基于NDVI的汶川大地震前后北川县次生地质灾害区植被破坏评估

梁超，赵廷宁†，史常青，高志海，周进，张晓龙，薛天贵，肖辉全

(1.北京林业大学，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京;2.中国林业科学研究院资源信息研究所，100091，北京;3.四川省北川县林业局，622750，四川北川)

基于NDVI的汶川大地震前后北川县次生地质灾害区植被破坏评估

梁超1，赵廷宁1†，史常青1，高志海2，周进3，张晓龙3，薛天贵3，肖辉全3

(1.北京林业大学，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京;2.中国林业科学研究院资源信息研究所，100091，北京;3.四川省北川县林业局，622750，四川北川)

摘要：选取北川县“5·12”大地震前后2个时相的遥感数据，利用归一化植被指数(NDVI)提取2期影像的植被信息，以此为基础，反演植被覆盖度，采用破坏指数DDI(the damage degree index)表示3种灾害类型区域震后植被破坏情况。结果表明：1)研究区内共解译滑坡103处，崩塌122处，泥石流10处，灾害面积共计17.5 km2，震前85%以上区域处于中植被覆盖度以上级别，震后中植被覆盖度以上级别土地面积减少8.01 km2，占灾害区域总面积的45.77%;2)滑坡区域植被破坏程度相对较低，中度及重度破坏的面积占总灾害面积的68.66%，崩塌区域植被破坏程度次之，中度及重度破坏的面积占总灾害面积的88.15%，泥石流区域的植被破坏最彻底，中度及重度破坏的面积占总灾害面积的99.74%;3)植被破坏与海拔、坡度有一定关系，破坏较严重的地区主要集中在海拔611～1 543m、坡度25°～45°范围内，植被破坏主要集中在重度破坏这一级别，并随海拔、坡度增加而增加，植被破坏与坡向关系不大。

关键词：地质灾害;归一化植被指数(NDVI);植被破坏指数;北川县

2008年5月12日14时28分，中国四川省发生了里氏8.0级的汶川大地震，地震在汶川、北川等县诱发了大量滑坡、崩塌、泥石流、塌陷以及堰塞湖等次生地质灾害，造成了严重的生态环境破坏。北川县在地震前就是地质灾害易发区，“5·12”地震在北川县更是诱发了大规模的次生地质灾害，震后遥感解译滑坡与崩塌就达284处［1］，滑坡和崩塌产生的堆积物在强降雨作用下又进一步诱发了泥石流［2］，导致大量耕地、林地被掩埋毁坏，自然植被也遭到不同程度的破坏，山地生态环境极度退化［3］。

目前对北川县地震灾害的研究主要集中在地质灾害体数量、分布、形成条件及诱发因素、堰塞湖动态监测等几个方面［4-9］，对地震灾害导致的植被破坏情况的研究主要集中在汶川县［10］、都江堰市［11-12］等地，针对北川县的研究较少［3］。为了准确评估北川县灾情，为灾后植被恢复提供科学依据，需要了解植被变化情况。笔者利用北川县地震前后的高分辨率遥感数据，通过计算NDVI，获取地震前后次生地质灾害发生区域植被覆盖变化等数据，为植被重建规划提供参考依据。

1 研究区概况

北川羌族自治县位于四川盆地西北边缘山区。地理位置介于 E103°44'～104°42'和 N31°14'～ 32°14'之间。全县东西长91.8 km，南北宽73.8 km，县域总面积3 084 km2。

选择北川县旧县城至擂鼓镇地区作为研究区，该区域位于汶川地震高烈度区的北川县湔江河谷地带(图1)，是典型的地震引起的次生地质灾害发育地段，面积90 km2。研究区处于北川—映秀断裂带上，该断裂带是“5·12”汶川地震的发震断裂带，是龙门山断裂的中央断裂带，在北川县境内沿擂鼓—旧县城—邓家—陈家坝延伸。研究区出露的地层岩性主要为志留系茂县群的板岩、千枚岩以及寒武系清平组的泥灰岩、砂板岩［13］。该类岩石风化强烈，节理裂隙发育，大部分以残坡积碎块石土出露在大于25°斜坡上，为滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害的形成提供了物质基础［14］。

研究区属于山间河谷地貌，山地海拔一般在700～1 500m。由于河流两岸侵蚀下切，岸坡多呈25°～45°的斜坡。北川县全年平均降水量1 399.1mm，年最大降水量2 175.3mm(1967年)，日最大降雨量323.4mm(1977年)，降雨主要集中在5—9月，地表侵蚀作用强烈 ，水土流失严重［15］。

