3s技术在制作生态影响评价专题图中的应用

3s技术在制作生态影响评价专题图中的应用

0制作生态影响评价专题图考虑到水电工程的特点，生态影响评价一直是环境评价的重要组成部分。随着国家对生态环境保护的日趋重视,其评价结论在水电工程环境可行性结论中的地位愈发重要。生态影响评价的方法有很多种,国内普遍采用生态机理分析法、景观生态学方法和生产力评价法。上述方法除了要有大量丰富的调查资料作支撑外,均需要根据评价等级制作不同数量的专题图,这些图件不仅是评价成果之一,而且制图过程得出的数据和信息亦是上述方法应用的前提。所以,如何高效率地制作出高质量的生态影响评价专题图便成为生态影响评价乃至环境影响评价中需要解决的关键问题。在《环境影响评价技术导则非污染生态影响》颁布施行之前,国内水电工程生态影响评价专题图一般采用图形叠置法制作,即把两个或更多的环境特征重叠表示在同一张图上,构成一份复合图,用以在开发行为影响所及的范围内,指明被影响的环境特征及影响的相对大小。该方法虽然有直观、易懂的特点,但需要大量的资料、经费和人力,而且在进行预测评价时,重复工作量过大,从而降低了工作效率。为提高工作效率和图件质量,笔者自2000年5月开始,陆续在琅琊山抽水蓄能电站(以下简称“琅琊山”)、喜河抽水蓄能电站(以下简称“喜河”)和张河湾抽水蓄能电站(以下简称“张河湾”)等工程中,应用3S技术制作生态影响评价系列专题图,收到了良好的效果,不仅工作效率大大提高,而且在质量方面,比用图形叠置法制作的图件有了明显的提高。本文正是在上述工程实践的基础上,对应用3S技术制作生态影响评价专题图的技术路线和关键步骤进行阐述,并对该方法的应用效果和价值进行分析、总结。1方法和数据1.13平台的平台—S技术简介3S是RS(遥感)、GIS(地理信息系统)和GPS(全球卫星定位系统)三位一体的现代信息技术的简称。20世纪50年代,遥感(RemoteSensing)作为一种探测地球资源的技术手段,由美国海军研究局发起。它以信息获取及处理的高、精、多、快、全而被应用于各个领域;60年代初,地理信息系统(GeographicalInformationSystem)在加拿大土地资源清查中首先提出。它起源于计算机制图,是地理学、地图学、计算机科学、遥感等涉及空间数据采集、处理、分析的多学科与技术共同发展的结果;80年代初,我国开始踏入该领域的研究并取得了重大成就,同时被应用到与地学、环境科学等有关的各个领域;全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem)由美国国防部于70年代初开始研制,用于精确地控制地球表面或上空任何一点位置的技术系统。由于这三者都以地球为研究对象,研究的手段和方法相似,能够相互补充、完善,因此现在把三者作为一个整体系统进行研究,称之为3S技术。3S是一个综合的概念,RS、GIS和GPS都是作为单独的技术被提出来的,又经研究成熟后应用到生产当中。GIS、GPS、RS三者之间相互依赖相互补充,只有把三者作为一个统一的整体来研究和应用,才能充分发挥各自的作用,才能运用自如。这就是所谓的“3S技术”。1.2遥感数据处理琅琊山、喜河和张河湾抽水蓄能电站的生态影响评价专题图制作采用的原始数据为美国陆地资源卫星(LANDSAT-5、7)的TM遥感数据,由中国科学院遥感卫星地面站接收和处理,遥感数据参数见表1,产品范围见表2、3。LANDSAT-5是美国航空航天局(NASA)1984年发射的,星上安置的新一代传感器TM(专题成像仪)与第一代传感器MSS相比,空间分辨率由79m提高到30m,控测波谱通道由4个增加为7个,并调整了可见光与红外通道的光谱带范围,卫星姿控、定位及扫描成像方式等也做了相应改进。发射的新的资源卫星—LANDSAT-7卫星(1999年4月15日发射)携带了增强型的主题成像传感器(ETM+),将提供质量更高的遥感数据。2处理结果2.1几何精度校正FAST-L7A格式的遥感数据在提供前,已进行L2级校正(辐射校正+系统级几何校正),产品内部几何精度较高,因此可直接用于生态制图。而EOSATFASTFORMAT-B格式的遥感数据仅进行了L1级校正(辐射校正),为保证图件的几何精度,所以对原始数据进行了几何精度校正。具体方法为:以1∶10000的地形图为控制,根据原始数据头文件(HeaderFile)所提供的图像指向角(ORIENTATION),对数据进行旋转和平移处理。地形图上布置有12个控制点,因此经校正后的数据与地形图嵌合良好,已达到了生态制图的要求。2.2原始数据的切分原始数据裁剪指根据生态影响评价的范围,对原始数据进行裁剪,截取制图所需的部分。裁剪时,需要提供数据左上角和右下角的经纬度坐标。2.3最佳谱组合法TM遥感数据是否包含了可以满足生态影响评价专题图制作需要的丰富的光谱信息,在很大程度上取决于波段组合的选择。确定最佳波段组合的方法有多种,其中一种是实验的方法,即按排列组合可能形成的方案处理出各种合成图像,然后由专业人员根据目视判读效果做出评价。显然,这种方法的工作量很大,且带有判读者的主观性。另一种是受到较多关注的方法,即分析各波段的信息量,并计算各波段光谱信息间的相关性,其中三个信息量较大且彼此相关性最小的波段一般就是最佳波段。