基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)地表植被與土壤變化監(jiān)測(cè)

劉沂軒，劉 譽(yù)，杜珍應(yīng)，曹久立

基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)地表植被與土壤變化監(jiān)測(cè)

劉沂軒1，2，劉 譽(yù)3，杜珍應(yīng)1，曹久立1

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局徐州分局，江蘇 徐州 221006； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008； 3.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032)

基于多時(shí)相的Landsat遙感數(shù)據(jù)，以陜西省榆林市大柳塔礦區(qū)為例，通過(guò)圖像處理得到地面歸一化植被指數(shù)(NDVI)和土壤指數(shù)兩個(gè)研究要素，結(jié)合礦區(qū)采掘工作面，提取了采區(qū)和非采區(qū)樣本點(diǎn)的時(shí)序數(shù)據(jù)，使用單一變量法對(duì)比分析其時(shí)序變化情況，并對(duì)研究區(qū)域的植被和土壤未來(lái)變化趨勢(shì)作了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：礦井工作面采掘活動(dòng)破壞了地面植被和土壤的穩(wěn)定性，降低了其對(duì)環(huán)境影響的抵抗和恢復(fù)能力，礦區(qū)植被覆蓋度逐年增加，但是土壤受侵蝕情況嚴(yán)重；在未來(lái)幾年內(nèi)，大柳塔礦區(qū)的植被覆蓋度會(huì)持續(xù)增加，土壤較容易受到侵蝕，特別注意地面采礦活動(dòng)區(qū)域和受擾動(dòng)影響區(qū)域的土壤保護(hù)，改善土壤退化現(xiàn)狀。

NDVI；土壤指數(shù)；多時(shí)相數(shù)據(jù)；工作面采動(dòng)影響

0 引言

中國(guó)大部分煤炭資源分布在植被覆蓋較少、土壤容易受到侵蝕的干旱和半干旱西北部區(qū)域[1]。隨著煤礦規(guī)模的迅速發(fā)展，礦井開(kāi)采活動(dòng)、地面建設(shè)和運(yùn)營(yíng)也對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了影響[2]。因此，研究礦區(qū)開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地面生態(tài)環(huán)境要素影響具有十分重要的意義。遙感技術(shù)作為一種先進(jìn)的信息采集方法，在多時(shí)相數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究中具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]，并且隨著多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了與遙感相結(jié)合的交叉學(xué)科分析[4]，如吳立新等[5]使用SPOT衛(wèi)星的NDVI數(shù)據(jù)對(duì)神東礦區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析；汪煒等[6]基于Landsat影像和STRM的DEM數(shù)據(jù)對(duì)淮南礦區(qū)的土壤侵蝕變化情況進(jìn)行了研究。以上礦區(qū)植被和土壤侵蝕研究只是從宏觀上對(duì)礦區(qū)變化情況進(jìn)行了分析，并沒(méi)有結(jié)合礦區(qū)具體采礦活動(dòng)分析采礦活動(dòng)對(duì)地表植被與土壤的影響。本文以陜西省榆林市的大柳塔礦區(qū)為例，在GIS和RS技術(shù)的支持下，選用從1994年至2014年中的11個(gè)時(shí)相的Landsat數(shù)據(jù)，反演礦區(qū)歸一化植被指數(shù)和土壤指數(shù)，結(jié)合實(shí)際開(kāi)采工作面，分析礦井開(kāi)采前后地面植被和土壤侵蝕的變化情況，并對(duì)該礦區(qū)的植被和土壤未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)概況

