基于空间信息技术的矿区生态监测系统

2013-05-30简煊祥杨永均

中国矿业 2013年5期

简煊祥，杨永均

（1.福州市勘测院，福建福州350003；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116）

随着矿产资源的不断开发，矿区生态保护问题相应而生，脆弱的矿区生态近年引起了广泛的担忧和关注［1］，矿区生态监测是土地复垦与生态重建的重要组成部分。但由于矿区生态扰动的特殊性，矿区生态监测的信息源多、量大，监测时间长，覆盖范围广，评价指标多，计算模型复杂；再者，传统的生态监测由于受到客观条件的限制，地面采样获取实测数据的密度一般较小，时间间隔往往很长，采集的数据通常为点位数据，缺乏时空上的连续性和一致性，所监测的信息难以体现大范围生态环境的总体分布状况［2］。显然，传统的生态监测与评价方法已经不能满足现代生态保护与重建的要求，需要引入新的技术和方法来动态监测脆弱的矿区生态环境变化［3］。

为了解决上述问题和技术难点，本文将传统的生态环境监测技术、现代空间信息技术集成起来，实现矿区生态实时、动态、快速监测与评价，实现监测数据的计算机管理。并选择山西北关矿区作为研究实例来验证开发的模型与系统的有效性。

1 矿区生态监测内容与方法

1.1 矿区生态监测内容及其时空尺度

采矿对于矿区这个独特的人工、半人工生态系统的扰动体现在生态系统中生物和非生物因子因子的变化，如水土流失、植被破坏；生态系统的形态和营养结构变化，如土地覆盖的改变和植被第一性生产力下降；生态系统的功能受损，如物质循环受到影响，碳源碳汇受到影响；破坏生态系统景观，引起景观破碎［4］。而矿区生态监测就是利用生命系统及其相互关系的变化反应做“仪器”来监测生态环境质量状况及其变化。综合目前的研究成果，本文确定矿区生态监测内容如表1所示。

根据矿井生命周期理论和矿区生态演变特点［5－6］，矿区生态监测可以分别在矿井规划建设阶段、矿井生产稳产阶段和矿井衰老报废三个阶段连续监测。另外，矿区生态监测空间尺度一般区分为区域大尺度和矿井尺度［7］，进行区域大尺度生态监测评价时，常采用中高分辨率影像和概略地面调查，进行矿井尺度的生态监测评价时，常采用中低分辨率影像和详细地面调查。

1.2 矿区生态监测方法及模型

矿区生态监测需要综合地面调查、遥感等多种空间信息技术采集数据，并运用生态模型或反演算法进行计算，针对不同的生态监测项目，其主要监测方法及其模型如表2所示。

表1 矿区生态监测内容

表2 主要生态监测项目的方法及模型

2 系统分析与设计

2.1 系统需求分析

矿区生态监测系统在功能上需要实现矿区生态数据的管理，包括自然地理、遥感影像等矢量、栅格、属性数据的录入、管理；矿区生态空间数据的处理，包括GIS空间分析等；矿区生态信息的遥感提取；能按照设定的生态监测模型进行矿区生态系统的监测和评价；实现成果可视化，整饬与输出。系统在性能上必须具有较好的适应性、界面友好易于操作。

2.2 系统设计

本文设计的矿区生态监测系统主要由文件、空间数据查询与处理、生态状况监测与评价、结果整饬与输出模块组成，系统模块功能如图1所示。其中生态状况监测与评价提供的功能包括，包括生态因子信息提取，生态系统结构、功能监测，及生态系统综合评价。所提供的生态系统监测与评价产品包括生态因子动态监测：植被指数、植被覆盖度、土壤侵蚀、土地损毁；生态系统结构和功能监测：土地覆盖、景观格局、NPP、碳汇；生态系统综合评：生态资产测量、荒漠化监测、生态综合评价等。

本文中矿区生态监测以地理栅格单元为基础。因此，本系统中的生态状况监测与评价功能基于栅格数据运算，其中，以运算较为复杂的土壤侵蚀监测为例，其数据处理流程如图2所示。

图1 矿区生态监测系统功能

图2 土壤侵蚀监测模块数据处理流程

3 系统开发与实现

3.1 系统开发

本系统选用目前应用成熟的C／S结构，以Microsoft公司的.NET为开发平台，开发工具选择Visual Studio 2008和C＃语言，并将ESRI公司的ArcEngine组件嵌入到系统中，还集成了IDL语言处理遥感影像。矿区基础矢量栅格空间数据、遥感影像等数据利用Geodatabase数据存储模型存储在关系数据库Oracle中，客户端通过空间数据引擎ArcSDE操作数据。

利用ArcEngine中的TOCControl等控件和IWorkspaceFactory、IInterpolationOp3、IMapAlgebraOp等接口实现多个图层地图的显示和控制、数据加载与查询、空间插值、矢栅转换、栅格运算等功能，同时，为实现生态因子信息的提取功能，利用IDL语言实现了遥感反演的代码编写，从而完成遥感数据的读取和运算。系统还采用第三方控件DevExPress实现灵活的系统框架和美观的系统界面。

3.2 系统运行实例

本系统选择了山西北关矿区作为运行实例。该矿区位于山西南部太行山中南段，其地理坐标为35°48′15″～35°49′09″N，113°15′57″～113°18′41″E，属于典型的大陆性温带气候特征，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽有阴雨，冬季严寒少雪；野生动物较少，该区域啮齿类动物较多，大型动物稀少；属暖温带夏绿阔叶林带，乔、灌、草种类繁多，覆盖率由东南向西北逐渐降低；井田内无常年性河流和大的地表水体。根据矿区土地复垦与生态重建要求，确定了2004年／2007年／2010年三个监测时间，并确定了地面30m×30m分辨率的空间尺度。数据来源于地面调查和TM遥感监测，部分监测与评价结果如图3所示。

图3 实例矿区系统运行结果示意图

从图3中可以看出，矿区土壤这一非生物生态因子受到一定程度的侵蚀破坏，主要是微度侵蚀（占91.73%），并不严重，通过植被建设和生态保护，能够有效控制水土流失；随着社会经济的发展，矿区建设用地逐年增加，2010年较2004年增加5.38%，生态系统形态结构改变；而由于植被覆盖减少和土地生产力减弱导致植被净初级生产力减弱，生态系统营养结构发生改变。又从生态资产的测算结果来看，矿区单位面积生态资产最高21.478万元／km2，单位价值较低，矿区位于干旱半干旱地区，矿业活动和人类过度开发损害了自然生态系统的原有功能，这也反映了矿区生态系统的脆弱性。综合来看，矿区生态一定程度上受到了采矿活动的扰动，并在自然条件变化、社会经济发展等多重影响下发生变化，有必要针对这些变化加强矿区土地复垦和生态重建工作。

4 结语

与生态环境监测的传统方式相比较，基于“3S”空间信息技术的方法可以提供大区域宏观、快速的监测结果，而且多时期监测结果的可比性强。本文总结了矿区生态监测的内容，提炼建立了对应的监测模型。利用地面数据采集、遥感反演、GIS空间数据分析等方法，得到矿区生态监测与评价所需的数据。利用ArcEngine组件库和IDL来完成生态数据的交互查询、空间分析与显示制图，在 Microsoft的.NET平台集成构建了矿区生态监测系统。在以山西省北关矿区为实例矿区的调试中，系统运行稳定，监测结果能为矿区生态保护提供技术支持。

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