5.12汶川地震重災(zāi)區(qū)土地利用變化遙感監(jiān)測與分析

羅慧娟，黃詩峰，臧文斌，李小濤

（中國水利水電科學(xué)研究院 遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100048）

1 研究背景

2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震不僅造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，地震及其引發(fā)的滑坡、泥石流等次生災(zāi)害還破壞了生態(tài)系統(tǒng)，毀壞了大量林地、耕地和城鎮(zhèn)用地，使災(zāi)區(qū)土地利用類型發(fā)生極大變化。震后重建工作的開展，不僅使地震災(zāi)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平得到一定的恢復(fù)和發(fā)展，也改善了災(zāi)區(qū)的生態(tài)環(huán)境，使毀壞土地利用得到一定的恢復(fù)。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，憑借其快速、準(zhǔn)確等優(yōu)勢，基于遙感和GIS技術(shù)的災(zāi)害監(jiān)測和評估的應(yīng)用越來越多。遙感技術(shù)在5.12汶川大地震的災(zāi)情監(jiān)測與評估中也發(fā)揮了不可替代的作用。如邵蕓等［1］利用多源多時(shí)相高分辨率雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，對汶川地震災(zāi)區(qū)各城鎮(zhèn)和次生災(zāi)害進(jìn)行了快速、系統(tǒng)、連續(xù)的監(jiān)測，并根據(jù)雷達(dá)圖像特征對房屋損毀情況、滑坡和堰塞湖的分布與規(guī)模等進(jìn)行了快速定量評估，建立了相應(yīng)的解譯標(biāo)志。陳世榮等［2］利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像對汶川地震災(zāi)區(qū)20個(gè)縣（市、區(qū)）國/省道基礎(chǔ)設(shè)施損毀情況進(jìn)行評估，研究結(jié)果表明汶川、北川等6個(gè)縣道路重度損毀。除了利用遙感技術(shù)對災(zāi)情進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測，利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測地震前后土地利用的變化，分析災(zāi)害對地表土地利用和生態(tài)環(huán)境的影響，對科學(xué)減災(zāi)、災(zāi)后重建及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有非常重要的意義。目前，對5.12汶川地震的土地利用監(jiān)測工作已經(jīng)有一些成果，如倪忠云等［3］采用分塊分類法，對都江堰地區(qū)5.12汶川地震前后的土地利用進(jìn)行分類，得到都江堰在地震中的災(zāi)毀分布情況。高慧等［4］基于景觀格局理論，對綿竹市北部山區(qū)5.12汶川地震前后的遙感影像進(jìn)行土地利用分類的遙感解譯，研究表明地震后景觀類型間的連通性、聚集度變小。王文杰等［5］利用遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)，研究了汶川地震對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，地震對災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，災(zāi)區(qū)因地表破壞、水土流失加劇導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)承載力下降，生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到影響。范建容等［6］利用遙感影像對北川縣唐家山地區(qū)的地震次生災(zāi)害毀壞耕地進(jìn)行快速評估，研究結(jié)果表明崩塌滑坡、被毀耕地分布與斷裂帶分布一致。莊建琦等［7］以重災(zāi)區(qū)都汶公路沿線為研究對象，利用遙感影像解譯和土地利用資料，探討了地震引發(fā)的崩塌、滑坡等次生山地災(zāi)害對土地利用的破壞方式和特征，研究表明在各種土地利用類型中，淤埋破壞是最主要的破壞形式。

針對目前汶川地震土地利用變化的相關(guān)研究主要集中在人口較多的縣市，監(jiān)測方式也主要以地震發(fā)生前后的對比，而對重災(zāi)區(qū)大范圍的土地利用監(jiān)測和災(zāi)后植被恢復(fù)情況的監(jiān)測較少。鑒于此，本文采用2008年震前、震后及2010年三期遙感影像對5.12汶川地震重災(zāi)區(qū)8個(gè)縣市的土地利用變化進(jìn)行調(diào)查，分析地震對災(zāi)區(qū)土地利用的破壞情況及震后恢復(fù)情況。

