基于遙感技術的三峽庫區(qū)屏障帶劃分研究：以重慶市萬州區(qū)為例

李春鋒，王旭紅

(西北大學 城市與環(huán)境學院，陜西 西安710127)

三峽庫區(qū)是一個復雜的自然—社會—經(jīng)濟復合系統(tǒng)區(qū)域，位于長江中上游結合部位，北依大巴山脈，南靠武陵山脈，東起湖北宜昌，西至重慶江津。三峽庫區(qū)地質(zhì)條件復雜，地處暴雨頻繁的亞熱帶氣候區(qū)，地質(zhì)災害具有點多、面廣、突發(fā)性強、危害大等特點，是全國四大地質(zhì)災害最嚴重地區(qū)之一。隨著三峽水利工程的竣工，新一輪庫區(qū)生態(tài)環(huán)境評價也變的愈來愈重要，因此，科學、準確地劃定三峽工程對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響范圍尤為關鍵。

當前三峽庫區(qū)屏障帶的劃分主要有兩種:以經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域劃分和按行政管轄區(qū)域劃分。這兩種劃分方法各有特色，反應出三峽庫區(qū)屏障帶的不同特點，但均側重于社會經(jīng)濟因素方面，對自然環(huán)境因素影響涉及較少。本文結合遙感技術與GIS的空間分析功能對庫區(qū)自然環(huán)境進行綜合分析，提取出研究區(qū)的亮度溫度影響范圍、地表濕度影響范圍以及山脊線變化趨勢，從而確定庫區(qū)的生態(tài)屏障范圍。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

實驗選擇重慶市萬州區(qū)作為研究區(qū)域，以三期Landsat TM影像為數(shù)據(jù)源，以WGS－84作為空間參考體系，影像獲取時間分別為1988年6月、2000年4月、2008年7月，空間分辨率均為30 m。

2 研究過程

生態(tài)屏障帶的劃分需考慮諸多影響因素，如地形、地貌、坡度、地質(zhì)、氣候等，選取的參考因素不同，同一區(qū)域屏障帶的劃分結果也具有一定的差異。本研究主要從地形地貌條件和熱環(huán)境方面涉入，通過對研究區(qū)三個時相的地表濕度、亮度溫度以及山脊線等特征的提取，模擬其變化趨勢，為屏障帶劃分的提供依據(jù)。

2.1 地表溫度反演

地表溫度(land surface temperature，LST)是控制地球表面水分與熱量平衡的重要參數(shù)，多種具有熱紅外波段的遙感數(shù)據(jù)都可以用來反演地表溫度，在研究區(qū)域性的地表溫度時，TM和ETM+數(shù)據(jù)由于具有較高空間分辨率的優(yōu)點，使其成為研究區(qū)域地表溫度的首選數(shù)據(jù)［1］。

自20世紀60年代以來，眾多學者相繼提出了多種地表溫度反演算法，目前利用熱紅外波段反演地表溫度的算法大體可以分為三大類:單通道算法、分裂窗算法和多波段算法［2］。本文選取覃志豪的單窗算法:

式中:Ts表示地表溫度(K);T1表示衛(wèi)星傳感器所測得的星上亮度溫度(K);Ta表示大氣平均作用溫度(K);t6表示大氣透射率;e6表示地表比輻射率;L1表示輻亮度［3］。地表溫度反演結果見圖1。

通過對萬州區(qū)三個時相的亮度溫度分布圖進行對比分析，提取出長江兩岸地表亮溫變化突變線，即三個時相三峽庫區(qū)地表亮溫變化趨勢線，其區(qū)域面積為309.7 km2。如圖3所示。

圖1 萬州區(qū)地表亮溫分布圖

2.2 地表濕度提取

地表濕度是地表土壤、植被等含水量的表征值。微波數(shù)據(jù)對土壤含水量具有較強的敏感性，因此目前利用微波遙感監(jiān)測土壤含水量的研究試驗結果已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的普遍關注，美國農(nóng)業(yè)部USDA制定的農(nóng)業(yè)資源調(diào)查聯(lián)合計劃(AgRISTARS)中將微波遙感定為土壤水分監(jiān)測的主要手段［4］。本文借助光學遙感信息分析研究區(qū)域三期影像數(shù)據(jù)的植被覆蓋和土地利用結構，結合實驗區(qū)的植被指數(shù)分布圖，得到植被覆蓋度分布數(shù)據(jù);同時利用紅外通道遙感數(shù)據(jù)通過植被指數(shù)閾值技術反演估算地表溫度［5］，對于植被覆蓋度介于0.1到0.8之間的像元，直接利用PI的線性關系來估算地表的濕度;而裸土和植被覆蓋像元，將通過像元地表溫度、地表粗糙度等信息作為地表微波輻射模型的輸人量，結合地表微波輻射模型，疊代計算得到地表層濕度的估計值。研究區(qū)域三個時相的地表濕度估算結果如圖2所示。