大柳塔煤礦始建于1987年10月，1996年正式投產(chǎn)，位于陜西省神木縣境內(nèi)，由大柳塔井和活雞兔井組成，兩井擁有井田面積189.9 km2，煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量23.2億t，可采儲(chǔ)量15.3億t，核定生產(chǎn)能力2 170萬(wàn)t。本文的研究區(qū)域在大柳塔井所在區(qū)域，位于扇貝黃土高原北側(cè)、毛烏素沙漠東南邊緣，地勢(shì)中間高，大部分地區(qū)土壤類(lèi)型是風(fēng)沙土，植被覆蓋率低[7-8]。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文從1994年到2014年的Landsat影像數(shù)據(jù)中，擇優(yōu)選取了包含研究區(qū)域11年的11個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)，其中包括Landsat5 TM數(shù)據(jù)6幅圖像，Landsat7 ETM+數(shù)據(jù)3幅和Landsat8數(shù)據(jù)2幅。2006年的影像時(shí)間為2006年9月10日，其他影像的時(shí)間都是8月份，這11幅影像均屬于無(wú)云或者少云的數(shù)據(jù)，成像效果較好，影像波段內(nèi)均含有數(shù)據(jù)處理所需的波段數(shù)據(jù)，能夠滿(mǎn)足需求。Landsat數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括輻射校正、大氣校正、圖像裁剪、融合、掩膜等過(guò)程。

2 技術(shù)路線(xiàn)

2.1 植被覆蓋度和土壤指數(shù)反演

2.1.1 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，是反映研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變的主要指標(biāo)因素之一[9]。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?，F(xiàn)行的統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)植被覆蓋情況最常用的是計(jì)算歸一化植被指數(shù)，然后再計(jì)算植被覆蓋度[10]：

(1)

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)； NDVIsoil為完全是裸土或者無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIVeg是完全被植被覆蓋的像元的NDVI值。針對(duì)不同時(shí)相的遙感影像統(tǒng)計(jì)取值，選取5%和95%的拐點(diǎn)處的NDVI值為裸土指數(shù)和全植被指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 土壤指數(shù)

土壤組成與土壤侵蝕等有很大的關(guān)系，采用裸土植被指數(shù)作為土壤因子[11]，首先把經(jīng)過(guò)大氣糾正的圖像進(jìn)行纓帽變換，然后取變換結(jié)果中的亮度和綠度值進(jìn)行計(jì)算，得到土壤指數(shù)：

GRABS=VI-0.091 78×BI+5.589 59

(2)

式中：VI和BI分別為纓帽變化的綠度指數(shù)和土壤亮度指數(shù)。如表1所示，把土壤指數(shù)分成10類(lèi)，數(shù)值越大，說(shuō)明土壤越不容易受到侵蝕。

表1 土壤指數(shù)分類(lèi)表

2.2 樣本點(diǎn)選取

如圖1所示，通過(guò)在反演之后的影像上疊加工作面，選取礦井采掘工作面上的點(diǎn)和不受采動(dòng)影響的點(diǎn)，使用單一變量法分析采動(dòng)對(duì)地面植被覆蓋和土壤指數(shù)的影響。選取的樣本點(diǎn)要滿(mǎn)足以下要求：

1)樣本點(diǎn)要屬于同一土壤類(lèi)型、同為植被覆蓋的區(qū)域。

2)采區(qū)內(nèi)的樣本點(diǎn)應(yīng)當(dāng)盡量在采區(qū)正上方，以減少相鄰采區(qū)開(kāi)采的影響。

3)非采區(qū)的樣本點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇遠(yuǎn)離采區(qū)的地方，避免其他時(shí)間的采動(dòng)對(duì)該點(diǎn)的影響。

本文中選取的采區(qū)內(nèi)樣本點(diǎn)選擇在2006年1至6月和2007年2至7月的工作面上，非采區(qū)的樣本點(diǎn)選在所有工作面之外，避免由于其他年份的采動(dòng)造成的影響。

圖1 疊加工作面選取樣本點(diǎn)Fig.1 Overlay working face to select sample points

2.3 礦區(qū)植被覆蓋和土壤指數(shù)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

使用一元線(xiàn)性回歸分析法對(duì)研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[12]，通過(guò)計(jì)算一組時(shí)間序列遙感影像的對(duì)應(yīng)像元的線(xiàn)性回歸系數(shù)，對(duì)該像元的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而獲得研究區(qū)域整體的變化趨勢(shì)情況。

(3)

式中：n為時(shí)間序列數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；NDVIi對(duì)應(yīng)像元i的NDVI值。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)像元的一元線(xiàn)性擬合直線(xiàn)的斜率θslop，通過(guò)這個(gè)斜率就可以得到對(duì)應(yīng)像元在今后發(fā)展的趨勢(shì)。θslop大于0，說(shuō)明過(guò)去時(shí)間的NDVI值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在未來(lái)幾年內(nèi)也會(huì)持續(xù)增加；θslop小于0，說(shuō)明在過(guò)去時(shí)間里NDVI值呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)持續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化分析

