高分遙感影像在頁巖氣開發(fā)水土流失監(jiān)測中的應用

杜顯元 陳宏坤 翁藝斌 馬 良 張坤峰 夏梁芝 戴建林 馮 陽

1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室 2.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司

3.中國石油浙江油田分公司 4.北京地拓科技發(fā)展有限公司

0 引言

我國目前大規(guī)模開發(fā)的頁巖油氣資源多分布于山區(qū)，勘探開發(fā)和相關(guān)配套工程建設過程中會破壞植被，對地表層土壤造成不同程度的擾動，在水蝕等相關(guān)因素作用下，造成大面積的水土流失。同時，地下開采會造成地面塌陷、地下水滲漏，導致植物生長不良甚至死亡，加劇開采區(qū)的水土流失與土壤侵蝕，破壞該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境[1-4]。

傳統(tǒng)的油氣勘探開發(fā)水土流失監(jiān)測主要針對井場進行人工觀測，筆者利用綜合因子的評估方法，在現(xiàn)有研究基礎上創(chuàng)新性地引入高分遙感數(shù)據(jù)，對開采區(qū)域進行水土流失監(jiān)測評估，可以實現(xiàn)快速、大范圍的水土流失精確監(jiān)測，彌補了傳統(tǒng)方法空間局限性高、時效性差、成本高、缺乏直觀性的缺點，完成了傳統(tǒng)技術(shù)無法完成的動態(tài)、連續(xù)、及時的環(huán)境演變監(jiān)測[5-10]。本文選取四川C、Z等頁巖氣開發(fā)項目區(qū)進行監(jiān)測評估。

1 C、Z項目區(qū)環(huán)境簡況

四川C項目區(qū)、Z項目區(qū)位于四川省南部，在大地構(gòu)造上位于楊子準地臺區(qū)，北為四川盆地中凹陷區(qū)的川東南褶皺束及川中古隆起，南為滇黔褶皺區(qū)之婁山關(guān)凹陷褶皺束及雷波隆起，屬較穩(wěn)定地塊，地勢南高北低，地形為狹長形，地體多由石灰?guī)r和紫色頁巖組成。該區(qū)域是典型的喀斯特低山丘陵地貌，巖溶地形特征明顯，多溶洞、漏斗、石筍、石灰?guī)r等；其坡面陡峭，漏水嚴重，溝壑縱橫，多亂石縫地，土層淺薄，抗侵蝕能力弱[11]。

氣候類型上，該區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風氣候，夏雨集中，夏季降水量占全年的52.4%，夏季多暴雨，沖刷能力強，極易造成水土流失。截至2015年4月，研究區(qū)共有居民5 939戶，人口約29 455人[12]，人口密度100人/km2，研究區(qū)受人類活動影響劇烈。頁巖氣開發(fā)過程中的施工、鉆井、道路修建等均會加劇該地區(qū)的水土流失。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 遙感影像數(shù)據(jù)

研究中使用的遙感影像數(shù)據(jù)分別選取C項目區(qū)、Z項目區(qū)2012年的資源一號衛(wèi)星與2017年的Spot 6遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。資源一號衛(wèi)星影像包含1個波段的HR相機影像（分辨率為2.35 m）和3個多光譜波段（分辨率為10.0 m）；Spot 6衛(wèi)星影像包含1個全色波段（分辨率為1.5 m）和4個多光譜波段（分辨率為6.0 m）。

2.1.2 地形數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)采用30 m分辨率DEM（Digital Elevation Model，即數(shù)字高程模型），其他數(shù)據(jù)包括項目區(qū)邊界范圍、項目區(qū)所在行政區(qū)基本概況等。

2.2 研究方法

通過遙感技術(shù)獲取項目區(qū)土地利用、植被覆蓋度、地面坡度數(shù)據(jù)，采用綜合因子法生成土壤侵蝕柵格數(shù)據(jù)，參照《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）中的土壤侵蝕強度面蝕分級標準，確定水力侵蝕強度分級參考指標建立知識規(guī)則[13]，由計算機判別圖斑的侵蝕強度，侵蝕強度分級參照表1。

2.2.1 遙感影像預處理

1）大氣校正與幾何精校正。利用Envi軟件分別對項目區(qū)的資源一號、Spot 6遙感影像進行大氣校正，大氣模型參數(shù)選擇SAS（Sub-Arctic Summer）、氣溶膠模型選擇鄉(xiāng)村，其他選項根據(jù)影像頭文件信息進行選擇。

采用ArcGIS軟件進行幾何精校正。幾何精校正每個項目區(qū)均勻選取不少于20個控制點，利用二次多項式對2012年資源一號衛(wèi)星影像進行幾何精校正，均方根誤差控制在兩個像元以內(nèi)；以校正后的資源一號衛(wèi)星影像為基準影像，采用同樣的方法對項目區(qū)Spot 6遙感影像進行幾何精校正。

