基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究

裴曉陽(yáng)

(榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000)

我國(guó)在礦區(qū)利用和開(kāi)發(fā)煤炭資源時(shí)，易出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，造成山體滑坡、地表塌陷、地下水位下降和煤矸石壓占等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)原始的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了破壞[1]。為了修復(fù)礦區(qū)生態(tài)景觀，在20世紀(jì)90年代以后人們采取了土地復(fù)墾措施，并取得了一定的效益。但礦區(qū)生態(tài)景觀的破壞和塌陷速率隨著采煤速度和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)不斷加大，造成的生態(tài)破壞已經(jīng)難以通過(guò)土地復(fù)墾得以修復(fù)。為了促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，需要尋找合理的礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)方法[2]。因此，研究礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)方法具有重要意義。

毛正君等[3]將PVV板材格構(gòu)錨桿梁應(yīng)用在生態(tài)景觀修復(fù)中，提出了以灌—草植被為主的植被恢復(fù)模式，以喬木為輔助的多層次生態(tài)恢復(fù)模式。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工工藝簡(jiǎn)便、綠化效果好等優(yōu)點(diǎn)，既能起到防護(hù)作用，又能改善邊坡的穩(wěn)定性。郭成久等[4]將遙感影像輸入ArcCIS軟件中，進(jìn)行了遙感影像的可視化處理，從而確定了不同的土地類(lèi)型。采用動(dòng)態(tài)模型、土地利用過(guò)渡矩陣、地形破碎指數(shù)等方法，對(duì)2010—2018年礦區(qū)的地貌特征進(jìn)行了分析，根據(jù)識(shí)別結(jié)果，結(jié)合景觀破碎度指數(shù)、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和動(dòng)態(tài)度模型分析礦區(qū)景觀特征，在最小累積阻力模型的基礎(chǔ)上修復(fù)礦區(qū)生態(tài)景觀。在上述方法的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)效果，提出高分辨率遙感數(shù)據(jù)分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)研究方法。

1 高分辨率遙感數(shù)據(jù)分析

采用礦區(qū)生態(tài)景觀高分辨率遙感影像，由于獲取的高分辨率遙感圖像中易存在陰影，高分辨率遙感數(shù)據(jù)分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)研究采用灰度線(xiàn)性匹配方法[5-6]校正處理獲取的高分辨率遙感圖像。礦區(qū)生態(tài)景觀高分辨率遙感影像如圖1所示。

圖1 礦區(qū)生態(tài)景觀高分辨率遙感影像Fig.1 High-resolution remote sensing image of ecological landscape in the mining area

用D(x，y)表示非陰影區(qū)域，即陽(yáng)坡；用T(x，y)表示陰影區(qū)，即陰坡，兩者的地表反射特征相同，用[tmin，tmax]表示T(x，y)的灰度范圍，用[dmin，dmax]表示D(x，y)的灰度范圍，通過(guò)式(1)校正高分辨率遙感圖像：

(1)

式中，T′(x，y)為校正后的高分辨率遙感圖像。

高分辨率遙感數(shù)據(jù)分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)研究，采用主成分分析法[7-8]獲取高分辨率遙感圖像中存在的特征信息，完成礦區(qū)生態(tài)景觀數(shù)據(jù)的采集[9-10]。

2 礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)

在礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)過(guò)程中，選取下述生態(tài)景觀分析指標(biāo)[11]。

(1)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)LDI。景觀中斑塊的重要程度可通過(guò)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)得以反映，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中，m為要素類(lèi)型數(shù)量；Ai為在生態(tài)景觀中第i種景觀要素所占的面積比例。

(2)斑塊總面積TA。

TA=S

(3)

式中，S為斑塊總面積。

(3)聚集度指數(shù)AI?？赏ㄟ^(guò)該指標(biāo)描述斑塊類(lèi)型在生態(tài)景觀中的物理連通性。

(4)

式中，hi、(hi)max分別為當(dāng)像元的斑塊類(lèi)型為i時(shí)，2個(gè)像元之間的可能連通數(shù)和最大可能連通數(shù)。

(4)斑塊數(shù)目NP。

NP=mi

(5)

