第30卷　2期第川冻土冰　　Vol.30　.2No2008年4月文章编号:(2008)基于遥感与GIS技术的铁路建设环境影响评价方法探讨张忠良1,刘勇1,王杰2,李爱华1,焦明1,郭阳耀1(1.兰州大学遥感与地理信息系统研究所,甘肃兰州;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃兰州)摘　:酒泉钢铁公司嘉(峪关)2策(克)专线铁路建设区域处于极度干旱、要生态环境极其脆弱的中国西北内陆干旱区,地表植被稀少,降水少但蒸发量强,大风沙尘暴天气频繁,整个生态系统受到人为扰动后,将产生显著的变化.在遥感与GIS技术的支持下,使用基于GIS的图形叠置法、层次分析法、景观生态学法和指数法等评价方法,从地貌、植被、土壤和风力等主要生态因子入手,对铁路建设环境影响评价中受到人为扰动后的生态环境,从生态的稳定性、地表侵蚀的敏感性、人为活动的干扰性以及生态环境变化的强度等方面进行研究,找到了一种基于稳定性2干扰性2侵蚀敏感性2变化检测的新定量评价方法.通过对该方法进行数据驱动试验,获得了比较理想的环境影响评价结果.关键词:环境影响评价(EIA);干扰指数;稳定性评价;铁路建设;干旱区中图分类号:X826/U212.6文献标识码:A路环境影响评价中,生态影响评价只是道路环境影响评价的一个小部分,主要考虑的是野生植物与动物及栖息地的影响,水土流失的影响,以及水环境的影响等.同时,就铁路的生态环境影响评价内容而言,它不仅包括了自然生态环境评价和社会生态环境评价,还包括了人类活动以及生态系统和环境的政策、措施的制定等活动.1研究区概况　拟建铁路为酒泉钢铁公司嘉(峪关)2策(克)专线铁路,从嘉峪关市到策克口岸,途经酒泉、金塔和额济纳旗3地区,全长475km.路线呈东南至西525～4722～北向,位于99°′″101°′″E,39°′″°′″之间(图1).研究区除了酒泉、5648N金塔两地有小块绿洲外,其余大部分地区为荒漠、戈壁和低山地区,地理环境极为恶劣,农业等人为活动稀少.地表植被种类贫乏,以膜果麻黄荒漠、梭梭砾漠、刚毛柽柳荒漠等旱生、超旱生、耐盐碱的亚洲0引言　铁路等大型道路建设工程的环境影响评价主要是预防工程建设期间,以及工程完工后的投入运行期间,对环境可能的、或已经产生的污染和破坏作用进行监测和评价,为环境管理工作提供科学依据,使人类活动对环境造成的不利影响限制到最小程度.铁路等大型道路的建设,以其对路域内自然环境的分隔效应,对人文环境的迫近和诱导效应以及对地表水文等自然生态要素的作用,对大范围的生态环境和社会经济结构产生了重大影响[1].尤其是在中国西北内陆敏感、脆弱的干旱荒漠地区,工程建设对生态环境的影响就表现得更为显著.因此,铁路等大型线性道路工程建设的生态环境影响评价就成为生态环境影响评价和生态环境保护与管理中的重点领域.　铁路生态环境影响评价内容不同于传统的道路环境影响评价中的生态环境评价内容,在传统的道　收稿日期:;修订日期:　基金项目:国家环保总局酒钢铁路嘉(峪关)2策(克)专线铁路建设环境影响评价项目资助　作者简介:张忠良(1982-),男,河南淮阳人,2005年毕业于兰州大学,现为硕士研究生,主要从事遥感技术应用与GIS开发研究.　　　　　　　E2mail:冰川冻　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　314土　　30卷中部荒漠类型为主;地表土壤以棕漠土、荒漠化盐度、坡向)生态因子的矢量图件(图2).通过对酒钢土和风沙土为主,土壤盐碱化、沙化和风蚀十分严专用铁路路基勘定界标标书中的界标数据进行计算重.