喀斯特地區(qū)路域生態(tài)評價(jià)指標(biāo)及方法研究

何偉南 楊宏志

摘要：針對中國西南地區(qū)喀斯特地貌區(qū)域具有地質(zhì)條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)，提出以植被覆蓋指標(biāo)、溶巖水體富水性指標(biāo)、石漠化指標(biāo)、地形坡度指標(biāo)、土地利用類型指標(biāo)作為喀斯特地區(qū)路域生態(tài)本底評價(jià)指標(biāo)，并基于RSGIS技術(shù)，以河池至都安高速公路為研究對象，研究了路域生態(tài)本底評價(jià)指標(biāo)信息提取方法及指標(biāo)分級方法，確定了生態(tài)本底評價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，為公路生態(tài)保護(hù)方案的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：公路；喀斯特地區(qū)；路域生態(tài)；評價(jià)指標(biāo)

中圖分類號：U419.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

喀斯特地貌區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有滲漏強(qiáng)烈、成土速度慢、土壤侵蝕強(qiáng)、植被易受破壞及逆向演替難度大等特點(diǎn)[1]。然而高速公路穿越巖溶發(fā)育地帶不可避免地對沿線生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生擾動，其建設(shè)和運(yùn)營都會對生態(tài)產(chǎn)生不利影響。因此，本文依托廣西喀斯特地區(qū)高速公路工程，科學(xué)選取喀斯特地區(qū)路域生態(tài)評價(jià)指標(biāo)，研究基于遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）的生態(tài)評價(jià)方法，并以此為基礎(chǔ)從微觀和宏觀2個(gè)層面進(jìn)行喀斯特地區(qū)路域生態(tài)環(huán)境影響分析。

1路域生態(tài)本底評價(jià)指標(biāo)

路域生態(tài)評價(jià)指標(biāo)是從表征生態(tài)環(huán)境本底重要性的生態(tài)因素、環(huán)境因素方面進(jìn)行篩選；因此，確定植被覆蓋、溶巖水體富水性、石漠化、地形坡度、土地利用類型作為喀斯特地區(qū)路域生態(tài)本底評價(jià)指標(biāo)。

（1）植被覆蓋指標(biāo)。植被覆蓋度是指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比，是衡量一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)之一[2]。植被的種類、分布、覆蓋度等對喀斯特地區(qū)公路建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、環(huán)境保護(hù)等都有一定影響，植被覆蓋指標(biāo)可以客觀反映公路建設(shè)對植被生態(tài)的擾動。

（2）土地利用類型指標(biāo)。土地利用類型反映了人類活動對喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的干擾，直接影響著喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能演替[3]。同時(shí)，土地利用類型也是公路設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等的重要參考因素。

（3）石漠化指標(biāo)。石漠化是指受由于人類不合理社會活動的干擾破壞，造成土壤嚴(yán)重侵蝕、基巖大面積出露、土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降、地表出現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化過程[4]。公路在建設(shè)與運(yùn)行過程中，由于堆棄的土壤、施工廢棄地、建筑垃圾與生活垃圾等都會造成水土流失、植被和土壤退化、基巖大面積裸露、土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降等石漠化相關(guān)問題。

（4）地形坡度指標(biāo)。不同的地面坡度對于公路路線勘測、施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營等都將產(chǎn)生重要的影響[56]。地形坡度指標(biāo)可以從一定程度上評價(jià)地貌、生態(tài)與公路建設(shè)的關(guān)系。

（5）溶巖水體富水性指標(biāo)。巖溶水體富水性狹義上指巖溶地下水系統(tǒng)的儲存能力和巖溶水的分布規(guī)律[7]。它反映了喀斯特地區(qū)水資源空間分配和時(shí)間分配情況，是喀斯特地區(qū)合理開發(fā)水資源和有效調(diào)度水資源的理論依據(jù)。公路的建設(shè)往往會改變水的流通方向或阻斷地下水補(bǔ)給源。科學(xué)地評價(jià)溶巖水體富水性，對路域內(nèi)水資源的有效科學(xué)地利用，有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2基于RSGIS的路域生態(tài)本底評價(jià)指標(biāo)信息提取

