高分遙感影像在頁巖氣開發水土流失監測中的應用

杜顯元 陳宏坤 翁藝斌 馬 良 張坤峰 夏梁芝 戴建林 馮 陽

1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室 2.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司

3.中國石油浙江油田分公司 4.北京地拓科技發展有限公司

0 引言

我國目前大規模開發的頁巖油氣資源多分布于山區，勘探開發和相關配套工程建設過程中會破壞植被，對地表層土壤造成不同程度的擾動，在水蝕等相關因素作用下，造成大面積的水土流失。同時，地下開采會造成地面塌陷、地下水滲漏，導致植物生長不良甚至死亡，加劇開采區的水土流失與土壤侵蝕，破壞該地區的生態環境[1-4]。

傳統的油氣勘探開發水土流失監測主要針對井場進行人工觀測，筆者利用綜合因子的評估方法，在現有研究基礎上創新性地引入高分遙感數據，對開采區域進行水土流失監測評估，可以實現快速、大范圍的水土流失精確監測，彌補了傳統方法空間局限性高、時效性差、成本高、缺乏直觀性的缺點，完成了傳統技術無法完成的動態、連續、及時的環境演變監測[5-10]。本文選取四川C、Z等頁巖氣開發項目區進行監測評估。

1 C、Z項目區環境簡況

四川C項目區、Z項目區位于四川省南部，在大地構造上位于楊子準地臺區，北為四川盆地中凹陷區的川東南褶皺束及川中古隆起，南為滇黔褶皺區之婁山關凹陷褶皺束及雷波隆起，屬較穩定地塊，地勢南高北低，地形為狹長形，地體多由石灰巖和紫色頁巖組成。該區域是典型的喀斯特低山丘陵地貌，巖溶地形特征明顯，多溶洞、漏斗、石筍、石灰巖等；其坡面陡峭，漏水嚴重，溝壑縱橫，多亂石縫地，土層淺薄，抗侵蝕能力弱[11]。

氣候類型上，該區屬于亞熱帶濕潤季風氣候，夏雨集中，夏季降水量占全年的52.4%，夏季多暴雨，沖刷能力強，極易造成水土流失。截至2015年4月，研究區共有居民5 939戶，人口約29 455人[12]，人口密度100人/km2，研究區受人類活動影響劇烈。頁巖氣開發過程中的施工、鉆井、道路修建等均會加劇該地區的水土流失。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 遙感影像數據

研究中使用的遙感影像數據分別選取C項目區、Z項目區2012年的資源一號衛星與2017年的Spot 6遙感衛星影像數據。資源一號衛星影像包含1個波段的HR相機影像（分辨率為2.35 m）和3個多光譜波段（分辨率為10.0 m）；Spot 6衛星影像包含1個全色波段（分辨率為1.5 m）和4個多光譜波段（分辨率為6.0 m）。

2.1.2 地形數據與其他數據

地形數據采用30 m分辨率DEM（Digital Elevation Model，即數字高程模型），其他數據包括項目區邊界范圍、項目區所在行政區基本概況等。

2.2 研究方法

通過遙感技術獲取項目區土地利用、植被覆蓋度、地面坡度數據，采用綜合因子法生成土壤侵蝕柵格數據，參照《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）中的土壤侵蝕強度面蝕分級標準，確定水力侵蝕強度分級參考指標建立知識規則[13]，由計算機判別圖斑的侵蝕強度，侵蝕強度分級參照表1。

2.2.1 遙感影像預處理

1）大氣校正與幾何精校正。利用Envi軟件分別對項目區的資源一號、Spot 6遙感影像進行大氣校正，大氣模型參數選擇SAS（Sub-Arctic Summer）、氣溶膠模型選擇鄉村，其他選項根據影像頭文件信息進行選擇。

采用ArcGIS軟件進行幾何精校正。幾何精校正每個項目區均勻選取不少于20個控制點，利用二次多項式對2012年資源一號衛星影像進行幾何精校正，均方根誤差控制在兩個像元以內；以校正后的資源一號衛星影像為基準影像，采用同樣的方法對項目區Spot 6遙感影像進行幾何精校正。

