馬麗麗,田淑芳,王 娜,3
(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2.北京星天地信息科技有限公司,北京 100080;3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081)
生態(tài)環(huán)境直接影響著人類的生活。當(dāng)前我國面臨的生態(tài)環(huán)境問題之一是礦山開采造成的生態(tài)環(huán)境惡化。礦山開采產(chǎn)生的污染還會造成土地、水體、大氣以及植被資源的破壞,并引發(fā)新的生態(tài)環(huán)境問題,給人們的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重的影響[1]。因此,對礦區(qū)周圍的區(qū)域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評價(jià)是十分必要的。近幾年,人們發(fā)揮遙感技術(shù)快速、宏觀、客觀和多傳感器、多波段、多時(shí)相等優(yōu)勢,結(jié)合其他有關(guān)資料,對礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況和礦山生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動態(tài)調(diào)查、監(jiān)測和評價(jià),為保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、合理開發(fā)礦產(chǎn)資源提供了科學(xué)依據(jù)。例如:苗正紅等[2]基于遙感技術(shù)對吉林生態(tài)資產(chǎn)進(jìn)行了定量評估與動態(tài)監(jiān)測;譚振華等[3]以云南安寧礦區(qū)為例,利用遙感圖像對復(fù)雜地形下的礦山監(jiān)測進(jìn)行了研究。本文則根據(jù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn),選擇合適的評價(jià)指標(biāo),運(yùn)用層次分析(analytic hierarchy process,AHP)與模糊數(shù)學(xué)(fuzzy mathematics)綜合評判方法[3]對研究區(qū)進(jìn)行客觀的評價(jià),得到研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的評價(jià)等級。該評價(jià)方法綜合考慮了影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評估的各種因素,既充分體現(xiàn)評價(jià)因素和評價(jià)過程的模糊性,又盡量減少個(gè)人主觀臆斷的弊端,比一般的評比打分等方法更符合客觀實(shí)際[4]。選擇高分辨率遙感數(shù)據(jù),應(yīng)用不同波段組合和各種指數(shù)運(yùn)算,分析地表各類地物的光譜特征和空間特征;采用人機(jī)交互方法進(jìn)行分類,得到高精度的分類結(jié)果圖;通過對研究區(qū)水體密度、植被覆蓋度、居民地密度、地形地貌、礦業(yè)占地和生態(tài)多樣性等6 項(xiàng)指標(biāo)的綜合分析,實(shí)現(xiàn)了對北京市昌平區(qū)建筑用砂礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的科學(xué)評價(jià)。
以北京市昌平區(qū)建筑用砂礦區(qū)為研究區(qū),其地理位置在E116°16'59″~116°26'49″,N 40°17'25″~40°23'06″之間,地處北京市西北部,與北京市城區(qū)及懷柔區(qū)緊密相連。該區(qū)為燕山山脈造山運(yùn)動時(shí)期從海邊隆起而形成的地貌,境內(nèi)地理環(huán)境優(yōu)越,土地肥沃,自然資源豐富;且氣候適宜,降雨量充足,高溫期與雨期一致,山前熱量堆積,形成山前暖帶,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件,為其他產(chǎn)業(yè)的迅速崛起提供了雄厚的基礎(chǔ)保障。在礦產(chǎn)資源方面,該區(qū)主要的開采礦種為建筑用砂、白云巖和石灰?guī)r等。礦產(chǎn)資源的開采對環(huán)境危害很大,廢棄的開采面不經(jīng)過整治很難自行恢復(fù),尤其是建筑用砂區(qū)域,采場周圍堆滿沙礫,儲水能力差,生態(tài)恢復(fù)難度相當(dāng)大。
本文使用覆蓋研究區(qū)的SPOT5 衛(wèi)星遙感圖像,空間分辨率為2.5 m(全色波段)和10 m(多光譜波段),獲取時(shí)間為2011年9月。圖像中無云霾,無噪聲,礦區(qū)影像特征清晰,適用于本文的方法研究。
在對SPOT5 圖像進(jìn)行正射糾正等預(yù)處理的基礎(chǔ)上,采用GS(Gram-Schmidt 正交化算法)融合方法對全色波段和多光譜波段進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合,生成的多波段融合圖像,既提高了圖像的空間分辨率,又保持了較豐富的光譜信息,突出了豐富的地物景觀特征。再經(jīng)過幾何精糾正和裁剪,得到研究區(qū)的基礎(chǔ)圖像(圖1)。
