梁超，趙廷寧?，史常青，高志海，周進(jìn)，張曉龍，薛天貴，肖輝全

(1.北京林業(yè)大學(xué)，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，100091，北京;3.四川省北川縣林業(yè)局，622750，四川北川)

基于NDVI的汶川大地震前后北川縣次生地質(zhì)災(zāi)害區(qū)植被破壞評估

梁超1，趙廷寧1?，史常青1，高志海2，周進(jìn)3，張曉龍3，薛天貴3，肖輝全3

(1.北京林業(yè)大學(xué)，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，100091，北京;3.四川省北川縣林業(yè)局，622750，四川北川)

摘要：選取北川縣“5·12”大地震前后2個(gè)時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)，利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)提取2期影像的植被信息，以此為基礎(chǔ)，反演植被覆蓋度，采用破壞指數(shù)DDI(the damage degree index)表示3種災(zāi)害類型區(qū)域震后植被破壞情況。結(jié)果表明：1)研究區(qū)內(nèi)共解譯滑坡103處，崩塌122處，泥石流10處，災(zāi)害面積共計(jì)17.5 km2，震前85%以上區(qū)域處于中植被覆蓋度以上級別，震后中植被覆蓋度以上級別土地面積減少8.01 km2，占災(zāi)害區(qū)域總面積的45.77%;2)滑坡區(qū)域植被破壞程度相對較低，中度及重度破壞的面積占總災(zāi)害面積的68.66%，崩塌區(qū)域植被破壞程度次之，中度及重度破壞的面積占總災(zāi)害面積的88.15%，泥石流區(qū)域的植被破壞最徹底，中度及重度破壞的面積占總災(zāi)害面積的99.74%;3)植被破壞與海拔、坡度有一定關(guān)系，破壞較嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在海拔611～1 543m、坡度25°～45°范圍內(nèi)，植被破壞主要集中在重度破壞這一級別，并隨海拔、坡度增加而增加，植被破壞與坡向關(guān)系不大。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害;歸一化植被指數(shù)(NDVI);植被破壞指數(shù);北川縣

2008年5月12日14時(shí)28分，中國四川省發(fā)生了里氏8.0級的汶川大地震，地震在汶川、北川等縣誘發(fā)了大量滑坡、崩塌、泥石流、塌陷以及堰塞湖等次生地質(zhì)災(zāi)害，造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞。北川縣在地震前就是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，“5·12”地震在北川縣更是誘發(fā)了大規(guī)模的次生地質(zhì)災(zāi)害，震后遙感解譯滑坡與崩塌就達(dá)284處［1］，滑坡和崩塌產(chǎn)生的堆積物在強(qiáng)降雨作用下又進(jìn)一步誘發(fā)了泥石流［2］，導(dǎo)致大量耕地、林地被掩埋毀壞，自然植被也遭到不同程度的破壞，山地生態(tài)環(huán)境極度退化［3］。

目前對北川縣地震災(zāi)害的研究主要集中在地質(zhì)災(zāi)害體數(shù)量、分布、形成條件及誘發(fā)因素、堰塞湖動態(tài)監(jiān)測等幾個(gè)方面［4-9］，對地震災(zāi)害導(dǎo)致的植被破壞情況的研究主要集中在汶川縣［10］、都江堰市［11-12］等地，針對北川縣的研究較少［3］。為了準(zhǔn)確評估北川縣災(zāi)情，為災(zāi)后植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，需要了解植被變化情況。筆者利用北川縣地震前后的高分辨率遙感數(shù)據(jù)，通過計(jì)算NDVI，獲取地震前后次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域植被覆蓋變化等數(shù)據(jù)，為植被重建規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北川羌族自治縣位于四川盆地西北邊緣山區(qū)。地理位置介于 E103°44'～104°42'和 N31°14'～ 32°14'之間。全縣東西長91.8 km，南北寬73.8 km，縣域總面積3 084 km2。

選擇北川縣舊縣城至擂鼓鎮(zhèn)地區(qū)作為研究區(qū)，該區(qū)域位于汶川地震高烈度區(qū)的北川縣湔江河谷地帶(圖1)，是典型的地震引起的次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育地段，面積90 km2。研究區(qū)處于北川—映秀斷裂帶上，該斷裂帶是“5·12”汶川地震的發(fā)震斷裂帶，是龍門山斷裂的中央斷裂帶，在北川縣境內(nèi)沿擂鼓—舊縣城—鄧家—陳家壩延伸。研究區(qū)出露的地層巖性主要為志留系茂縣群的板巖、千枚巖以及寒武系清平組的泥灰?guī)r、砂板巖［13］。該類巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，大部分以殘坡積碎塊石土出露在大于25°斜坡上，為滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)［14］。