表1 土壤侵蝕強度分級指標表

2）影像融合與裁剪。利用Envi軟件將影像處理后的全色與多光譜進行融合，融合后的結果兼具全色與多光譜的高分辨率、光譜波段信息豐富的特點。根據四川C項目區、Z項目區進行裁剪，得到項目區的全色多光譜影像。

2.2.2 遙感影像土地利用解譯

1）解譯標志建立。根據《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）中的土地利用分類標準，結合項目區土地利用情況，將土地利用分為水田、水澆地、旱地、園地、有林地、灌木林地、草地、居民用地、交通用地、工礦用地、水域及水利設施用地、裸巖、裸土地等13類，通過現場調研與影像對比的方法，建立C項目區與Z項目區的解譯標志，解譯標志包含項目區所有土地利用類型，每一類至少包含兩種，以提高土地利用解譯成果的準確度。

2）土地利用解譯。結合建立的解譯標志，采用人機交互的方式對項目區進行解譯。土地利用屬性準確度應不低于90%，山區的邊界誤差不大于2個像元，平原地區不大于1個像元。利用人機交互切割多邊形的方法[14]，排除土地利用成果中圖斑重疊、圖斑縫隙、拓撲錯誤和其他相關類型的錯誤。土地利用解譯成果如圖1所示。

3）土地利用精度評估。在四川C與Z兩個項目區內分別均勻、隨機挑選40個土地，利用圖斑進行現場驗證，選取的圖斑屬性需包含項目區內所有類型土地利用。通過現場驗證與解譯結果對比發現，兩個項目區的解譯精度均超過94%。

2.2.3 植被覆蓋度計算方法

植被覆蓋度是評判一片區域的植被群落保持水土能力的重要指標，也是衡量地表水土流失狀況的一個重要的指標，計算植被覆蓋度就是在影像上計算每個像元內的植被占像元總面積的比例，通常利用植被的歸一化植被指數NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）來計算。NDVI又稱標準化植被指數，定義為近紅外波段NIR與可見光紅波段R反射率之差和這兩個波段反射率之和的比值，即如下公式：

圖1 四川C、Z項目區2012、2017年土地利用圖

式中NIR表示近紅外波段；R表示可見光紅波段。

植被覆蓋度與NDVI具有非常好的相關性，NDVI分布值介于－1～1，小于0.1幾乎沒有植被信息，而接近于1時，表示植被生長旺盛。根據土壤NDVI和植被NDVI計算植被覆蓋度的數學表達式如下：

式中NDVIsoil表示裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，即無植被像元的NDVI值；而NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元NDVI值，即純植被像元NDVI值[15]。NDVI可從通過影像上計算，NDVIsoil與NDVIveg可在影像上確定，植被蓋度成果見圖2。

2.2.4 坡度獲取方法

采用建立的數字地面高程模型，在GIS支持下利用專門的算法提取坡度。以研究區1∶10萬地形圖作為底圖，矢量化生成DEM數據，以30 m為單元格計算研究區內的坡度，項目區坡度分布見圖3。

圖2 四川C、Z項目區2012、2017年植被覆蓋度圖

圖3 四川C、Z項目區坡度圖

3 結果與分析

3.1 C、Z項目區2017年土壤侵蝕面積和強度

基于獲取的2017年遙感數據和各項水土流失評定因子數據，得出C、Z項目區2017年水土流失現狀圖，統計分析各個等級的水土流失面積。

經統計，2017年四川C項目區侵蝕面積35.36 km2，占土地總面積的25.62%。侵蝕面積中，輕度11.54 km2、中度12.33 km2、強烈10.19 km2、極強烈1.09 km2、劇烈0.21 km2，分別占侵蝕總面積的32.64%、34.87%、28.82%、3.08%、0.59%（表2）。土壤侵蝕主要以輕度、中度為主，集中在四川C項目區西北部、西部、西南部一帶，中部地區土壤侵蝕強度較小（圖4-a）。

