魏德照，潘建平

(1.國(guó)家測(cè)繪局重慶測(cè)繪院，重慶 400015；2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

利用遙感進(jìn)行隧道建設(shè)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

魏德照1，潘建平2

(1.國(guó)家測(cè)繪局重慶測(cè)繪院，重慶 400015；2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

為了深入了解隧道建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響，利用遙感技術(shù)對(duì)山區(qū)隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選擇了合適的遙感圖像，利用不同時(shí)相的遙感圖像，對(duì)公路隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的生態(tài)環(huán)境信息進(jìn)行解譯，從而獲得隧道生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化信息。通過(guò)植被指數(shù)提取，遙感分類和信息提取等技術(shù)手段，獲得隧道生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果與隧道實(shí)際調(diào)查信息相吻合，有重要的應(yīng)用價(jià)值，拓寬了遙感在交通中的應(yīng)用。

隧道建設(shè)；生態(tài)變化；遙感監(jiān)測(cè)

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，隧道在公路建設(shè)中的建設(shè)和營(yíng)運(yùn)在為國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)快速發(fā)展的同時(shí)，也以各種各樣的形式破壞和污染著環(huán)境。伴隨著特長(zhǎng)、大斷面隧道的出現(xiàn)，隧道區(qū)域內(nèi)的植被、水域、居民地等都在出現(xiàn)不同情況的變化，其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也越來(lái)越受到重視。

傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)存在著許多不足，如數(shù)據(jù)更新困難，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏空間分布信息，實(shí)時(shí)性差。遙感技術(shù)因其能夠進(jìn)行大面積實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，時(shí)效性強(qiáng)，信息量大，信息客觀、真實(shí)，數(shù)據(jù)綜合性與可比性好等特點(diǎn)，在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，遙感技術(shù)現(xiàn)已成為環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中不可缺少的地理空間信息獲取、更新與分析的手段和數(shù)據(jù)源。因此采用遙感技術(shù)對(duì)山區(qū)隧道動(dòng)態(tài)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)是可行性較高的一種選擇。

1 隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的環(huán)境問(wèn)題

隧道是山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)中常見(jiàn)的大型附屬工程，雖然修建隧道能夠合理利用土地資源以及創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)效益，如縮短行程，節(jié)約成本，減少占地面積等，但是其對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞很多都是難以恢復(fù)的，其環(huán)境問(wèn)題正在引起人們的高度重視。

目前，隧道工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在施工時(shí)的水土流失和植被破壞、隧道廢渣、施工污水和對(duì)地下水的破壞等[1]。

1）施工時(shí)的水土流失和植被破壞：主要表現(xiàn)在進(jìn)洞口的施工。首先山體遭到破壞，在降水量大的季節(jié)和地區(qū)將引起嚴(yán)重的水土流失；其次洞口大范圍明挖導(dǎo)致地表植被嚴(yán)重破壞，有的地方植物幾乎不可能得到及時(shí)有效的恢復(fù)。

2）隧道廢渣：一條隧道的渣體往往上萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)立方米，在棄渣過(guò)程中，可能侵占耕地，減少人均耕地面積和農(nóng)作物產(chǎn)量，或覆蓋植物，使植物不能得到有效地生長(zhǎng)，引發(fā)新的水土流失等[3]。

3）施工污水和對(duì)地下水的破壞：隧道施工排出的廢水，一般來(lái)說(shuō)已被油脂污染，加之混凝土或噴射混凝土所產(chǎn)生的堿性污染物，所以這些廢水常常是強(qiáng)堿性的。如果任其排放，就可能污染附近的河流，進(jìn)而污染飲用水，同時(shí)廢水也使周圍的植被遭受到破壞[1]。

隨著隧道的運(yùn)營(yíng)，隧道連通兩區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范圍擴(kuò)大，對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力也越來(lái)越大。

2 基于遙感的隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)思路

文中對(duì)隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)兩個(gè)時(shí)間段，制定了其生態(tài)環(huán)境的遙感監(jiān)測(cè)思路。在遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠監(jiān)測(cè)出來(lái)的包括自然植被、地表存水以及需要灌溉的土地（主要是指耕地和經(jīng)濟(jì)林）。

