基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析.pdf
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1、Series No.567September 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第567 期2023 年第 9 期收稿日期 2022-03-10基金项目 地理信息工程国家重点实验室、自然资源部测绘科学与地球空间信息技术重点实验室联合基金项目(编号:2021-03-04)作者简介 滕永佳(1998),男,硕士研究生。通信作者 郭 伟(1984),男,讲师,博士,硕士研究生导师。基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析滕永佳1 阎跃观1 郭 伟1 李 凯1 赵传武2(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2.北京师范大学遥感科学与工程研究院,北京
2、 100875)摘 要 随着东部煤炭资源枯竭与开采重心战略西移,东部矿业城市的绿色转型发展对生态环境质量评价提出了新要求。当前相关研究多集中于西部集约化高强度采区,相关方法和经验对东部矿业城市的适用性研究较少。其次,目前基于统计结果的矿区生态环境研究尚无法提供空间异质性的定量分析。再者,在较小开采强度下,煤矿开采本身对环境的影响存在争议,而煤炭储存、运输的生态效应并没有得到较多关注。本研究利用 20132020 年 Landsat遥感影像,以工矿城市峰峰矿区为研究区,构建遥感生态指数模型(Remote Sensing Ecology Index,RSEI),耦合景观生态指数,对研究区生态环境质
3、量的时空变化和空间异质性进行了定量分析,研究了当地煤炭采储运过程的生态效应,并分析了驱动因素。结果表明:20132020 年峰峰矿区生境质量呈现小幅度波动变化,但结构配置明显优化;景观指数分析表明,RSEI 各等级空间异质性加强,非均衡分布现象更为明显;煤炭采储运过程对生态环境及其稳定性具有一定的扰动作用,煤炭开采的环境效应不强,储存与运输过程的生态影响呈现梯度特征;峰峰矿区 RSEI 与高程、坡度、植被覆盖有较稳定的正相关关系,与灯光指数有较稳定的负相关关系。研究成果可为我国东部矿业城市生态环境分析和协调可持续发展提供科学参考。关键词 遥感 矿业城市 生态环境 景观生态指数 中图分类号P23
4、7 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-09-213-10DOI 10.19614/ki.jsks.202309029Analysis of Spatiao-temporal Variation of Ecological Environment in Mining City Based on Remote Sensing Ecology IndexTENG Yongjia1 YAN Yueguan1 GUO Wei1 LI Kai1 ZHAO Chuanwu2(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China U
5、niversity of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;2.Institute of Remote Sensing Science and Engineering,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)Abstract With the depletion of coal resources in the east and the strategic shift of the mining center to the west,the green transforma
6、tion and development of mining cities in the east has put forward new requirements for the evaluation of ecolog-ical environment quality.At present,most relevant researches focus on the intensive and high-intensity mining areas in the west,and there are few studies on the applicability of relevant m
7、ethods and experiences to the eastern mining cities.Secondly,the current research on the ecological environment of mining areas based on statistical results cannot provide quantitative analy-sis of spatial heterogeneity.Furthermore,under the relatively small mining intensity,the impact of coal minin
8、g itself on the en-vironment is controversial,while the ecological effects of coal storage and transportation have not received much attention.The Landsat remote sensing images from 2013 to 2020 were used,the Fengfeng mining area of the industrial and mining city was taken as the study area,and the
9、RSEI(Remote Sensing Ecology Index),coupled with the landscape ecological index,were constructed to the study area.Heterogeneity was quantitatively analyzed,the ecological effects of the local coal mining-storage-transportation process were studied,and the driving factors were analyzed.The results sh
