基于遙感與GIS技術的什邡市土地損毀變化分析

常睿春,何政偉

(1.成都理工大學 信息管理學院,成都 610059;2.成都理工大學 信息工程學院,成都 610059;3.成都理工大學 地球科學學院,成都 610059;4.成都理工大學 數字國土與生態科學研究所,成都 610059)

0 前言

傳統的地震災害調查主要依靠實地勘測獲取信息,雖然獲取的數據精度和置信度較高,但存在工作量大,效率低,費用高以及成果不直觀等缺點。隨著近年來衛星遙感技術的飛速發展,利用多源多尺度遙感圖像的測量,為災區土地利用動態變化監測提供了有力支持[1],目前利用遙感技術獲取震害信息的技術已進入實用化階段。

作者將2007年9月18日Landsat T M圖像和2008年7月18日震后Landsat T M圖像進行了對比,發現二個時相數據相差間隔為一年,成像時間相近,對于提取震前、震后土地利用變化范圍具有時間上的可比性。RS與GIS技術相結合,處理遙感數據,快速有效。

1 研究區概況

什邡處于龍門山地槽邊緣拗陷帶中南段之什邡～綿竹復式褶皺帶,全市幅員800多平方公里,區內山地、丘陵、平原兼而有之,其東南方向是廣袤的成都平原,西北方向是龍門山段,地貌分界線明顯。地震對什邡市土地利用影響很大,地震造成山體垮塌、河道堵塞、森林、農田、房屋被毀,道路、通訊、電力中斷,這些變化必將對該市的生態環境,城市建設,人口分布,經濟發展產生了影響。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location of study area

2 遙感數據處理

利用遙感技術對什邡市地震前、后的T M遙感數據進行處理,獲取震前、震后土地利用圖;對比地震前、后的土地利用變化,提取土地災毀信息;劃定災毀土地分布范圍,進而統計出土地利用類型損毀狀況;對受損區域進行空間分析[2、3]。

技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線圖Fig.2 Technology chart

2.1 幾何校正

本次先用1∶250 000的地形圖對震前研究區遙感影像進行幾何精校正,再利用校正好的震前遙感影像,對震后遙感影像進行幾何精校正。經過反復研究和試驗,每幅圖像選擇大于六十個控制點,均勻分布,為提高計算速度和保持圖像的連續性,選擇雙線性法進行內插計算,使得校正誤差控制在一個像元之內,保證了二個不同時相數據相同位置像元的空間位置配準。

2.2 圖像鑲嵌

圖像鑲嵌就是將具有地理參考的若干相鄰圖像合并成一幅或一組圖像。為了保證研究區行政界線的完整性,需將震前、震后遙感圖像分別進行鑲嵌。為了使鑲嵌后圖像光滑且清晰,作者采用了多種方法進行鑲嵌試驗,使得鑲嵌結果符合要求。

2.3 圖像裁剪

圖像裁剪是按照研究區域的行政界線或感興趣區域,將研究區域從整幅圖像上分幅裁剪下來。為了對感興趣區域進行研究,研究區域圖像是根據四川省什邡市行政界線(＊.shp)對已鑲嵌好的震前和震后遙感圖像進行裁剪。

2.4 圖像增強

利用復合波段比值法基本原理,采用T M5/T M7,(T M5/T M7)/(T M4/T M3)可以很好地表示出土壤信息。但是,這二種處理都或多或少地帶有其它干擾信息,如植被信息、水體或其它干擾信息,但這些干擾信息可通過遙感圖像處理中的邏輯取與的方式被有效地消除,這樣很有利于研究區的土壤監測。在處理時,要深入研究分析目標地物間的光譜特征和變化,以利用混合四則運算處理突出目標地物的顯示,或從不同組合的混合運算處理中,選擇出增強效果最佳的處理方案[4、5]。

3 什邡市土地災毀分析

3.1 震前土地利用

什邡市土地利用類型以有林地與平原水田為主,主要分布在西北山區和東南成都平原地區。其它土地利用類型則主要包括城鎮用地、旱地、疏林地、各種覆蓋度的草地、河渠、裸巖、灘涂,以及其它建設用地。其中,城鎮用地主要以什邡市區為主,并不斷以其為中心呈放射狀發展;周圍鄉鎮用地和農村居民用地散落分布;旱地在山地、丘陵、平原中都有分布,而平原旱地居多,丘陵旱地次之,山地旱地則相對較少,并主要分布在高山溝谷地帶。疏林地與草地分布在什邡市西北方海拔較高的山地,由東向西,由南向北,隨海拔高度逐漸由疏林地向不同覆蓋度的草地過渡,高海拔區為裸巖地(如下頁圖3所示)。