地表水系稀少,仅在额济纳旗地区有些季节[2]机录入,并在ArcGIS中进行坐标和投影设置得到性微型水系和少量盐碱湖泊分布.研究区年平均气了拟建铁路的矢量图件.温8.3℃,年平均降水量40.3mm,年蒸发量在3700～4000mm之间,常年干旱天数在180～206d以上,年均7级以上大风约30次之多,年日照时数最长可达3446h,无霜期120～140d,沙尘暴日数最多可达46d[3].图2研究区数据处理技术流程图Fig.2　Theflowchartofdataprocessinginthestudyareas3研究方法目前,已有的环境影响评价方法很多,诸如综合指数法、图形叠置法、层次分析法和景观生态学法等,尤其是近年来遥感与GIS技术的出现和发展又为环境影响评价提供了一种新的工具.卫星遥感图像在环境影响评价中可以用来判别断层、土壤性质、地质和水文地理以及确定敏感地段等,并在没有研究区制图资料或者资料不准确时提供一种可靠的信息来源,是一种很有效的获取环境影响评价数据的工具.GIS技术具有编辑、加工和评价长时段、大地理区域数据的能力及卓越的建模和影响预测能力,能够识别和分析环境影响的时间和空间上的累积特征[4],它是一种很强大的环境影响评价数据分析和处理的工具.　但是,每种方法都有它的优点和缺点及其适用前提和条件.在具体的环境影响评价中,要从研究区的地理背景,数据资料和主要的生态环境影响评价因子这3个方面来考虑选取环境影响评价方法和设计环境影响评价的技术路线.由于本研究区主要处于西北内陆的荒漠、戈壁地区,农事耕作、工业生产等方面的人文、经济和社会活动相对较少,所以本研究主要侧重于工程建设对生态环境产生的影响方面的评价.由于每种评价都有一定的尺度,尺度不同评价的结果也不相同,本研究采用生态系统类型层次上的评价与生态因子层次上的分类评价相结合的办法.所以,本文的环境影响评价的工作整体上分为4个部分.图1研究区位置和三维地理示意图数据资料及数据预处理　数据资料包括研究区历史数据、遥感影像数据、地形数据和实测数据.历史数据为研究区的植被、土壤、土地利用现状和地貌共4种专题矢量地图(由中国科学院沙漠研究所编绘);遥感影像数据为2003年8月和2005年5月的两个时相的共8景多波段的Landsat27遥感影像;地形数据为40幅用于辅助遥感影像几何校正的1∶000比例尺的地50形图和数字地形模型(DEM)数据.实测数据来自于一套酒钢专用铁路路基勘定界标标书.　遥感图像的预处理过程是在软件中完成,采用4、、波段对应红、、32绿蓝作假彩色合成,自适应滤波增强,几何精校正采用多项式法,RMS误差小于一个像元.采用最近邻法进行重采样,所采像元大小为30×m.将预处30理后的影像输出为3img格式到ArcInfo中,将其作为背景图像,并辅助以各种专题矢量图件,采取人工目视和计算机自动识别相结合的方法进行判读和解译.并在此基础上,分别提取植被、土壤、水系3种生态因子的矢量图件.最后,对研究区的DEM在ArcGIS9中进行空间分析,提取地貌(坡2期张忠良等:基于遥感与GIS技术的铁路建设环境影响评价方法探讨3153.1生态系统类型的划分ArcGIS9软件中对地貌、土壤和植被3种生态因子　根据研究区的地理位置、气候气象、人文要素的矢量图件进行叠合分析和融合运算,并按“地貌—铁路生态系统边情况,确定环境影响评价范围——的生态系统命名方式进行GIS域名+土壤+植被”界分别为20km和1km两种.在此基础上,在运算,划分铁路沿线生态系统类型.