梁凱旋，章桂芳,2,3，李紅中，文金芳,2

(1. 中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510275；2. 廣東省地球動(dòng)力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510275；3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海 519000；4. 廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 510507)

公路路域是指公路在建設(shè)、維護(hù)及運(yùn)行管理過(guò)程中所改變和影響的地面自然帶狀空間，這種帶狀空間既包括公路建筑設(shè)施，還涵蓋與公路產(chǎn)生相互作用和影響的自然生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)區(qū)域[1]。中國(guó)正處于公路建設(shè)高速發(fā)展時(shí)期，2012年，中國(guó)高速公路通車?yán)锍?.6萬(wàn)km，超越美國(guó)成為世界第一，2018年12月，達(dá)到了14萬(wàn)km，且還在持續(xù)快速增長(zhǎng)?，F(xiàn)代化的高速公路設(shè)施和良好的路域生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的植被生態(tài)系統(tǒng)是現(xiàn)代化高速公路的特征[2]，“綠色公路”的理念已成為當(dāng)下公路建設(shè)的發(fā)展方向[3]。然而，相比目前對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施研究和建設(shè)的重視，路域生態(tài)系統(tǒng)和界線劃定的研究還相對(duì)匱乏[2]，分析路域生態(tài)環(huán)境的變化從而劃定路域界限對(duì)高速公路建設(shè)決策以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)有著重要意義[4-5]，是目前公路路域研究中的重要方向和研究熱點(diǎn)[6-7]。

路域生態(tài)系統(tǒng)是將生物(特別是綠色植物)與路域環(huán)境作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，由于路域環(huán)境的特殊性，決定了路域范圍內(nèi)生物系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)的特殊性[8]，同時(shí)，公路建設(shè)和使用對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)不同的時(shí)間和空間發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，相較于費(fèi)用高、效率低、滯后的傳統(tǒng)調(diào)查方法，遙感技術(shù)以其費(fèi)用小、省時(shí)省力和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)為路域生態(tài)環(huán)境大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)確定提供了可能[9-10]，結(jié)合GIS強(qiáng)大的空間分析功能使得路域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及路域界限分析得以定量實(shí)現(xiàn)[11-12]。植被長(zhǎng)勢(shì)可以顯著反映公路路域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境變化[12]，因此，可以利用遙感技術(shù)對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)從而確定路域界限[13-14]。

本研究基于Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，通過(guò)多平臺(tái)綜合提取高速公路多級(jí)緩沖區(qū)的植被指數(shù)信息，進(jìn)而探討不同公路范圍內(nèi)植被遭受公路的影響及其規(guī)律，并劃分公路路域界限，該研究將為公路生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和界線確定提供研究思路和實(shí)例。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇位于廣東省云浮市內(nèi)的廣昆高速公路為對(duì)象，地理位置范圍為東經(jīng)111°51′30″～111°56′36″，北緯22°60′～22°56′56″(圖1)。研究區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，年均降水量約1 900 mm，平均氣溫約22.5 ℃，年日照時(shí)數(shù)約1 700 h，水熱條件良好，植被覆蓋率高。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，下載于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)， 間分辨率為30 m，獲取時(shí)間為2018年4月8日，云量信息為0.4%，條帶號(hào)為123，行編號(hào)為44。此外，還使用云浮市公路、行政邊界數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)。該時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)的植被長(zhǎng)勢(shì)較好，真彩色遙感圖像中呈現(xiàn)明顯綠色，近紅外波段影像的反射率較高，總體上光譜信息明顯，地物信息顯示清晰。

2 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)的處理分別在ENVI、ArcGIS、Matlab軟件平臺(tái)上進(jìn)行。

首先，數(shù)據(jù)的預(yù)處理在ENVI平臺(tái)上完成，考慮到Landsat 8的下載數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)初步幾何校正，故本研究數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正，以獲取遙感影像實(shí)際的反射率。然后，根據(jù)研究區(qū)的位置對(duì)圖像進(jìn)行剪裁。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)在ArcGIS平臺(tái)上進(jìn)行緩沖區(qū)提取。結(jié)合云浮市公路數(shù)據(jù)，提取出云安區(qū)境內(nèi)廣昆高速周圍植被長(zhǎng)勢(shì)較好的一段進(jìn)行詳細(xì)分析。鑒于公路所產(chǎn)生的生態(tài)格局度約在1 km 以上[12]，本研究按照界限1 200、900、600、480、360、240和120 m建立了該段公路的多級(jí)緩沖區(qū)?；诰彌_區(qū)提取結(jié)果在ENVI平臺(tái)上進(jìn)行植被信息提取，在Matlab平臺(tái)上對(duì)植被信息結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析。詳細(xì)技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線圖

