基于遙感數(shù)據(jù)的在建隧道地表生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化分析
——以廣東省大豐華高速鴻圖隧道為例

尹利君，王 瑾，陳 沛，羅秋宏

(1.廣東省有色礦山地質(zhì)災(zāi)害防治中心，廣東 廣州 510080；2.廣東省南粵交通大豐華高速公路管理處，廣東 梅州 514300；3.廣東金東建設(shè)工程公司，廣東 廣州 510080)

0 引言

隧道是山區(qū)高等級公路建設(shè)中常見的大型工程，修建隧道能夠合理利用土地資源、縮短行程、節(jié)約成本等，然而深埋隧道涌突水對生態(tài)環(huán)境具有較大的影響，地下水若大量或長時間由隧道排出，將可能導(dǎo)致地下水位下降從而可能引起當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境惡化[1-4]。生態(tài)環(huán)境保護(hù)是我國環(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容之一，因此，研究隧道地表生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化具有重要的現(xiàn)實意義[5-6]。

針對此問題，有學(xué)者在廢棄物、水土保持、地下水和污染等方面探討了隧道對周圍環(huán)境的影響機(jī)制[7-11]。但對地表生態(tài)環(huán)境影響方面研究的較少[12]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其在生態(tài)環(huán)境研究方面逐步得到應(yīng)用[13-15]。遙感圖像具有高分辨率、寬覆蓋、高質(zhì)量成像、高效能成像、國產(chǎn)化率高等特點，其圖像數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和減災(zāi)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，尤其是最近幾年被廣泛用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測保護(hù)方面，如在云南碧雞關(guān)隧道、重慶中梁山隧道和青藏公路格爾木至拉薩段工程的地表生態(tài)環(huán)境方面研究取得了豐富的成果[16-18]。

廣東省梅州市大豐華高速公路鴻圖隧道地質(zhì)及水文條件極為復(fù)雜，施工期間最大涌水量達(dá)104m3/d以上，分析隧道施工對周邊環(huán)境的影響具有重要的研究意義。基于此，運用遙感技術(shù)對隧址區(qū)隧道建設(shè)前、中與營運后三個階段的地表環(huán)境進(jìn)行研究，通過人機(jī)交互式遙感解譯，獲取各期影像的地表覆蓋分類信息，在此基礎(chǔ)上揭示生態(tài)環(huán)境中的植被、水體、裸地及人類活動的動態(tài)演化規(guī)律，研究隧道建設(shè)過程中地表環(huán)境在時間和空間上的分布特征。

1 工程背景

鴻圖隧道位于廣東省豐順縣湯西鎮(zhèn)至五華縣郭田鎮(zhèn)之間，左右洞分別長6 335 m及6 332 m，地面標(biāo)高345～1 060 m，隧道底部設(shè)計標(biāo)高239～344 m，最大埋深約770 m，屬深埋特長山嶺隧道[19]。隧道地表分布飛泉水庫和黃棉湖水庫，隧道不僅穿越數(shù)條較大的地表溪流，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斜穿區(qū)域性北東向蓮花山斷裂帶，施工中多處出現(xiàn)突涌水，嚴(yán)重威脅隧道結(jié)構(gòu)安全及周邊生態(tài)環(huán)境，如圖1所示[20-21]。經(jīng)監(jiān)測，施工期間隧道最大排水量超104m3/d，連續(xù)數(shù)月達(dá)8～9萬 m3/d，隧道建設(shè)期總排水量約8×107m3，隧道竣工通車后，仍保持4～5萬 m3/d。長期排放地下水是否會打破隧址區(qū)及周邊多年來形成的水環(huán)境平衡，從而帶來一系列植被及地表水體的變化等生態(tài)環(huán)境問題[22]，將是本文研究的重點。

2 研究方法

2.1 理論基礎(chǔ)

遙感提供了反映地質(zhì)、地貌、水文、土壤、植被及社會生態(tài)等的綜合信息，由相互關(guān)聯(lián)的自然及社會現(xiàn)象所構(gòu)成的，組成元素包括空間分辨率、波普分辨率及時間分辨率。遙感解譯指從遙感圖像上獲取有用信息的基本過程。利用各種解譯標(biāo)志，據(jù)理論與經(jīng)驗，在遙感圖像上識別、分析地物和知識現(xiàn)象，揭示其性質(zhì)、運功規(guī)律及成因聯(lián)系。其中解譯分為目視解譯與計算機(jī)解譯兩種。

