基于像元二分法的大寧礦區(qū)植被覆蓋度研究

鐘 琪 胡 晉 山 康 建 榮

（江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

隨著煤炭大量開采，大面積的土地被破壞，地表植被發(fā)生退化，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，嚴(yán)重影響了礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。礦區(qū)特別是處于山區(qū)的礦區(qū)，地表植被易受到采礦活動(dòng)影響。礦區(qū)地表植被一旦遭到破壞，植被覆蓋面積比例過低會(huì)造成土壤侵蝕等現(xiàn)象，進(jìn)而破壞土壤結(jié)構(gòu)，易導(dǎo)致地表塌陷、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。植被覆蓋度是衡量生態(tài)覆蓋水平的有效指標(biāo)之一［1-2］，能較好地顯示出礦區(qū)植被覆蓋情況，利用該指標(biāo)反演礦區(qū)生態(tài)覆蓋時(shí)空變化，可以為礦區(qū)地表土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

植被覆蓋度通常是指某一地域植物垂直投影面積與該地域面積之比，是反映一個(gè)地區(qū)植被面積占有情況或植被資源豐富程度及實(shí)現(xiàn)綠化程度的指標(biāo)，研究植被覆蓋度最終是為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐［3］。傳統(tǒng)估算植被覆蓋度的方法主要有點(diǎn)測(cè)法、目估法等，對(duì)于面積小的區(qū)域來(lái)說比較可行。但隨著觀測(cè)區(qū)域面積增大，加之植被覆蓋面積隨時(shí)間變化較大，傳統(tǒng)測(cè)量方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且獲取的數(shù)據(jù)也不完全［4-5］。隨著多時(shí)相、高分辨率遙感技術(shù)的發(fā)展，為地表植被覆蓋時(shí)空分析提供了豐富的數(shù)據(jù)源，開始出現(xiàn)基于遙感技術(shù)的地表植被覆蓋估算方法，如物理模型法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ā⒒旌舷裨纸夥ǖ?。物理模型法涉及的參?shù)較多，計(jì)算復(fù)雜，應(yīng)用較少［6］。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄖ贿m用于特定的區(qū)域和植被，有很大的局限性，并且對(duì)圖像分辨率要求很高［7］?；旌舷裨纸夥ㄕJ(rèn)為像元由多個(gè)部分組成，利用不同部分的信息建立模型，從而獲得植被信息。該方法方便快捷，大大減少了人力物力的消耗［8-10］。在混合像元分解法中，像元二分法是估算植被覆蓋度的常用方法。WEI等［11］利用像元二分法對(duì)我國(guó)西北地區(qū)新疆、甘肅、陜西、內(nèi)蒙古、青海、寧夏等?。ㄗ灾螀^(qū)）的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析，得出的西北地區(qū)2000—2010年的植被變化情況與實(shí)際情況基本吻合。LI等［12］利用像元二分法計(jì)算了內(nèi)蒙古自治區(qū)中部地區(qū)草地2000—2013年的植被覆蓋度，并使用了等權(quán)比值植被指數(shù)（RVI）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）度量，使偏差最小化，進(jìn)而對(duì)內(nèi)蒙古草地變化情況進(jìn)行了分析。張曉東等［13］基于像元二分法計(jì)算了寧夏鹽池縣的植被覆蓋度，分析了植被與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系，認(rèn)為植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。

目前，運(yùn)用像元二分法來(lái)分析植被生長(zhǎng)狀況及覆蓋情況的研究思路逐漸成熟?，F(xiàn)階段主要用于擁有大面積植被的區(qū)域，來(lái)觀察其生態(tài)環(huán)境變化狀況，如自然景區(qū)；或?qū)κ∈袇^(qū)域進(jìn)行植被覆蓋度研究，用于分析城市環(huán)境治理是否向好。但將像元二分法運(yùn)用于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境這一方向的研究涉及較少。像元二分法精度高、效率高、操作簡(jiǎn)單，方法也相對(duì)成熟，對(duì)于礦區(qū)所處的地勢(shì)較為惡劣的山區(qū)環(huán)境，也能比較準(zhǔn)確地計(jì)算出植被覆蓋度結(jié)果；植被覆蓋度能夠直觀地表現(xiàn)出研究區(qū)域植被數(shù)量分布情況，以便分析出礦區(qū)開采活動(dòng)對(duì)研究區(qū)域中的哪些部分產(chǎn)生影響及影響程度。

本研究以山西省大寧礦區(qū)為例，利用像元二分法對(duì)礦區(qū)1998—2017年植被覆蓋度進(jìn)行估算，結(jié)合2005—2011年間礦區(qū)P101～P105工作面區(qū)域植被覆蓋度情況并與礦區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)礦區(qū)工作面開采時(shí)間，分析礦區(qū)開采活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的影響，揭示研究區(qū)內(nèi)近19 a來(lái)植被覆蓋度的整體變化特征及原因，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