图1 研究区位置图Fig．1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 数据来源

研究使用的数据主要为北川县高分辨率遥感数据和该县1∶5万地形图。“5·12”地震前遥感影像为SPOT-5，该影像包括4个多光谱波段(分辨率为10m)和1个全色波段(分辨率为2.5m)，覆盖范围为北川县全境;震后遥感影像为Formosat-2，该影像也包含4个多光谱波段(分辨率为8m)和1个全色波段(分辨率为2m)，覆盖范围为北川境内断裂带及周边地震灾害严重地区。

2.2 遥感影像预处理

1)几何精校正及投影转换。在ERDAS9.2中，利用北川县震前1∶5万地形图，均匀选取10个控制点(GCP)，采用三次多项式对震前2007年夏季SPOT-5影像进行几何精校正。以校正后的SPOT-5影像为标准，同样选取10个控制点(GCP)，采用三次多项式对震后2008年夏季Formosat-2影像进行校正［16］，校正的同时对 SPOT-5及 Formosat-2影像作投影转换，根据北川县经纬度范围将影像统一到WGS84 坐标系，UTM 投影［17］。由于“5·12”地震造成大量房屋倒塌、道路毁坏以及次生地质灾害导致的堰塞湖，给校正带来了一定困难，在选取控制点时，尽量在震害较轻的区域选点。

2)影像拼接及剪裁。利用ERDAS中的Mosaic工具将地震前、后各一景影像中涉及到北川县的SPOT-5及Formosat-2影像分别拼接成震前、震后2幅影像，并利用北川县边界矢量图分别对影像进行剪裁。

3)影像融合。采用主成分融合方法，分别对SPOT-5和Formosat-2影像进行全色影像和多光谱影像的融合处理，融合后的SPOT-5影像分辨率2.5m，Formosat-2影像分辨率2m。融合后的影像既能保留多光谱影像的高光谱分辨率，还能保留全色影像的高空间分辨率［18］。

2.3 遥感影像解译

在对研究区地震次生灾害野外调查的基础上，结合其他相关解译研究成果［19］，利用ArcGIS对震后Formosat-2影像进行次生地质灾害解译。灾害类型分为滑坡、崩塌、泥石流3种，采用目视解译的方法，勾绘出3种灾害类型的分布信息。采用波段1(R)、2(G)、3(B)不同的波段组合方式，得到最接近真实色彩的Formosat-2影像。

2.4 植被破坏计算

根据解译结果，采用差分植被指数NDVI分别提取3种灾害类型范围内及震前相同区域的植被指数，计算公式为

式中：INDVI为差分植被指数NDVI值;B2为影像第2波段;B3为影像第3波段。

使用植被覆盖度fc反映研究区内植被变化情况［20-21］，计算公式为

式中：fc为植被覆盖度;INDVIS为研究区无植被覆盖区域像元NDVI值;INDVIV为研究区纯植被覆盖区域像元NDVI值。

依据《开发建设项目水土保持技术规范》［22］中植被覆盖分级要求，将地震前后不同灾害类型区域植被覆盖度分为5个等级：低(fc＜0.1)、中低(0.1≤fc＜0.3)、中(0.3≤fc＜0.5)、中高(0.5≤fc＜0.7)、高(fc≥0.7)。

采用破坏指数DDI(the damage degree index)即研究区地震前后不同灾害类型区域NDVI的差值来表示3种灾害类型区域震后植被破坏情况［12］，计算公式为

式中：IDDI为植被破坏指数值;INDVI1为震前NDVI值;INDVI2为震后NDVI值。

将植被破坏指数分为3个等级：轻度破坏(IDDI≤0.05)、中度破坏(0.05 ＜IDDI≤0.15)、重度破坏(IDDI＞0.15)。

3 结果与分析

3.1 解译结果验证

解译结果会存在误差，主要是因为：1)研究区内存在的采石场、裸露的废弃地等会对解译时判断有一定影响;2)研究区内大部分地质灾害活动强烈，但有个别潜在灾害体在影像上较难识别;3)2期遥感影像的分辨率、清晰度不同会带来一定的解译误差。

为了验证解译类型的正确性并分析上述可能存在的误差，选择北川县擂鼓镇及旧县城魏家沟流域进行解译结果验证。主要进行现场调查验证灾害类型和使用GPS测量灾害体面积2项工作。共选取10处灾害区域作为验证数据，验证结果见表1。对比现场调查和解译结果可以看出，有3处灾害区域面积精度在95%以上，4处灾害区域面积精度在90%～95%之间，2处灾害区域面积精度在80% ～90%之间，只有1处灾害区域面积精度较低。另外，在现场调查过程中，发现2处崩塌属于漏判，主要是因为面积小，在遥感影像上很难识别。

