基于GIS和RS的自貢市長山鹽礦區生態環境評價

李 喆，吳敏寧，何政偉，夏福瑞

(1．成都理工大學 數字國土與生態科學研究所，四川成都610059;2．成都市國土資源局 國土規劃地籍事務中心，四川成都610074;3．四川省地礦局物探隊，成都610072)

基于GIS和RS的自貢市長山鹽礦區生態環境評價

李 喆1，2，吳敏寧2，何政偉1，夏福瑞3

(1．成都理工大學 數字國土與生態科學研究所，四川成都610059;2．成都市國土資源局 國土規劃地籍事務中心，四川成都610074;3．四川省地礦局物探隊，成都610072)

根據研究區生態環境特點和評價指標選取的原則，選取土壤濕度、土地利用/覆蓋、地形地貌、土壤鹽堿化、土地壓占與破壞指數為影響要素層，以評價指標體系中的各個主要細節為指標層，建立長山礦區生態環境評價指標體系，并運用層次分析法確定各評價指標的權重。通過目視解譯與計算機自動提取相結合的方式提取評價指標信息，并對各個評價指標進行量化分級以及標準化，運用加權綜合評價法建立研究區生態環境綜合評價模型，將長山礦區生態環境質量劃分為優、良、中、差、劣五個等級。

長山鹽礦;RS與GIS技術;礦區生態環境評價

0 前言

礦產資源是影響和制約經濟發展的重要物質基礎，在鹽礦開采過程中，由于開采技術的有限性及長期的不科學開采，許多生態環境問題相繼出現，這對礦區的生態環境產生了深遠的影響［1]。作者在本文針對礦山開采對生態與環境破壞的特點，對長山礦區生態環境影響因素，生態環境質量進行了客觀、符合實際的綜合評價，一方面為生態環境保護和經濟發展提供技術參考，同時也為礦區生態環境恢復治理提供科學依據，促使礦山開采與生態環境、經濟的協調發展。

1 數據的預處理

作者在本次遙感解譯工作中，選用具有較高空間分辨率和光譜分辨率的陸地衛星Landsat7 ETM+數據，成像時間為2001年6月，軌道號為129/040，總占地面積約720 km2。對圖像的預處理包括遙感影像的波段組合，圖像融合，圖像裁剪，最終得到了較為滿意的圖像［2～4]。

2 指標因子的選取及信息提取

2．1 土地利用

通過對不同土地利用類型的人類干擾強度賦值，構建出土地利用分類指數，作為評價研究區生態環境狀況的指標［5]。由于作者在本論文中研究的主要目的是對礦區的生態環境進行評價，側重點在于生態方面的地物類型，因此設定研究區地物類型為對環境影響較為重要的有林地、疏林地、水體、居民地、裸地等，結果如下頁圖1所示。

通過研究區土地利用分類的柱狀圖可以看出，長山礦區以有林地和疏林地為主，有林地和疏林地面積分別達到了30%和45%，其它類型的土地較少。而且由于在礦產資源開采過程中形成的裸地，主要分布于研究區的東部和中部地區，面積僅占研究區總面積的12%左右。

2．2 植被覆蓋度

植被是反映區域生態環境的一個重要因素，而在礦產資源的開發過程中常常會砍伐樹木，對植被的覆蓋有直接影響。作者經過波段運算出NDVI的圖像，其值范圍為－1～0.72，然后在ARCGIS中進行密度分割，將研究區NDVI劃分為四級。這四級對應植被覆蓋度分別為:

(1)－1～0，為水體和云，為無植被覆蓋區域。

(2)0.01～0.3為裸露的巖石或是城市密集的建筑物，為低植被覆蓋區域。

(3)0.31～0.5為中植被覆蓋區域。

(4)0.51～0.72為高植被覆蓋區域，結果如圖2所示。

圖2 研究區植被覆蓋度圖Fig．2 Vegetation coveragemap of the study area

通過計算可知，研究區高植被覆蓋區面積為14 km2，占研究區總面積的2.0%;中度植被覆蓋區面積為324 km2，占研究區總面積的45%;低植被覆蓋區面積為201.6 km2，占研究區總面積的28%;無植被覆蓋區面積為180 km2，占研究區總面積的25%，該區域植被覆蓋度總體較高。