2 研究區(qū)概況

5.12 汶川地震屬于淺源地震，地震影響范圍廣，全國有26個(gè)省市出現(xiàn)不同程度的震感，其中以四川、陜西和甘肅三省災(zāi)情最為嚴(yán)重。本文選取地震受災(zāi)最為嚴(yán)重的四川省八個(gè)縣市為研究區(qū)，包括汶川縣、北川縣、綿竹市、都江堰市、什邡市、安縣、彭州市和茂縣，總面積約17 000km2。研究區(qū)內(nèi)地勢西高東低，西北部屬于龍門山地區(qū)，東南部處于成都平原，區(qū)域內(nèi)最高海拔6 125m，最低處487m，相對高差5 638m。西北部山區(qū)土地利用類型以林地和草地為主，東南部平原以農(nóng)田和城鎮(zhèn)用地為主。地處亞熱帶濕潤和半濕潤氣候帶，研究區(qū)氣候較為潮濕。研究區(qū)范圍如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)選取為了監(jiān)測研究區(qū)地震前后土地利用變化情況，震前2008年采用2期Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)，震后2008年采用1期Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)和1期CBERS-02星CCD影像數(shù)據(jù)，以及2010年采用2期Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)。輔助數(shù)據(jù)還包括SRTM 90m分辨率原始高程數(shù)據(jù)及四川省行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)情況見表1。

表1 土地利用監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇情況

3.2 土地利用分類體系的確定本文土地利用分類體系采用中國科學(xué)院在“國家科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程—地球系統(tǒng)科學(xué)共享網(wǎng)”支持下建立的“中國1∶25萬土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫”所采用的基于陸地生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)的遙感土地覆蓋分類系統(tǒng)，包括森林、草地、農(nóng)田、聚落、濕地與水體、荒漠等6個(gè)一級類型，各類型具體含義見表2。

表2 土地利用分類體系

3.3 數(shù)據(jù)處理及研究方法

3.3.1 遙感圖像預(yù)處理 遙感圖像的預(yù)處理過程主要包括影像的校正和配準(zhǔn)、波段融合、影像拼接及裁剪?？紤]到土地利用類型在光譜3、4、5波段的區(qū)分性較好，為減少數(shù)據(jù)的冗余，在對圖像做前期處理時(shí)，只選擇其3、4、5波段組合作為土地利用分類的特征波段，以提高圖像分類處理速度及處理效果。由于2008年震后數(shù)據(jù)結(jié)合Landsat ETM+和CBERS-02衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)，考慮到兩種影像成像特征不同，對兩種影像采用同一分類體系及分類方法分別進(jìn)行土地利用分類，再進(jìn)行分類結(jié)果融合。

3.3.2 土地利用分類方法 研究區(qū)90%的地面高程在1 000m以上，屬于中高山區(qū)。為提高分類精度，本文參考王劍等人［8］在對位于中國西南地區(qū)的漾濞江流域做土地利用分類時(shí)所采用的多步驟分層分類方法，該方法在地形地貌復(fù)雜的山區(qū)有較好的應(yīng)用。

具體的分類方法為：首先利用傳統(tǒng)的監(jiān)督分類法對影像進(jìn)行一次土地利用分類，將整個(gè)研究區(qū)影像分為水體、植被覆蓋和其他3個(gè)大類，其中植被覆蓋類包含森林、草地和農(nóng)田3種土地利用類型，其他類包含聚落和荒漠兩種土地利用類型；其次，在一次分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，再對每一大類進(jìn)行二次土地利用分類。方法流程見圖2。

以震前2008年4月的土地利用分類結(jié)果為例，對照研究區(qū)原始影像，利用ERDAS軟件隨機(jī)在每種土地利用類型分類結(jié)果中產(chǎn)生30個(gè)樣本，采用目視判讀的方法對分類結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)。分類精度評價(jià)結(jié)果表明：多步驟分層分類法的總體分類精度達(dá)到80.3%；對照傳統(tǒng)監(jiān)督分類法，分類精度僅為70.9%，其中最大分類誤差來自森林草地誤分為水體和荒漠。由此可見，改進(jìn)后的多步驟分層土地利用分類方法，在山丘區(qū)能夠提高土地利用分類精度，有效避免混合像元的誤分。

4 結(jié)果分析

4.1 研究區(qū)土地利用分類結(jié)果采用上述研究方法，對2008年震前、2008年震后及2010年三期遙感影像進(jìn)行土地利用分類，結(jié)果如圖3所示。