研究區(qū)屬于山間河谷地貌，山地海拔一般在700～1 500m。由于河流兩岸侵蝕下切，岸坡多呈25°～45°的斜坡。北川縣全年平均降水量1 399.1mm，年最大降水量2 175.3mm(1967年)，日最大降雨量323.4mm(1977年)，降雨主要集中在5—9月，地表侵蝕作用強(qiáng)烈 ，水土流失嚴(yán)重［15］。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig．1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究使用的數(shù)據(jù)主要為北川縣高分辨率遙感數(shù)據(jù)和該縣1∶5萬地形圖?！?·12”地震前遙感影像為SPOT-5，該影像包括4個(gè)多光譜波段(分辨率為10m)和1個(gè)全色波段(分辨率為2.5m)，覆蓋范圍為北川縣全境;震后遙感影像為Formosat-2，該影像也包含4個(gè)多光譜波段(分辨率為8m)和1個(gè)全色波段(分辨率為2m)，覆蓋范圍為北川境內(nèi)斷裂帶及周邊地震災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)。

2.2 遙感影像預(yù)處理

1)幾何精校正及投影轉(zhuǎn)換。在ERDAS9.2中，利用北川縣震前1∶5萬地形圖，均勻選取10個(gè)控制點(diǎn)(GCP)，采用三次多項(xiàng)式對震前2007年夏季SPOT-5影像進(jìn)行幾何精校正。以校正后的SPOT-5影像為標(biāo)準(zhǔn)，同樣選取10個(gè)控制點(diǎn)(GCP)，采用三次多項(xiàng)式對震后2008年夏季Formosat-2影像進(jìn)行校正［16］，校正的同時(shí)對 SPOT-5及 Formosat-2影像作投影轉(zhuǎn)換，根據(jù)北川縣經(jīng)緯度范圍將影像統(tǒng)一到WGS84 坐標(biāo)系，UTM 投影［17］。由于“5·12”地震造成大量房屋倒塌、道路毀壞以及次生地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的堰塞湖，給校正帶來了一定困難，在選取控制點(diǎn)時(shí)，盡量在震害較輕的區(qū)域選點(diǎn)。

2)影像拼接及剪裁。利用ERDAS中的Mosaic工具將地震前、后各一景影像中涉及到北川縣的SPOT-5及Formosat-2影像分別拼接成震前、震后2幅影像，并利用北川縣邊界矢量圖分別對影像進(jìn)行剪裁。

3)影像融合。采用主成分融合方法，分別對SPOT-5和Formosat-2影像進(jìn)行全色影像和多光譜影像的融合處理，融合后的SPOT-5影像分辨率2.5m，F(xiàn)ormosat-2影像分辨率2m。融合后的影像既能保留多光譜影像的高光譜分辨率，還能保留全色影像的高空間分辨率［18］。

2.3 遙感影像解譯

在對研究區(qū)地震次生災(zāi)害野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他相關(guān)解譯研究成果［19］，利用ArcGIS對震后Formosat-2影像進(jìn)行次生地質(zhì)災(zāi)害解譯。災(zāi)害類型分為滑坡、崩塌、泥石流3種，采用目視解譯的方法，勾繪出3種災(zāi)害類型的分布信息。采用波段1(R)、2(G)、3(B)不同的波段組合方式，得到最接近真實(shí)色彩的Formosat-2影像。

2.4 植被破壞計(jì)算

根據(jù)解譯結(jié)果，采用差分植被指數(shù)NDVI分別提取3種災(zāi)害類型范圍內(nèi)及震前相同區(qū)域的植被指數(shù)，計(jì)算公式為

式中：INDVI為差分植被指數(shù)NDVI值;B2為影像第2波段;B3為影像第3波段。

使用植被覆蓋度fc反映研究區(qū)內(nèi)植被變化情況［20-21］，計(jì)算公式為

式中：fc為植被覆蓋度;INDVIS為研究區(qū)無植被覆蓋區(qū)域像元NDVI值;INDVIV為研究區(qū)純植被覆蓋區(qū)域像元NDVI值。

依據(jù)《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》［22］中植被覆蓋分級要求，將地震前后不同災(zāi)害類型區(qū)域植被覆蓋度分為5個(gè)等級：低(fc＜0.1)、中低(0.1≤fc＜0.3)、中(0.3≤fc＜0.5)、中高(0.5≤fc＜0.7)、高(fc≥0.7)。