式中，mi為斑塊在景觀類(lèi)型中的數(shù)量。

(5)破碎度FI。人類(lèi)活動(dòng)直接影響著礦區(qū)生態(tài)景觀的破碎化程度，破碎度FI可通過(guò)式(6)計(jì)算得到。

FI=∑mi/S

(6)

式中，S為景觀面積。

(6)平均斑塊面積MPS。景觀生態(tài)信息可通過(guò)平均斑塊面積MPS反饋：

MPS=S/mi

(7)

(7)香農(nóng)均勻度指數(shù)SHEI[12-13]。為斑塊面積在生態(tài)景觀中的分布不均勻程度，可通過(guò)式(8)計(jì)算得到：

(8)

式中，q為斑塊類(lèi)型總數(shù)。

(8)最大斑塊指數(shù)LPI。人類(lèi)在景觀中活動(dòng)的強(qiáng)弱和方向可通過(guò)最大斑塊指數(shù)反映，其表達(dá)式為：

(9)

式中，sij為斑塊ij在景觀中對(duì)應(yīng)的面積。

(9)香農(nóng)多樣性指數(shù)SHDI?？赏ㄟ^(guò)式(10)計(jì)算得到：

(10)

(10)斑塊密度PD。指斑塊在單位景觀面積中的數(shù)量，生態(tài)景觀的空間異質(zhì)性和破碎化可通過(guò)斑塊密度體現(xiàn)，其表達(dá)式為：

PD=mi/S×100%

(11)

在高分辨率遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用上述指標(biāo)評(píng)價(jià)礦區(qū)的生態(tài)景觀CEI[14-15]：

(12)

式中，n為指標(biāo)數(shù)量；Ei為指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重；Oi為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的分值。

根據(jù)式(12)評(píng)價(jià)結(jié)果選取相應(yīng)的景觀修復(fù)方法。①景觀生態(tài)學(xué)理論。在景觀生態(tài)學(xué)理論[16-17]的基礎(chǔ)上，研究景觀動(dòng)態(tài)變化遺跡和景觀結(jié)構(gòu)功能之間存在的作用機(jī)理。在生態(tài)系統(tǒng)中礦區(qū)屬于殘存斑塊，可遵循景觀生態(tài)學(xué)理論修復(fù)，在礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)過(guò)程中，需要處理基質(zhì)與斑塊之間的關(guān)系，在機(jī)制中融入修復(fù)后的破碎斑塊，形成良性循環(huán)。②適度干擾理論。按照規(guī)劃對(duì)事物控制，能夠使其向制定方向發(fā)展，能維持偏離的目標(biāo)在允許限度內(nèi)變化。針對(duì)不同的干擾，控制的力度都不相同，有的需要大力控制，有的則不需要控制。適度干擾在干擾控制中可以促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)景觀的修復(fù)，即不干擾和過(guò)分干擾在礦區(qū)中都不利于生態(tài)景觀的修復(fù)。經(jīng)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，只有適度干擾有利于礦區(qū)生態(tài)景觀的修復(fù)，礦區(qū)物種多樣性與干擾水平之間存在的關(guān)系如圖2所示。③全生命周期理論[18-19]。事物起源、發(fā)展以及消亡的整個(gè)過(guò)程即為全生命周期，在采礦全生命周期中，礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)只是其中的一個(gè)階段。生命恢復(fù)在中觀尺度上指的是生命周期中的維護(hù)與管理。對(duì)礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)時(shí)，應(yīng)該分析破壞生態(tài)景觀的主要因子，從后期管理、礦區(qū)設(shè)計(jì)和規(guī)劃3個(gè)方面出發(fā)修復(fù)礦區(qū)生態(tài)景觀[20]，并在生命周期管理中引入3D立體生態(tài)規(guī)劃技術(shù)，按照承載能力從規(guī)劃角度出發(fā)將礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)劃分為幾個(gè)階段，完成修復(fù)。

圖2 物種多樣性與干擾水平Fig.2 Species diversity and disturbance level

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證高分辨率遙感數(shù)據(jù)分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)研究方法的整體有效性，選取生態(tài)景觀需要修復(fù)的某礦區(qū)作為試驗(yàn)對(duì)象，將試驗(yàn)對(duì)象劃分為4個(gè)區(qū)域，對(duì)其修復(fù)，將聚合度、最大斑塊指數(shù)、斑塊結(jié)合度指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)作為指標(biāo)，對(duì)修復(fù)效果實(shí)施評(píng)價(jià)。礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Site map of mining area