3 結(jié)果分析

3.1 植被信息提取

植被信息提取采用植被指數(shù)法，它是研究植被信息的基本方法[15-17]，植被指數(shù)主要包括NDVI、RVI、IAVI、ARVI和DVI等，它們的計(jì)算公式見表1。本研究采用植被指數(shù)的閾值法進(jìn)行植被提取，通過(guò)建立ROI統(tǒng)計(jì)植被區(qū)和非植被區(qū)的植被指數(shù)，以植被區(qū)的邊界值作為閾值提取出植被區(qū)，提取結(jié)果見圖3～7。

本研究利用ENVI平臺(tái)對(duì)圖3～7的植被區(qū)提取結(jié)果進(jìn)行植被信息分析。首先統(tǒng)計(jì)多級(jí)緩沖區(qū)中最終植被區(qū)的各類植被指數(shù)總值，然后二值化多級(jí)緩沖區(qū)以求得植被覆蓋面積，將各類植被指數(shù)總值與其比值算得多級(jí)緩沖區(qū)的各類植被指數(shù)均值，進(jìn)而獲得各級(jí)路域遙感影像中有效的植被指數(shù)均值變化，各級(jí)路域內(nèi)各類植被指數(shù)均值變化數(shù)據(jù)見表2。對(duì)植被指數(shù)計(jì)算結(jié)果和各級(jí)路域范圍進(jìn)行擬合，擬合曲線見圖8。

3.2 結(jié)果分析

本研究基于Matlab平臺(tái)對(duì)表2中各路域的植被指數(shù)均值數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到了植被指數(shù)擬合公式(1)，植被指數(shù)擬合公式參數(shù)p1、p2、p3、q1值見表3。

(1)

式中，x代表路域界限與公路的距離，F(xiàn)(x)為公路界限x(m)范圍內(nèi)有效的植被指數(shù)均值。

圖3 NDVI植被指數(shù)的多級(jí)緩沖區(qū)植被區(qū)提取結(jié)果

圖4 RVI植被指數(shù)的多級(jí)緩沖區(qū)植被區(qū)提取結(jié)果

圖5 IAVI植被指數(shù)的多級(jí)緩沖區(qū)植被區(qū)提取結(jié)果

圖6 ARVI植被指數(shù)的多級(jí)緩沖區(qū)植被區(qū)提取結(jié)果

圖7 DVI植被指數(shù)的多級(jí)緩沖區(qū)植被區(qū)提取結(jié)果

表2 各級(jí)路域內(nèi)各類植被指數(shù)均值變化

表3 式(1)植被指數(shù)擬合公式參數(shù)

F(x)與x的相關(guān)系數(shù)均為0.999。假設(shè)公式(1)可以近似為公路上某點(diǎn)對(duì)周圍植被的影響函數(shù)，路域內(nèi)與它距離相同的點(diǎn)組成一個(gè)圓，該圓上各點(diǎn)遭受公路的影響相同，即同一路域界限處植被指數(shù)相等，因此可以求得距離公路x/m處的植被指數(shù)函數(shù)，公式如下：

f(x)=F(x)+xF′(x)/2

(2)

式中f(x)為距離公路x/m處的植被指數(shù)，函數(shù)圖像見圖9。

圖9 距離公路x/m處的植被指數(shù)函數(shù)

各類植被指數(shù)函數(shù)曲線的變化規(guī)律與圖8大致相同，同一界限處植被指數(shù)值總大于圖8曲線對(duì)應(yīng)的均值。NDVI、IAVI、ARVI三種植被指數(shù)在公路路域200 m內(nèi)變化顯著，平均變化率分別為：4.6×10-4/m、4.5×10-4/m、4.5×10-4/m，在路域200～600 m內(nèi)變化幅度下降，平均變化率分別為：5.3×10-5/m、6.1×10-5/m、5.9×10-5/m，在路域600～1 200 m內(nèi)幾乎沒(méi)有變化。RVI指數(shù)總體上變化幅度相對(duì)較大，同樣在路域200 m內(nèi)大幅度變化，之后大約持續(xù)到界限800 m處才趨于平穩(wěn)。DVI指數(shù)與前4種指數(shù)不同，其縱軸在右側(cè)，曲線變化很大。DVI指數(shù)在路域200 m內(nèi)平均變化率為5.061 /m，路域200～600 m內(nèi)平均變化率為0.318 /m，路域600～1 200 m內(nèi)平均變化率為0.172 /m?？傮w來(lái)說(shuō)，DVI指數(shù)在路域200 m內(nèi)變化明顯，而在界限200 m以外變化幅度減緩，在路域1200 m內(nèi)持續(xù)上升。