采用破壞指數(shù)DDI(the damage degree index)即研究區(qū)地震前后不同災(zāi)害類型區(qū)域NDVI的差值來表示3種災(zāi)害類型區(qū)域震后植被破壞情況［12］，計(jì)算公式為

式中：IDDI為植被破壞指數(shù)值;INDVI1為震前NDVI值;INDVI2為震后NDVI值。

將植被破壞指數(shù)分為3個(gè)等級：輕度破壞(IDDI≤0.05)、中度破壞(0.05 ＜IDDI≤0.15)、重度破壞(IDDI＞0.15)。

3 結(jié)果與分析

3.1 解譯結(jié)果驗(yàn)證

解譯結(jié)果會存在誤差，主要是因?yàn)椋?)研究區(qū)內(nèi)存在的采石場、裸露的廢棄地等會對解譯時(shí)判斷有一定影響;2)研究區(qū)內(nèi)大部分地質(zhì)災(zāi)害活動強(qiáng)烈，但有個(gè)別潛在災(zāi)害體在影像上較難識別;3)2期遙感影像的分辨率、清晰度不同會帶來一定的解譯誤差。

為了驗(yàn)證解譯類型的正確性并分析上述可能存在的誤差，選擇北川縣擂鼓鎮(zhèn)及舊縣城魏家溝流域進(jìn)行解譯結(jié)果驗(yàn)證。主要進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查驗(yàn)證災(zāi)害類型和使用GPS測量災(zāi)害體面積2項(xiàng)工作。共選取10處災(zāi)害區(qū)域作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，驗(yàn)證結(jié)果見表1。對比現(xiàn)場調(diào)查和解譯結(jié)果可以看出，有3處災(zāi)害區(qū)域面積精度在95%以上，4處災(zāi)害區(qū)域面積精度在90%～95%之間，2處災(zāi)害區(qū)域面積精度在80% ～90%之間，只有1處災(zāi)害區(qū)域面積精度較低。另外，在現(xiàn)場調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)2處崩塌屬于漏判，主要是因?yàn)槊娣e小，在遙感影像上很難識別。

由于研究區(qū)屬于震害嚴(yán)重地區(qū)，該區(qū)域誘發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模大、數(shù)量多，且絕大多數(shù)災(zāi)害造成了較強(qiáng)的破壞，在遙感影像上較易識別。同時(shí)，通過現(xiàn)場調(diào)查與解譯結(jié)果對比驗(yàn)證可知，調(diào)查結(jié)果與解譯結(jié)果有很好的擬合性，因此，利用遙感影像可以較為準(zhǔn)確地確定不同次生地質(zhì)災(zāi)害的類型及邊界。

3.2 地震前后植被覆蓋度等級狀況

通過對北川縣地震前后遙感影像的處理，得到地震前后滑坡、崩塌、泥石流3種災(zāi)害類型區(qū)域植被覆蓋度等級狀況，結(jié)果見表2。可以看出：發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域震前植被覆蓋度較高，地震后，植被覆蓋度大于30%的土地面積急劇減少，覆蓋度小于30%的土地面積有所增加。其中高覆蓋度等級的土地面積減少最多，達(dá)到4.17 km2，低覆蓋度等級的土地面積增加最多，達(dá)到了4.22 km2，說明地震引起的地質(zhì)災(zāi)害對植被造成了嚴(yán)重的破壞。

表1 遙感解譯結(jié)果的野外調(diào)查驗(yàn)證Tab．1 Comparison and verification for the results of RS intepretation and site investigation

發(fā)生滑坡的區(qū)域震前植被覆蓋度在中植被覆蓋度以上等級的面積占86.8%，震后降到了41.2%，中低植被覆蓋度及低植被覆蓋度面積比例由13.2%升到了58.8%;發(fā)生崩塌的區(qū)域震前植被覆蓋度在中植被覆蓋度以上等級的面積占96.4%，震后降到了31.2%，中低植被覆蓋度及低植被覆蓋度面積比例由3.6%升到了68.8%;發(fā)生泥石流的區(qū)域震前植被覆蓋度在中植被覆蓋度以上等級的面積占93.1%，震后降到了72.9%，中低植被覆蓋度及低植被覆蓋度面積比例由6.9%升到了27.1%。