為了對(duì)生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)中需要提取這三種指數(shù)，即自然植被覆蓋率、地表存水面積占地表面積比例、需灌溉土地面積（耕地+經(jīng)濟(jì)林）所占比例。

實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和思路總結(jié)如下：

1）裁剪出感興趣的區(qū)域。裁剪沿著隧道走向的區(qū)域，且在同一隧道的三期圖像中裁剪區(qū)域應(yīng)當(dāng)相同。

2）波段組合，實(shí)驗(yàn)中所用的圖像為L(zhǎng)andsatTM和Quick Bird圖像兩種，為了使實(shí)驗(yàn)精度更高，對(duì)兩種圖像采用不同的波段組合。其中碧雞關(guān)隧道隧道為QuickBird圖像，采用波段432組合；中梁山隧道為L(zhǎng)andsat TM圖像，采用波段432組合。

3）遙感分類，實(shí)驗(yàn)采用監(jiān)督分類中最大似然法進(jìn)行地物的分類，再根據(jù)分類的結(jié)果提取三種指數(shù)。

4）根據(jù)提取的指數(shù)結(jié)果進(jìn)行山區(qū)隧道生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的原因進(jìn)行分析和總結(jié)。

3實(shí)驗(yàn)

3.1 云南碧雞關(guān)隧道

碧雞關(guān)隧道位于云南省昆明市西山區(qū)。于2003年1月開(kāi)始施工，2005年12月峻工，中心處于北緯24° 58′，東經(jīng)102°36′，全長(zhǎng)約3 200m。

在本實(shí)例中，采用的是美國(guó)陸地衛(wèi)星三期QuickBird高空間分辨率遙感圖像，成像時(shí)間分別是碧雞關(guān)隧道建設(shè)前（2003年1月18日）、隧道施工中（2005年4月23日）、隧道營(yíng)運(yùn)三年后（2009年12月6日）。原始圖像如圖1、圖2和圖3所示。通過(guò)目視判讀，可以看到自然植被基本呈現(xiàn)墨綠色和深綠色，而需要灌溉的土地呈現(xiàn)為淺綠色，水體呈現(xiàn)的是暗紫色，比較明顯，而居民區(qū)一般為紫色，裸地深紫色。

在經(jīng)過(guò)初步的目視判讀后，先確定分類的數(shù)目為五類，分別是：自然植被、水體、需灌溉土地、居民區(qū)以及裸地；再進(jìn)行樣本區(qū)的訓(xùn)練。

圖2 隧道施工中（2005年4月23日）

圖1 隧道建設(shè)前（2003年1月18日）

圖3 隧道營(yíng)運(yùn)三年后（2009年12月6日）

監(jiān)督分類（最大似然分類法）結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 隧道修建前分類圖

圖6 隧道運(yùn)營(yíng)三年后分類圖

監(jiān)督分類后，對(duì)分類結(jié)果中三類指數(shù)（即自然植被覆蓋率、地表存水面積占地表面積比例、需灌溉土地面積所占比例）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表 碧雞關(guān)隧道遙感圖像最大似然分類法地物信息指數(shù)表

從表中可以看到，對(duì)于碧雞關(guān)隧道，自然植被覆蓋率和地表存水面積均是先減小后增大，需灌溉土地面積為先增大后減小。在隧道修建中自然植被和地表水體的明顯減少，說(shuō)明隧道的修建對(duì)自然植被和地表水體的影響較大。同時(shí)，隧道修建后，自然植被和水體面積又有所增大，可見(jiàn)生態(tài)環(huán)境又有一定的恢復(fù)。

在隧道開(kāi)挖時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多的廢渣，廢渣的堆放是導(dǎo)致自然植被和地表水體減少的主要原因，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也是原因之一，伴隨著的是人口增加，需灌溉的土地也在同時(shí)增加。在隧道營(yíng)運(yùn)后，隧道區(qū)采取一定的環(huán)保措施，退耕還林，灌溉土地減少的同時(shí)，自然植被和地表水體也會(huì)相應(yīng)的增加。