4.2 2008年汶川地震前后土地利用變化分析利用GIS技術(shù)對研究區(qū)2008年地震前后土地利用分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3和圖4。

表3 研究區(qū)地震前后土地利用分類統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)震前的土地利用類型以森林和草地居多，主要分布在西部山丘區(qū)，符合山地丘陵區(qū)的植被覆蓋情況；東部平原地帶以農(nóng)田和聚落為主，山區(qū)內(nèi)沿河谷地帶也散落分布一些城鎮(zhèn)，如汶川縣。

5.12 汶川地震發(fā)生后，研究區(qū)森林覆蓋面積從震前9 718km2下降到震后的7 443km2，面積比率下降14%，草地面積增加2 266km2，面積比率上升13%，山丘區(qū)森林和草地總覆蓋面積比率降低了1%；平原區(qū)農(nóng)田和聚落面積比率由震前的29%降低到震后的24%，荒漠面積增加674km2，面積比率上升4%。利用GIS技術(shù)，推求研究區(qū)地震前后的土地利用變化矩陣，再疊加區(qū)域的坡度信息，可以看到（見圖4），地震前后荒漠面積變化主要集中在坡度15°～35°的較陡坡和陡坡地區(qū)，以森林、草地及聚落變化為荒漠的面積最多，分別是466km2，61km2和74km2，占震后總荒漠面積的66%、9%和11%。震后荒漠面積的分布主要沿龍門山脈，這是由于龍門山構(gòu)造帶的擠壓膨脹，釋放的巨大能量破壞了較高海拔的植被，使地表裸露，導(dǎo)致在遙感圖像上直觀表現(xiàn)為裸土面積的增加。受地震及其引發(fā)的滑坡泥石流影響，河谷地帶的聚落及農(nóng)田也遭受了很大的破壞，導(dǎo)致這些地區(qū)的土地利用類型向荒漠類型轉(zhuǎn)變。同時(shí)，地震及其引發(fā)的滑坡等次生災(zāi)害也導(dǎo)致山丘區(qū)森林覆蓋類型向草地覆蓋類型轉(zhuǎn)變。相對來說，平原區(qū)因海拔較低，除較大水域區(qū)及部分聚落區(qū)受地震影響出現(xiàn)部分面積轉(zhuǎn)為荒漠外，其他地區(qū)受地震的影響較小。

4.3 2008年震后到2010年土地利用恢復(fù)情況分析

震后研究區(qū)土地利用分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，見表4和圖5，森林面積由2008年地震后的7 443km2增加到7 588km2，增加了145km2；草地面積減少了618km2，面積降低14%；震后農(nóng)田面積比率由2008年地震后的18%增加到20%，面積提高12%；聚落面積比率由地震后的6%增加到10%，面積增加72%；荒漠面積有了明顯的降低，面積減少61%，減少了428km2。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，汶川地震發(fā)生后兩年內(nèi)，研究區(qū)森林覆蓋面積有一定增加，草地面積有所降低，植被覆蓋類型向農(nóng)田和聚落類型轉(zhuǎn)變，總覆蓋面積有一定的減少。除此之外，農(nóng)田和聚落面積有了明顯的增加，從地理位置分布來看，增加的聚落和農(nóng)田主要分布在沿河流的低谷地區(qū)。分析表明，經(jīng)過地震后兩年的恢復(fù)期，汶川地震重災(zāi)區(qū)的土地利用有了比較明顯的恢復(fù)。由于研究區(qū)處于濕潤半濕潤氣候帶，氣候較為潮濕，加上汶川地震后該地區(qū)降雨量較高，使山丘區(qū)森林覆蓋類型有了較快的恢復(fù)。同時(shí)，在災(zāi)后重建工作的大力推行下，災(zāi)區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平有了較大的恢復(fù)和發(fā)展，這是農(nóng)田和聚落面積快速增加的主要原因。