3.3 震后植被破壞情況

統(tǒng)計(jì)的研究區(qū)滑坡、崩塌、泥石流3種災(zāi)害類型發(fā)生區(qū)域植被破壞情況見表3。可以看出：3種災(zāi)害類型區(qū)域內(nèi)，植被破壞狀況均以重度破壞的面積最多，其中，滑坡區(qū)域重度破壞的面積略少，僅占滑坡災(zāi)害面積的55.53%，崩塌和泥石流區(qū)域重度破壞的面積較大，分別占其災(zāi)害面積的80.20%和92.40%，滑坡和崩塌區(qū)域中，還有部分面積植被屬于輕度破壞，分別占其災(zāi)害面積的31.35%和12.03%。

其原因主要是由于震前這些區(qū)域植被覆蓋很高，地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害對區(qū)域內(nèi)的植被造成了不同程度的破壞。在現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)：泥石流破壞力最強(qiáng)，發(fā)生該類型災(zāi)害時(shí)對地表植被的破壞是毀滅性的;崩塌對植被有一定的破壞，如崩落的石塊會掩埋植被、砸斷樹木等;滑坡發(fā)生時(shí)，不同的滑動速度會對植被造成不同程度的破壞，滑動速度慢的滑坡其滑坡體上的樹木不會完全遭到破壞，會隨土體滑動而歪斜，在滑坡停止滑動后依然能夠存活，形成馬刀樹(醉林)。因此，發(fā)生泥石流的區(qū)域基本不會有植被存活，發(fā)生崩塌的區(qū)域大部分植被被破壞，可能會有少量植被存活，發(fā)生滑坡的區(qū)域根據(jù)滑坡速度等的不同，會有部分植被存活。

表3 3種災(zāi)害類型區(qū)域植被破壞狀況Tab．3 Vegetation damage in landslides，collapses andmudslides disaster

3.4 植被破壞與海拔的關(guān)系

在ArcGIS中，通過疊加研究區(qū)植被破壞指數(shù)數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，確定植被破壞與海拔的關(guān)系，結(jié)果見表4?？梢钥闯?，植被破壞主要集中在海拔611～1 543m范圍，破壞面積14.42 km2，占破壞總面積的82.40%。各海拔范圍內(nèi)，重度破壞一等級與其他等級相比占有比例最大，均占55%以上，同時(shí)，該破壞等級面積占的比例在海拔611～1543m范圍內(nèi)隨海拔增加而增加，當(dāng)海拔大于1 543m時(shí)，植被破壞面積有所減小。說明植被破壞與海拔有一定關(guān)系，但并非線性關(guān)系。

表4 植被破壞與海拔的關(guān)系Tab．4 Relationship between vegetation damage and elevation

3.5 植被破壞與坡度的關(guān)系

疊加研究區(qū)植被破壞數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)，確定植被破壞與海拔的關(guān)系，結(jié)果見表5。可以看出，植被破壞與坡度有一定關(guān)系，植被破壞主要集中在坡度25°～45°范圍，破壞面積 11.61 km2，占破壞總面積的66.30%。植被破壞面積隨坡度的增加而增加，在坡度達(dá)到35°～45°時(shí)破壞面積最大，坡度大于45°時(shí)，破壞面積隨坡度增加的趨勢有所降低。各坡度范圍中，重度破壞這一等級與其他等級相比占的比例最大，約60%以上，同時(shí)，該破壞等級的面積在坡度25°～45°范圍內(nèi)隨坡度的增加而增加，當(dāng)坡度大于45°時(shí)，植被破壞面積有所減小。說明植被破壞與坡度也并非線性關(guān)系。

3.6 植被破壞與坡向的關(guān)系

疊加研究區(qū)植被破壞數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù)，確定植被破壞與坡向的關(guān)系，結(jié)果見表6?？梢钥闯?，9個(gè)等級的坡向范圍中，各個(gè)等級的植被破壞面積及所占的比例大致相當(dāng)，植被破壞與坡向無明顯關(guān)系。各坡向范圍中，重度破壞等級與其他等級相比均占的比例最大，在30%以上。