3.2 重慶中梁山隧道

中梁山隧道位于成渝高速公路重慶段，東從大渡口區(qū)跳磴鎮(zhèn)吳家院子穿越中梁山，西在九龍坡區(qū)石板鎮(zhèn)余家灣出洞，于1990年6月開(kāi)始施工，在1994年竣工，中心位于北緯29°31′，東經(jīng)106°25′。隧道區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，有巖溶、壓煤、斷層等許多不良地質(zhì)問(wèn)題。近年來(lái)，曾多次對(duì)其進(jìn)行加固維修。

在本實(shí)例中，采用的是美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat上的三期 TM多光譜遙感圖像，成像時(shí)間分別是中梁山隧道建設(shè)前（1987年3月5日）、隧道施工中（1993年5月24日）、隧道營(yíng)運(yùn)三年后（1997年5月3日）。三張圖像均為七個(gè)波段，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，裁剪出面積相等的隧道區(qū)影像進(jìn)行研究。

為了便遙感圖像顯示的信息量大，方便地物的目視判讀，所以本次試驗(yàn)采用波段 432的假彩色組合方式，如圖7～圖9所示。

圖7 隧道修建前（1987年3月5日）

圖8 隧道修建中（1993年5月24日）

圖9 隧道營(yíng)運(yùn)三年后（1997年5月3日）

由于該實(shí)例圖像為L(zhǎng)andsat TM圖像，空間分辨率相對(duì)QuickBird圖像來(lái)說(shuō)要低很多。但是根據(jù)波段432假彩色的組合，還是很容易可以判斷圖像中的地物。圖中，自然植被呈鮮紅色和暗紅色，水體呈藍(lán)黑色，需灌溉土地呈現(xiàn)淺紅色。

經(jīng)初步目視判斷，分類類別數(shù)定為四類，其中自然植被、水體、需灌溉土地各成一類，由于圖中居民區(qū)和其他不易區(qū)分，所以將其統(tǒng)歸為一類。

監(jiān)督分類（最大似然分類法）結(jié)果分類如圖10～圖12所示。

圖10隧道修建前分類圖

圖11隧道修建中分類圖

圖12 隧道營(yíng)運(yùn)三年后分類圖

監(jiān)督分類后，對(duì)分類結(jié)果中三類指數(shù)（即自然植被覆蓋率、地表存水面積占地表面積比例、需灌溉土地面積所占比例）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表 中梁山隧道遙感圖像最大似然分類法地物信息指數(shù)表

中梁山隧道，從表中可以看到，隧道區(qū)自然植被和地表存水面積在三期影像中是先減小后增加，而需灌溉土地面積是先增加后減小。

中梁山隧道的生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律與碧雞關(guān)隧道完全相同，同樣也是修建時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞，而在建成后生態(tài)環(huán)境又有一定的恢復(fù)。廢渣的產(chǎn)生和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是三大指數(shù)變化的原因。同時(shí)，在隧道修建好后，對(duì)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)也是營(yíng)運(yùn)后，自然植被和水體面積增加、灌溉土地減少的原因。

為了做一個(gè)更為有利于動(dòng)因變化分析的統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)將兩個(gè)隧道在建設(shè)期間和營(yíng)運(yùn)期間的三大指數(shù)變化統(tǒng)計(jì)成表3。

表 隧道三大指數(shù)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)時(shí)間段的增減率統(tǒng)計(jì)表

分類結(jié)果總結(jié)：

從表中可以看到，三大指數(shù)在建設(shè)與運(yùn)營(yíng)兩個(gè)時(shí)間段有不盡相同的增減變化。

1）碧雞關(guān)隧道和中梁山隧道，所有階段，大三指數(shù)的變化規(guī)律均相同；2）在隧道修建前--隧道施工中期間，自然植被覆蓋率和地表存水減少，需灌溉土地面積增加；3）在隧道施工中--營(yíng)運(yùn)后期間，自然植被覆蓋率和地表存水增加，需灌溉土地面積減少。

4結(jié)語(yǔ)

從結(jié)果中可以看到，山區(qū)隧道的不同指數(shù)的變化不盡相同，同時(shí)，兩大隧道所有的變化趨勢(shì)均相同，可見(jiàn)隧道生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化也有一定的規(guī)律可尋。針對(duì)上述的結(jié)果，再對(duì)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的原因進(jìn)行總結(jié)和分析，影響因素主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

