基于高分辨率遥感数据的矿区生态修复研究

裴晓阳

(榆林学院，陕西 榆林 719000)

我国在矿区利用和开发煤炭资源时，易出现生态环境问题，造成山体滑坡、地表塌陷、地下水位下降和煤矸石压占等生态环境问题，对原始的矿区生态环境造成了破坏[1]。为了修复矿区生态景观，在20世纪90年代以后人们采取了土地复垦措施，并取得了一定的效益。但矿区生态景观的破坏和塌陷速率随着采煤速度和经济的增长不断加大，造成的生态破坏已经难以通过土地复垦得以修复。为了促进矿区生态和经济的协调发展，需要寻找合理的矿区生态景观修复方法[2]。因此，研究矿区生态景观修复方法具有重要意义。

毛正君等[3]将PVV板材格构锚杆梁应用在生态景观修复中，提出了以灌—草植被为主的植被恢复模式，以乔木为辅助的多层次生态恢复模式。它具有结构简单、施工工艺简便、绿化效果好等优点，既能起到防护作用，又能改善边坡的稳定性。郭成久等[4]将遥感影像输入ArcCIS软件中，进行了遥感影像的可视化处理，从而确定了不同的土地类型。采用动态模型、土地利用过渡矩阵、地形破碎指数等方法，对2010—2018年矿区的地貌特征进行了分析，根据识别结果，结合景观破碎度指数、土地利用转移矩阵和动态度模型分析矿区景观特征，在最小累积阻力模型的基础上修复矿区生态景观。在上述方法的基础上，为进一步提升矿区生态景观修复效果，提出高分辨率遥感数据分析下的矿区生态景观修复研究方法。

1 高分辨率遥感数据分析

采用矿区生态景观高分辨率遥感影像，由于获取的高分辨率遥感图像中易存在阴影，高分辨率遥感数据分析下的矿区生态景观修复研究采用灰度线性匹配方法[5-6]校正处理获取的高分辨率遥感图像。矿区生态景观高分辨率遥感影像如图1所示。

图1 矿区生态景观高分辨率遥感影像Fig.1 High-resolution remote sensing image of ecological landscape in the mining area

用D(x，y)表示非阴影区域，即阳坡；用T(x，y)表示阴影区，即阴坡，两者的地表反射特征相同，用[tmin，tmax]表示T(x，y)的灰度范围，用[dmin，dmax]表示D(x，y)的灰度范围，通过式(1)校正高分辨率遥感图像：

(1)

式中，T′(x，y)为校正后的高分辨率遥感图像。

高分辨率遥感数据分析下的矿区生态景观修复研究，采用主成分分析法[7-8]获取高分辨率遥感图像中存在的特征信息，完成矿区生态景观数据的采集[9-10]。

2 矿区生态景观修复

在矿区生态景观修复过程中，选取下述生态景观分析指标[11]。

(1)优势度指数LDI。景观中斑块的重要程度可通过优势度指数得以反映，其计算公式如下：

(2)

式中，m为要素类型数量；Ai为在生态景观中第i种景观要素所占的面积比例。

(2)斑块总面积TA。

TA=S

(3)

式中，S为斑块总面积。

(3)聚集度指数AI。可通过该指标描述斑块类型在生态景观中的物理连通性。

(4)

式中，hi、(hi)max分别为当像元的斑块类型为i时，2个像元之间的可能连通数和最大可能连通数。

(4)斑块数目NP。

NP=mi

(5)

式中，mi为斑块在景观类型中的数量。

(5)破碎度FI。人类活动直接影响着矿区生态景观的破碎化程度，破碎度FI可通过式(6)计算得到。

FI=∑mi/S

(6)

式中，S为景观面积。

(6)平均斑块面积MPS。景观生态信息可通过平均斑块面积MPS反馈：

MPS=S/mi

(7)

(7)香农均匀度指数SHEI[12-13]。为斑块面积在生态景观中的分布不均匀程度，可通过式(8)计算得到：

(8)

式中，q为斑块类型总数。

(8)最大斑块指数LPI。人类在景观中活动的强弱和方向可通过最大斑块指数反映，其表达式为：

(9)

式中，sij为斑块ij在景观中对应的面积。

(9)香农多样性指数SHDI。可通过式(10)计算得到：

(10)

(10)斑块密度PD。指斑块在单位景观面积中的数量，生态景观的空间异质性和破碎化可通过斑块密度体现，其表达式为：

PD=mi/S×100%

(11)

在高分辨率遥感数据的基础上，采用上述指标评价矿区的生态景观CEI[14-15]：

(12)