圖2 2006年和2007年采區(qū)和非采區(qū)植被覆蓋點(diǎn)NDVI時(shí)序變化折線(xiàn)圖Fig.2 The NDVI time series change line chart of vegetation cover points in 2006 and 2007 in mining area and non mining area

如圖2所示，從整體上來(lái)看，采區(qū)和采區(qū)之外的樣本點(diǎn)的NDVI年際變化趨勢(shì)是一致的，說(shuō)明選擇的點(diǎn)沒(méi)有受到局部因素的干擾，作為樣本點(diǎn)用來(lái)分析是可靠的。研究區(qū)域內(nèi)有植被覆蓋區(qū)域的NDVI值并沒(méi)有減小，反而呈現(xiàn)緩慢遞增的趨勢(shì)，這說(shuō)明研究區(qū)域內(nèi)的整體植被覆蓋量逐漸增加，這得益于神東集團(tuán)的土地復(fù)墾工作。圖2(a)中，2006年工作面開(kāi)采之后，采區(qū)內(nèi)樣本點(diǎn)的NDVI值有小幅度的變化；到2007年，NDVI值劇增；隨后直到2012年，采區(qū)內(nèi)樣本點(diǎn)的NDVI值均高于非采區(qū)樣本點(diǎn)，分析原因?yàn)樯駯|煤炭集團(tuán)的土地整治和生態(tài)修復(fù)活動(dòng)[7]；2012年之后，采區(qū)和非采區(qū)的NDVI值基本趨于一致，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自身和人為修復(fù)過(guò)程，地面受到采動(dòng)影響的區(qū)域的植被逐漸恢復(fù)，整個(gè)區(qū)域的植被水平趨于一致。同樣，圖2(b)中，在2007年工作面上的樣本點(diǎn)，隨著工作面的采動(dòng)，在2007年上NDVI值均明顯減小，隨后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的修復(fù)過(guò)程；到2013年，受2007年工作面采動(dòng)影響的地表植被覆蓋區(qū)域和非采區(qū)的植被覆蓋區(qū)域的植被水平趨于一致。

從以上兩個(gè)年份的工作面樣本點(diǎn)分析可知，采區(qū)上方的生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾工作并沒(méi)有從根本上完全消除工作面采礦活動(dòng)對(duì)地面植被的影響。在大柳塔礦區(qū)內(nèi)，現(xiàn)行的土地復(fù)墾力度下，受工作面采動(dòng)影響的地表植被恢復(fù)到整體水平的年限約為5年。

3.2 土壤指數(shù)變化分析

如圖3、圖4所示，可以看到研究區(qū)域內(nèi)的土壤指數(shù)整體波動(dòng)性較大。沒(méi)有很明顯的規(guī)律可循。隨著工作面的采動(dòng)，地面所有樣本點(diǎn)的土壤指數(shù)均減小，在有植被覆蓋的區(qū)域較無(wú)植被

覆蓋的區(qū)域下降程度小。由于2006年和2007年影響程度的疊加，導(dǎo)致2007年地面土壤指數(shù)下降幅度較大。隨后，在采區(qū)和非采區(qū)的樣本點(diǎn)的土壤指數(shù)變化較為雜亂，但是總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。由于土壤受侵蝕程度與很多因素都有關(guān)系，不能簡(jiǎn)單的歸咎于受采動(dòng)工作面的影響，要想分析井下工作面采掘活動(dòng)對(duì)地面土壤侵蝕能力產(chǎn)生影響的程度和其相關(guān)關(guān)系，還需要進(jìn)一步研究。結(jié)合植被覆蓋度變化情況，雖然研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度增加了，但是并沒(méi)有帶來(lái)土壤指數(shù)的好轉(zhuǎn)，礦區(qū)土壤還是較容易受到侵蝕，波動(dòng)情況較大。