根据戴昌达等人的研究,综合TM数据的单波段光谱信息量和各波段间光谱信息相关性分析结果,一般以第5波段为最高,不同地物的影像反差最大,能识别的地类最多,第7波段次之。戴昌达等人还采用Sheffield提出的N维数据熵值原理,对各波段进行了优化组合计算,得出TM3,4,5和1,4,5这两种波段组合的信息量最大,表明最佳波段组合必须有中红外(5波段或7波段)及近红外(4波段)参与,才能充分显示其所含的丰富的光谱信息。所以,在琅琊山、喜河和张河湾水电站生态影响评价专题图的制作中,根据专题图类别的不同,采用了以3,4,5,7波段为主、2波段为辅的组合方式,表4是3种典型生态影响评价专题图的波段组合方式。2.4几何特征和清晰度用计算机对TM遥感数据的波段进行插值放大,加密图像像元,是保证合成后的遥感数据具有良好几何特征与清晰度的关键技术之一。通常按整数倍插值放大2,3或4倍,把原始数据上的一个像元放大为4个,9个或16个。在琅琊山、喜河和张河湾水电站的生态影响评价专题图制作中,均利用GIS软件,对原始数据进行了线性拉伸,拉伸后图像的解析度得到了明显的增强。2.5各谱线下的最优h段组合选出最佳波段组合,并进行计算机插值放大后,要想得到最佳的彩色合成图像,还必须考虑赋色的问题。对人眼,最敏感的颜色是绿色,其次是红、蓝色,因此,应将绿色赋予方差最大的波段,按此原则,TM数据中的第5波段应进入G通道,其余波段进入R通道或B通道。从表4可以看出,在3个工程、3种专题图的4种波段组合中,有2种组合遵循了上述原则。其他两种组成中,植被类型分布图是由于其在判读解译中需要分辨出乔、灌、草的差异,因此将近红外波段(第4波段)纳入了G通道。而张河湾水电站土壤分布图之所以采用TM2,3,4波段赋RGB通道的方案,主要是考虑到此种组合更适合北方的地形地貌特点,更有利于在合成后的图像上看出地表坡度的特征。2.6合成影像特征与分类系统的分散性(1)建立解译标志。首先,根据工程所在地区的土地利用现状图初步判定评价区域地类的复杂程度,然后相应地在地形图上建立若干解译标志(用红笔醒目标注即可)。琅琊山水电站的生态影响评价建立了12个解译标志(与几何精校正的控制点相结合),喜河和张河湾水电站均建立了10个解译标志。(2)室内初判读。根据合成后的影像,并结合工程所在地区的土地利用现状图,在室内进行初判读。初判读的精度很大程度上取决于判读人员的经验;不过,从合成后影像所反映出的颜色,还是可以较为准确地判定出不同的地类。如在TM4,5,3波段赋RGB通道的方案中,植被呈草绿色、农田呈暗红色、水体呈黑色、房屋呈暗灰色。(3)野外样区验证。在室内初判读的基础上,对照地形图上所建立的解译标志,验证初判读的准确性。通过三个工程的实践,喜河和张河湾水电站的室内初判读基本符合野外样区验证的结果,而琅琊山水电站则有一定出入。笔者分析认为,其原因主要是地类影像特征的复杂性所致。由于长期自然因素和人类生产活动的影响,琅琊山水电站所在的滁州市附近的土地利用类型复杂多样,在合成影像上所表现出的光谱特征是混合型的,其影像由零碎的不同色调的斑块组成。环保与移民因此,即使在同一类型内,也会因光谱特征和混合像元的影响,而造成边界误判,导致判读精度下降。另外,根据雷莉萍等人的研究,影像特征与分类系统的各处独立性也是影响判读精度的重要因素。(4)室内初判读成果修正。根据野外样区验证的结果,对初判读进行修正,得出最终的判读成果。2.7像元分类方法合成影像分类是对影像中各类地物的光谱信息和空间信息进行分析,选择特征,并用一定的方法将特征空间划分为互不重叠的子空间,然后将影像中各个像元划分到各个子空间中去。分类方法一般包括:监督分类和非监督分类。利用图像中已知地物的特征信息进行分类称为监督分类;把随机采样的像元数据用聚类的方法分割为不同类别,以这些不同类别数据为训练数据进行分类的方法称为非监督分类。由于已掌握了大量基础资料,并进行了现场踏勘,因此三个工程均采用了监督分类的方法。以琅琊山为例,土地利用现状、植被类型分布和土壤侵蚀分布分别分出9、5、2种类型(详见表5~7)。2.8专题图的形成在分类的基础上,利用GIS软件,分别赋予地类不同的颜色,并将各种基础图层叠加起来,得出最终的专题图。从这里我们也可以看出,利用3S技术制作生态影响评价专题图本质上也是一种“图形叠置法”,但与后者不同的是,它将纸张虚拟成了图层,并结合了RS技术,提高了工作效率和工作质量。3设计技术方案应用3S技术制作生态影响评价专题图,不仅克服了“图形叠置法”在制图过程中费时费力、成图质量差的缺点,而且继承了前者直观、易懂的特点,成图质量好、图像清晰、层次分明、信息丰富,可以满足生态影响现状评价和预测评价的要求,从而扩展了TM遥感数据的应用领域和实用价值。虽然琅琊山、喜河和张河湾三个抽水蓄能电站工程的实践证明了利用3S技术制作生态影响评价专题图总体上是成功的,但在琅琊山水电站应用中表现出来的判读精度不尽理想的事实也是不能回避的。经初步分析,原因主要有两方面:一方面,琅琊山水电站工地距滁州市的直线距离仅4.4km,项目区自然环境受滁州市影响较大,地类复杂,因此导致判读精度不理想;另一方面,笔者在琅琊山水电站工程应用3S技术制作生态环境影响评价专题图的完成时间为2000年5月,所