基于多时期遥感影像监测高速铁路隧道工程洞顶植被生长动态变化研究

孙 健

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

我国地形地貌复杂多样，陆地地形的基本类型在我国均有分布，把山地、丘陵等合称为山区，约占我国国土面积的三分之二[1]。受工程线站位总体走向、地形地貌、不良地质等条件制约，我国高速铁路穿越山区的隧道工程建设规模越来越大，隧道工程对生态环境的不利影响也越来越受到重视，主要表现为隧道弃渣导致水土流失及植被破坏、隧道开挖导致地下水动态平衡破坏影响洞顶植被的生长等方面[2-3]。

以往隧道工程对生态环境的影响研究多集中在隧道弃渣导致水土流失及植被破坏[4-6]，地下水动态平衡破坏导致洞顶植被生长受到影响，由于地形限制等原因，传统的实地测样分析植被监测方法难以进行实时、大规模的监测和研究，遥感影像监测植被生长手段的突出优势在于空间连续覆盖监测、大范围和低成本[7]。NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，归一化植被指数)是反映植被所吸收的光合有效辐射比例的一个重要指数，一般通过遥感影像可见光和近红外波段的反射率计算得到，NDVI对植被的生长势和生长量非常敏感，NDVI可以较好地反映地表植被的茂盛程度，在一定程度上能指示地表植被生长状态及空间分布[8-11]。VFC(Vegetation Fractional Coverage，植被覆盖度)，作为反映地表植被分布特征的定量参数，是指示生态环境变化的基本指标[12-13]。

因此，本研究拟以太原至焦作城际铁路(以下简称“太焦城际铁路”)为研究对象，收集太焦城际铁路穿越山西省太岳山脉的太谷隧道、白北隧道、榆社隧道3处隧道工程沿线Landsat遥感影像，选取隧道工程建设前(2016年)、建设中(2017—2019年)、建设后(2020年)为研究时期，估算隧道工程沿线遥感影像NDVI均值和VFC均值。从时序特征角度，研究太焦城际铁路建设过程隧道工程洞顶植被生长动态变化的特征及影响因素，为遥感技术在监测高速铁路隧道工程洞顶植被生长动态变化方面的应用提供科学参考依据。

1 项目概况

太焦城际铁路位于山西省东部，北起山西省会太原市，经山西省晋中市、长治市、晋城市，南至河南省焦作市，建成后是山西省南部主要的客运通道。太焦城际铁路于2016年6月正式开工，2016年12月隧道工程进洞施工，2020年5月全线隧道工程贯通，2020年12月正式开通运营。工程主要以太谷隧道(11 497 m)、白北隧道(4 457 m)、榆社隧道(10 670 m)穿越太岳山脉，如图1 所示。太岳山脉位于山西省中南部，大体呈南北走向，地形起伏，山峦叠布，南北向长约200 km，东西向宽约30 km，工程所经区域海拔666～2 143 m，区域植被类型主要以油松、辽东栎等组成的常绿针叶林和落叶阔叶林[14-15]。

图1 太焦城际铁路隧道工程穿越太岳山脉位置关系示意

2 研究方法

2.1 数据采集

本研究选取遥感影像的成像时间分别为2016年9月7日、2017年10月12日、2018年9月29日、2019年10月2日和2020年9月18日，基本覆盖了太焦城际铁路隧道建设前、建设中和建设后各个时期，能很好地对比、反映隧道洞顶植被生长动态变化过程。研究采用的Landsat 8 OLI遥感影像来自中国科学院计算机网络信息中心科学数据中心地理空间数据云平台。Landsat8卫星搭载陆地成像仪(Operational Land Imager，简称OLI)，陆地成像仪可以被动感应地表发射的太阳辐射和散发的热辐射，覆盖了从红外到可见光的不同波长范围，有9个波段的感应器，可用来监测植被覆盖和作物长势等植被信息[16]。