以上分析表明，不同路域內(nèi)植被指數(shù)變化因方法的差異呈現(xiàn)出3組：① 以ARVI、IAVI和NDVI三種植被指數(shù)變化在界限600 m以外均趨于平穩(wěn)為特征；② 以RVI植被指數(shù)變化擴(kuò)展到界限800 m處才趨于平穩(wěn)為特征；③ 以DVI植被指數(shù)在本研究路域1 200 m內(nèi)持續(xù)上升為特征。

4 討 論

4.1 不同植被指數(shù)的對(duì)比

植被指數(shù)是揭示植被長(zhǎng)勢(shì)特征的重要手段，其在公路路域研究中已有研究應(yīng)用[15-17]，現(xiàn)有的各類判別指標(biāo)所揭示的成果或多或少存在差異的原因在于其方法本身所關(guān)注的影響因子差異。事實(shí)上，植被指數(shù)易受到大氣和植被覆蓋度的影響[17]，這就意味著各種方法都具有其自身的適應(yīng)范圍。在本研究中，各種指數(shù)的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出3類趨勢(shì)：

1)NDVI、ARVI、IAVI植被指數(shù)：該類指數(shù)趨于平穩(wěn)的臨界范圍在600 m處。ARVI和IAVI指數(shù)是為了減少大氣對(duì)NDVI指數(shù)影響的修正指數(shù)，其加入了藍(lán)光波段和大氣修正參數(shù)的計(jì)算[16]。根據(jù)結(jié)果分析，ARVI、IAVI和NDVI三種植被指數(shù)變化規(guī)律在公路路域1 200 m內(nèi)幾乎一致，這反映了大氣對(duì)于NDVI指數(shù)的影響較小，原先數(shù)據(jù)的大氣校正預(yù)處理效果良好。NDVI指數(shù)常用來(lái)進(jìn)行大尺度的植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)[23]，是目前已有40多種植被指數(shù)中應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)[16]。于海達(dá)等[24]和Satyanarayana等[25]利用NDVI指數(shù)分別開展了草原植被和紅樹林植被長(zhǎng)勢(shì)的研究。ARVI、IAVI和NDVI三種植被指數(shù)變化規(guī)律一致，因此可用來(lái)研究公路路域內(nèi)的植被長(zhǎng)勢(shì)。

2)RVI植被指數(shù)：該類指數(shù)趨于平穩(wěn)的界限擴(kuò)展到了800 m處。與第一組的植被指數(shù)相比，該類指數(shù)雖然同樣反映了路域200 m內(nèi)顯著變化的規(guī)律，但其趨于平穩(wěn)的臨界點(diǎn)擴(kuò)展到了800 m處。RVI指數(shù)是最早提出的比值植被指數(shù)，其利用了植被在紅波段和近紅外波段上巨大反差的特性，適用于高植被覆蓋度的地區(qū)[18]，但高植被覆蓋區(qū)也會(huì)造成植被對(duì)紅光波段的大量吸收[16]，使得RVI指數(shù)偏大，過(guò)分估計(jì)植被長(zhǎng)勢(shì)，這是RVI指數(shù)在界限800 m處才趨于穩(wěn)定的原因。

3)DVI植被指數(shù)：該植被指數(shù)在路域1 200 m內(nèi)持續(xù)變化并與前兩組方法呈現(xiàn)顯著差異。DVI指數(shù)在路域200 m內(nèi)和200 m外的差異也很明顯，200 m內(nèi)的變化速率大約是200 m外的十幾倍，這反映了路域200 m內(nèi)公路對(duì)植被影響顯著的規(guī)律。從表1中指數(shù)公式可知，DVI指數(shù)不同于前四種比值指數(shù)，其是紅波段和近紅外波段的差值指數(shù)，它的變化范圍很大。結(jié)合表2各路域內(nèi)的均值數(shù)據(jù)，DVI指數(shù)是NDVI指數(shù)的幾千倍，相比于第一組方法，明顯放大了植被信息的變化細(xì)節(jié)，這與前人認(rèn)為DVI指數(shù)可以提供豐富細(xì)節(jié)信息的觀點(diǎn)相一致[26]，所以才表現(xiàn)出了在路域1 200 m內(nèi)持續(xù)變化的規(guī)律。由分析結(jié)果可知，第一組方法中，由于DVI指數(shù)在路域200 m內(nèi)的平均變化速率近乎路域600～1 200 m內(nèi)的30倍，DVI指數(shù)在路域600～1 200 m內(nèi)的變化可以忽略不計(jì)。