2．3 坡度指數

在礦產開采過程中，坡度影響到水的流動，從而為礦區的地面坍塌，坑道突水創造條件，易形成匯水區。因此，作者選用地形地貌因子中坡度因子來參與生態環境評價，作為生態環境的另一個評價因素［7]。作者在本文中，利用ARCGIS軟件中建立數字高程模型DEM(見圖3)，采用不規則三角網(TIN)模型進行剖分坡度分級圖繪制，提取研究區坡度信息。

結果表明，研究區地形坡度大多在15°～45°之間，15°以下的地區占研究區面積的30%左右，35°以上地區面積占研究區總面積的10%左右。根據研究區的地形起伏狀況，結合其對生態環境的影響將坡度劃分成四級，坡度分級圖見圖3。

圖3 研究區坡度分級圖Fig．3 Slope classification map of the study area

2．4 水體密度指數

作者選用地表水體密度指數，作為研究區生態環境評價的另一重要指標。根據水體的光譜特征將地表水提取出來，將研究區劃分為相同大小的柵格單元，通過計算單元格內水體的面積與單元格面積的比值，構建得到研究區水體密度指數［8]，得到研究區的水體密度指數圖(見圖4及下頁圖5)。

圖4 研究區水體分布圖Fig．4 Water distribution of the study area

圖5 研究區水體密度圖Fig．5 Water densitymap of the study area

2．5 土壤濕度指數

土壤濕度又稱土壤水分含量，是反映一定深度土層的土壤干濕程度，土壤濕度決定植被和農作物的水分供應狀況。作者在結合前人研究的基礎上，采用遙感數據進行波段運算，從而得到反映土壤水分狀況的土壤濕度指數TMW。TMW指數與ETM各波段的系數關系公式表達為:

作者根據研究區土壤特點，利用上述土壤濕度計算公式，并通過閾值分割，得出研究區土壤濕度分級指數圖，如圖6所示。

通過研究區土壤濕度指數圖可以看出，研究區濕度較大的地方主要分布在研究區的西北部，占研究區總面積的50%以上。而研究區東北部及東南部，山地土壤較干燥。

圖6 研究區土壤濕度指數圖Fig．6 Soilmoisture indexmap of the study area

2．6 土壤的鹽堿化指數

作者選用研究區ETM1、2、3、4、5、7波段進行主成份分析產生的第三主成份、ETM3波段，以及K－T變換后的綠度特征作為彩色合成的三個特征變量［9]。在合成后的圖像上，能夠較準確地反應出重度鹽漬化土壤、中度鹽漬化土壤，以及輕度鹽漬化土壤。從而較準確地提取出研究區鹽堿地的分布，得出研究區土地鹽堿化分級指數圖，如圖7所示。

在研究區中，土壤鹽堿化總體狀況較輕，無鹽堿化地區面積約占研究區總面積的81.37%，鹽堿化土地面積有134 km2，約占研究區總面積的18.63%。其中，輕度鹽堿化地區占12.7%;中度鹽堿化占4.4%;重度鹽堿化只占到約1.53%。鹽堿化土壤主要分布于研究區的東部地區。

圖7 研究區土壤鹽堿化分級指數圖Fig．7 Classification indexmap of soil salinization of the study area

2．7 土地壓占與破壞

作者運用MAPGIS軟件，對研究區進行目視解譯，提取研究區土地壓占與破壞分布，并根據研究區的實際面積和研究區土地壓占與破壞的分布情況，得出研究區土地壓占與破壞分級圖(見下頁圖8)。通過統計得知，研究區土地壓占與破壞面積約9.8 km2，占研究區總面積的1.4%。