1）經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。表1可以看到，在隧道修建前，隧道區(qū)域的水資源和自然植被就呈現(xiàn)一致性的減少，相應(yīng)的，需要灌溉的土地（耕地+經(jīng)濟(jì)林）由于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，呈現(xiàn)的增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在碧雞關(guān)和中梁山隧道中，自然植被的破壞率也比較大，這都是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展所伴隨的環(huán)境問(wèn)題。

2）隧道開(kāi)挖。隧道工程在建設(shè)工程中伴隨著大量的開(kāi)挖，對(duì)水土資源產(chǎn)生的影響會(huì)越來(lái)越大。隧道開(kāi)挖不可避免地會(huì)破壞影響區(qū)域內(nèi)的水系，因?yàn)橐粋€(gè)山脈的地下水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演變逐漸穩(wěn)定，有其自身的水流規(guī)律，隧道的出現(xiàn)必將改變地下水流的賦存狀況，并成為地下水排出的天然通道，造成地下水量的大量流失，同時(shí)導(dǎo)致隧道區(qū)域局部地下水位降低，從而導(dǎo)致地表水和泉、井枯竭，地表自然植被枯萎甚至死亡[2]。

3）隧道廢渣。山區(qū)高等級(jí)公路隧道通常為復(fù)線雙洞，每公里長(zhǎng)度隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的洞渣在100 000m3以上，由于隧道施工受隧道區(qū)域地形條件所限，一般僅有部分洞渣可以作為路線填方合理利用，每公里長(zhǎng)度隧道有數(shù)萬(wàn)立方米洞廢棄，并且這類廢渣通常為各種巖石碎塊或風(fēng)化巖類與泥土的混合物，無(wú)法當(dāng)作植被土加以利用。在實(shí)例中，需灌溉土地面積的指數(shù)，在第二個(gè)階段，即隧道施工時(shí)到營(yíng)運(yùn)期（表1）一致呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，可以說(shuō)，廢渣對(duì)其的影響應(yīng)該是最大的。

4）人口增長(zhǎng)。山區(qū)隧道的修建的意義不僅僅在于縮短了行程，更是成為了山脈兩邊城市交流的通道。隨著隧道的修建，隧道區(qū)域隨之而來(lái)就是開(kāi)始人口密集，人們不斷的將城市范圍擴(kuò)大，人口壓力迫使人們不斷的向自然索取，這樣又造成了自然植被和水體資源的流失。

5）季節(jié)因素。本文中所用隧道的影像成像時(shí)間基本是一個(gè)季節(jié)，但是不排除部分地區(qū)由于季節(jié)原因，可灌溉土地面積變化存在一定的誤差。同時(shí)如果遭遇雨季，水體資源也會(huì)相應(yīng)地增加。這些都是將在以后的研究中應(yīng)該注意到的問(wèn)題。

綜上所述，影響山區(qū)隧道生態(tài)環(huán)境變化的原因是多種多樣，錯(cuò)綜復(fù)雜的，各種原因之間不僅是相互聯(lián)系，同時(shí)也相互制約，因此在分析獨(dú)立的一個(gè)隧道的時(shí)候要綜合考慮多方面的因素。遙感監(jiān)測(cè)能夠看到生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，符合實(shí)際情況。可見(jiàn)利用遙感進(jìn)行隧道建設(shè)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)是可行的，該方法值得推廣和應(yīng)用。

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Dynamic Monitoring of the Ecoenvironment Influence of Tunnel Constructiont Based on Rem ote Sensing

by WeiDezhao

In order to deeply understand the ecoenvironment influence of tunnel construction,using remote sensing technology on the mountain tunnel construction and operation process to monitoring the environmenta l changes.This paper studied the methods and technical routes using multi-tempora remote sensing images in dynamic inspection of the influence of tunnel construction and operation process.

tunnel construction,ecoenvironment influence,remote sensing inspection （Page:16）

P237

B

1672-4623(2011)01-0016-04

2010-11-22

魏德照，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪技術(shù)管理與應(yīng)用工作。