由于研究区属于震害严重地区，该区域诱发的次生地质灾害规模大、数量多，且绝大多数灾害造成了较强的破坏，在遥感影像上较易识别。同时，通过现场调查与解译结果对比验证可知，调查结果与解译结果有很好的拟合性，因此，利用遥感影像可以较为准确地确定不同次生地质灾害的类型及边界。

3.2 地震前后植被覆盖度等级状况

通过对北川县地震前后遥感影像的处理，得到地震前后滑坡、崩塌、泥石流3种灾害类型区域植被覆盖度等级状况，结果见表2。可以看出：发生地质灾害的区域震前植被覆盖度较高，地震后，植被覆盖度大于30%的土地面积急剧减少，覆盖度小于30%的土地面积有所增加。其中高覆盖度等级的土地面积减少最多，达到4.17 km2，低覆盖度等级的土地面积增加最多，达到了4.22 km2，说明地震引起的地质灾害对植被造成了严重的破坏。

表1 遥感解译结果的野外调查验证Tab．1 Comparison and verification for the results of RS intepretation and site investigation

发生滑坡的区域震前植被覆盖度在中植被覆盖度以上等级的面积占86.8%，震后降到了41.2%，中低植被覆盖度及低植被覆盖度面积比例由13.2%升到了58.8%;发生崩塌的区域震前植被覆盖度在中植被覆盖度以上等级的面积占96.4%，震后降到了31.2%，中低植被覆盖度及低植被覆盖度面积比例由3.6%升到了68.8%;发生泥石流的区域震前植被覆盖度在中植被覆盖度以上等级的面积占93.1%，震后降到了72.9%，中低植被覆盖度及低植被覆盖度面积比例由6.9%升到了27.1%。

3.3 震后植被破坏情况

统计的研究区滑坡、崩塌、泥石流3种灾害类型发生区域植被破坏情况见表3。可以看出：3种灾害类型区域内，植被破坏状况均以重度破坏的面积最多，其中，滑坡区域重度破坏的面积略少，仅占滑坡灾害面积的55.53%，崩塌和泥石流区域重度破坏的面积较大，分别占其灾害面积的80.20%和92.40%，滑坡和崩塌区域中，还有部分面积植被属于轻度破坏，分别占其灾害面积的31.35%和12.03%。

其原因主要是由于震前这些区域植被覆盖很高，地震诱发的地质灾害对区域内的植被造成了不同程度的破坏。在现场实地调查中也发现：泥石流破坏力最强，发生该类型灾害时对地表植被的破坏是毁灭性的;崩塌对植被有一定的破坏，如崩落的石块会掩埋植被、砸断树木等;滑坡发生时，不同的滑动速度会对植被造成不同程度的破坏，滑动速度慢的滑坡其滑坡体上的树木不会完全遭到破坏，会随土体滑动而歪斜，在滑坡停止滑动后依然能够存活，形成马刀树(醉林)。因此，发生泥石流的区域基本不会有植被存活，发生崩塌的区域大部分植被被破坏，可能会有少量植被存活，发生滑坡的区域根据滑坡速度等的不同，会有部分植被存活。

表3 3种灾害类型区域植被破坏状况Tab．3 Vegetation damage in landslides，collapses andmudslides disaster

3.4 植被破坏与海拔的关系

在ArcGIS中，通过叠加研究区植被破坏指数数据和DEM数据，确定植被破坏与海拔的关系，结果见表4。可以看出，植被破坏主要集中在海拔611～1 543m范围，破坏面积14.42 km2，占破坏总面积的82.40%。各海拔范围内，重度破坏一等级与其他等级相比占有比例最大，均占55%以上，同时，该破坏等级面积占的比例在海拔611～1543m范围内随海拔增加而增加，当海拔大于1 543m时，植被破坏面积有所减小。说明植被破坏与海拔有一定关系，但并非线性关系。

表4 植被破坏与海拔的关系Tab．4 Relationship between vegetation damage and elevation

3.5 植被破坏与坡度的关系

叠加研究区植被破坏数据和坡度数据，确定植被破坏与海拔的关系，结果见表5。可以看出，植被破坏与坡度有一定关系，植被破坏主要集中在坡度25°～45°范围，破坏面积 11.61 km2，占破坏总面积的66.30%。植被破坏面积随坡度的增加而增加，在坡度达到35°～45°时破坏面积最大，坡度大于45°时，破坏面积随坡度增加的趋势有所降低。各坡度范围中，重度破坏这一等级与其他等级相比占的比例最大，约60%以上，同时，该破坏等级的面积在坡度25°～45°范围内随坡度的增加而增加，当坡度大于45°时，植被破坏面积有所减小。说明植被破坏与坡度也并非线性关系。

