基于遥感数据的隧道地表NDVI格局与生境质量动态变化研究——以重庆市大学城隧道为例

郑 炜,魏 涛,张华君,李瑞年,牛玉珍,王秀丽

(1.四川水利职业技术学院,四川 崇州 611231;2.成都水生态文明建设研究重点基地,四川 崇州 611231;3.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067;4. 四川大学建筑与环境学院,成都 610042)

0 引言

中国地形地貌复杂多样,山区占国土面积的2/3[1]。修建隧道能够合理利用土地资源、缩短行程、节约成本,有助于推动社会进步[2]。因此,近年来我国隧道工程建设达到了前所未有的发展速度[3]。截至2016年,我国隧道工程数量及建设规模已跃居世界第一[4],至2022年底,我国投入运营的铁路隧道17 873 座,总长21 978 km,另有在建铁路隧道3 025座和规划铁路隧道5 376座[5]。

随着我国隧道工程建设规模的增大,以及生态文明思想的普及,隧道工程对生态环境的不利影响也越来越受到重视,包括施工时的水土流失、植被破坏、隧道废渣,以及对地下水动态平衡的破坏等[1,6-7]。传统的生态环境监测存在数据更新困难、监测数据缺乏空间分布信息、实时性差等问题[7],而遥感技术具有分辨率高、连续性强、覆盖范围大、成本低、时效性强、信息量大、可比性强、数据客观真实等优势[2,7-9],近年来被广泛应用于生态环境监测[8,10]、环境影响评价[11]等领域。采用遥感技术对山区隧道生态环境的动态变化进行分析是可行性好、经济效益高的一种选择。

植被条件的好坏与生态环境密切相关,同时,植被又是遥感观测、记录的第一表层,它能在某种程度上反映某区域在地质、人为、气候等因素作用下的下垫面情况,因而,利用对植被的分析能反映生态环境的变化情况[12]。作为一种重要的大空间尺度植被信息检测手段, 归一化植被指数( Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)以其快捷准确的特点已在农业估产、植被覆盖密度评价、森林面积估算等方面得到了较广泛的应用,它是植被生长状态和植被覆盖度的最佳指示因子[13-14]。NDVI既可以反映不同地类的信息,又可以判断同种地类具有不同密度和不同长势的植被特征差异,弥补单纯的遥感分类只能说明量的变化,无法说明质的变化的不足[15-17]。

基于遥感影像计算NDVI分析隧道工程的生态环境影响在国内外已进行了大量的工作并取得了丰富的成果,但针对同一地区多条隧道交叉影响或二次影响的相关研究仍然处于起步阶段[18]。随着我国经济发展,对隧道的需求增长迅速,包括单线隧道改建、扩建、复建隧道数量逐渐增加,在同一地区重复修建隧道的情况也愈加普遍。利用遥感技术分析二次影响下隧道地表植被生长动态变化特征能够为隧道工程提供生态环境保护的科学参考。

1 项目概况

中梁山山脉位于重庆市西南地区,紧挨歌乐山山脉与缙云山山脉,海拔高程480～640 m,位于亚热带温湿季风气候区,具有气温高、雨量大、光照比较少和空气湿度大等特征。目前中梁山区域已建有十余条隧道,最早的为1971年开始修建,1978年开始运营的襄渝铁路中梁山隧道(简称中梁山隧道)。由于施工条件限制,隧道排水采用“以排为主”的方式,对2 km范围内的地下水影响显著,引起大面积的地面沉降和塌陷,地下水位恢复情况差,隧道开挖后形成的降落漏斗范围较大,对地表自然环境的影响亦较大[18]。在中梁山隧道北侧200 m,2002-2006年修建渝遂高速公路大学城隧道(简称大学城隧道)。由于技术进步,隧道排水采用“以堵为主,限量排放”的方式,但修建期间水文监测资料收集不完整,对环境的影响不确定,至今大学城隧道仍有地下水流出,并已成为附近居民的生活用水来源之一。

2 研究方法

2.1 数据收集

通过对存档的卫星影像数据进行查询,综合考虑分辨率、影像质量、拍摄时间处于植被生长茂盛的季节且尽量一致等因素,最终选用IKONOS卫星提供的2 m×2 m遥感数据,分别选取研究区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设前、建设中和建设后的情况。