大寧礦區(qū)位于山西省晉城市陽(yáng)城縣北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°10′30″～112°15′36″，北緯35°19′14″～35°21′09″（圖 1）。井田位于太行山南端與中條山東北緣結(jié)合部，區(qū)內(nèi)地形以低山—丘陵為主，地勢(shì)西高東低，最高點(diǎn)位于西部。井田內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，含煤地層總厚度一般為124.18 m，含煤10～16層，被批準(zhǔn)開采3號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模4.0 Mt/a，井田南北寬4～6 km，東西長(zhǎng)5～12 km，井田面積38.822 5 km2。礦區(qū)屬東亞季風(fēng)區(qū)半干旱大陸性氣候，四季分明，夏季多雨，春秋季多風(fēng)少雨，冬季寒冷。據(jù)陽(yáng)城縣氣象資料，該區(qū)年平均氣溫11.7℃，年平均降水量為599.2 mm。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本研究選用的Landsat影像時(shí)間跨度為1998—2017年，空間分辨率為30 m。選擇1998-09-06、2001-07-12、2005-07-07、2007-08-14和2011-08-09的Landsat-5 TM影像數(shù)據(jù)以及2013-08-30、2017-07-08的Landsat-8 OLI影像數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算礦區(qū)整體植被覆蓋度。同時(shí)選擇2005-07-07、2006-06-04、2007-08-14、2008-09-01、2009-07-02以 及2010-06-19、2011-08-09的Landsat-5 TM影像計(jì)算礦區(qū)工作面開采期間研究區(qū)域的植被覆蓋度。非遙感數(shù)據(jù)主要采用中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站的山西省土壤數(shù)據(jù)、資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)的植被類型數(shù)據(jù)以及大寧礦區(qū)相關(guān)資料。

在數(shù)據(jù)獲取與傳輸過程中，系統(tǒng)可能會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生輻射失真現(xiàn)象；同時(shí)在數(shù)據(jù)獲取時(shí)，可能會(huì)受到大氣和光照等因素的影響，使系統(tǒng)獲得的地物反射信息產(chǎn)生誤差。因此本研究采用ENVI5.3軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正預(yù)處理來(lái)減小這部分誤差，提高計(jì)算精度與后續(xù)計(jì)算的準(zhǔn)確度。

2 研究方法

2.1 像元二分法

像元二分法是混合像元分解法中線性分解的一種，該方法將像元假設(shè)為植被與土壤兩種地物信息，從而計(jì)算植被信息在像元中所占比例［14-17］，公式為

其中，S為單個(gè)像元；Sveg為植被信息；Ssoil為土壤信息；FVC為植被覆蓋度。

由于NDVI在表示植被狀態(tài)方面有良好的效果，因此，本研究將NDVI設(shè)為單個(gè)像元信息，將NDVIsoil設(shè)為像元累計(jì)約等于2%的像元NDVI值，即土壤信息量，將NDVIveg設(shè)為像元累計(jì)98%的像元NDVI值，即植被信息量，式（1）可表示為

2.2 Sen+Mann-Kendall趨勢(shì)分析法

為更好地表示礦區(qū)植被覆蓋整體變化特征，本研究采用 Sen+Mann-Kendall趨勢(shì)分析法［18-19］計(jì)算研究區(qū)整體植被覆蓋度變化趨勢(shì)。Sen趨勢(shì)計(jì)算公式為

其中，i和j為時(shí)間序列索引；NDVIi和NDVIj分別為時(shí)間序列的NDVI值；H為斜率，當(dāng)斜率大于0時(shí)為趨勢(shì)上升，反之，則趨勢(shì)下降。

Mann-Kendall趨勢(shì)計(jì)算公式為

式中，sgn(?)為符號(hào)函數(shù)；L為測(cè)試統(tǒng)計(jì)量；n為時(shí)間序列長(zhǎng)度，本研究n=19。當(dāng)n≥10時(shí)，使用檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z作為趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)，置信水平為α= 0.05，即，Z1-α/2=Z0.975=1.96。計(jì)算公式為

式中，VAR(?)為函數(shù)運(yùn)算符號(hào)。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于像元二分法的植被覆蓋度結(jié)果