10、owed that:from 2013 to 2020,the habitat quality of the Fengfeng mining area showed a small fluctuation,but the structure configuration was obviously optimized;The landscape index analysis showed that the spatial heterogeneity of each grade of RSEI was strengthened,and the non-equi-librium distributi
11、on phenomenon was more obvious;The process of coal mining-storage-transportation had a certain disturbing effect on the ecological environment and its stability,the effect of coal mining was not strong,and the ecological impact of stor-age and transportation present a gradient effect;RSEI had a rela
12、tively stable positive correlation with elevation,slope,and vege-tation cover,and a relatively stable negative correlation with light index.The study results can provide scientific reference for 312the coordinated sustainable development of mining cities.Keywords remote sensing,mining city,ecologica
13、l environment,landscape ecological index 过去几十年我国经济高速发展,其环境负面效应也愈发凸显1。我国是矿业大国,煤炭将在未来相当长时期内保持其能源结构基石的作用,但煤炭开采会直接或间接引起地表变形、地下水位变化、植被退化、温度异常、区域生态恶化等一系列影响2。当前,我国生态承载能力接近上限,随着人民群众对于美好生态环境需求的不断提高,煤炭工业的绿色发展引起了广泛关注3。近年来,诸多学者对矿区土壤理化性质4、地表热环境5、植被覆盖6、土地利用7等关键生态要素进行了深入研究。总体上,此类研究多集中于西部干旱半干旱条件下的高强度采区,研究对象多为单一环境因子
14、,研究方法以样地调查为主。而东部矿业城市资源禀赋情况与西部大型矿区差异较大。矿业城市是原始生态景观受城市建设、矿产开采等活动综合影响而形成的一种特殊的城市生态系统,既区别于西部矿区,又区别于一般城市8。随着东部矿产资源日渐枯竭,矿业城市的绿色转型已经成为当前的关键任务。因此,应寻求一种全面、低成本且能快速反映地区生态环境状态及时空变化的方法和范式,为矿业城市的生态环境评价提供参考。近年来,随着计算机、传感器、影像处理算法、云平台等技术的不断发展,为生态环境评价提供了软硬件支撑。遥感技术以其多尺度、长时序、多分辨率、全球覆盖、包含多光谱信息和数据易获取等优势,已成为环境监测与评价(林业工程9,水
15、体识别10,气溶胶反演11)的关键技术,在矿区也获得了一定的应用。成少平等12利用随机森林算法进行遥感影像分类,进行了迁安市矿区信息的提取与演变研究;刘英等13基于 Landsat 影像构建尺度化土壤湿度监测指数,研究了神东矿区土壤湿度的时空变化及影响因素。该类研究虽然取得了一定的成效,但仅注重单个环境因子的时空变化。针对该问题,徐涵秋提出了基于 4 种人类最易感知的环境变量 绿度、湿度、热度、干度分量,经主成分分析(Principal Component A-nalysis,PCA)构建了综合遥感生态指数(Remote Sensing Ecology Index,RSEI),该指数所包含的信
16、息完全来自遥感影像,可保证结果的客观性,目前已在海岛型城市14、城市群15取得较好应用。李晶等16基于 RSEI 构建了改进的像素级生态服务价值计算模型,评价了兖州矿区 30 a 间的生态累积效应;刘虎等17利用 RSEI 监测南四湖地区生态环境时空变化特征,发现湖区生态环境因受到地下采煤活动的扰动而变差。上述研究成效显著,但目前基于遥感影像构建综合生态评价指数时,仍存在的问题有:大多数研究的数据源选择了等间隔年份的单景影像,单景影像获得的地面信息易受降水、气温变化影响,其生态状况稳定性较差;分析方法限于统计分析,未对研究区生态环境的空间异质性进行定量研究;较低采掘强度下煤炭开采的生态环境效应
17、存在争议,而对煤炭储存、运输过程的生态效应关注较少。本研究以 20132020 年 Landsat 遥感影像为主要数 据 源,耦 合 RSEI 模 型 与 景 观 生 态 指 数 模型18-19,实现生态环境时空变化和空间异质性的定量分析;结合实例,研究煤矿开采对当地生态环境影响;建立缓冲区,分析煤炭采储运空间格局的生态影响特征,并从自然和社会角度进行驱动力分析。研究成果可以为资源型城市经济与生态环境协调可持续发展提供理论依据。1 研究区概况峰峰矿区位于河北省南部,山西、河南、河北三省交界处,如图 1 所示。矿区地势中部高、两侧低,西与太行山脉相接,东侧向华北平原过渡;气候上属于暖温带半湿润大
18、陆性季风气候;境内已探明煤、石灰石、瓷土等多种矿产资源。峰峰矿区作为典型的资源型矿业城市,研究该区的生态环境质量时空格局,对于同类型城市转型发展具有较好的参考意义。2 数据源与研究方法研究流程如图 2 所示。基于遥感生态指数 RSEI与景观指数模型,通过缓冲区分析、实例分析及多因素相关性分析,研究峰峰矿区生态环境时空变化和煤炭采储运空间格局的生态影响,并分析生态环境变化的驱动机制。2.1 数据源与预处理在美国地质勘探局网站(https:www.usgs.gov/landsat-missions/landsat-collection-1)获取了 Landsat8 地表反射率产品(Landsat
19、8 Surface Reflectance Tier 1),该产品已经过辐射定标和大气校正20;在美国国家海洋和大气管理局网站(https:ngdc.noaa.gov/eog/viirs)获取了 VIIRS 夜光遥感影像;从 LP DAAC实验室发布的 NASA DEM 数据集(https:search.asf.alaska.edu)中提取 12.5 m 分辨率数字高程模型;参考相关研究21及卫星影像,得到研究区部分矸石山位置。412总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9 期图 1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area图 2 研究流程Fig.