圖1 研究區(qū)SPOT5 融合圖像(B2(R),B3(G),B1(B))Fig.1 SPOT5 fusion image in study area(B2(R),B3(G),B1(B))
依據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、可行性和代表性的原則[5],選取以下6 種指標(biāo)作為研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境評價(jià)要素:
1)植被覆蓋度。綠色植被能起到吸收大氣中污染物、防止水土流失和降低熱效應(yīng)等作用,因此植被的生長狀況在某種程度上反映了研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量;植被覆蓋度越高,自然環(huán)境就越好,生態(tài)環(huán)境也就越趨于穩(wěn)定,因此植被覆蓋度是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)不可缺少的指標(biāo)。本文采用遙感方法得到研究區(qū)植被覆蓋度的信息,在ENVI 系統(tǒng)中利用遙感圖像計(jì)算出歸一化差值植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI),而后選擇合適的閾值將植被覆蓋度分為4 類:①無植被覆蓋區(qū)(NDVI=0);②低植被覆蓋度區(qū)(0 <NDVI≤0.2);③中植被覆蓋度區(qū)(0.2 <NDVI≤0.4);④高植被覆蓋度區(qū)(NDVI >0.4)。
2)水體密度。水是生態(tài)環(huán)境必不可少的資源,是生態(tài)環(huán)境維持良性的關(guān)鍵要素,足夠的水資源是生態(tài)環(huán)境健康良好的保證,故將水確定為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的又一個(gè)重要評價(jià)指標(biāo)。本文利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算歸一化差值水體指數(shù)(normalized difference water index,NDWI),建立水體密度指數(shù)來反映研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況。
3)地形地貌。地表坡度不僅影響城市建設(shè)的空間結(jié)構(gòu)布局,也影響植被的生長。研究區(qū)的地形地貌主要采用地表坡度大小來表示,坡度在0~10°之間的區(qū)域,植被覆蓋面積超過50%,多為耕地;坡度大于20°的區(qū)域多為低山林地。本文在GIS 平臺上根據(jù)DEM 提取研究區(qū)的坡度信息,確定合適的閾值將坡度分為4 類:①坡度≤9°;②9° <坡度≤15°;③15° <坡度≤25°;④坡度>25°。
4)居民地密度。居民地是人類為了生產(chǎn)、生活的需要而集聚定居的各種形式的居住場所,包括房屋、建筑以及與居住直接有關(guān)的其他生活、生產(chǎn)設(shè)施(如道路、公共設(shè)施、園林綠化等)。人類把植被和水體等天然環(huán)境破壞后,經(jīng)加工建造了建筑物、道路、花園和人工湖泊等人工環(huán)境。本文應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算了歸一化差值建筑指數(shù)(normalized difference build- up index,NDBI),經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)確定將NDBI >0.2 的范圍提取出來,作為居民地的范圍。
5)生態(tài)多樣性。生態(tài)多樣性反映到現(xiàn)實(shí)中就是土地利用情況。通常地面覆蓋類型也會隨著土地利用的變化而變化,對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、水循環(huán)、生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)的承載力具有更為深遠(yuǎn)的影響。本文研究的主要目的是對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價(jià),側(cè)重點(diǎn)在對生態(tài)環(huán)境影響較為重要的地物類型上,包括林地、農(nóng)田、水體、居民地、礦業(yè)占地和裸地等。分類方法選擇ENVI 系統(tǒng)中的人機(jī)交互方法。
6)礦業(yè)占地。礦產(chǎn)資源促進(jìn)了人類社會的發(fā)展,提供了人類建設(shè)家園、發(fā)展社會的物質(zhì)基礎(chǔ),是人類社會進(jìn)步的重要源泉之一。但采礦活動破壞了地下和地表及其所依附的生態(tài)系統(tǒng),并會產(chǎn)生環(huán)境污染,因此也將礦業(yè)占地作為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。礦業(yè)占地主要是礦山開采場所及其附屬設(shè)施占地,包括采石場、中轉(zhuǎn)場地、礦山建筑、廢石堆及礦山環(huán)境恢復(fù)與治理區(qū)等的占地。本文通過人機(jī)交互解譯以及野外核查驗(yàn)證得到礦業(yè)占地的解譯結(jié)果。
礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)方法對評價(jià)結(jié)果有很大的影響。目前采用的主要方法有綜合指數(shù)法、AHP 法、模糊評價(jià)法、綜合指數(shù)評價(jià)法、改進(jìn)灰關(guān)聯(lián)分析法和物元分析評價(jià)法等方法。例如:劉志斌等[6]運(yùn)用改進(jìn)灰關(guān)聯(lián)分析法對召富露天礦區(qū)進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià);李如忠[7]基于模糊物元法進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境評價(jià);王麗麗[4]綜合運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)法與AHP 法進(jìn)行了清潔生產(chǎn)潛力評估。本次研究將模糊數(shù)學(xué)法和AHP 法綜合運(yùn)用于礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)中。
模糊數(shù)學(xué)結(jié)合AHP 法的指標(biāo)權(quán)重的確定采用成熟的AHP 法。AHP 法不僅適用于存在不確定性和主觀信息的情況,還允許以合乎邏輯的方式運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)、洞察力和直覺,能夠比較準(zhǔn)確地衡量評價(jià)指標(biāo)的相對重要性。模糊數(shù)學(xué)則把傳統(tǒng)數(shù)學(xué)從二值邏輯擴(kuò)展到連續(xù)位邏輯上來,把絕對的“是”與“不是”變得更加靈活,在適當(dāng)?shù)南揲撋先ハ鄬Φ貏澐帧笆恰迸c“不是”,使得模糊現(xiàn)象清晰化。模糊數(shù)學(xué)法與AHP法相結(jié)合的評估方法能夠充分發(fā)揮這2 種方法的優(yōu)點(diǎn),可以綜合考慮影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評估的各種因素,將定性和定量分析有機(jī)地結(jié)合起來;既能夠充分體現(xiàn)評價(jià)因素和評價(jià)過程的模糊性,又盡量減少個(gè)人主觀臆斷所帶來的弊端,比一般的評比打分等方法更符合客觀實(shí)際。
3.1.1 AHP 法確定權(quán)重
3.1.1.1 遞階層次結(jié)構(gòu)的建立
應(yīng)用AHP 分析決策問題時(shí),首先要把問題條理化、層次化,構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型。在這個(gè)模型下,復(fù)雜問題被分解為若干元素,這些元素又按其屬性及關(guān)系形成若干層次,上一層次的元素作為準(zhǔn)則對下一層次有關(guān)元素起支配作用。
3.1.1.2 判斷矩陣的建立
判斷矩陣表示本層次元素與上一層次有關(guān)元素之間相對重要性的比較。用于兩兩比較的判斷矩陣是AHP 法的基礎(chǔ),也是進(jìn)行相對重要度計(jì)算的重要依據(jù)。通過兩兩比較,可以得出高一級層次的某元素對低一級層次相關(guān)元素的相對重要性。這種比較結(jié)果可以通過引入適當(dāng)?shù)臉?biāo)度來表示(表1),即用數(shù)值直觀地表達(dá)出來,并寫成判斷矩陣。
表1 標(biāo)度及其含義Tab.1 Scale and its meaning
3.1.1.3 權(quán)重的計(jì)算
建立判斷矩陣后,就可以利用“和積法”計(jì)算出各矩陣的最大特征根λ 及其對應(yīng)的特征向量w,從而求出各個(gè)元素的權(quán)重值;并用CR=CI/RI 進(jìn)行一致性檢驗(yàn),CI 為一致性指標(biāo),RI 為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo),CR 為一致性比例。計(jì)算步驟如下:
1)對矩陣A 的每一列向量進(jìn)行歸一化,得到
則
即為所求的特征向量(也就是各個(gè)元素的權(quán)重值);
4)計(jì)算判斷矩陣A 的最大特征根λ,即
5)對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),先計(jì)算CI,即
再計(jì)算CR,即
式中RI 由大量試驗(yàn)給出(表2)。
表2 AHP 法的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值Tab.2 Average random consistency parameter of AHP method
當(dāng)CR <0.10 時(shí),則認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的,否則應(yīng)對判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)修改。
3.1.2 模糊數(shù)學(xué)法確定模糊矩陣
3.1.2.1 因素集的建立
根據(jù)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)選取原則,進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)的選取,建立因素集U,即