本研究首先利用ENVI 5.3軟件中Band Math方式計(jì)算出研究區(qū)各年份的NDVI值和FVC值。在計(jì)算過程中，由于像元二分法是將像元假設(shè)為植被與土壤，所以當(dāng)遇到水體時(shí)，將被作為無(wú)法識(shí)別區(qū)域，在最終成圖上成為黑色；然后將FVC結(jié)果按照無(wú)植被覆蓋（0～30%），低植被覆蓋度（30%～50%），中植被覆蓋度（50%～75%），高植被覆蓋度（75%～100%）［20］進(jìn)行分類；最后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果應(yīng)用ArcGIS 10.6軟件導(dǎo)出，得到植被覆蓋度空間分布圖（圖2），并統(tǒng)計(jì)出各植被覆蓋度占研究區(qū)面積的百分比（表1）。

由圖2和表1可知：

（1）1998年，礦區(qū)內(nèi)以無(wú)植被覆蓋與中植被覆蓋度區(qū)域?yàn)橹?，二者主要分散分布于除西北部以外的其他區(qū)域，高植被覆蓋度區(qū)域在西北部區(qū)域有小部分分布，整體植被覆蓋區(qū)域占比為74.88%。

（2）2001—2005年，礦區(qū)內(nèi)的無(wú)植被覆蓋與中植被覆蓋度區(qū)域明顯減少，占比從23.27%減少到19.68%，無(wú)植被覆蓋區(qū)域多分布于研究區(qū)南部邊緣地帶，高植被覆蓋度區(qū)域逐漸增加，占比由17.78%增長(zhǎng)到28.26%，在研究區(qū)內(nèi)較為分散分布。

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（3）2007—2011年，礦區(qū)內(nèi)的高植被覆蓋度區(qū)域有所減少并逐漸向礦區(qū)西北部區(qū)域集中，高植被覆蓋度區(qū)域占比由29.68%下降為22.66%。此時(shí)，礦區(qū)東部的高植被覆蓋度區(qū)域有所減少，無(wú)植被覆蓋與低植被覆蓋度區(qū)域增加。

（4）2013—2017年，礦區(qū)內(nèi)高植被覆蓋度區(qū)域在西部山頂?shù)綎|南部的連接區(qū)域逐漸增加，其余區(qū)域以中植被覆蓋度區(qū)域?yàn)橹?，礦區(qū)內(nèi)仍存在部分無(wú)植被覆蓋區(qū)域。

（5）1998—2017年，研究區(qū)整體植被覆蓋面積增加了4.724 1 km2，整體植被覆蓋區(qū)域占比從1998年74.88%增加到2017年的87.52%，漲幅為12.64%；中、高植被覆蓋度區(qū)域面積分別增加1.903 5 km2和5.893 2 km2，低植被覆蓋度區(qū)域面積減少了2.889 9 km2。

3.2 基于Sen+Mann-Kendall法的植被覆蓋度變化趨勢(shì)分析

本研究利用Sen+Mann-Kendall趨勢(shì)分析法計(jì)算研究區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)，并將結(jié)果按標(biāo)準(zhǔn)劃分為顯著下降、下降、平緩波動(dòng)以及增長(zhǎng)和顯著增長(zhǎng)5種變化程度，如表2所示。

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由表2可知：1998—2017年，研究區(qū)植被覆蓋平緩波動(dòng)區(qū)域占比為61.83%，增長(zhǎng)區(qū)域占比為29.67%，下降區(qū)域占比為7.06%，顯著增長(zhǎng)區(qū)域占比為1.39%，顯著下降區(qū)域占比為0.06%。整體變化趨勢(shì)為平緩波動(dòng)，極少部分區(qū)域呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

綜合3.1節(jié)和3.2節(jié)分析可知：1998—2017年，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋面積增加，無(wú)植被覆蓋度區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)為中植被覆蓋度區(qū)域和高植被覆蓋度區(qū)域，整體上呈平穩(wěn)向好的發(fā)展趨勢(shì)。這主要得益于相關(guān)環(huán)境保護(hù)政策的出臺(tái)以及相關(guān)措施的落實(shí)。例如：2002年1月，國(guó)務(wù)院西部開發(fā)辦公室確定全面啟動(dòng)退耕還林工程；2005年9月國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布了《礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與污染防治技術(shù)政策》［21］，制定了礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)措施并確定了階段性目標(biāo)；2010年11月，山西省人民政府辦公廳發(fā)布了《山西省林業(yè)生態(tài)建設(shè)總體規(guī)劃綱要（2011—2020年）》［22］，其中包括礦區(qū)植被恢復(fù)規(guī)劃與方法。在退耕還林工程和政府政策出臺(tái)的影響下，礦區(qū)加強(qiáng)了對(duì)生態(tài)環(huán)境的治理與維護(hù)。截至2017年，研究區(qū)無(wú)植被覆蓋與低植被覆蓋度區(qū)域整體占比為30.79%，西南部分與東南部分還存在著較大的無(wú)植被覆蓋區(qū)域，這些區(qū)域還需要加強(qiáng)環(huán)境治理和維護(hù)。另外，大寧礦區(qū)地勢(shì)西高東低，在開采時(shí)首先選擇了東部地區(qū)，導(dǎo)致東部地區(qū)的植被覆蓋度有明顯退化趨勢(shì)。由此表明，植被覆蓋度變化與礦區(qū)開采活動(dòng)在空間上具有一定的一致性。