路域生態(tài)本底空間分析以遙感圖像計(jì)算機(jī)解譯為基礎(chǔ)，根據(jù)目標(biāo)地物的各種影像特征，利用模式識別技術(shù)與人工智能技術(shù)，結(jié)合解譯經(jīng)驗(yàn)和成像規(guī)律等知識進(jìn)行分析與推理，完成路域生態(tài)本底識別[8]。主要技術(shù)步驟為數(shù)據(jù)源的選取、路域生態(tài)本底遙感圖像預(yù)處理、路域生態(tài)本底遙感非監(jiān)督分類、RS與GIS數(shù)據(jù)的集成。本文以廣西河池至都安高速公路為研究對象，對路域生態(tài)本底進(jìn)行綜合評價(jià)[910]。

（1）植被覆蓋指標(biāo)的信息提取及等級劃分。采用NDVI值來反映植被覆蓋信息，表征研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況。NDVI是植物生長狀態(tài)和植被空間分布密度的最佳指示因子。NDVI的值越高，說明該區(qū)域植被覆蓋率越高，相對應(yīng)的生態(tài)本底環(huán)境質(zhì)量也就越好。

應(yīng)用ENVI軟件計(jì)算研究區(qū)的NDVI值，并將計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)入到ArcGIS軟件，獲得植被覆蓋指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

（2）石漠化指標(biāo)的信息提取。分析各地類樣本灰度均值可知，喀斯特地區(qū)石漠化的裸露巖在ETM影像的1、2、3波段的值明顯高于其他地類，反映出裸露巖對于可見光的較強(qiáng)反射特點(diǎn)，且石漠化越嚴(yán)重反射越強(qiáng)烈，表現(xiàn)在遙感影像上裸露巖呈現(xiàn)亮白色。由此可將1、2、3波段DN值（遙感影像像元亮度值）相加，以增強(qiáng)對裸露巖土地的反映。路域石漠化指數(shù)如圖2所示。

（3）地形坡度信息指標(biāo)的提取。地形坡度指標(biāo)是以研究區(qū)內(nèi)高程點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS9.3中的ArcToolbox計(jì)算求得，結(jié)果如圖3所示。

（4）土地利用類型指標(biāo)的信息提取。以RS與GIS的數(shù)據(jù)集成后的矢量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用空間分析工具，得到土地利用類型信息，如圖4所示。

（5）溶巖水體富水性指標(biāo)的信息提取。以ArcGIS的數(shù)據(jù)庫管理工具ArcCatalog和地理數(shù)據(jù)庫模型 Geodatabase為基礎(chǔ)，收集溶巖水體富水性指標(biāo)的影響因子數(shù)據(jù)，并將其分類歸納。巖溶水體富水性影響因子包括水文地質(zhì)環(huán)境因子、構(gòu)造環(huán)境因子、氣象環(huán)境因子和其他環(huán)境因子。利用GIS分別建立影響因子的柵格要素層，按照影響因子的影響性大小，進(jìn)行空間疊加分析，從而得到溶巖水體富水性指標(biāo)信息，如圖5所示。

3喀斯特地區(qū)路域生態(tài)本底評價(jià)指標(biāo)分析

（1）植被覆蓋指標(biāo)分析。根據(jù)圖1可知，喀斯特地區(qū)路域植被指數(shù)分值較高的區(qū)域主要分布在高速公路沿線的永順、太平峒、永安、順安等地區(qū)。結(jié)合實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，板壩、可吾、龍頭主要由農(nóng)田及部分的林草地組成；高嶺、都安部分地區(qū)主要為居民建筑用地。

應(yīng)用ArcGIS程序的Spatial Analyst模塊下的Reclassify，將植被指數(shù)由大到小劃分為5級，分別賦以亮度值和色彩。根據(jù)喀斯特地區(qū)植被分布圖和實(shí)地調(diào)查結(jié)果，NDVI值小于02的區(qū)域?yàn)榉侵脖坏姆植紖^(qū)，NDVI值大于02的區(qū)域?yàn)橹脖环植紖^(qū)。結(jié)合表1植被指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)得到植被覆蓋指標(biāo)等級，如圖6所示。