2.2 研究過程

通過遙感解譯，對隧道建設(shè)前、中和運營三個時間段，結(jié)合bigmap的三維立體模型分析，分析研究區(qū)較易監(jiān)測的主要地物類型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究區(qū)隧道地表的植被覆蓋指數(shù)、植被覆蓋度等相關(guān)指標(biāo)的反演，制定了大豐華高速公路鴻圖隧道地表植被環(huán)境的遙感監(jiān)測研究方法，具體步驟為

2.2.1 確定研究范圍

進(jìn)行野外調(diào)查，對研究區(qū)遙感影像的初步觀察研究，建立識別遙感影像上的地物分類，同時利用踏勘點的GPS定位坐標(biāo)進(jìn)行誤差校正。最后在ENVI軟件中對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理。

2.2.2 波段組合

受顯示條件的限制，本文所用的圖像為worldview2、Pleiades-1和高分六號衛(wèi)星影像三種。為提高實驗精度，在對圖像進(jìn)行分析時，采用不同的波段組合。如不同地物分類時使用432假彩色合成，綜合分析時采用321真彩色合成。

2.2.3 監(jiān)督分類

選用最大似然法進(jìn)行地物的分類。此外，利用高分影像的紅光和近紅外波段估算研究區(qū)隧道建設(shè)前、中、后期的不同植被指數(shù)大小。最后對不同衛(wèi)星、時段的影像選擇適當(dāng)?shù)姆椒▉磉M(jìn)行地表植被覆蓋度反演。

2.2.4 結(jié)果分析

據(jù)提取的地表植被覆蓋度結(jié)果揭示隧址區(qū)地表植被環(huán)境動態(tài)變演化機(jī)制。

3 實驗

鴻圖隧道于2019年開始施工，2021年1月貫通竣工。本次項目中所用的圖像為Pleiades、WorldView-2和高分六號衛(wèi)星影像三種，如表1所示。成像時間分別為隧道建設(shè)前Pleiades(2017年1月1日)、隧道建設(shè)中WorldView-2 (2019年12月11日)和建設(shè)后高分六號衛(wèi)星(2021年2月15日)。

經(jīng)過遙感影像預(yù)處理，裁剪出相等區(qū)域的隧道影像，對解譯區(qū)域的高分辨率影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、圖像融合、鑲嵌、大氣校正等處理，對于明顯有高低落差的山區(qū)影像，通過正射校正以減低地形對影像的影響，以滿足解譯精度要求。

本次采用Pleiades、WorldView-2和高分六號衛(wèi)星影像的藍(lán)、綠、紅、近紅外4個波段進(jìn)行波段組合。根據(jù)影像特征，即形狀、大小、陰影、色調(diào)、顏色、紋理、圖案、位置和布局建立起影像和實地目標(biāo)物之間的對應(yīng)關(guān)系。通過對研究區(qū)波段組合基礎(chǔ)遙感影像的詳細(xì)研究，結(jié)合bigmap的3維立體模型分析，劃分出4大類研究區(qū)主要的研究地物類型：植被覆蓋、水體、裸地、人類活動區(qū)域。其中植被主要包括林、灌、草；裸地主要包括沙地、坡耕地等，其覆蓋度可能因時間不同而發(fā)生變化；人類活動區(qū)域主要包括城鎮(zhèn)建筑、道路、工事等；水體主要包括河流、湖泊、池塘等，如圖2所示。

圖2 隧道修建前、施工中及運營一年后監(jiān)督分類結(jié)果對比

監(jiān)督分類后，對分類結(jié)果中四類指數(shù)(即自然植被覆蓋率、地表水體、裸地和人類活動范圍面積所占比例)進(jìn)行統(tǒng)計，如表2所示。本文利用歸一化植被指數(shù)和混合像元分解法植被厚度計算結(jié)果分析，得到遙感影像植被覆蓋度圖如圖3所示。對解譯成果經(jīng)過實地踏勘查證，隧道進(jìn)出口兩端主要為隧道建設(shè)形成的渣土、各類工程工地等人為導(dǎo)致綠地減少。涌水較大的區(qū)域分布于隧址區(qū)中-東部，經(jīng)實地調(diào)查，該區(qū)域未見有明顯的植物枯死和減少現(xiàn)象。

表2 分類結(jié)果四類指數(shù)統(tǒng)計表

圖3 衛(wèi)星遙感植被覆蓋度

4 結(jié)果分析

4.1 時間因素

圖2表明，對于鴻圖隧道在2017年、2019年到2021年三個時段內(nèi)，自然植被覆蓋面積和地表水體面積均是先增大后減小，裸地面積為逐年增加，人類活動范圍面積則是先減小再增加。如圖4所示，在隧道修建中，自然植被和地表水體面積的增加，說明隧道在修建過程中并沒有對隧址區(qū)自然植被和地表水體帶來明顯影響。而隧道運營后，隧道進(jìn)出口兩端的自然植被和水體則出現(xiàn)減小是由于隧道口附近的各類邊坡、道路、棄石場及工業(yè)場地等人類活動影響所致。