20、2 Study process 对经过去云、裁剪后的 Landsat8 影像进行年度均值合成,得到 20132020 年地表反射率时序数据。将裁剪后的 Landsat、VIIRS 影像、DEM、矢量数据投影到 CGCS2000 坐标系中。512 滕永佳等:基于遥感生态指数的矿业城市生态环境时空变异分析 2023 年第 9 期2.2 遥感生态指数 RSEI遥感生态指数是根据人类感知最明显的绿度、湿度、温度和干度 4 种环境指标经主成分分析法加权计算所得14。RSEI 的表达式为RSEI=f(G,W,H,D),(1)式中,G 为绿度分量,使用 NDVI 表达;W 为湿度分量,选取遥感影像缨帽变换后
21、的湿度分量22;H 为热度分量,选取地表温度(Land Surface Temperature,LST)23进行表征;D 为干度分量,选取建筑裸土指数(Normalized Difference Build-up and Soil Index,NDB-SI)14进行表达。对各分量进行 PCA 分析,并对第一主成分进行归一化处理,即得到 RSEI,其值越接近 1,表明生态环境越好;反之,表明生态环境越差15。为便于统计分析生态环境的空间分布和时序变化,使用自然断点法将 RSEI 分为(0.81.0)、(0.60.8)、(0.40.6)、(0.20.4)、(00.2)5 个等级。2.3 生态环境空
22、间异质性定量分析景观指数包含了高度精练的景观格局信息,是分析研究对象组成与配置、分布与变化的有效手段,已在土地利用变化研究中得到广泛应用24-28。为定量研究生态环境的空间异质性,耦合 RSEI 与景观指数模型,基于 Fragstats 软件,在景观水平上选取 8 个指标(表 1),探究生态环境斑块破碎度、各等级聚集性及其变化特征。表 1 景观指数选取及说明Table 1 Selection and description of landscape index表征对象景观指数取值范围说明景观斑块特征斑块个数 NP/个NP1景观的斑块总数,与破碎度有较高的正相关性斑块密度 PD/(个/km2)P
23、D0斑块个数与景观总面积之比景观异质性蔓延度 CONTAG/%0CONTAG100景观中不同斑块类型的团聚程度和延展趋势散布与并列指数 IJI/%0IJI100表征各个斑块类型间的总体散布与并列状况景观空间关系香农多样性指数 SHDISHDI0基于信息论,对斑块类型的非均衡分布较敏感聚集性指数 AI/%0AI100描述地类斑块间的聚集性特征分离度指数 SPLIT/%0SPLIT100描述斑块的分离程度景观分割指数 DIVISION/%0DIVISION100不同斑块之间的分散情况 注:NPNumber of Patches;PDPatch Density;CONTAGContagion Ind
24、ex;IJIInterspersion and Juxtaposition Index;SHDIShannons Diversity Index;AIAggregation Index;SPLITSplitting Index;DIVISIONLandscape Division Index。2.4 煤炭采储运空间格局的生态影响分析煤炭生产涉及开采、储存和运输过程,在矿区城市内部,3 个环节共同组成了煤炭采储运的空间格局,共同影响邻域的生态环境。缓冲区分析即在点、线等实体周边不同宽度范围内建立与目标图层的叠加关系,已成为研究人类活动生态效应的重要方法。本研究基于 ArcGIS 平台,以矸石山和
25、铁路要素为中心,划分多环缓冲区,统计各缓冲区的 RSEI 均值,探究煤炭采储运过程的生态环境效应及其时间变化特性。2.5 相关性分析为了解研究区生态环境的影响因素,有必要进行驱动力分析。当地生态环境除了受气候条件、煤炭开采、存储和运输的影响外,还与地形、植被覆盖、土壤湿度等自然因素和经济建设等社会因素有一定关联。相关性是评价不同要素间关联度的重要指标,是判断不同因子间耦合协同关系的主要方法之一。相关性分析已在探讨环境变化的驱动因素中得到应用13,计算方法公式为C A,B()=EA-A()-B-B()AB,(2)式中,C(A,B)为指标 A、B 间的相关系数,其绝对值越接近 1,说明两者之间的相
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