（2）石漠化指標(biāo)分析。分析研究區(qū)石漠化指數(shù)（圖2），可知喀斯特地區(qū)石漠化嚴(yán)重區(qū)域主要分布

在高速公路沿線的板壩、地蘇等區(qū)域。其中，石漠化極差等級區(qū)域面積占路域總面積的0.04%，石漠化差等級區(qū)域面積占路域總面積的1935%；喀斯特地區(qū)石漠化較輕的區(qū)域主要分布在高速公路沿線的永順、大平峒、高嶺以及地蘇南部等區(qū)域，石漠化良等級區(qū)域面積占路域面積的51.82%。喀斯特地區(qū)未石漠化區(qū)域主要分布在高速公路沿線的可吾、龍頭以及永安與順安之間區(qū)域；其中，石漠化較優(yōu)的等級區(qū)域面積占路域總面積的28.66%，石漠化優(yōu)等級區(qū)域面積占路域總面積的0.11%。將石漠化程度分為5類，如圖7所示。

（3）地形坡度指標(biāo)分析。根據(jù)地表坡度對公路建設(shè)的影響，將其分為5個(gè)的等級，即不大于3°為無坡度影響，3°～6°為輕度坡度影響，6°～10°為中度坡度影響，10°～20°為嚴(yán)重坡度影響，大于20°為極嚴(yán)重坡度影響，地形坡度等級分類如圖8所示。

（4）土地利用指標(biāo)分析。將喀斯特地區(qū)路域土地利用類型分為居民建筑用地、農(nóng)田、裸巖地、水體和植被幾類。人類活動對生態(tài)環(huán)境干擾越強(qiáng)，生態(tài)本底環(huán)境狀況越差，根據(jù)此原則對各地類賦予相應(yīng)分值，土地利用類型如圖9所示。

（5）溶巖水體富水性指標(biāo)分析。研究區(qū)域內(nèi)巖溶區(qū)地下水儲藏形式包括碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖夾碳酸巖裂隙巖溶水、碎屑類巖溶水。溶巖水體富水性指標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分級如表2所示，以溶巖水體富水性指標(biāo)的提取信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息源，制作溶巖水體富水性指標(biāo)評價(jià)分級，如圖10所示。

4喀斯特地區(qū)路域生態(tài)本底綜合評價(jià)與分析

（1）路域生態(tài)本底指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算。喀斯特地區(qū)路域生態(tài)本底指標(biāo)中的5個(gè)指標(biāo)對公路建設(shè)的影響是有區(qū)別的，為了真實(shí)、準(zhǔn)確地反映其對公路建設(shè)的綜合影響，需要對每個(gè)指標(biāo)賦予影響權(quán)重。喀斯特地區(qū)路域生態(tài)本底各指標(biāo)的權(quán)重如表3所示。

（2）生態(tài)本底狀況綜合指標(biāo)計(jì)算。根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重建立生態(tài)本底綜合評價(jià)模型。將植被覆蓋等級圖、石漠化指標(biāo)分級圖、地形坡度分級圖、溶巖水體富水性指標(biāo)分級圖以及土地利用類型圖都轉(zhuǎn)化為Grid柵格格式，在ArcGIS軟件下按照建立的生態(tài)本底綜合指標(biāo)模型進(jìn)行運(yùn)算，并對綜合指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到喀斯特地區(qū)路域生態(tài)本底綜合指數(shù)。

結(jié)合喀斯特地區(qū)路域內(nèi)的具體狀況，將其生態(tài)本底狀況劃分為5個(gè)等級。各等級所代表的生態(tài)本底狀況的意義如表4所示。

5結(jié)語

（1）提出以植被覆蓋指標(biāo)、溶巖水體富水性指標(biāo)、石漠化指標(biāo)、地形坡度指標(biāo)、土地利用類型指標(biāo)作為喀斯特地區(qū)路域生態(tài)本底的評價(jià)指標(biāo)。

（2）基于RSGIS技術(shù)，以河池至都安高速公路工程為研究對象，研究了生態(tài)本底評價(jià)指標(biāo)提取和分級方法，綜合分析了公路建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響。

（3）采用專家打分和層次分析法，確定了各指標(biāo)權(quán)重，獲得了路域生態(tài)本底綜合評價(jià)分級圖，將路域生態(tài)本底分為優(yōu)等、良等、中等、差等、極差等5個(gè)等級，為高速公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營中的生態(tài)保護(hù)提供了依據(jù)。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]