2.2 数据预处理

2.2.1 辐射定标与大气校正

辐射定标是将遥感卫星Landsat8 OLI遥感影像传感器记录的电压或数字量化值转换成绝对辐射亮度值，消除传感器本身产生的误差，利用辐射定标工具(Radiometric Correction)从原始数据中读取参数，完成辐射定标。大气校正是消除大气和光照等因素对地物反射的影响，获得地物反射率、辐射率、地表温度等真实物理模型参数，利用大气校正工具(FLAASH Atmospheric Correction)基于辐射传输模型，完成大气校正。

2.2.2 图像裁剪

本研究选取太焦城际铁路穿越太岳山脉的隧道工程沿线1000m范围作为研究区域，利用缓冲区工具(Buffer)制作线路两侧研究区域矢量数据，再利用裁剪工具(Subset Data from ROIs)对遥感影像进行图像裁剪，得到研究区域遥感影像数据。

2.2.3 NDVI值计算

Landsat8 OLI遥感影像的多光谱数据的四、五波段分别为红光波段、近红外波段反射率，利用波段运算工具(Band Math)直接计算得到NDVI值[17]，计算模型按式(1)计算。

NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)

(1)

式中，NDVI为归一化植被指数；NIR为近红外波段；RED为红光波段。

2.2.4 VFC值计算

本研究采用像元二分模型计算植被覆盖度，根据像元二分模型原理，一个像元的NDVI值可以表达为由绿色植被部分所贡献的信息与裸土部分所贡献的信息两部分组成，利用波段运算工具(Band Math)直接计算得到VFC值[18]，计算模型按式(2)计算。

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式中，VFC为植被覆盖度值；NDVI为归一化植被指数；NDVIsoil为裸土或无植被覆盖区域NDVI值；NDVIveg为纯植被像元的NDVI值。

2.3 相关性分析法

利用相关性分析方法研究影响太焦城际铁路隧道建设前、中、后期沿线遥感影像植被指数变化的原因，建立区域降雨量和植被指数NDVI均值、VFC均值的相关关系，计算相关系数R值，分析区域降雨量和植被指数变化的相关性。相关系数R值的绝对值越接近1，相关越密切；越接近于0，相关越不密切。

3 结果与分析

3.1 NDVI时序变化结果

根据NDVI的计算结果，分别得到太焦城际铁路沿线遥感影像在建设前、建设中和建设后的NDVI均值，隧道建设前、中、后期沿线遥感影像NDVI均值的统计结果如表1所示，隧道建设前、中、后期沿线遥感影像NDVI均值变化如图2所示。

表1 隧道建设前、中、后期遥感影像NDVI均值统计

图2 隧道建设前、中、后期遥感影像NDVI均值变化示意

由表1及图2可知，隧道建设前、中、后期沿线遥感影像NDVI均值呈现出先下降后上升的特征，但仍处于较高水平，表明太焦城际铁路建设中洞顶植被的生长受到了一定程度的不利影响，建设后洞顶植被生长恢复至建设前生长水平。

3.2 VFC时序变化分析

根据VFC的计算结果，分别得到太焦城际铁路沿线遥感影像在建设前、建设中和建设后的VFC均值，隧道建设前、中、后期沿线遥感影像VFC均值的统计结果如表2所示，隧道建设前、中、后期沿线遥感影像VFC均值变化如图3所示。

表2 隧道建设前、中、后期遥感影像VFC均值统计

图3 隧道建设前、中、后期遥感影像VFC均值变化示意

由表2及图3可知，隧道建设前、中、后期沿线遥感影像VFC均值呈现出先下降后上升的特征，但仍处于较高水平，表明太焦城际铁路建设中洞顶植被的生长受到了一定程度的不利影响，建设后洞顶植被生长恢复至建设前生长水平。

3.3 NDVI和VFC时序变化分析

3.3.1 隧道施工涌水影响分析

根据地下水赋存条件，太焦城际铁路隧道工程穿越太岳山脉,含水介质及水力特征可分为如下3种类型：第四系松散岩类中的孔隙水、基岩浅部的裂隙水以及构造破碎带中的构造裂隙水。

