高;裸露型巖溶強(qiáng)烈發(fā)育類型是兩槽區(qū),歷來是人口密集區(qū),也有一定旱地,裸露型巖溶中度發(fā)育類型山脊雖是中央山嶺,但受到兩槽居民開墾和建設(shè)活動影響大,因而這兩類的NDVI值居中。

由表1數(shù)據(jù)可見,隧道建設(shè)前至施工1 a后,四種水文地質(zhì)類型中,除碎屑巖孔隙裂隙層間水類型NDVIp上升較小外(0.004),其余三種類型的NDVIp均有較大的上升,從大到小分別是:砂巖裂隙層間水兼風(fēng)化裂隙水類型>裸露型巖溶中度發(fā)育類型>裸露型巖溶強(qiáng)烈發(fā)育類型。四種水文地質(zhì)類型的NDVIp值上升區(qū)間上的差異,反映了越自然的地區(qū)生境質(zhì)量越穩(wěn)定,受人工干擾越強(qiáng)烈的地區(qū)生境質(zhì)量變化越大。而四種水文地質(zhì)類型的NDVIp值均上升,說明雖然大學(xué)城隧道施工中產(chǎn)生了大量涌水,地表有泉水漏失現(xiàn)象,但并沒有對各類水文地質(zhì)類型上的整體生境質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

從隧道施工1 a后至隧道運(yùn)營4 a后,除碎屑巖孔隙裂隙層間水類型NDVIp有較小的下降外(-0.025),其余類型均有明顯的上升,從大到小分別是:砂巖裂隙層間水兼風(fēng)化裂隙水類型>裸露型巖溶強(qiáng)烈發(fā)育類型>裸露型巖溶中度發(fā)育類型。同樣說明,越自然的地區(qū)生境質(zhì)量越穩(wěn)定,輕微變化可能受成像季節(jié)因素影響。整體來看,大學(xué)城隧道營運(yùn)期,并沒有對各類水文地質(zhì)類型上的整體生境質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。同時,各類型上升區(qū)間上的差異與施工中的差異相同,進(jìn)一步反映了在水文地質(zhì)類型尺度上,受人工干擾越強(qiáng)烈的地質(zhì)類型,生境質(zhì)量越不穩(wěn)定,變化越大。

4 結(jié)論

大學(xué)城隧道建設(shè)前后,隧道區(qū)整體生境質(zhì)量發(fā)生了變化。從地類尺度上的NDVI來分析,隧道施工期產(chǎn)生的涌水對地表水域的生境質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響,而隧道營運(yùn)期并沒有對各類地類的生境質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。從更大范圍的水文地質(zhì)尺度上進(jìn)行分析,雖然大學(xué)城隧道施工中產(chǎn)生了涌水,地表有泉水漏失現(xiàn)象,但無論是施工期,還是營運(yùn)期,都沒有因隧道建設(shè)使各類水文地質(zhì)類型上的生境質(zhì)量發(fā)生退化。同時,針對各水文地質(zhì)類型上的生境質(zhì)量,受人工干擾越強(qiáng)烈的地質(zhì)類型區(qū)域,生境質(zhì)量越不穩(wěn)定,因隧道建設(shè)產(chǎn)生的變化越明顯,即人工干擾通常是各時相生境質(zhì)量變化的主要驅(qū)動力。