本文因素集U={水體密度,植被覆蓋度,居民地密度,地形地貌,礦業(yè)占地,生態(tài)多樣性}。
3.1.2.2 評價(jià)集的建立
評價(jià)集是評價(jià)者對評價(jià)對象可能做出的各種評價(jià)的集合V,即
根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,本文在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)中取n=4,即評價(jià)結(jié)果共有4 種:①植被覆蓋度高、人類活動少的區(qū)域?yàn)椤皟?yōu)”;②植被覆蓋度適中、水體分布適中且人類活動適中的區(qū)域?yàn)椤傲肌?③植被覆蓋度少、人類活動強(qiáng)度大的區(qū)域?yàn)椤爸小?④無植被覆蓋及植被覆蓋度較少、水體分布較少且礦業(yè)占地較多的區(qū)域?yàn)椤安睢?。本文評價(jià)集V={優(yōu),良,中,差}。
3.1.2.3 隸屬度函數(shù)的建立
隸屬度函數(shù)表示各環(huán)境評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值的一個(gè)模糊集合,體現(xiàn)了某元素屬于某模糊集合的隸屬度程度。在模糊評價(jià)過程中,只要自始至終地使用同一個(gè)隸屬度函數(shù),并且指標(biāo)實(shí)際測量點(diǎn)的選擇不帶有主觀性,那么評價(jià)的結(jié)果就會是公正可信的。
隸屬度函數(shù)的上下界限取值要根據(jù)指標(biāo)實(shí)測值確定,要符合客觀實(shí)際,且使用簡單。通常需要給規(guī)范區(qū)間賦予一個(gè)系數(shù)a,作為區(qū)間的過度系數(shù)。本次研究中的規(guī)范區(qū)間長度值比較小,故取a=0.5。由此建立隸度屬度函數(shù)U,即
式中:i 為環(huán)境評價(jià)因素集的各個(gè)因素,取值為1~6;Si1~Si4分別為評價(jià)集中4個(gè)等級的標(biāo)準(zhǔn)值;xi為選取的隨機(jī)點(diǎn)實(shí)測值;Ii1~I(xiàn)i3為評價(jià)集中間過渡區(qū)間的上限值,其取值方法為
3.1.2.4 模糊矩陣建立
在得到實(shí)測值的情況下,從一個(gè)單元素指標(biāo)出發(fā)建立隸屬度函數(shù),以確定某元素對評價(jià)集中各元素的隸屬度,元素集中第m個(gè)元素對評價(jià)集中第n個(gè)元素的隸屬度表示為Rmn,結(jié)果為一個(gè)模糊集合R,由此得到單元素評價(jià)矩陣
為了全面考慮評價(jià)指標(biāo)對環(huán)境評價(jià)結(jié)果的影響,在單因素評價(jià)的基礎(chǔ)上,還需要進(jìn)行模糊綜合評價(jià)。綜合評價(jià)是通過對權(quán)重集和模糊矩陣的運(yùn)算得到的,體現(xiàn)了各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的不同及影響程度的不同。具體運(yùn)算為
式中:w 為由AHP 法得到的權(quán)重集;R 為單因素的模糊矩陣;B 為綜合評價(jià)的結(jié)果。
按照模糊數(shù)學(xué)法中最大隸屬度的要求,進(jìn)行矩陣運(yùn)算后,礦山環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)的等級取決于矩陣計(jì)算后各級別的隸屬度大小、取決于隸屬度值在環(huán)境評價(jià)集中數(shù)值最高的等級。
根據(jù)以上選定的評價(jià)要素和評價(jià)方法,確定評價(jià)要素的權(quán)重,進(jìn)而建立評價(jià)體系。具體步驟如下:
4.1.1 AHP 法確定權(quán)重
礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)要素包括植被覆蓋度、水體密度、居民地密度、地形地貌、土地利用和礦業(yè)占地。根據(jù)比較標(biāo)度得到各要素的比較矩陣(表3)。
表3 各評價(jià)要素的比較標(biāo)度Tab.3 Comparison scale of evaluation factors
表4 各評價(jià)要素的權(quán)重Tab.4 Weights of evaluation factors
2)計(jì)算最大特征根。由式(5)得λ=6.585 9。
3)對得到的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。由式(7)得到CR=CI/RI=0.093 <0.1,可知此矩陣具有滿意的一致性,即各要素的權(quán)重可以滿足評價(jià)的要求。
4.1.2 模糊數(shù)學(xué)法建立模糊矩陣
1)建立模糊矩陣。根據(jù)建立的因素集(式(8))和評價(jià)集(式(9))以及隸屬度(式(10))的計(jì)算公式,得到各要素的模糊矩陣R,即
2)綜合評價(jià)。根據(jù)AHP 法得到各要素的權(quán)重以及模糊數(shù)學(xué)法確立的模糊矩陣,綜合評價(jià)選區(qū)的環(huán)境隸屬度,即
式中w 為AHP 法得到的各要素權(quán)重。
由綜合評價(jià)結(jié)果B 可以看出,生態(tài)環(huán)境評價(jià)在第一級的隸屬度最大(0.361),則研究區(qū)的模糊評價(jià)結(jié)果為優(yōu),即該區(qū)生態(tài)環(huán)境滿足可持續(xù)發(fā)展的需要,且該評價(jià)權(quán)重可以滿足生態(tài)環(huán)境評價(jià)的要求。