2.2 数据预处理

(1) 影像预处理

利用ERDAS IMAGINE 9.2遥感处理软件,对3个时相的影像在同一坐标系下进行几何校正和定位登记。根据前人研究成果,隧道修建可能造成山顶泉水和地表水的漏失,影响范围为线路中心线两侧各3 km的范围。因此,本研究以大学城隧道两侧3 km作为研究区域,裁剪出研究所需影像。

(2) 土地利用类型划分提取

根据研究区实际,划分旱地、针叶林、阔叶林(多为杂木林)、灌草地、水域、建设用地等六类土地利用类型。

(3) 水文地质类型划分提取

根据研究区实际,划分裸露型岩溶中度发育、裸露型岩溶强烈发育、碎屑岩孔隙层间水、砂岩裂隙层间水兼风化裂隙水等四类水文地质类型。

2.3 NDVI变化曲线提取

与计算研究区NDVI均值相比,研究不同时段和不同空间尺度的NDVI分布格局及其变化特征,有助于把握生境质量的变化特征并判断分析可能的各种外界影响因素[19]。

(1)利用ERDAS的建模功能计算三个时期的NDVI影像(精度2 m×2 m),公式如下:

式中,NDVI为归一化植被指数,计算结果在-1到1之间。NDVI的值越大,表示植被的长势越好,密度越大,反之则表示植被长势欠佳,较为稀疏。NIR为近红外波段,RED为红外波段。

(2) 根据各NDVI值对应的像元数量占所有像元的百分比,并将像元百分比与对应的NDVI值作图,得到大学城隧道3个时期的NDVI频度曲线。以像元百分比峰值所对应的NDVI(NDVIp)和峰值区间所对应的NDVI区间(NDVIpr)对NDVI频度曲线的特征进行定量描述和分析,其中NDVIp反映了位置特征,NDVIpr反映了集中程度[19]。

(3) 根据土地利用类型划分和水文地质类型划分,分别计算NDVI频度曲线和NDVIp。

3 结果与分析

3.1 NDVI时序变化

大学城隧道3个时期的NDVI变化如图1。隧道建设前(2002年9月)影像的NDVI值大多分布在-0.035左右,隧道建设中(施工1 a后,2004年10月)NDVI值也是大多分布在-0.035左右,而隧道建设后(运营4 a后,2009年6月)NDVI值大多分布在0.257左右(见表1)。相较隧道建设前,建设中的频度曲线曲峰降低约0.05。建设中与建设后频度曲线的曲峰变化不大但往NDVI大的方向偏移,NDVIp增大约0.29,NDVIpr变宽(见图2)。

表1 大学城隧道不同研究尺度NDVIp

图1 大学城隧道建设前与建设中、建设中与建设后NDVI变化

图2 大学城隧道建设前、建设中、建设后NDVI频度曲线

3.2 不同研究尺度NDVI变化

大学城隧道3个时期土地利用情况及六类主要土地利用类型的NDVI频度曲线如图3。各期图像针叶林、旱地的NDVI值均比较高,阔叶林、灌草地、水域和建设用地的NDVI值较低。隧道建设前至施工1a后,旱地、针叶林、杂木林和灌草地的NDVIp变化为上升,针叶林、水域和建设用地NDVIp下降,其中水域变化最为显著(-0.293)。究其原因,可能是隧道建设产生的涌水使地表泉眼水位下降甚至疏干。这一点较符合原住民访问和专家咨询情况,同时,众多对岩溶地区包括渝襄线歌乐山隧道、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。隧道建设中至建设后阶段,除杂木林生境有轻微变差外,其余生境NDVIp均呈现上升,说明隧道营运期间所有地类的生境质量基本没有改变或变好,隧道运营并没有对地类尺度上的生境质量产生不良影响。

图3 大学城隧道建设前、建设中、建设后土地利用情况及NDVI频度曲线

建设前各种地类分布规律明显,有较好的分离度,除针叶林和旱地外其余频度曲线不重叠。建设中,不同地类的特征差异减小,针叶林、旱地和建设用地,建设用地、阔叶林与灌草地的NDVI有一定重叠,说明它们的区分能力下降。建设后,针叶林、旱地和建设用地,阔叶林、灌木林和建设用地重叠较多,说明在隧道建成运营后,阔叶林、灌木林与建设用地的边界受干扰趋于模糊,针叶林、旱地和建设用地受干扰而混合。