式中，n为指标数量；Ei为指标对应的权重；Oi为单项评价指标对应的分值。

根据式(12)评价结果选取相应的景观修复方法。①景观生态学理论。在景观生态学理论[16-17]的基础上，研究景观动态变化遗迹和景观结构功能之间存在的作用机理。在生态系统中矿区属于残存斑块，可遵循景观生态学理论修复，在矿区生态景观修复过程中，需要处理基质与斑块之间的关系，在机制中融入修复后的破碎斑块，形成良性循环。②适度干扰理论。按照规划对事物控制，能够使其向制定方向发展，能维持偏离的目标在允许限度内变化。针对不同的干扰，控制的力度都不相同，有的需要大力控制，有的则不需要控制。适度干扰在干扰控制中可以促进矿区生态景观的修复，即不干扰和过分干扰在矿区中都不利于生态景观的修复。经研究调查发现，只有适度干扰有利于矿区生态景观的修复，矿区物种多样性与干扰水平之间存在的关系如图2所示。③全生命周期理论[18-19]。事物起源、发展以及消亡的整个过程即为全生命周期，在采矿全生命周期中，矿区生态景观修复只是其中的一个阶段。生命恢复在中观尺度上指的是生命周期中的维护与管理。对矿区生态景观修复时，应该分析破坏生态景观的主要因子，从后期管理、矿区设计和规划3个方面出发修复矿区生态景观[20]，并在生命周期管理中引入3D立体生态规划技术，按照承载能力从规划角度出发将矿区生态景观修复划分为几个阶段，完成修复。

图2 物种多样性与干扰水平Fig.2 Species diversity and disturbance level

3 试验与分析

为了验证高分辨率遥感数据分析下的矿区生态景观修复研究方法的整体有效性，选取生态景观需要修复的某矿区作为试验对象，将试验对象划分为4个区域，对其修复，将聚合度、最大斑块指数、斑块结合度指数和香农多样性指数作为指标，对修复效果实施评价。矿区现场如图3所示。

图3 矿区现场Fig.3 Site map of mining area

(1)聚合度。修复前后的聚合度见表1。

表1 修复前后的聚合度Tab.1 Aggregation degree before and after repair

聚合度越高，表明斑块类型在矿区生态景观中的物理连通性越好。分析表1可知，采用所提方法对矿区生态景观修复后，与修复前相比，4个区域的聚合度有所提升，表明修复后的斑块类型在矿区生态景观中的物理连通性有所提高，验证了所提方法的有效性。

(2)最大斑块指数。最大斑块指数越大，表明内部种和优势种在矿区生态景观中的丰度越大。修复前后矿区生态景观的最大斑块指数见表2。

表2 修复前后的最大斑块指数Tab.2 Maximum plaque index before and after repair

由表2可知，与修复前相比，采用高分辨率遥感数据分析下的矿区生态景观修复方法修复后，4个区域的最大斑块指数得到了优化，内部种和优势种的丰度有所提高，表明所提方法可有效修复矿区生态景观。

(3)斑块结合度指数。景观斑块的聚合程度可通过斑块结合度指数得以反映，斑块结合度指数越高，表明生态景观修复效果越好，斑块结合度指数COHESION可通过式(13)计算得到：

(13)

式中，S为斑块对应的总面积；Aij为在该类型中斑块i，j的周长；βij为在该类型中斑块对应的面积。

修复结果见表3。

表3 修复前后的斑块结合度指数Tab.3 Plaque association index before and after repair

分析表3可知，修复后的斑块结合度指数优于修复前的斑块结合度指数。因为所提方法采用核主成分分析法获取了高分辨率遥感数据，进而得到了矿区生态景观数据，根据矿区的实际生态景观状况，采用相应的方法实施修复，提高了区域的斑块结合度指数。

(4)香农多样性指数。修复前后的香农多样性指数见表4。

表4 修复前后的香农多样性指数Tab.4 Fragrance diversity index before and after restoration

香农多样性指数越高，表明矿区景观类型的丰富度越高。由表4可知，修复后4个区域的斑块结合度指数都有所提升，表明修复后景观类型的丰富度都得以提高，验证了所提方法的有效性。

4 结语

矿区植被覆盖层由于开采作业会受到破坏，加重了土壤沙化、滑坡和水土流失的强度，与此同时也降低了生物多样性。对矿区生态景观修复可以恢复矿区的生态，提高矿区的绿化面积。我国用地逐渐紧张，修复矿区生态景观可盘活大量的土地资源，将废弃的矿区转变为农业用地、旅游用地、居住用地和商业用地，促进经济发展的同时可以改善生态环境。因此，研究矿区生态景观修复方法具有重要意义。目前矿区生态景观修复方法存在修复效果差的问题，提出高分辨率遥感数据分析下的矿区生态景观修复研究方法，该方法将高分辨率遥感数据分析技术应用在景观修复中，有效提高了生态景观的修复效果。