綜上所述，NDVI、ARVI和IAVI三種植被指數(shù)均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，而RVI和DVI指數(shù)都不同程度地放大了植被信息。參考已有研究成果[21-22,24-25]和研究區(qū)的實(shí)際情況，本研究認(rèn)為NDVI、ARVI和IAVI植被指數(shù)更適合作為本研究公路路域內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)的指示因子。

4.2 不同公路路域植被的長(zhǎng)勢(shì)分析

綜合圖9中各類植被指數(shù)曲線的變化規(guī)律，本研究為公路路域劃分了三級(jí)區(qū)域，分別為主要影響區(qū)(0～200 m)、次要影響區(qū)(200～600 m)和無(wú)影響區(qū)(>600 m)，見圖10。NDVI、ARVI、IAVI指數(shù)在公路路域主要影響區(qū)內(nèi)變化明顯，反映了主要影響區(qū)內(nèi)公路對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)影響最大的規(guī)律。在次要影響區(qū)內(nèi)變化減緩，反映了次要影響區(qū)內(nèi)公路對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)影響減弱的規(guī)律。在無(wú)影響區(qū)內(nèi)變化十分緩慢，甚至停止變化，反映了無(wú)影響區(qū)內(nèi)公路對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)幾乎沒(méi)有影響的規(guī)律。以上三種植被指數(shù)在三級(jí)區(qū)域內(nèi)相同的變化規(guī)律很好地反映路域內(nèi)植被生理狀態(tài)，表明了植被遭受公路影響的內(nèi)在規(guī)律，可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公路路域生態(tài)變化的生態(tài)指標(biāo)?？偟膩?lái)說(shuō)，研究區(qū)域內(nèi)公路對(duì)于植被的影響尺度集中在600 m范圍內(nèi)。

圖10 三級(jí)區(qū)域內(nèi)的植被指數(shù)變化

4.3 公路路域界限的劃定

在實(shí)際應(yīng)用中，公路路域常用于公路選線和生態(tài)評(píng)價(jià)的研究。李杰等[4]在進(jìn)行公路選線生態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)，從考慮生態(tài)環(huán)境對(duì)修建高速公路的承受能力出發(fā)，研究了公路10～15 km范圍對(duì)區(qū)域植被生態(tài)的影響。蔡博峰等[12]在進(jìn)行公路建設(shè)期的生態(tài)影響評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)不同尺度劃分了不同的路域界限，在中尺度范圍內(nèi)(200～1 000 m)考慮了公路對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)的影響。本研究的結(jié)果有助于公路路域界限的精準(zhǔn)劃定和動(dòng)態(tài)縮放，比如，如果在公路選線評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)可以擴(kuò)大植被因子影響下的路域界限，將路域界限放寬至次要影響區(qū)甚至無(wú)影響區(qū)，以全面考慮公路選線對(duì)區(qū)域植被生態(tài)的影響；而在對(duì)公路建設(shè)期的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí)可以縮小植被因子影響下的路域界限，重點(diǎn)評(píng)估主要影響區(qū)內(nèi)植被遭受公路影響的程度以提高評(píng)價(jià)指標(biāo)的精確度。

5 結(jié) 論

本研究基于Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，獲得了研究區(qū)域NDVI、RVI、IAVI、ARVI和DVI等5種植被指數(shù)，據(jù)此分析植被指數(shù)所揭示不同緩沖區(qū)內(nèi)植被對(duì)公路生態(tài)的反映及其規(guī)律，獲得認(rèn)識(shí)如下：

1)NDVI、ARVI和IAVI植被指數(shù)可以很好地衡量植被長(zhǎng)勢(shì)狀況，在進(jìn)行公路生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí)可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公路路域生態(tài)變化的指標(biāo)。

2)研究區(qū)域內(nèi)公路對(duì)植被的影響隨著距離的增加而減小。在200 m以內(nèi)時(shí)，公路對(duì)植被的影響相當(dāng)顯著；在200～600 m以內(nèi)時(shí)，公路對(duì)植被的影響明顯減弱；在600 m以外時(shí)，公路對(duì)植被的影響基本可忽略不計(jì)。

3)路域界限可以動(dòng)態(tài)縮放。在研究公路選線區(qū)域生態(tài)變化時(shí)，可以放寬路域界限至次要影響區(qū)或無(wú)影響區(qū)；在進(jìn)行公路生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí)，可以將路域界限縮至主要影響區(qū)，以提高植被生態(tài)指標(biāo)的響應(yīng)能力。