(1)聚合度。修復(fù)前后的聚合度見(jiàn)表1。

表1 修復(fù)前后的聚合度Tab.1 Aggregation degree before and after repair

聚合度越高，表明斑塊類(lèi)型在礦區(qū)生態(tài)景觀中的物理連通性越好。分析表1可知，采用所提方法對(duì)礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)后，與修復(fù)前相比，4個(gè)區(qū)域的聚合度有所提升，表明修復(fù)后的斑塊類(lèi)型在礦區(qū)生態(tài)景觀中的物理連通性有所提高，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

(2)最大斑塊指數(shù)。最大斑塊指數(shù)越大，表明內(nèi)部種和優(yōu)勢(shì)種在礦區(qū)生態(tài)景觀中的豐度越大。修復(fù)前后礦區(qū)生態(tài)景觀的最大斑塊指數(shù)見(jiàn)表2。

表2 修復(fù)前后的最大斑塊指數(shù)Tab.2 Maximum plaque index before and after repair

由表2可知，與修復(fù)前相比，采用高分辨率遙感數(shù)據(jù)分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)方法修復(fù)后，4個(gè)區(qū)域的最大斑塊指數(shù)得到了優(yōu)化，內(nèi)部種和優(yōu)勢(shì)種的豐度有所提高，表明所提方法可有效修復(fù)礦區(qū)生態(tài)景觀。

(3)斑塊結(jié)合度指數(shù)。景觀斑塊的聚合程度可通過(guò)斑塊結(jié)合度指數(shù)得以反映，斑塊結(jié)合度指數(shù)越高，表明生態(tài)景觀修復(fù)效果越好，斑塊結(jié)合度指數(shù)COHESION可通過(guò)式(13)計(jì)算得到：

(13)

式中，S為斑塊對(duì)應(yīng)的總面積；Aij為在該類(lèi)型中斑塊i，j的周長(zhǎng)；βij為在該類(lèi)型中斑塊對(duì)應(yīng)的面積。

修復(fù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 修復(fù)前后的斑塊結(jié)合度指數(shù)Tab.3 Plaque association index before and after repair

分析表3可知，修復(fù)后的斑塊結(jié)合度指數(shù)優(yōu)于修復(fù)前的斑塊結(jié)合度指數(shù)。因?yàn)樗岱椒ú捎煤酥鞒煞址治龇ǐ@取了高分辨率遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到了礦區(qū)生態(tài)景觀數(shù)據(jù)，根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際生態(tài)景觀狀況，采用相應(yīng)的方法實(shí)施修復(fù)，提高了區(qū)域的斑塊結(jié)合度指數(shù)。

(4)香農(nóng)多樣性指數(shù)。修復(fù)前后的香農(nóng)多樣性指數(shù)見(jiàn)表4。

表4 修復(fù)前后的香農(nóng)多樣性指數(shù)Tab.4 Fragrance diversity index before and after restoration

香農(nóng)多樣性指數(shù)越高，表明礦區(qū)景觀類(lèi)型的豐富度越高。由表4可知，修復(fù)后4個(gè)區(qū)域的斑塊結(jié)合度指數(shù)都有所提升，表明修復(fù)后景觀類(lèi)型的豐富度都得以提高，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

礦區(qū)植被覆蓋層由于開(kāi)采作業(yè)會(huì)受到破壞，加重了土壤沙化、滑坡和水土流失的強(qiáng)度，與此同時(shí)也降低了生物多樣性。對(duì)礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)可以恢復(fù)礦區(qū)的生態(tài)，提高礦區(qū)的綠化面積。我國(guó)用地逐漸緊張，修復(fù)礦區(qū)生態(tài)景觀可盤(pán)活大量的土地資源，將廢棄的礦區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地、旅游用地、居住用地和商業(yè)用地，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)可以改善生態(tài)環(huán)境。因此，研究礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)方法具有重要意義。目前礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)方法存在修復(fù)效果差的問(wèn)題，提出高分辨率遙感數(shù)據(jù)分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)研究方法，該方法將高分辨率遙感數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用在景觀修復(fù)中，有效提高了生態(tài)景觀的修復(fù)效果。