表1生态系统稳定性评价指标Table1　Theindexesforassessingthestabilityoftheecologicalsystem生态系统土壤类型稳定性分值(Ds)土壤类型稳定性分值(Dv)稳定性等级(D)稳定性分值(V)稳定性级别石质棕漠土10灌木荒漠3A极不稳定1～3棕漠土6半灌木荒漠与风蚀残丘2B不稳定3～6石膏灰棕漠土5落叶小叶疏林7C稍稳定6～9龟裂状灰棕漠土3盐生草甸7D稳定>9草甸盐土7盐生灌木荒漠4典型盐土5盐生半灌木荒漠3荒漠化盐土2盐生杂类草荒漠2沼泽土8沼泽植被8风沙土1农业植被7灌淤土7裸露山体10表2生态系统稳定性面积统计Table2　Theareasofthefourecologicalsystemsindifferentareas,2003-km(2003年)1km(2003年)20km(2005年)1km(2005年)面积/hm2面积比%面积/hm2面积比%面积/hm2面积比%面积/hm2面积比%......3..........03类型代码ABCD类型名称极不稳定不稳定稍稳定稳定县(市)额济纳旗ABCD极不稳定不稳定稍稳定稳定....嘉峪关ABC极不稳定不稳定稍稳定..金塔BCD不稳定稍稳定稳定酒泉ABCD极不稳定不稳定稍稳定稳定....整个区域合计冰川冻　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　316土　　30卷3.2生态系统稳定性,干扰性评价统的稳定性值V(表2).生态系统的干扰性评价是　生态系统稳定性评价是以求的生态系统类型的指在铁路工程建设施工的过程中,对路域生态系统稳定性值的形式实现的.生态系统类型的稳定性值受到来自诸如站场建设、取土弃渣、施工践踏、修由下面的公式计算得出[5]:桥挖洞等铁路建设施工活动以及其它人类活动对地V=0.5Ds+0.5Dv(1)表原始土壤及植被的干扰和破坏作用的影响评价.它是以求得生态系统干扰性指数的形式实现的,生式中:V为生态系统稳定性值;Ds为土壤稳定性态系统干扰性指数可以由下面的公式计算得值;Dv为植被稳定性值.其中,Ds和Dv两项均为出[5]:专家经验赋值(表1).V值的获取分为两步:首先,在ArcGIS9中完成生态系统类型矢量图件的属性CI=(A1B1+A2B2+…+AiBi)Vi(2)表中的植被和土壤属性字段与相应的专家权重赋值式中:CI为生态系统干扰性指数;Ai表示施工性质Ds或Dv的链接.然后,按公式(1)对生态系统类对地表原始土壤破坏和扰动的程度(专家赋值);Bi型矢量图件的属性进行域名运算,即可求出生态系表示工程占用的铁路两侧某一生态系统面积的百分表3生态系统干扰性评价指标Table3　Theinterferenceindexoftheecologicalsystem标识干扰指数干扰级别干扰分　　　　　　　　　　　　　　　　　　　析铁路建设对生态系统的扰动和破坏很小,对干扰产生微弱响应,系统结构与功能发生轻微A0～3.0弱度退化.在无其它干扰的前提下,受干扰系统靠自然力能较快恢复到接近原有水平的状态铁路建设对生态系统的扰动和破坏较大,生态系统对干扰产生较大响应,系统结构与功能B3.1～6.0中度发生明显的退化.需要在采取人工修复措施尚能在较长时间内恢复到接近原有水平的状态铁路建设对生态系统的扰动和破坏严重,生态系统对干扰产生强烈响应,系统结构与功能退C6.1～10.0强度化到最低点.在采取人工修复措施也不能保证生态系统系统恢复至原有状态表年生态系统干扰类型面积统计Table4Theinterferencegradesoftheecologicalsystem,km20km县(市)额济纳旗嘉峪关市金塔县酒泉总体统计总和代码ABCABCABCABCABC干扰级别弱度中度强度弱度中度强度弱度中度强度弱度中度强度弱度中度强度面积/hm.......38面积比%.00面积/hm..0........19面积比%.002期张忠良等:基于遥感与GIS技术的铁路建设环境影响评价方法探讨317比;Vi表示第i个生态系统的稳定性分值(前面研　从单因子分析得出的土壤侵蚀敏感性,只反映究求得).