1)建立評價(jià)網(wǎng)格。本次研究采用網(wǎng)格法建立生態(tài)環(huán)境評價(jià)單元,即將整個(gè)研究區(qū)劃分為統(tǒng)一大小、形狀的網(wǎng)格,以各網(wǎng)格作為評級單元。本次生態(tài)環(huán)境評價(jià)按照網(wǎng)格間距為0.5 km 的實(shí)際公里網(wǎng)將研究區(qū)劃分為560個(gè)網(wǎng)格,用于確定初級評級單元。
2)加權(quán)疊加各要素并確定評價(jià)等級。根據(jù)礦山生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中水體(A)、地形地貌(B)、植被覆蓋度(C)、居民地(D)、生態(tài)多樣性(E)和礦業(yè)占地(F)等6個(gè)評價(jià)要素的計(jì)算結(jié)果及其權(quán)重值,計(jì)算礦山生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)(W)的總分值,即
研究區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)結(jié)果見圖2。
圖2 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)圖Fig.2 Ecological environment evaluation image of study area
從圖2 可以看出,研究區(qū)礦山生態(tài)環(huán)境“差”和“中”的區(qū)域分布與礦產(chǎn)開發(fā)以及人類影響密切相關(guān),并呈現(xiàn)出了一定的規(guī)律性:即礦山生態(tài)環(huán)境“差”的區(qū)域主要分布于礦區(qū)和居民地集中區(qū);而礦山生態(tài)環(huán)境“優(yōu)”的區(qū)域則廣泛分布于植被覆蓋較好且無人類破壞的區(qū)域。
本文應(yīng)用層次分析(AHP)與模糊數(shù)學(xué)(fuzzy maths)綜合評判法,對北京昌平區(qū)建筑用砂礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境評價(jià)進(jìn)行了研究。在研究區(qū)SPOT5 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上,建立礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo);以GIS 作為數(shù)據(jù)空間分析平臺,對適合于研究區(qū)的評價(jià)要素進(jìn)行了較深入的分析,構(gòu)建了指標(biāo)評價(jià)層次模型,進(jìn)而建立了礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)體系,為今后礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)研究提供了新的思路。本次研究得到了以下結(jié)論:
1)在建立礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)系統(tǒng)過程中,用于計(jì)算各指標(biāo)因素權(quán)重大小的基于AHP 與模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法,合理地確定了礦山生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)及其評價(jià)要素的權(quán)值,從而保證了評價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。
2)研究區(qū)礦山生態(tài)環(huán)境評價(jià)等級與礦山開發(fā)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,有礦山開發(fā)的地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對較差,而人類破壞小的地區(qū)生態(tài)環(huán)境則較好。評價(jià)結(jié)果符合客觀事實(shí),可以作為改善和治理礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的依據(jù)。
為了進(jìn)一步改善北京昌平建筑用砂區(qū)生態(tài)環(huán)境,需要減少對礦產(chǎn)資源的開發(fā),而且要對已廢棄的采礦場和開采面進(jìn)行環(huán)境恢復(fù)治理。利用遙感技術(shù)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行動態(tài)調(diào)查,可及時(shí)地了解礦山開采對生態(tài)環(huán)境影響的現(xiàn)狀,提高礦區(qū)環(huán)境管理的現(xiàn)代化水平,為相關(guān)部門改善和治理礦區(qū)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。
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