表1 土壤侵蝕強度分級指標表

2）影像融合與裁剪。利用Envi軟件將影像處理后的全色與多光譜進行融合，融合后的結(jié)果兼具全色與多光譜的高分辨率、光譜波段信息豐富的特點。根據(jù)四川C項目區(qū)、Z項目區(qū)進行裁剪，得到項目區(qū)的全色多光譜影像。

2.2.2 遙感影像土地利用解譯

1）解譯標志建立。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）中的土地利用分類標準，結(jié)合項目區(qū)土地利用情況，將土地利用分為水田、水澆地、旱地、園地、有林地、灌木林地、草地、居民用地、交通用地、工礦用地、水域及水利設施用地、裸巖、裸土地等13類，通過現(xiàn)場調(diào)研與影像對比的方法，建立C項目區(qū)與Z項目區(qū)的解譯標志，解譯標志包含項目區(qū)所有土地利用類型，每一類至少包含兩種，以提高土地利用解譯成果的準確度。

2）土地利用解譯。結(jié)合建立的解譯標志，采用人機交互的方式對項目區(qū)進行解譯。土地利用屬性準確度應不低于90%，山區(qū)的邊界誤差不大于2個像元，平原地區(qū)不大于1個像元。利用人機交互切割多邊形的方法[14]，排除土地利用成果中圖斑重疊、圖斑縫隙、拓撲錯誤和其他相關(guān)類型的錯誤。土地利用解譯成果如圖1所示。

3）土地利用精度評估。在四川C與Z兩個項目區(qū)內(nèi)分別均勻、隨機挑選40個土地，利用圖斑進行現(xiàn)場驗證，選取的圖斑屬性需包含項目區(qū)內(nèi)所有類型土地利用。通過現(xiàn)場驗證與解譯結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，兩個項目區(qū)的解譯精度均超過94%。

2.2.3 植被覆蓋度計算方法

植被覆蓋度是評判一片區(qū)域的植被群落保持水土能力的重要指標，也是衡量地表水土流失狀況的一個重要的指標，計算植被覆蓋度就是在影像上計算每個像元內(nèi)的植被占像元總面積的比例，通常利用植被的歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）來計算。NDVI又稱標準化植被指數(shù)，定義為近紅外波段NIR與可見光紅波段R反射率之差和這兩個波段反射率之和的比值，即如下公式：

圖1 四川C、Z項目區(qū)2012、2017年土地利用圖

式中NIR表示近紅外波段；R表示可見光紅波段。

植被覆蓋度與NDVI具有非常好的相關(guān)性，NDVI分布值介于－1～1，小于0.1幾乎沒有植被信息，而接近于1時，表示植被生長旺盛。根據(jù)土壤NDVI和植被NDVI計算植被覆蓋度的數(shù)學表達式如下：

式中NDVIsoil表示裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被像元的NDVI值；而NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元NDVI值，即純植被像元NDVI值[15]。NDVI可從通過影像上計算，NDVIsoil與NDVIveg可在影像上確定，植被蓋度成果見圖2。

2.2.4 坡度獲取方法

采用建立的數(shù)字地面高程模型，在GIS支持下利用專門的算法提取坡度。以研究區(qū)1∶10萬地形圖作為底圖，矢量化生成DEM數(shù)據(jù)，以30 m為單元格計算研究區(qū)內(nèi)的坡度，項目區(qū)坡度分布見圖3。

圖2 四川C、Z項目區(qū)2012、2017年植被覆蓋度圖

圖3 四川C、Z項目區(qū)坡度圖

3 結(jié)果與分析

3.1 C、Z項目區(qū)2017年土壤侵蝕面積和強度

基于獲取的2017年遙感數(shù)據(jù)和各項水土流失評定因子數(shù)據(jù)，得出C、Z項目區(qū)2017年水土流失現(xiàn)狀圖，統(tǒng)計分析各個等級的水土流失面積。

經(jīng)統(tǒng)計，2017年四川C項目區(qū)侵蝕面積35.36 km2，占土地總面積的25.62%。侵蝕面積中，輕度11.54 km2、中度12.33 km2、強烈10.19 km2、極強烈1.09 km2、劇烈0.21 km2，分別占侵蝕總面積的32.64%、34.87%、28.82%、3.08%、0.59%（表2）。土壤侵蝕主要以輕度、中度為主，集中在四川C項目區(qū)西北部、西部、西南部一帶，中部地區(qū)土壤侵蝕強度較小（圖4-a）。