大学城隧道3个时期四类水文地质类型NDVI频度曲线如图4所示。大学城隧区属于沙坪坝区中梁山背斜山地区地貌,有着“一山三岭两槽”的地貌特征。其中裸露型岩溶中度发育类型对应中央山岭,裸露型岩溶强烈发育类型对应两槽。两槽区历来有集镇分布,是隧址区的主要生产生活区,中央山岭有联结两槽的通道,受人为开垦现象也较重。根据水文地质图件和重庆师范大学的基础研究资料,大学城隧区的泉眼主要分布在这两个类型内,尤其是裸露型岩溶强烈发育类型区。碎屑岩孔隙裂隙层间水类型分布与“一山三岭两槽”地貌中的两侧山岭基本对应,是自然植被最茂盛的地区。砂岩裂隙层间水兼风化裂隙水类型分布于山体两侧山脚区,面积较小,且靠近城区。

图4 大学城隧道建设前、建设中、建设后各水文地质类型NDVI频度曲线

各期图像均是碎屑岩孔隙裂隙层间水类型的NDVI值最高,砂岩裂隙层间水兼风化裂隙水类型最低,与实际情况相符。砂岩裂隙层间水兼风化裂隙水类型位于山脚区,由于坡度缓且靠近城区,多被开发利用为建设用地,碎屑岩孔隙裂隙层间水类型是两侧的山岭,是植被分布最茂密的地区,且影像成像时间为9-10月,所以NDVI值高;裸露型岩溶强烈发育类型是两槽区,历来是人口密集区,也有一定旱地,裸露型岩溶中度发育类型山脊虽是中央山岭,但受到两槽居民开垦和建设活动影响大,因而这两类的NDVI值居中。

由表1数据可见,隧道建设前至施工1 a后,四种水文地质类型中,除碎屑岩孔隙裂隙层间水类型NDVIp上升较小外(0.004),其余三种类型的NDVIp均有较大的上升,从大到小分别是:砂岩裂隙层间水兼风化裂隙水类型>裸露型岩溶中度发育类型>裸露型岩溶强烈发育类型。四种水文地质类型的NDVIp值上升区间上的差异,反映了越自然的地区生境质量越稳定,受人工干扰越强烈的地区生境质量变化越大。而四种水文地质类型的NDVIp值均上升,说明虽然大学城隧道施工中产生了大量涌水,地表有泉水漏失现象,但并没有对各类水文地质类型上的整体生境质量产生不良影响。

从隧道施工1 a后至隧道运营4 a后,除碎屑岩孔隙裂隙层间水类型NDVIp有较小的下降外(-0.025),其余类型均有明显的上升,从大到小分别是:砂岩裂隙层间水兼风化裂隙水类型>裸露型岩溶强烈发育类型>裸露型岩溶中度发育类型。同样说明,越自然的地区生境质量越稳定,轻微变化可能受成像季节因素影响。整体来看,大学城隧道营运期,并没有对各类水文地质类型上的整体生境质量产生不良影响。同时,各类型上升区间上的差异与施工中的差异相同,进一步反映了在水文地质类型尺度上,受人工干扰越强烈的地质类型,生境质量越不稳定,变化越大。

4 结论

大学城隧道建设前后,隧道区整体生境质量发生了变化。从地类尺度上的NDVI来分析,隧道施工期产生的涌水对地表水域的生境质量产生了一定的影响,而隧道营运期并没有对各类地类的生境质量产生不良影响。从更大范围的水文地质尺度上进行分析,虽然大学城隧道施工中产生了涌水,地表有泉水漏失现象,但无论是施工期,还是营运期,都没有因隧道建设使各类水文地质类型上的生境质量发生退化。同时,针对各水文地质类型上的生境质量,受人工干扰越强烈的地质类型区域,生境质量越不稳定,因隧道建设产生的变化越明显,即人工干扰通常是各时相生境质量变化的主要驱动力。