表4 研究區(qū)地震后土地利用統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

以汶川地震重災(zāi)區(qū)8縣市為例，利用遙感和GIS技術(shù)，采用多步驟分層分類方法對研究區(qū)域2008年地震前后及震后2010年土地利用信息進(jìn)行提取分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）遙感和GIS技術(shù)的結(jié)合，是提取大范圍區(qū)域土地利用信息非常有效的方式。尤其在資料缺乏地區(qū)，遙感技術(shù)更降低了災(zāi)情評估難度。同時(shí)遙感數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確等優(yōu)勢，有利于對災(zāi)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和評估，對災(zāi)后土地利用恢復(fù)情況的把握對于災(zāi)后重建工作具有重要的指導(dǎo)意義。

（2）利用多步驟分層分類法在山丘區(qū)進(jìn)行土地利用分類，能有效避免混合像元的誤分，提高分類精度。

（3）通過對汶川地震重災(zāi)區(qū)地震前后土地利用變化情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地震對山丘區(qū)植被覆蓋影響較大，在較陡坡和陡坡山地，地震及其引發(fā)的次生災(zāi)害導(dǎo)致植被覆蓋面積降低，荒漠面積增加，森林覆蓋類型向草地覆蓋類型轉(zhuǎn)變；平原地區(qū)受地震影響較小，但也有部分聚落和水體受地震影響變化為荒漠。

（4）通過對研究區(qū)地震后2008年和2010年土地利用變化情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩年內(nèi)汶川地震重災(zāi)區(qū)土地利用出現(xiàn)較為明顯的恢復(fù)：森林覆蓋面積有所提高，植被覆蓋類型向農(nóng)田和聚落類型轉(zhuǎn)變；受災(zāi)后重建工作的推動(dòng)，農(nóng)田和聚落面積有了明顯的增加。

［1］邵蕓，宮華澤，王世昂，等.多源雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)汶川地震災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測與評價(jià)［J］.遙感學(xué)報(bào)，2008（12）：865-870.

［2］陳世榮，馬海建，范一大，等.基于高分辨率遙感影像的汶川地震道路損毀評估［J］.遙感學(xué)報(bào)，2008（12）：949-955.

［3］倪忠云，何政偉，趙銀兵，等.都江堰震后土地利用.覆被變化信息提取方法研究［J］.國土資源遙感，2010（1）：73-76.

［4］高慧，何政偉，倪忠云，等.綿竹市北部山區(qū)震后土地利用景觀格局變化研究［J］.國土資源遙感，2010（2）：97-101.

［5］王文杰，潘英姿，徐衛(wèi)華，等.四川汶川地震對生態(tài)系統(tǒng)破壞及其生態(tài)影響分析［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2008（21）：110-116.

［6］范建榮，張建強(qiáng)，田兵偉，等.汶川地震次生災(zāi)害毀壞耕地的遙感快速評估方法——以北川縣唐家山地區(qū)為例［J］.遙感學(xué)報(bào)，2008（12）：917-924.

［7］莊建琦，葛永剛.5.12汶川地震對都汶公路（G213）沿線土地破壞及損失評價(jià)［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2009，28（2）：7-11.

［8］王劍，徐美，曾和平，葉霞.遙感技術(shù)在土地利用分類中的應(yīng)用［J］.滄州師范?？茖W(xué)校校報(bào)，2010，26（2）：107-109.

［9］曹雪，柯長青.基于TM影像的南京市土地利用遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2006，31（11）：958-961.

［10］申克建，周偉，袁春，等.CBERS-02星CCD數(shù)據(jù)土地利用分類方法研究——以江蘇省宜興地區(qū)為例［J］.遙感應(yīng)用，2009（2）：71-75.

［11］術(shù)洪磊，毛贊猷.GIS輔助下的基于知識(shí)的遙感影像分類方法研究—以土地覆蓋/土地利用類型為例［J］.測繪學(xué)報(bào)，1997（4）：328-336.

［12］張佩芳，鄧喜慶，劉桂青.多尺度空間下的云南山地流域遙感土地利用分類對比研究［J］.國土資源遙感，2007（3）：89-93.

［13］王樂，何政偉，倪忠云，等.基于分形理論的汶川縣震后土地利用類型變異分析［J］.資源與人居環(huán)境，2010（2）：36-39.

［14］梁英麗，楊武年.基于遙感技術(shù)的土地利用/土地覆蓋信息提取——以四川省眉山市青神縣為例［J］.測繪，2010，33（2）：76-79.