圖3 2006年和2007年采區(qū)和非采區(qū)地表植被覆蓋區(qū)土壤指數(shù)時(shí)序變化折線(xiàn)圖Fig.3 The time series change line chart of soil index of vegetation coverage area in 2006 and 2007 in mining area and non mining area

圖4 2006年和2007年采區(qū)和非采區(qū)地表裸土區(qū)土壤指數(shù)時(shí)序變化折線(xiàn)圖Fig.4 The time series change line chart of soil index of bare soil area in 2006 and 2007 in mining area and non mining area

3.3 大柳塔礦區(qū)植被覆蓋和土壤指數(shù)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

大柳塔礦區(qū)植被覆蓋和土壤指數(shù)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖如圖5、圖6所示，變化趨勢(shì)分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

圖5 大柳塔礦區(qū)植被覆蓋發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖Fig.5 Prediction map of development trend of vegetation coverage in the Daliuta mining region

圖6 大柳塔礦區(qū)土壤指數(shù)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖Fig.6 Prediction map of development trend of soil index in the Daliuta mining region

NDVI值一元線(xiàn)性回歸趨勢(shì)斜率土壤指數(shù)分類(lèi)值一元線(xiàn)性回歸趨勢(shì)斜率變化程度≤-0.02≤-0.8嚴(yán)重退化-0.02～-0.008-0.8～-0.5輕微退化-0.008～0.008-0.5～0.5基本不變0.008～0.040.5～0.8輕微改善0.04≤0.8≤明顯改善

1)大柳塔礦區(qū)植被覆蓋發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

通過(guò)從1994年至2014年遙感影像中計(jì)算歸一化植被指數(shù)，然后針對(duì)每個(gè)像元的NDVI進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸計(jì)算，得到了每個(gè)像元的NDVI變化趨勢(shì)圖，全部退化區(qū)域約為4.0%，把結(jié)果圖導(dǎo)入到Google Earth中?？梢钥吹?，圖5中大部分區(qū)域呈現(xiàn)改善狀態(tài)，說(shuō)明在以后的幾年內(nèi)，該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境會(huì)持續(xù)向好的方向發(fā)展，通過(guò)重標(biāo)極差法[13]對(duì)該區(qū)域的預(yù)測(cè)情況進(jìn)行檢驗(yàn)，Hurst指數(shù)為0.940，相關(guān)系數(shù)為0.995 9，兩個(gè)結(jié)果一致。

2)大柳塔礦區(qū)土壤指數(shù)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

通過(guò)從1994年至2014年遙感影像中計(jì)算土壤指數(shù)并對(duì)其進(jìn)行劃分，然后對(duì)時(shí)序圖像中對(duì)應(yīng)的像元進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸計(jì)算，得到每個(gè)像元的土壤指數(shù)變化趨勢(shì)圖(圖6)。在采區(qū)59.6%的區(qū)域的土壤指數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在未來(lái)幾年，土壤將持續(xù)退化。在礦區(qū)西部地區(qū)，由于地面建筑物和采礦地面活動(dòng)的增加導(dǎo)致土壤退化明顯；在北部地區(qū)由于原來(lái)的土壤類(lèi)型為裸露的沙土地，土壤受侵蝕程度變化不大；在河谷地區(qū)由于植被覆蓋相對(duì)較為穩(wěn)定，土壤指數(shù)基本不變；在東北部的山地區(qū)域土壤退化較為嚴(yán)重，在今后的治理過(guò)程中應(yīng)加大對(duì)這些地區(qū)的土壤治理；在東南部山地區(qū)域由于人為活動(dòng)較小，土壤在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)有所改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以大柳塔礦區(qū)作為研究對(duì)象，從1994年至2014年中選擇11幅Landsat影像數(shù)據(jù)，反演植被覆蓋度和土壤指數(shù)，結(jié)合礦區(qū)工作面開(kāi)采情況，分析了地面植被和土壤的變化情況，分析表明礦井工作面采掘活動(dòng)對(duì)地表植被和土壤產(chǎn)生了影響，破壞了環(huán)境的穩(wěn)定性，使得土壤更易受到侵蝕，植被抗干擾能力下降。隨著礦區(qū)復(fù)墾程度的不斷增加，大柳塔礦區(qū)在未來(lái)幾年內(nèi)的植被覆蓋度將繼續(xù)增加，但是在受采區(qū)影響的地面區(qū)域和東部山地區(qū)域要特別注意保持水土，加大土地復(fù)墾力度，降低土壤受侵蝕的可能。

[1] Fan Y，Lu Z，Chen J，et al.Major ecological and environmental problems and the ecological reconstruction technologies of the coal mining areas in China[J].Acta Ecologica Sinica，2002，23(10)：2144-2152.