3.3 礦區(qū)工作面開采期間地表植被變化

為了進(jìn)一步研究地表植被覆蓋度對(duì)開采活動(dòng)的響應(yīng)，根據(jù)礦區(qū)東部工作面開采起止時(shí)間，應(yīng)用像元二分法對(duì)礦區(qū)東部2005—2011年間逐年的Landsat影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了地表植被覆蓋度反演，結(jié)果如圖3所示。由圖3計(jì)算的礦區(qū)東部植被覆蓋度變化情況見表3。

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表3中各工作面上方地表植被覆蓋度變化情況是根據(jù)各個(gè)工作面開采起止時(shí)間所在年份的FVC影像相減計(jì)算得出。由該表分析可知：各工作面開采過程中其地表植被覆蓋面積均有不同程度下降，其中P104工作面開采后植被覆蓋面積減少0.043 2 km2，為5個(gè)工作面中減少最多的。

P101、P102、P104、P105工作面在開采后高植被覆蓋度區(qū)域均有所減少，大多退化為低植被覆蓋度區(qū)域和無(wú)植被覆蓋區(qū)域；P103工作面高植被覆蓋度區(qū)域面積雖然沒有減少，但中、低植被覆蓋度區(qū)域面積減少了，說明P103工作面在開采時(shí)破壞了中、低植被覆蓋度區(qū)域，使其退化為無(wú)植被覆蓋度區(qū)域。

結(jié)合3.1節(jié)分析發(fā)現(xiàn)，2005—2011年，研究區(qū)東部的高植被覆蓋度區(qū)域逐漸退化為無(wú)植被覆蓋度區(qū)域和低植被覆蓋度區(qū)域，研究區(qū)整體的高植被覆蓋度區(qū)域占比由原來(lái)的28.26%下降為22.66%。這主要是由于礦區(qū)從2005年開始在研究區(qū)東部開始進(jìn)行地下開采活動(dòng)（工作面位置見圖3（h）），到2011年開采了5個(gè)工作面。因此導(dǎo)致研究區(qū)東部地表植被破壞，植被覆蓋度在2005—2011年間有不同程度的減少。由此可以看出植被覆蓋度變化與礦區(qū)開采活動(dòng)在時(shí)間上具有一定的一致性。

3.4 礦區(qū)地面植被保護(hù)措施

根據(jù)政府發(fā)布的關(guān)于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與恢復(fù)的相關(guān)政策，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際狀況及本研究分析結(jié)果給出以下建議：

（1）根據(jù)大寧礦區(qū)所處區(qū)域的自然環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合樹種的生物學(xué)特性和生態(tài)學(xué)特征，選擇適宜的樹種來(lái)增加研究區(qū)植被覆蓋度。同時(shí)，山腳處輕度和中度塌陷地區(qū)可恢復(fù)其原來(lái)的土地利用類型，嚴(yán)重塌陷地區(qū)應(yīng)視其區(qū)位條件復(fù)墾為林地或草地。

（2）通過采用充填開采、協(xié)調(diào)開采，同時(shí)采取“三下”采煤防護(hù)措施，可以有效防止或減小地表的沉陷與破壞，從而保護(hù)地面植被盡可能少受破壞，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用遙感手段可以快速獲取礦區(qū)的植被覆蓋情況，像元二分法可以有效地反演礦區(qū)植被覆蓋度。研究發(fā)現(xiàn)：1998—2017年，大寧礦區(qū)植被覆蓋面積增加了4.724 1 km2，占比達(dá)到87.52%，整體呈平穩(wěn)向好的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）通過對(duì)礦區(qū)整體與礦區(qū)工作面的地表植被覆蓋度進(jìn)行反演發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)開采活動(dòng)破壞地表植被，降低地表植被覆蓋度；礦區(qū)植被覆蓋度變化與礦區(qū)開采活動(dòng)在時(shí)間上具有一致性，同時(shí)在空間上也具有一致性。

（3）本研究?jī)H考慮了礦區(qū)開采一種影響因素，未考慮其他影響因素。后續(xù)研究中將進(jìn)一步引入其他因素，更全面地分析礦區(qū)地下開采對(duì)地表植被覆蓋度的影響。