(1)第四系松散岩类孔隙潜水主要赋存于土石界面以上及沟谷区冲洪积层和山坡地带坡积层中，该层透水性、富水性较好，主要由大气降水补给，广泛在隧道区地表低洼地段分布，在隧道洞身内没有分布，与油松、辽东栎等洞顶植被根系吸水密切相关。

(2)基岩裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙和构造裂隙中，以微张～张开状裂隙为主，透水性较好，因山高坡陡，其富水性较差，接受大气降雨和第四系松散岩类孔隙水下渗补给。

(3)断裂构造带中的构造裂隙水，断层在平面上延伸较长，切割错动地层，为良好的地下水导水带和富水带，长期接受大气降水和地下水的下渗补给，含水量较丰富，主要接受大气降水、地表水、基岩裂隙水的下渗补给。

太谷隧道、白北隧道、榆社隧道等3个隧道建设中期正常涌水量共计为8.6×104m3/d，隧道埋深332.0～383.4 m，隧道建设中涌水主要来自太岳山脉含水量丰富的断裂带构造带中的构造裂隙水，主要接受大气降水、地表水、基岩裂隙水的下渗补给，隧道建设中期涌水对于与洞顶植被根系吸水密切相关的第四系松散岩类孔隙潜水水位基本无影响，对洞顶植被生长基本无影响。隧道建设后隧道防水等级满足相应的一级防水标准[19-20]，隧道建设后无隧道涌水，对洞顶植被的生长无影响。

3.3.2 大气降水影响分析

太焦城际铁路隧道工程穿越太岳山脉所处区域临近太原市(距离约46 km)，太原市2016—2020年年降雨量[21]，如表3所示。

表3 太原市年降雨量(2016—2020年)统计

隧道工程建设过程2016—2020年所处区域年降雨量分别为528.4，521.2，364.6，312.6，547.0 mm，年降雨量呈先下降后上升的特征，与隧道工程沿线遥感影像NDVI均值和VFC均值变化特征一致，相关系数R值分别为0.855 5和0.855 7，均呈显著正相关关系，如图4、图5所示。分析得到，隧道工程建设中(2017—2019年)多年平均降雨量399.5 mm，较建设过程(2016—2020年)多年平均降雨量454.8 mm减少12.2%，建设中大气降水减少导致与洞顶植被根系吸水密切相关的第四系松散岩类孔隙潜水补给减少，进而导致潜水水位下降，对洞顶植被生长造成一定的不利影响。建设后(2020年)年降雨量547.0 mm，较建设过程(2016—2020年)多年平均降雨量454.8 mm增加20.3%，建设后大气降水增加使得与洞顶植被根系吸水密切相关的第四系松散岩类孔隙潜水补给增加，潜水水位回升，洞顶植被恢复生长正常。

图4 隧道工程区域年降雨量与NDVI均值时序变化散点

图5 隧道工程区域年降雨量与VFC均值时序变化散点

4 结论

综上所述，太焦城际铁路穿越太岳山脉的3处隧道建设前、中、后期沿线遥感影像NDVI均值和VFC均值呈先下降后上升变化特征，与所处区域年降雨量变化特征一致，相关系数R值分别为0.855 5和0.855 7，均呈显著正相关关系。研究表明，隧道工程洞顶植被生长主要受所处区域降雨量变化的不利影响，隧道施工过程中施工涌水对洞顶植被生长基本无影响。

本研究为监测高速铁路隧道工程洞顶植被动态变化提供了一套实时、定量化的遥感技术评价方法，方法突出优势在于空间连续覆盖监测、大范围和低成本，为今后的类似研究提供了技术参考。但还存在一定的不足之处，由于太焦城际铁路建成通车时间较短，未能取得建设后更长时间跨度的遥感影像NDVI均值和VFC均值变化情况，未来该技术在监测高速铁路隧道工程洞顶植被生长动态方面会得到更广泛的应用。