基于GIS和RS的自貢市長山鹽礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

李 喆，吳敏寧，何政偉，夏福瑞

(1．成都理工大學(xué) 數(shù)字國土與生態(tài)科學(xué)研究所，四川成都610059;2．成都市國土資源局 國土規(guī)劃地籍事務(wù)中心，四川成都610074;3．四川省地礦局物探隊(duì)，成都610072)

基于GIS和RS的自貢市長山鹽礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

李 喆1，2，吳敏寧2，何政偉1，夏福瑞3

(1．成都理工大學(xué) 數(shù)字國土與生態(tài)科學(xué)研究所，四川成都610059;2．成都市國土資源局 國土規(guī)劃地籍事務(wù)中心，四川成都610074;3．四川省地礦局物探隊(duì)，成都610072)

根據(jù)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的原則，選取土壤濕度、土地利用/覆蓋、地形地貌、土壤鹽堿化、土地壓占與破壞指數(shù)為影響要素層，以評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各個(gè)主要細(xì)節(jié)為指標(biāo)層，建立長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并運(yùn)用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。通過目視解譯與計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取相結(jié)合的方式提取評(píng)價(jià)指標(biāo)信息，并對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化分級(jí)以及標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法建立研究區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)模型，將長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、中、差、劣五個(gè)等級(jí)。

長山鹽礦;RS與GIS技術(shù);礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

0 前言

礦產(chǎn)資源是影響和制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在鹽礦開采過程中，由于開采技術(shù)的有限性及長期的不科學(xué)開采，許多生態(tài)環(huán)境問題相繼出現(xiàn)，這對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響［1]。作者在本文針對(duì)礦山開采對(duì)生態(tài)與環(huán)境破壞的特點(diǎn)，對(duì)長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境影響因素，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了客觀、符合實(shí)際的綜合評(píng)價(jià)，一方面為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供技術(shù)參考，同時(shí)也為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)，促使礦山開采與生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

作者在本次遙感解譯工作中，選用具有較高空間分辨率和光譜分辨率的陸地衛(wèi)星Landsat7 ETM+數(shù)據(jù)，成像時(shí)間為2001年6月，軌道號(hào)為129/040，總占地面積約720 km2。對(duì)圖像的預(yù)處理包括遙感影像的波段組合，圖像融合，圖像裁剪，最終得到了較為滿意的圖像［2～4]。

2 指標(biāo)因子的選取及信息提取

2．1 土地利用

通過對(duì)不同土地利用類型的人類干擾強(qiáng)度賦值，構(gòu)建出土地利用分類指數(shù)，作為評(píng)價(jià)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的指標(biāo)［5]。由于作者在本論文中研究的主要目的是對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，側(cè)重點(diǎn)在于生態(tài)方面的地物類型，因此設(shè)定研究區(qū)地物類型為對(duì)環(huán)境影響較為重要的有林地、疏林地、水體、居民地、裸地等，結(jié)果如下頁圖1所示。

通過研究區(qū)土地利用分類的柱狀圖可以看出，長山礦區(qū)以有林地和疏林地為主，有林地和疏林地面積分別達(dá)到了30%和45%，其它類型的土地較少。而且由于在礦產(chǎn)資源開采過程中形成的裸地，主要分布于研究區(qū)的東部和中部地區(qū)，面積僅占研究區(qū)總面積的12%左右。

2．2 植被覆蓋度

植被是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的一個(gè)重要因素，而在礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中常常會(huì)砍伐樹木，對(duì)植被的覆蓋有直接影響。作者經(jīng)過波段運(yùn)算出NDVI的圖像，其值范圍為－1～0.72，然后在ARCGIS中進(jìn)行密度分割，將研究區(qū)NDVI劃分為四級(jí)。這四級(jí)對(duì)應(yīng)植被覆蓋度分別為:

(1)－1～0，為水體和云，為無植被覆蓋區(qū)域。

(2)0.01～0.3為裸露的巖石或是城市密集的建筑物，為低植被覆蓋區(qū)域。

(3)0.31～0.5為中植被覆蓋區(qū)域。

(4)0.51～0.72為高植被覆蓋區(qū)域，結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)植被覆蓋度圖Fig．2 Vegetation coveragemap of the study area

通過計(jì)算可知，研究區(qū)高植被覆蓋區(qū)面積為14 km2，占研究區(qū)總面積的2.0%;中度植被覆蓋區(qū)面積為324 km2，占研究區(qū)總面積的45%;低植被覆蓋區(qū)面積為201.6 km2，占研究區(qū)總面積的28%;無植被覆蓋區(qū)面積為180 km2，占研究區(qū)總面積的25%，該區(qū)域植被覆蓋度總體較高。