表2 四川C、Z項目區2017年土壤侵蝕統計表

四川Z項目區2017年侵蝕面積63.92 km2，占土地總面積的39.95%。侵蝕面積中，輕度19.99 km2、中度26.22 km2、強烈16.78 km2、極強烈0.88 km2、劇烈0.05 km2，分別占侵蝕總面積的31.27%、41.02%、26.25%、1.38%、0.08%（表2）。土壤侵蝕主要以輕度、中度為主，土壤侵蝕分布廣泛，其中以東南部土壤侵蝕強度較大且分布集中（圖4-b）。

圖4 四川C、Z項目區2017年土壤侵蝕強度圖

3.2 C、Z項目區2012—2017年水土流失變化

四川C項目區2017與2012年相比，土壤侵蝕強度面積整體減少20.18 km2，其中輕度侵蝕面積減少6.77 km2，中度侵蝕面積減少12.93 km2，強烈侵蝕面積減少0.38 km2，極強烈侵蝕面積減少0.13 km2，劇烈侵蝕面積增加0.03 km2（表3）。土壤侵蝕減少的地方主要分布在C項目區南部（圖5-a），土壤侵蝕加重的地方比較分散，侵蝕加重區域與居民點用地、交通用地相鄰。土壤侵蝕主要由社會經濟發展造成，局部地區是由于油氣開發新修建平臺、道路造成，因此油氣開發對土壤侵蝕的影響不大。

表3 四川C項目區2012—2017年土壤侵蝕變化表

四川Z項目區2017年與2012年土壤侵蝕強度相比，2017年土壤侵蝕強度面積整體減少了18.93 km2。其中輕度侵蝕減少5.19 km2，中度侵蝕面積減少10.67 km2，強烈侵蝕面積減少2.64 km2，極強烈侵蝕面積減少0.40 km2，劇烈侵蝕面積減少0.03 km2（表4）。從土壤侵蝕變化圖看（圖5-b），總體上土壤侵蝕面積變小，但局部土壤侵蝕加重，土壤侵蝕加重的地方主要分布在項目區東部和中部一帶。這一地區的油氣平臺與居民點用地、交通用地相交排布。土壤侵蝕加重的原因主要與油氣田生產建設與社會經濟發展共同作用有關。

3.3 評估精度與制約因素

圖5 四川C、Z項目區2012—2017年土壤侵蝕強度變化面積圖

表4 四川Z項目區2012—2017年土壤侵蝕變化表

通過有條件的隨機抽樣并現場驗證的方法檢測水土流失評估等成果的精確度。四川C、Z兩個項目區分別抽取50個均勻分布的樣本點，重點選取土地利用屬性存疑的地塊進行現場核查。通過現場抽樣核查的方法驗證[16-17]，利用綜合因子結合高分遙感影像評估的水土流失精度約為93%，誤差率約為7%。

該方法適用于有土地利用、地形數據等相關基礎數據的地區，若缺少該類數據無法進行有效評估。相較于傳統測量評估方法，本方法的評估準確度受土地利用、坡度、植被蓋度、高分遙感影像分辨率等相關因子精度的制約[18-19]。水土流失影響因子除文中涉及的土地利用、植被蓋度、坡度等因子，還受降雨、坡向、采取的防治措施等因素影響，后續研究將引入降雨、坡向、措施類型等細化因子，增加水土流失評估的全面性，提高評估的準確率[20-21]。

4 結論

1）四川C項目區、Z項目區土壤侵蝕占總土地面積較小，土壤侵蝕強度中主要以輕度和中度為主。2012—2017年土壤侵蝕面積整體減少，但局部土地擾動增多，土壤侵蝕強度增大，水土流失嚴重，主要原因是社會經濟發展，次要原因是油氣田生產建設相關活動。該地區油氣開發尚處于初級階段，仍具有水土流失風險，因此研究區內水土流失防治工作仍需高度重視，保護珍貴的水土資源。

2）利用綜合因子結合高分遙感影像的評估方法，其準確度受土地利用、坡度、植被蓋度、高分遙感影像分辨率等相關因子精度的制約。除上述影響因素，水土流失還受降雨、坡向、采取的防治措施等因素的影響，后續研究將引入這些影響因子，以增加水土流失評估的全面性，提高評估的準確率。