基于遙感技術(shù)的三峽庫(kù)區(qū)屏障帶劃分研究：以重慶市萬(wàn)州區(qū)為例

李春鋒，王旭紅

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710127)

三峽庫(kù)區(qū)是一個(gè)復(fù)雜的自然—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)區(qū)域，位于長(zhǎng)江中上游結(jié)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(kù)區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地處暴雨頻繁的亞熱帶氣候區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害具有點(diǎn)多、面廣、突發(fā)性強(qiáng)、危害大等特點(diǎn)，是全國(guó)四大地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重地區(qū)之一。隨著三峽水利工程的竣工，新一輪庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)也變的愈來(lái)愈重要，因此，科學(xué)、準(zhǔn)確地劃定三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響范圍尤為關(guān)鍵。

當(dāng)前三峽庫(kù)區(qū)屏障帶的劃分主要有兩種:以經(jīng)濟(jì)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(yīng)出三峽庫(kù)區(qū)屏障帶的不同特點(diǎn)，但均側(cè)重于社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素方面，對(duì)自然環(huán)境因素影響涉及較少。本文結(jié)合遙感技術(shù)與GIS的空間分析功能對(duì)庫(kù)區(qū)自然環(huán)境進(jìn)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(shì)，從而確定庫(kù)區(qū)的生態(tài)屏障范圍。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

實(shí)驗(yàn)選擇重慶市萬(wàn)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(shí)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(guò)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(jié)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(guò)對(duì)研究區(qū)三個(gè)時(shí)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(shì)，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(lái)反演地表溫度，在研究區(qū)域性的地表溫度時(shí)，TM和ETM+數(shù)據(jù)由于具有較高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)60年代以來(lái)，眾多學(xué)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(cè)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(jié)果見(jiàn)圖1。

通過(guò)對(duì)萬(wàn)州區(qū)三個(gè)時(shí)相的亮度溫度分布圖進(jìn)行對(duì)比分析，提取出長(zhǎng)江兩岸地表亮溫變化突變線，即三個(gè)時(shí)相三峽庫(kù)區(qū)地表亮溫變化趨勢(shì)線，其區(qū)域面積為309.7 km2。如圖3所示。

圖1 萬(wàn)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(duì)土壤含水量具有較強(qiáng)的敏感性，因此目前利用微波遙感監(jiān)測(cè)土壤含水量的研究試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，美國(guó)農(nóng)業(yè)部USDA制定的農(nóng)業(yè)資源調(diào)查聯(lián)合計(jì)劃(AgRISTARS)中將微波遙感定為土壤水分監(jiān)測(cè)的主要手段［4］。本文借助光學(xué)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(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(shí)利用紅外通道遙感數(shù)據(jù)通過(guò)植被指數(shù)閾值技術(shù)反演估算地表溫度［5］，對(duì)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(guān)系來(lái)估算地表的濕度;而裸土和植被覆蓋像元，將通過(guò)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(jié)合地表微波輻射模型，疊代計(jì)算得到地表層濕度的估計(jì)值。研究區(qū)域三個(gè)時(shí)相的地表濕度估算結(jié)果如圖2所示。

圖2 萬(wàn)州區(qū)地表濕度分布圖

對(duì)三個(gè)時(shí)相的地表濕度估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明萬(wàn)州三峽庫(kù)區(qū)地表濕度大小隨著時(shí)間的變化，有逐漸加深的趨勢(shì)，其影響范圍正向庫(kù)區(qū)周圍擴(kuò)大，結(jié)合這一變化趨勢(shì)劃分出地表濕度的變化突變線(圖4)。

圖3 萬(wàn)州區(qū)兩岸地表亮溫變化突變線

圖4 萬(wàn)州區(qū)兩岸地表濕度變化突變線

圖5 萬(wàn)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(shí)也是分水線，處于分水線上的柵格單元也是水流的起源點(diǎn)，通過(guò)地表徑流模擬計(jì)算，這些柵格的水流方向都具有流出方向，無(wú)流入方向，也就是其柵格的匯流累積量為零。通過(guò)對(duì)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(jié)果來(lái)看，該區(qū)域山脊線特征變化不明顯。結(jié)合GIS的數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具，統(tǒng)計(jì)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(jié)果

庫(kù)區(qū)屏障帶劃分目標(biāo)在于劃分出長(zhǎng)江三峽區(qū)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的最大影響范圍，為庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)以地表溫度、地表濕度以及山脊線為主要參考因素，通過(guò)對(duì)其變化趨勢(shì)分析，提取出各自的變化突變線，借助ArcGIS的空間分析平臺(tái)，通過(guò)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(wàn)州區(qū)三峽庫(kù)區(qū)屏障帶劃分

4 結(jié)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(tái)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，劃分出萬(wàn)州區(qū)三峽庫(kù)區(qū)屏障帶，確定了本研究方法的可行性。

(2)通過(guò)對(duì)研究區(qū)不同時(shí)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(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)萬(wàn)州區(qū)長(zhǎng)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(kuò)大，而山脊線變化不顯著。表明長(zhǎng)江三峽對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響在逐漸擴(kuò)大，三峽庫(kù)區(qū)屏障帶范圍有擴(kuò)大的趨勢(shì)。

(3)結(jié)合三個(gè)主要參考因素的變化情況，探索性地劃出了萬(wàn)州區(qū)長(zhǎng)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(qiáng).基于地表相對(duì)濕度數(shù)據(jù)反演地表溫度研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).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(cè).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(xué)報(bào).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(yàn)［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào).2004.4(15).

［5］谷松巖，李萬(wàn)彪，張文建.利用TRMM/TMI資料提取地表層濕度信息試驗(yàn)［J］.遙感學(xué)報(bào).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(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版).2001.7(03).