圖4 監(jiān)督分類后各類地物分布面積對比圖

4.2 空間因素

圖3顯示，隧址區(qū)土地利用類型中，植被覆蓋類型范圍最廣，面積最大。其中植被覆蓋度從總體上看，以中度到中高度覆蓋植被為主。其等級分布具有明顯的空間異質(zhì)性，植被覆蓋度高的地區(qū)主要分布在隧址區(qū)中部及西南部；中度植被覆蓋度區(qū)域主要為中偏東部，西北部等；而隧址區(qū)東南部、西北部的植被覆蓋度有所降低，這主要是由于這些部分為人類活動范圍、地表水體分布所影響，并且中低植被覆蓋度區(qū)域具有逐年擴(kuò)大的趨勢。植被面積發(fā)生減少的范圍主要是隧道兩端，根據(jù)涌水水文觀測，隧道兩端涌水量很小，而隧址區(qū)中部涌水量較大。顯然植被面積減少與隧道涌水地段不相吻合。即隧址區(qū)植被面積的減少與涌水關(guān)聯(lián)不大，與人類活動及工程建設(shè)導(dǎo)致的土地裸露有直接關(guān)系。

4.3 降雨因素

根據(jù)對隧址區(qū)飛泉水庫的實時觀測，飛泉水庫水位的變化主要與降雨有關(guān)，其補(bǔ)給來源為大氣降水及高于水庫的地表溪流。據(jù)氣象部門查詢的隧址區(qū)降雨資料看，從2013年至2020年有三次全年降雨量較大的波峰，分別為2013年，2016年和2019年，但總體上，波峰呈下降趨勢。尤其是2017年開始，2019年降雨量增大，2020年又減小，這和前述自然植被及地表水體面積呈先增大后減小，加之梅州市2020年持續(xù)干旱少雨，全市水庫蓄水和江河徑流大幅減少。說明隧址區(qū)地表植被及水體面積的變化與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系。見圖5。

圖5 隧址區(qū)年降雨量變化圖

5 結(jié)語

鴻圖隧道地表的植被覆蓋、水體分布、人類活動和裸地分布情況在三個不同時期具有一定變化特征。針對上述結(jié)果，對其生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化的原因進(jìn)行總結(jié)和分析，影響因素主要可能包括以下幾個方面：

(1)隧道開挖。隧道工程在建設(shè)工程中伴隨著大量的渣土堆積，工地建筑及公路修建。一般而言，隧道開挖不可避免地會破壞隧道進(jìn)、出口兩端植被。本區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)有直接與地表相通的斷層構(gòu)造體系，涌水地段主要分布于隧址區(qū)中部，遙感解譯及實際踏勘調(diào)查顯示，中部區(qū)域植被生態(tài)穩(wěn)定。而隧道涌水量較弱的進(jìn)出口兩端區(qū)域則出現(xiàn)植被減少的現(xiàn)象，說明本區(qū)植被減少與人類工程活動關(guān)系最大，人為開挖導(dǎo)致山體裸露是地表自然植被出現(xiàn)局部消失的主要因素。從本次實驗數(shù)據(jù)來看，隧址區(qū)植被覆蓋面積從17年的31.533%到21年的30.826%，相差僅為0.707%，說明隧道建設(shè)對隧址區(qū)地表植被等生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在工程活動較多的隧道進(jìn)出口兩端區(qū)域，隧道涌突水對地表的植被影響較弱。

(2)季節(jié)和降雨。本文中所用隧道的影像成像時間基本是冬季(12、1、2月)，但是不排除部分地區(qū)由于時間原因，植被、水體的面積變化存在一定的誤差。從12月到2月，氣溫、降水量下降，可能會因植物葉片枯萎等降低遙感影像對植被分析的靈敏度，也會導(dǎo)致水體資源相應(yīng)地減小。此外，2020年開始，梅州地區(qū)的持續(xù)干旱，是水庫干枯的主要因素之一。

綜上所述，影響鴻圖隧道隧址區(qū)地表植被及水體等生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化的主要因素是降雨，其次為人類活動對自然環(huán)境的破壞。本次監(jiān)測時間段為3年4個月，對于一個地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化，其研究時間段顯然偏短，建議進(jìn)行長期的跟蹤監(jiān)測研究方可揭示隧道長期排水對隧址區(qū)的影響程度。