2．3 坡度指數(shù)

在礦產(chǎn)開采過程中，坡度影響到水的流動(dòng)，從而為礦區(qū)的地面坍塌，坑道突水創(chuàng)造條件，易形成匯水區(qū)。因此，作者選用地形地貌因子中坡度因子來參與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)，作為生態(tài)環(huán)境的另一個(gè)評(píng)價(jià)因素［7]。作者在本文中，利用ARCGIS軟件中建立數(shù)字高程模型DEM(見圖3)，采用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型進(jìn)行剖分坡度分級(jí)圖繪制，提取研究區(qū)坡度信息。

結(jié)果表明，研究區(qū)地形坡度大多在15°～45°之間，15°以下的地區(qū)占研究區(qū)面積的30%左右，35°以上地區(qū)面積占研究區(qū)總面積的10%左右。根據(jù)研究區(qū)的地形起伏狀況，結(jié)合其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響將坡度劃分成四級(jí)，坡度分級(jí)圖見圖3。

圖3 研究區(qū)坡度分級(jí)圖Fig．3 Slope classification map of the study area

2．4 水體密度指數(shù)

作者選用地表水體密度指數(shù)，作為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的另一重要指標(biāo)。根據(jù)水體的光譜特征將地表水提取出來，將研究區(qū)劃分為相同大小的柵格單元，通過計(jì)算單元格內(nèi)水體的面積與單元格面積的比值，構(gòu)建得到研究區(qū)水體密度指數(shù)［8]，得到研究區(qū)的水體密度指數(shù)圖(見圖4及下頁圖5)。

圖4 研究區(qū)水體分布圖Fig．4 Water distribution of the study area

圖5 研究區(qū)水體密度圖Fig．5 Water densitymap of the study area

2．5 土壤濕度指數(shù)

土壤濕度又稱土壤水分含量，是反映一定深度土層的土壤干濕程度，土壤濕度決定植被和農(nóng)作物的水分供應(yīng)狀況。作者在結(jié)合前人研究的基礎(chǔ)上，采用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行波段運(yùn)算，從而得到反映土壤水分狀況的土壤濕度指數(shù)TMW。TMW指數(shù)與ETM各波段的系數(shù)關(guān)系公式表達(dá)為:

作者根據(jù)研究區(qū)土壤特點(diǎn)，利用上述土壤濕度計(jì)算公式，并通過閾值分割，得出研究區(qū)土壤濕度分級(jí)指數(shù)圖，如圖6所示。

通過研究區(qū)土壤濕度指數(shù)圖可以看出，研究區(qū)濕度較大的地方主要分布在研究區(qū)的西北部，占研究區(qū)總面積的50%以上。而研究區(qū)東北部及東南部，山地土壤較干燥。

圖6 研究區(qū)土壤濕度指數(shù)圖Fig．6 Soilmoisture indexmap of the study area

2．6 土壤的鹽堿化指數(shù)

作者選用研究區(qū)ETM1、2、3、4、5、7波段進(jìn)行主成份分析產(chǎn)生的第三主成份、ETM3波段，以及K－T變換后的綠度特征作為彩色合成的三個(gè)特征變量［9]。在合成后的圖像上，能夠較準(zhǔn)確地反應(yīng)出重度鹽漬化土壤、中度鹽漬化土壤，以及輕度鹽漬化土壤。從而較準(zhǔn)確地提取出研究區(qū)鹽堿地的分布，得出研究區(qū)土地鹽堿化分級(jí)指數(shù)圖，如圖7所示。

在研究區(qū)中，土壤鹽堿化總體狀況較輕，無鹽堿化地區(qū)面積約占研究區(qū)總面積的81.37%，鹽堿化土地面積有134 km2，約占研究區(qū)總面積的18.63%。其中，輕度鹽堿化地區(qū)占12.7%;中度鹽堿化占4.4%;重度鹽堿化只占到約1.53%。鹽堿化土壤主要分布于研究區(qū)的東部地區(qū)。

圖7 研究區(qū)土壤鹽堿化分級(jí)指數(shù)圖Fig．7 Classification indexmap of soil salinization of the study area

2．7 土地壓占與破壞

作者運(yùn)用MAPGIS軟件，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行目視解譯，提取研究區(qū)土地壓占與破壞分布，并根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際面積和研究區(qū)土地壓占與破壞的分布情況，得出研究區(qū)土地壓占與破壞分級(jí)圖(見下頁圖8)。通過統(tǒng)計(jì)得知，研究區(qū)土地壓占與破壞面積約9.8 km2，占研究區(qū)總面積的1.4%。

3 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)

