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草炭土及其人类工程环境效应的遥感判别研究

黄耀龙  
【摘要】:草炭土是一种由植物残体不完全分解堆积而成的特殊腐殖质土壤,由于土壤中含有大量的有机质,尤其是未分解的植物残体,在工程上表现出高有机质、高含水率、高空隙比、高压缩性、低抗剪强度等一系列的不良工程地质性质。近年来,随着经济的发展,诸多线路工程的修建,难免要穿越草炭土,而草炭土盆地一般形成于沼泽环境,对于在草炭土盆地中间穿过的线路工程,不可避免地就要对草炭土地基进行处理。随着线路工程的修建,必然影响草炭土盆地的演化,甚至导致草炭土沼泽的退化和消亡。因此,分析线路工程对草炭土的影响,一方面,可以对修建于草炭土盆地的线路工程的施工提供必要的理论依据,同时也有利于保护草炭土沼泽,而草炭土沼泽是湿地环境的重要组成部分,兼具经济效益和生态环境效益。草炭土盆地分布广泛而零散,若利用现场调查,一方面,这是一个费时费力的大工程,非大团队经年累月难以完成,而且,现场也很难做到全面调查;另一方面,考虑到草炭土的成因机制和形成环境,对于形成于沼泽盆地的草炭土而言,很多草炭土点是无法现场调查的。结合历年遥感影像和高程数据,在草炭土现场经验和湿地调查的基础上,建立由已知到未知的草炭土识别模式,分析草炭土的分布规律及演化模式,结合有代表性线路工程的草炭土盆地,分析线路工程对草炭土的环境效应,是针对草炭土盆地特殊的形成条件及经济生态双重效益建立的有效模式。基于上述原因,本文依托国家自然科学基金项目“线路工程对季冻区草炭土湿地的环境效应研究”、“季冻区沼泽草炭土结构特性及本构关系研究”、“季冻区沼泽草炭土冻胀机理研究”等多个相关课题,在现场经验的基础上,结合Google Earth三维可视功能,定性分析草炭土的遥感特性,设计草炭土现场调查路线,根据现场调查的结果,分析草炭土的分布规律、成因机制和遥感特性,并应用支持向量机、神经网络等多种非线性分类方法,分析草炭土识别效果。结合模糊数学,根据草炭土的形成演化机制,确立了针对草炭土的模糊识别模式,利用MATLAB编译相应的程序语言,建立草炭土识别模式界面,实现了草炭土的自动识别,并结合现场实例,对识别效果进行验证。通过两个特殊的草炭土盆地,以模糊隶属度,结合相应的钻探物探结果,分别分析了草炭土的自然演化规律及其在人类工程影响下的演化规律。选取具有代表性的草炭土盆地,在现场调查、取样、测试及室内试验的基础上,确立线路工程对草炭土环境影响的理化参数,同时结合遥感光谱数据和高程数据,进行试验参数和遥感参数的相关性分析,实现参数的反演;利用试验数据的准确性及遥感数据的空间连续性,实例分析线路工程对草炭土盆地的影响,进而建立线路工程对草炭土影响的概率模型,结合试验数据和遥感数据,确立线路工程对草炭土的影响效应的二级层次分析评价方法。以Landsat 4-5遥感影像为数据源,对吉林省东部草炭土分布规律进行整体识别和预测,并结合历年遥感影像,分析草炭土盆地的演化规律。利用CA-Marcov模型,分析草炭土的演化机制,并以此预测未来草炭土盆地的演化趋势。结合Google Earth,建立草炭土的地理信息数据集成系统,利用草炭土的调查结果、试验数据及草炭土现场照片等数据建立相应的数据库。主要得出如下结论:1.通过草炭土现场调查和草炭土分类识别,发现:(1)在草炭土现场调查的基础上,分析了草炭土的成因机制和遥感特性,发现草炭土的形成、分布和演化都是有迹可循的。草炭土盆地的积水条件和植被条件,都可以用遥感光谱定量描述,因此,结合不同光谱的遥感影像可以实现草炭土的分布识别。(2)通过不同方法识别草炭土发现,虽然这些方法基本可以实现草炭土的识别,但是对于部分由草炭土演化而来的农田,识别效果仍不够精确,需要结合草炭土的成因机制,建立草炭土的特殊的识别模式。2.通过建立基于模糊数学的草炭土识别模式,得出:(1)在草炭土定性识别和阈值提取的基础上,结合正态拟合、元胞矩阵和模糊评价,能够比较有效地识别草炭土,现场验证过的草炭土识别结果,可以作为新的已知草炭土数据源,进而优化识别效果。(2)基于模糊评价的草炭土识别模式,是建立在草炭土成因机制和演化过程的基础上的,以模糊隶属度描述像元归属及草炭土演化规律,实现了模型参数和草炭土的物理意义上的联系。(3)现场验证结果证明了草炭土识别模型的精确性,同时钻探和物探结果也验证了隶属度结果的准确性;以模糊隶属度分析了草炭土的自然演化及人类工程影响下草炭土的演化模式,对保护草炭土沼泽,也就是湿地保护,具有重大的环境生态效益。3.室内试验结果表明:(1)试验结果从分解度、水土综合评价、热学性能三个层次,综合比较了黄松甸、江源、靖宇三个不同草炭土盆地不同深度、路边与本底值等多方面的分布规律,揭示了草炭土盆地中草炭土的分布规律及线路工程对草炭土的环境效应影响。(2)试验结果表明,草炭土的热学效应、草炭土盆地的高程数据与草炭土理化参数都存在较大的相关性。这意味着,利用试验参数和遥感数据,可以反演出整个草炭土盆地各个像元的理化参数,这既应用了试验数据的准确性,也通过遥感数据实现了试验点在空间上的连续性,同时克服了剖面取样存在的偶然性。4.结合层次分析法及概率分布建立的草炭土综合评价模式表明:(1)草炭土的概率模型是建立在极坐标下的。该方法把草炭土盆地像元点的坐标(x,y),以及距离线路工程的距离,用r和θ两个参数代替,一方面简化了模型参数,另一面也实现了参数在物理意义上的独立。(2)在结合层次分析法和草炭土概率模型的基础上,对草炭土盆地的每一个像元进行综合评价,从三维立体角度,可以直观地显示出草炭土盆地的综合评价结果,也可以从极坐标系的角度,在数学模型上直观看出线路工程对草炭土的环境效应。5.草炭土时空演化方面,发现:(1)以Landsat 4-5为数据源,通过影像的校正、拼接和裁剪,利用支持向量机分类法确定了吉林省东部整个区域的草炭土分布情况,并选取有代表性的草炭土区域,结合历年遥感影像,分析线路工程对草炭土演化的影响。(2)结合CA-Marcov模型,通过不同时间草炭土的分布情况,确定了相应的土壤转移矩阵,并以此预测草炭土未来的演化情况。以Google Earth为平台,把草炭土的现场调查数据、试验数据及遥感识别结果分别显示,建立草炭土地理信息集成系统。


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