表5 植被破壞與坡度的關(guān)系Tab．5 Relationship between vegetation damage and slope

表6 植被破壞與坡向的關(guān)系Tab．6 Relationship between vegetation damage and aspect

4 結(jié)論

1)研究區(qū)內(nèi)共解譯滑坡103處，崩塌122處，泥石流10處，災(zāi)害面積共計(jì)17.5 km2。研究區(qū)震前植被覆蓋較高，85%以上的區(qū)域處于中植被覆蓋度以上級別，地震后中植被覆蓋度以上級別土地面積減少8.01 km2，占災(zāi)害區(qū)域總面積的45.77%，說明汶川地震對研究區(qū)內(nèi)植被造成了嚴(yán)重破壞。

2)3種不同類型災(zāi)害對植被破壞程度不同，發(fā)生滑坡的區(qū)域植被破壞程度相對較低，中度及重度破壞的面積占總災(zāi)害面積的68.66%，發(fā)生崩塌的區(qū)域植被破壞程度次之，中度及重度破壞的面積占總災(zāi)害面積的88.15%，發(fā)生泥石流的區(qū)域植被破壞最嚴(yán)重，中度及重度破壞的面積占總災(zāi)害面積的99.74%。

3)植被破壞與海拔有較為密切的關(guān)系，破壞較嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在海拔611～1 543m范圍內(nèi)，植被破壞主要集中在重度破壞這一級別，且在海拔611～1 543m范圍內(nèi)隨海拔增加而增加，當(dāng)海拔大于1 543m時(shí)，植被破壞程度相對減輕。

4)植被破壞與坡度也有一定關(guān)系，破壞較嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在坡度25°～45°范圍內(nèi)，植被破壞主要集中在重度破壞這一級別，且在坡度25°～45°范圍內(nèi)隨坡度增加而增加，當(dāng)坡度大于45°時(shí)，植被破壞程度相對減輕。

5)植被破壞與坡向關(guān)系不大。

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Vegetation damage assessment of Beichuan County after the earthquake inmay 2008 Based on NDVI

Liang Chao1，Zhao Tingning1，Shi Changqing1，Gao Zhihai2，Zhou Jin3，Zhang Xiaolong3，Xue Tiangui3，Xiao Huiquan3

(1.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating of theministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China;2.Research Institute of Forest Resource Information Techniques，Chinese Academy of Forestry，100091，Beijing，China;3.Beichuan County Forestry Bureau of Sichuan Province，622750，Beichuan，Sichuan，China)

Abstract：This study selected two phases remote sensing images before and after Wenchuan Earthquake onmay 12th，2008 in Beichuan County.The two images before and after the earthquake was obtained to extract vegetation covering information using normalization difference vegetation index(NDVI)，and NDVI was used to estimate vegetation coverage.Then the damage degree index(DDI)of the vegetation was defined，indicating the difference of the normalized difference vegetation index before and after earthquake.The results showed that：1)103 landslides，122 collapses and 10mudslides were interpreted from Formosat-2 image taken after Wenchuan Earthquake，and the area of disaster was 17.5 km2.The area ofmedium vegetation coverage status was 85%before the earthquake，and it reduced by 8.01 km2after the earthquake，which accounted for 45.77%of the whole area of disaster.2)The vegetation damage was relative less serious in landslides regions，wheremoderate and severe damage vegetation occupied 68.66%of the whole area.The vegetation damage wasmodest in collapses regions，wheremoderate and severe damage vegetation occupied 88.15%of the whole area.Most vegetation damage occurred inmudslides regions，wheremoderate and severe damage vegetation occupied 99.74%of the whole area.3)The vegetation damage was closely related to the elevation and slope grade，which was prone to occur at the elevation of 611-1 543m and slope grade of 25°-45°regions.The vegetation damage was worse，most of which were severe damage with a decreasing trend along with elevation and slope grade increasing，but weakly related to the aspect factor.

Key words：geological disasters;normalization difference vegetation index(NDVI);vegetation damage degree index;Beichuan County

TP79

A

1672-3007(2013)04-0086-07

2013-03-11

2013-05-09

國家林業(yè)公益性項(xiàng)目“四川地震災(zāi)區(qū)災(zāi)后植被恢復(fù)及可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(201104109)

梁超(1988—)，男，碩士研究生。主要研究方向：工程綠化與水土保持。E-mail：chao.lyc@gmail.com

簡介：趙廷寧(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：工程綠化與水土保持。E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯：宋如華)