3．1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

要進(jìn)行疊加分析，應(yīng)首先將不同類型的指標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)其對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度，進(jìn)行合理評(píng)分，量化本研究的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)。在經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，形成一組反映其屬性特征的數(shù)值，以柵格形式存在，柵格大小為30*30m，其標(biāo)準(zhǔn)化后的值規(guī)定在1～7之間［10]。

圖8 研究區(qū)土地壓占與破壞分級(jí)指數(shù)圖Fig．8 Total land pressure and damage grade indexmap of soil salinization of the study area

3．2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

作者結(jié)合長山鹽礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)，以長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)為目標(biāo)層，以土壤濕度、土地利用/覆蓋、地形地貌、土壤鹽堿化、土地壓占與破壞等五個(gè)指標(biāo)作為影響要素層，以生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的七個(gè)細(xì)節(jié)指標(biāo)作為指標(biāo)層，建立起長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)的三層次指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，利用層次分析法給出各指標(biāo)權(quán)重值，并通過一致性檢驗(yàn)確定礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)體系，見表1。

表1 長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab．1 Evaluation index system of ecological environment of Changshan mining

3．3 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)及分析

利用生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型，結(jié)合評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重值，利用ARCGIS影像疊加運(yùn)算，計(jì)算出研究區(qū)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值介于1.7～6.9之間。按等間距原則劃分等級(jí)，將長山礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、差、劣五個(gè)等級(jí)，生成長山鹽礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)結(jié)果圖(見圖9)。

圖9 長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)綜合圖Fig．9 Comprehensive Evaluation of the ecologicalenvironmentmap of Changshan mining

由圖9可以看出，長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量計(jì)算結(jié)果值落在1.7～6.9范圍之間，值越小代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體情況較好，環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良和質(zhì)量中等的地區(qū)，約占研究區(qū)總面積的85%，主要分布在水分充足，氣候條件良好，地勢(shì)低，鹽堿化較輕，以及遠(yuǎn)離礦井的地區(qū)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差和質(zhì)量劣的地區(qū)，面積占研究區(qū)總面積的15%。主要分布在研究區(qū)東部以及西南部地區(qū)。

3．4 3D效果圖精度初判

本研究在ARCGIS軟件的支持下，生成評(píng)價(jià)結(jié)果3D效果圖(見圖10)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更直觀化，有利于對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)判。結(jié)合分類結(jié)果圖和相應(yīng)的3D效果圖，通過初步分析判斷可以看出，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良的地區(qū)處于研究區(qū)的中部和西部地區(qū)。并且這些地區(qū)地勢(shì)平坦，水分充裕，植被覆蓋較高，土地破壞較輕。而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的東部和中部地區(qū)，地勢(shì)較高，氣候干燥，植被覆蓋較低，裸土分布廣泛并且土地破壞面積較大。

圖10 長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)3D效果圖Fig．10 3Dmap of evaluation of the ecological environment of Changshan mining

由此可見，本次對(duì)長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率較高，較真實(shí)客觀地反映了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。

4 結(jié)論與討論

作者在本文中，以ETM遙感圖像和地形圖作為主要數(shù)據(jù)源，對(duì)長山礦區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)，取得的主要成果有:

(1)選取具有代表性的土壤濕度、土地利用/覆蓋、地形地貌、土壤鹽堿化、土地壓占與破壞等七個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)體系，并將研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為五級(jí)。

(2)長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境整體情況良好，質(zhì)量為優(yōu)、良、中、差、劣的地區(qū)面積，分別占長山礦區(qū)總面積的6.52%、33.09%、45.33%、9.60%和5.46%。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量除主要與人類開采鹽礦有關(guān)外，還與地形、氣候、水文條件等密切相關(guān)。

(3)將研究區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果生成3D效果圖，使評(píng)價(jià)結(jié)果更直觀化，有利于對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)判。結(jié)合分類結(jié)果圖和相應(yīng)的3D效果圖判斷，對(duì)長山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率較高，可較真實(shí)客觀地反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。

作者在研究中采用了遙感和GIS技術(shù)以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法，取得了較滿意的評(píng)價(jià)效果。但在實(shí)際應(yīng)用中，還存在著一些不足之處以及有待改善的問題，主要表現(xiàn)在:

(1)在采用的層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)，不可避免會(huì)摻雜主觀因素的影響，或多或少會(huì)影響結(jié)果的精確性，需要更準(zhǔn)確客觀的研究方法。

(2)有些評(píng)價(jià)指標(biāo)的提取是以目視解譯為主要手段，不能很好地保證解譯精度。因此，解譯方法和精度有待進(jìn)一步提高。

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X 8

A

1001—1749(2011)02—0222—05

2010－08－06改回日期:2010－12－17

李喆(1984－)，男，四川省成都市人，博士，研究方向:3S技術(shù)及地理信息工程。