表2 四川C、Z項目區(qū)2017年土壤侵蝕統(tǒng)計表

四川Z項目區(qū)2017年侵蝕面積63.92 km2，占土地總面積的39.95%。侵蝕面積中，輕度19.99 km2、中度26.22 km2、強烈16.78 km2、極強烈0.88 km2、劇烈0.05 km2，分別占侵蝕總面積的31.27%、41.02%、26.25%、1.38%、0.08%（表2）。土壤侵蝕主要以輕度、中度為主，土壤侵蝕分布廣泛，其中以東南部土壤侵蝕強度較大且分布集中（圖4-b）。

圖4 四川C、Z項目區(qū)2017年土壤侵蝕強度圖

3.2 C、Z項目區(qū)2012—2017年水土流失變化

四川C項目區(qū)2017與2012年相比，土壤侵蝕強度面積整體減少20.18 km2，其中輕度侵蝕面積減少6.77 km2，中度侵蝕面積減少12.93 km2，強烈侵蝕面積減少0.38 km2，極強烈侵蝕面積減少0.13 km2，劇烈侵蝕面積增加0.03 km2（表3）。土壤侵蝕減少的地方主要分布在C項目區(qū)南部（圖5-a），土壤侵蝕加重的地方比較分散，侵蝕加重區(qū)域與居民點用地、交通用地相鄰。土壤侵蝕主要由社會經(jīng)濟發(fā)展造成，局部地區(qū)是由于油氣開發(fā)新修建平臺、道路造成，因此油氣開發(fā)對土壤侵蝕的影響不大。

表3 四川C項目區(qū)2012—2017年土壤侵蝕變化表

四川Z項目區(qū)2017年與2012年土壤侵蝕強度相比，2017年土壤侵蝕強度面積整體減少了18.93 km2。其中輕度侵蝕減少5.19 km2，中度侵蝕面積減少10.67 km2，強烈侵蝕面積減少2.64 km2，極強烈侵蝕面積減少0.40 km2，劇烈侵蝕面積減少0.03 km2（表4）。從土壤侵蝕變化圖看（圖5-b），總體上土壤侵蝕面積變小，但局部土壤侵蝕加重，土壤侵蝕加重的地方主要分布在項目區(qū)東部和中部一帶。這一地區(qū)的油氣平臺與居民點用地、交通用地相交排布。土壤侵蝕加重的原因主要與油氣田生產(chǎn)建設與社會經(jīng)濟發(fā)展共同作用有關(guān)。

3.3 評估精度與制約因素

圖5 四川C、Z項目區(qū)2012—2017年土壤侵蝕強度變化面積圖

表4 四川Z項目區(qū)2012—2017年土壤侵蝕變化表

通過有條件的隨機抽樣并現(xiàn)場驗證的方法檢測水土流失評估等成果的精確度。四川C、Z兩個項目區(qū)分別抽取50個均勻分布的樣本點，重點選取土地利用屬性存疑的地塊進行現(xiàn)場核查。通過現(xiàn)場抽樣核查的方法驗證[16-17]，利用綜合因子結(jié)合高分遙感影像評估的水土流失精度約為93%，誤差率約為7%。

該方法適用于有土地利用、地形數(shù)據(jù)等相關(guān)基礎數(shù)據(jù)的地區(qū)，若缺少該類數(shù)據(jù)無法進行有效評估。相較于傳統(tǒng)測量評估方法，本方法的評估準確度受土地利用、坡度、植被蓋度、高分遙感影像分辨率等相關(guān)因子精度的制約[18-19]。水土流失影響因子除文中涉及的土地利用、植被蓋度、坡度等因子，還受降雨、坡向、采取的防治措施等因素影響，后續(xù)研究將引入降雨、坡向、措施類型等細化因子，增加水土流失評估的全面性，提高評估的準確率[20-21]。

4 結(jié)論

1）四川C項目區(qū)、Z項目區(qū)土壤侵蝕占總土地面積較小，土壤侵蝕強度中主要以輕度和中度為主。2012—2017年土壤侵蝕面積整體減少，但局部土地擾動增多，土壤侵蝕強度增大，水土流失嚴重，主要原因是社會經(jīng)濟發(fā)展，次要原因是油氣田生產(chǎn)建設相關(guān)活動。該地區(qū)油氣開發(fā)尚處于初級階段，仍具有水土流失風險，因此研究區(qū)內(nèi)水土流失防治工作仍需高度重視，保護珍貴的水土資源。

2）利用綜合因子結(jié)合高分遙感影像的評估方法，其準確度受土地利用、坡度、植被蓋度、高分遙感影像分辨率等相關(guān)因子精度的制約。除上述影響因素，水土流失還受降雨、坡向、采取的防治措施等因素的影響，后續(xù)研究將引入這些影響因子，以增加水土流失評估的全面性，提高評估的準確率。