3.6 植被破坏与坡向的关系

叠加研究区植被破坏数据和坡向数据，确定植被破坏与坡向的关系，结果见表6。可以看出，9个等级的坡向范围中，各个等级的植被破坏面积及所占的比例大致相当，植被破坏与坡向无明显关系。各坡向范围中，重度破坏等级与其他等级相比均占的比例最大，在30%以上。

表5 植被破坏与坡度的关系Tab．5 Relationship between vegetation damage and slope

表6 植被破坏与坡向的关系Tab．6 Relationship between vegetation damage and aspect

4 结论

1)研究区内共解译滑坡103处，崩塌122处，泥石流10处，灾害面积共计17.5 km2。研究区震前植被覆盖较高，85%以上的区域处于中植被覆盖度以上级别，地震后中植被覆盖度以上级别土地面积减少8.01 km2，占灾害区域总面积的45.77%，说明汶川地震对研究区内植被造成了严重破坏。

2)3种不同类型灾害对植被破坏程度不同，发生滑坡的区域植被破坏程度相对较低，中度及重度破坏的面积占总灾害面积的68.66%，发生崩塌的区域植被破坏程度次之，中度及重度破坏的面积占总灾害面积的88.15%，发生泥石流的区域植被破坏最严重，中度及重度破坏的面积占总灾害面积的99.74%。

3)植被破坏与海拔有较为密切的关系，破坏较严重的地区主要集中在海拔611～1 543m范围内，植被破坏主要集中在重度破坏这一级别，且在海拔611～1 543m范围内随海拔增加而增加，当海拔大于1 543m时，植被破坏程度相对减轻。

4)植被破坏与坡度也有一定关系，破坏较严重的地区主要集中在坡度25°～45°范围内，植被破坏主要集中在重度破坏这一级别，且在坡度25°～45°范围内随坡度增加而增加，当坡度大于45°时，植被破坏程度相对减轻。

5)植被破坏与坡向关系不大。

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Vegetation damage assessment of Beichuan County after the earthquake inmay 2008 Based on NDVI

Liang Chao1，Zhao Tingning1，Shi Changqing1，Gao Zhihai2，Zhou Jin3，Zhang Xiaolong3，Xue Tiangui3，Xiao Huiquan3

(1.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating of theministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China;2.Research Institute of Forest Resource Information Techniques，Chinese Academy of Forestry，100091，Beijing，China;3.Beichuan County Forestry Bureau of Sichuan Province，622750，Beichuan，Sichuan，China)

Abstract：This study selected two phases remote sensing images before and after Wenchuan Earthquake onmay 12th，2008 in Beichuan County.The two images before and after the earthquake was obtained to extract vegetation covering information using normalization difference vegetation index(NDVI)，and NDVI was used to estimate vegetation coverage.Then the damage degree index(DDI)of the vegetation was defined，indicating the difference of the normalized difference vegetation index before and after earthquake.The results showed that：1)103 landslides，122 collapses and 10mudslides were interpreted from Formosat-2 image taken after Wenchuan Earthquake，and the area of disaster was 17.5 km2.The area ofmedium vegetation coverage status was 85%before the earthquake，and it reduced by 8.01 km2after the earthquake，which accounted for 45.77%of the whole area of disaster.2)The vegetation damage was relative less serious in landslides regions，wheremoderate and severe damage vegetation occupied 68.66%of the whole area.The vegetation damage wasmodest in collapses regions，wheremoderate and severe damage vegetation occupied 88.15%of the whole area.Most vegetation damage occurred inmudslides regions，wheremoderate and severe damage vegetation occupied 99.74%of the whole area.3)The vegetation damage was closely related to the elevation and slope grade，which was prone to occur at the elevation of 611-1 543m and slope grade of 25°-45°regions.The vegetation damage was worse，most of which were severe damage with a decreasing trend along with elevation and slope grade increasing，but weakly related to the aspect factor.

Key words：geological disasters;normalization difference vegetation index(NDVI);vegetation damage degree index;Beichuan County

TP79

A

1672-3007(2013)04-0086-07

2013-03-11

2013-05-09

国家林业公益性项目“四川地震灾区灾后植被恢复及可持续发展关键技术研究与示范”(201104109)

梁超(1988—)，男，硕士研究生。主要研究方向：工程绿化与水土保持。E-mail：chao.lyc@gmail.com

简介：赵廷宁(1962—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向：工程绿化与水土保持。E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

(责任编辑：宋如华)