[2] 宋世杰.煤炭開(kāi)采對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損害分析與防治對(duì)策[J].煤炭加工與綜合利用，2007(4)：44-48.

[3] 胡玉玲，王萍，張麗萍，等.遙感技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)，2011(7)：584-586.

[4] 呂程.礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)中的遙感技術(shù)應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù)，2012，31(12)：105-107.

[5] 吳立新，馬保東，劉善軍.基于SPOT衛(wèi)星NDVI數(shù)據(jù)的神東礦區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(9)：1217-1222.

[6] 汪煒，汪云甲，張業(yè)，等.基于GIS和RS的礦區(qū)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)研究[J].煤炭工程，2011(11)：120-122.

[7] 吳寧.西北礦區(qū)的土地復(fù)墾模式及其對(duì)區(qū)域空間結(jié)構(gòu)的影響[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2009.

[8] 雷少剛.荒漠礦區(qū)關(guān)鍵環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)與采動(dòng)影響規(guī)律研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[9] 劉英.神東礦區(qū)地表植被與土壤濕度遙感監(jiān)測(cè)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2013.

[10] 汪明霞，王衛(wèi)東.植被覆蓋度的提取方法研究綜述[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(2)：23-26.

[11] 楊存建，劉紀(jì)遠(yuǎn)，張?jiān)鱿?，?GIS支持下不同坡度的土壤侵蝕特征分析[J].水土保持學(xué)報(bào)，2002(6)：46-49.

[12] Stow D，Daeschner S，Hope A，et al.Variability of the seasonally integrated normalized difference vegetation index across the north slope of Alaska in the 1990s[J].International Journal of Remote Sensing，2003，24(5)：1111-1117.

[13] 賀映娜，白紅英，高翔，等.基于NDVI的米倉(cāng)山植被覆蓋變化趨勢(shì)分析[J].西北植物學(xué)報(bào)，2011(8)：1677-1682.

Change Monitoring of Vegetation and Soil Based on Multi-Temporal Remote Sensing Data in Mining Area

LIU Yi-xuan1，2，LIU Yu3，DU Zhen-ying1，CAO Jiu-li1

(1.XuzhouBranch，JiangsuProvinceHydrologyandWaterResourcesInvestigationBureau，XuzhouJiangsu221006，China； 2.SchoolofResourcesandGeosciences，ChinaUniversityofMiningandTechnology，XuzhouJiangsu221008，China； 3.QingdaoGeotechnicalInvestigationandSurveyingResearchInstitute，QingdaoShandong266032，China)

Based on multi-temporal Landsat data，the paper took the Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)and the Soil Index as the research elements.Taking Daliuta mining region in Yulin City，Shanxi Province as the example，the paper extracted a series of experimental data to analysis the changes，which situated at the mining area and outside it.Then，the changing trend of vegetation and soil in this region was predicted using a single variable timing analysis method.Results show that the resistance and the resume capability of the vegetable and soil in the mining area surface were affected compared with the surface out of the mining area.Although the vegetation coverage increased，the soil index decreased seriously.In the next few years，the vegetation coverage in Daliuta mining region continues to increase，while the soil is vulnerable to be eroded.So，special attention needs to be paid to protect the soil from being eroded in the mining disturbance area to reduce the extent of soil degradation.

NDVI；the soil index；multi-temporal data；influence of mining working face

2016-09-20

測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201412016)

X 87

：B

：1007-9394(2016)04-0026-04

劉沂軒(1975～)，男，陜西咸陽(yáng)人，博士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事工程測(cè)量、遙感、水文地質(zhì)勘察等方面的工作與研究。