其中,Bi的获取是通过对生态干扰因子了某一因子的作用程度,要将土壤侵蚀敏感性的区矢量图件与生态系统类型矢量图件进行叠合分析,域差异综合地反映出来,则需要按式(4)计算土壤并对其面积属性字段进行现行百分比运算得到的.侵蚀敏感性指数[7]:而生态系统干扰性指数CI就是在此基础上分别对4Ai、i和Vi按照式(2)进行域名线性运算得到.最BSSj=∑C(i,i=1j)Wi(4)后,对生态系统干扰性指数按照干扰性指标分级标式中:SSj为第j个栅格的土壤侵蚀敏感性指数;C准(表3)进行聚类处理,即可得到生态系统干扰性(i,j)为第j个栅格在第i个评价因子在上的敏感评价结果(表4).性等级值;Wi为第i个评价因子影响土壤侵蚀敏感3.3土壤侵蚀敏感性评价.性的权重.将计算得到的土壤侵蚀敏感性指数,按　　目前,在土壤侵蚀敏感性评价中,一般采用照敏感性分级标准进行聚类处理,划分为不敏感区、RenardKG等[6]提出的土壤侵蚀方程:轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区和极敏感区A=R×K×LS×C×P(3)5个级别,得到研究区土壤侵蚀敏感性分级评价结式中:A为土壤侵蚀量;R为降水侵蚀力;K为土果(表6).壤质地因子;LS为坡度坡向因子;C为地表覆盖因3.4基于转移矩阵的定量变化检测子;P为农业措施(耕地)因子.该方程将影响因子　首先,对生态环境影响评价中两个不同时相的与土壤侵蚀很好地结合了起来.但是,由于本研究成果图件的矢量图件在ArcGIS9中用Intersect命区地处于西北内陆干旱荒漠地区,降水和农业活动令(如2003年与2005年)进行叠合分析,获得一个极少,而年均7级以上大风约30次之多,所以,确叠置图层.然后,对该图层的属性表按Name03+“定本研究区的土壤侵蚀敏感性影响因子为风力、坡Name05”进行Name属性字段的域名运算度坡向、土壤和植被共4种因子.(Name03、Name05分别为2003年、2005年生态系　由于不同的土壤侵蚀因子对土壤侵蚀的敏感性统或生态因子的类型名字段),最后,对分类结果影响的强弱有所差别,所以由各侵蚀因子图件之间进行聚类统计分析即可得到基于转移矩阵的定量变存在着权重关系,需要进行权重赋值(表5);另外,化检测表.该种方法得出的结果直观、定量地反映每一侵蚀因子中还存在若干分类级别:土壤、植被了生态系统及其各生态因子的变化情况及变化趋有多个类型、坡向至少需要考虑4个方向、不同的势,是一种非常重要的环境影响评价成果(表7).坡度有不同的土壤侵蚀强度等等.所以要采用侵蚀4评价结果因子图件权重-级的打分叠加方法.这样,分别对风力、坡度坡向、土壤和植被4种生态因子的矢量　用预处理获得各种环境影响评价数据对上述铁图件进行相应的权重值的表的链接,并转换到统一路生态环境影响评价方法进行数据驱动试验,获得的坐标系统,然后将它们分别转成100m×100m了如下成果:1)不同时相的酒钢专用铁路生态系的栅格数据图件,即可得到各土壤侵蚀因子的敏感统的植被、土壤、地貌和风力共四种生态因子的专性图件.题矢量图件两套;2)不同时相的生态系统类型图表5土壤侵蚀敏感性评价指标Table5　Evaluationindexofthesensitivityofsoilerosion年大风图层权重级别分数坡度/°级别分数坡向级别分数敏感等级等级赋值分级标准日数/d风力100～152