圖2 萬州區(qū)地表濕度分布圖

對三個時相的地表濕度估算結果進行對比分析，結果表明萬州三峽庫區(qū)地表濕度大小隨著時間的變化，有逐漸加深的趨勢，其影響范圍正向庫區(qū)周圍擴大，結合這一變化趨勢劃分出地表濕度的變化突變線(圖4)。

圖3 萬州區(qū)兩岸地表亮溫變化突變線

圖4 萬州區(qū)兩岸地表濕度變化突變線

圖5 萬州區(qū)兩岸山脊線劃分

2.3 山脊線提取

山脊是生態(tài)環(huán)境隔離的重要自然特征之一。地貌山脊線，同時也是分水線，處于分水線上的柵格單元也是水流的起源點，通過地表徑流模擬計算，這些柵格的水流方向都具有流出方向，無流入方向，也就是其柵格的匯流累積量為零。通過對零值的匯流累積值柵格的提取，就可以得到分水線，即山脊線［6］。

從三期影像提取結果來看，該區(qū)域山脊線特征變化不明顯。結合GIS的數(shù)理統(tǒng)計工具，統(tǒng)計出的兩岸山脊線所包含區(qū)域的面積為353.70 km2。如圖5所示。

3 屏障帶的劃分結果

庫區(qū)屏障帶劃分目標在于劃分出長江三峽區(qū)對周圍生態(tài)環(huán)境的最大影響范圍，為庫區(qū)生態(tài)環(huán)境評價提供范圍參考，也為該區(qū)域的土地利用規(guī)劃提供重要依據(jù)。

實驗以地表溫度、地表濕度以及山脊線為主要參考因素，通過對其變化趨勢分析，提取出各自的變化突變線，借助ArcGIS的空間分析平臺，通過多層數(shù)據(jù)的疊置分析，綜合性的劃分出三者的最大影響范圍，即研究區(qū)域的生態(tài)屏障帶的范圍。屏障帶區(qū)域所包括的區(qū)域面積為484.44 km2，如圖6。

圖6 萬州區(qū)三峽庫區(qū)屏障帶劃分

4 結論

(1)本研究主要采用了 ERDAS Imagine9.2、ARCGIS9.3、ENVI4.8等軟件作為遙感圖像處理、判讀、數(shù)據(jù)處理及空間分析等操作平臺。通過統(tǒng)計分析，劃分出萬州區(qū)三峽庫區(qū)屏障帶，確定了本研究方法的可行性。

(2)通過對研究區(qū)不同時期的地表亮度溫度影響范圍、地表濕度影響范圍、山脊線的提取進行對比分析，發(fā)現(xiàn)萬州區(qū)長江兩岸的地表亮度溫度影響范圍和地表濕度的影響范圍均有小范圍的擴大，而山脊線變化不顯著。表明長江三峽對周邊生態(tài)環(huán)境的影響在逐漸擴大，三峽庫區(qū)屏障帶范圍有擴大的趨勢。

(3)結合三個主要參考因素的變化情況，探索性地劃出了萬州區(qū)長江沿岸的生態(tài)屏障帶范圍，屏障帶所包括的區(qū)域面積為 484.44 km2。

［1］王強.基于地表相對濕度數(shù)據(jù)反演地表溫度研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學.2010.38(36).

［2］朱衛(wèi)軍.基于單通道算法和MODIS數(shù)據(jù)的地表溫度反演研究［J］.城市勘測.2008(5).

［3］覃志豪.ZHANG M H，ARNON KARNI EL I，等.用陸地衛(wèi)星 TM6數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法［J］.地理學報.2001(4).

［4］谷松巖，張文建，邱紅.SSM/I資料反演大范圍地表濕度試驗［J］.應用氣象學報.2004.4(15).

［5］谷松巖，李萬彪，張文建.利用TRMM/TMI資料提取地表層濕度信息試驗［J］.遙感學報.2005.9(02).

［6］黃培之.提取山脊線和山谷線的一種新方法［J］.武漢大學學報(信息科學版).2001.7(03).