3.2 震后土地利用

什邡市為汶川大地震的極重災區之一,震后市域范圍內土地利用類型變化十分明顯(如下頁圖4所示)。通過觀察什邡市震后遙感圖像發現,什邡市西北方、沿龍門山脈,有大量的有林地受到地震影響,地表植被破壞嚴重。較高海拔地區的疏林地與草地,同樣受到地震破壞,地表裸露,表現為裸巖的遙感影像特征明顯,裸巖的面積增加。在耕地中,山地旱地由于地處山地溝谷地帶,受地震破壞程度較大,丘陵次之,而平原旱地處于成都平原地區,受地震影響小。平原水田情況與平原旱地類似,在遙感影像上所表現出來的災毀影像特征并不明顯。部份處于高山峽谷地帶的河流,由于地震引起的山體崩塌和滑坡,河道淤積,水位上升,部份沿河耕地被水淹沒。什邡市東南方向的平原地區,由于離震中距離較遠,地震影響小,其災毀區域并不明顯,除去城市擴張等外界變化因素,受地震影響造成的土地利用類型改變不大。

圖3 什邡市震前土地利用圖Fig.3 The map of Shifang land-use before the earthquake

3.3 震前震后土地利用變化

對震前什邡市土地利用情況進行統計(見圖5)表明:什邡市全市面積864 km2,其中有林地278 km2,占市域總面積的32%;疏林地約89 km2,高、中覆蓋度草64 km2,城鎮用地與農村居民用地分別為21.8 km2、1.7 km2;裸巖地16.4 km2;主要耕地類型為平原水田與旱地,平原水田面積約323.8 km2,占市域面積的37.7%,旱地面積約為46 km2,其中以平原旱地居多,丘陵和山地旱地較少。

圖4 什邡市震后土地利用圖Fig.4 The map of Shifang land-use after the earthquakeland-use

對震后什邡市土地利用情況進行統計(見下頁圖6、圖7),該市有林地、疏林地、草地等土地利用類型受到地震影響,面積有所減少。其中,有林地災毀83.9 km2,疏林地災毀30.8 km2,中高覆蓋度草地共災毀38.7 km2;城鎮用地、農村居民用地,以及耕地受地震影響也有損毀,但其實際面積卻比震前有所增加,主要是因為城市、農村發展,其擴張面積大于本次地震所造成的損毀面積。同時,地震還造成了其它土地利用類型損毀。

圖5 什邡市震前土地利用類型面積比率Fig.5 The ratio of land-use types pre-earthquake in Shifang city

圖6 什邡市震后土地利用類型面積比率Fig.6 The ratio of land-use types after-earthquake in Shifang city

圖7 什邡市震后災毀類型面積百分比Fig.7 The percentage of damaged area type after the earthquake

4 結論

以地震災區什邡市為例,綜合運用遙感與GIS技術,對該市震前震后土地利用變化進行了分析,主要得到以下認識:

(1)遙感技術可進行大面積同步觀測,并能獲得歷史動態數據,有利于區域性大范圍動態監測分析,縮短了土地利用調查周期,加快了災區恢復重建研究速度。尤其是在缺少實測資料的地區,可有效降低恢復重建研究難度。

(2)通過GIS空間分析技術,得到了研究區土地利用變化信息,有林地與平原水田是研究區土地利用/覆被的主體,農田主要分布在什邡市西北方峽谷地區以及丘陵地區。在未受外力作用下,土地利用景觀格局相對穩定;在地震及次生災害的外動力作用下,林地、灌木林地、草地的形變較大,而農田毀損的幾率較小。

(3)經研究發現,由于農田所占比例較小,雖然損毀農田是災毀土地的重要組成部份,但絕對毀損面積有限,由農田破壞引起的次生災害鏈和生態鏈演變有限。

[1] 黃庭,張志,谷延群,等.基于遙感和GIS技術的北川縣地震次生地質災害分布特征[J].遙感學報.2009,13(1):177.

[2] M IGUEL ESTRADA,FUM IOYAMAZAKI.Useof Landsat Images for the Identification of Damage Due to the 1999 Kocaeli,Turkey Earthquake[A].Proceedings of the 21st Asian Conference on Remote Sensing[C].Taiwan,Taipei,2000.

[3] MASASH IMATSUOKA,FUM IO YAMAZAKI.Identification of Damaged areas Due to the 1995 Hyogoken-Nanbu Earthquake Using Satellite Optical Images[A].Proceedings of the 19th Asian Conference on Remote Sensing,Q9[C].Philippines:Traders Hotel,Manila,1998.

[4] 沙晉明,史舟,王人潮,等.東南山區土壤遙感監測的圖像處理及分類[J].水土保持學報.2000,14(1):38.

[5] 諶進波,廖勇龍,王興眾,等.基于比值法的假彩色圖像增強效果對比研究[J].北京測繪.2009.1:50.

[6] 趙銀兵,何政偉,張何興.T M圖像在成都市演變研究中的應用[J].物探化探計算技術,2006,28(3):267.