3 礦區生態環境評價模型及評價

3．1 數據標準化處理

要進行疊加分析，應首先將不同類型的指標數據，根據其對生態環境質量的貢獻程度，進行合理評分，量化本研究的各個評價指標數據。在經標準化處理后，形成一組反映其屬性特征的數值，以柵格形式存在，柵格大小為30*30m，其標準化后的值規定在1～7之間［10]。

圖8 研究區土地壓占與破壞分級指數圖Fig．8 Total land pressure and damage grade indexmap of soil salinization of the study area

3．2 確定評價指標權重

作者結合長山鹽礦區生態環境的特點，以長山礦區生態環境評價為目標層，以土壤濕度、土地利用/覆蓋、地形地貌、土壤鹽堿化、土地壓占與破壞等五個指標作為影響要素層，以生態環境評價指標體系中的七個細節指標作為指標層，建立起長山礦區生態環境綜合評價的三層次指標體系結構，利用層次分析法給出各指標權重值，并通過一致性檢驗確定礦區生態環境評價體系，見表1。

表1 長山礦區生態環境評價指標體系Tab．1 Evaluation index system of ecological environment of Changshan mining

3．3 礦區生態環境評價及分析

利用生態環境評價模型，結合評價系統中各評價指標的最終權重值，利用ARCGIS影像疊加運算，計算出研究區綜合評價指標值介于1.7～6.9之間。按等間距原則劃分等級，將長山礦區的生態環境質量分為優、良、中、差、劣五個等級，生成長山鹽礦區生態環境綜合評價結果圖(見圖9)。

圖9 長山礦區生態環境評價綜合圖Fig．9 Comprehensive Evaluation of the ecologicalenvironmentmap of Changshan mining

由圖9可以看出，長山礦區生態環境質量計算結果值落在1.7～6.9范圍之間，值越小代表生態環境質量越好。長山礦區生態環境質量整體情況較好，環境質量優良和質量中等的地區，約占研究區總面積的85%，主要分布在水分充足，氣候條件良好，地勢低，鹽堿化較輕，以及遠離礦井的地區。生態環境質量差和質量劣的地區，面積占研究區總面積的15%。主要分布在研究區東部以及西南部地區。

3．4 3D效果圖精度初判

本研究在ARCGIS軟件的支持下，生成評價結果3D效果圖(見圖10)，使得評價結果更直觀化，有利于對評價結果的準確性進行評判。結合分類結果圖和相應的3D效果圖，通過初步分析判斷可以看出，研究區生態環境質量優良的地區處于研究區的中部和西部地區。并且這些地區地勢平坦，水分充裕，植被覆蓋較高，土地破壞較輕。而生態環境質量較差的東部和中部地區，地勢較高，氣候干燥，植被覆蓋較低，裸土分布廣泛并且土地破壞面積較大。

圖10 長山礦區生態環境評價3D效果圖Fig．10 3Dmap of evaluation of the ecological environment of Changshan mining

由此可見，本次對長山礦區生態環境評價準確率較高，較真實客觀地反映了研究區生態環境現狀。

4 結論與討論

作者在本文中，以ETM遙感圖像和地形圖作為主要數據源，對長山礦區進行生態環境評價，取得的主要成果有:

(1)選取具有代表性的土壤濕度、土地利用/覆蓋、地形地貌、土壤鹽堿化、土地壓占與破壞等七個評價指標，建立了長山礦區生態環境評價體系，并將研究區的生態環境質量分為五級。

(2)長山礦區生態環境整體情況良好，質量為優、良、中、差、劣的地區面積，分別占長山礦區總面積的6.52%、33.09%、45.33%、9.60%和5.46%。生態環境質量除主要與人類開采鹽礦有關外，還與地形、氣候、水文條件等密切相關。

(3)將研究區生態環境評價結果生成3D效果圖，使評價結果更直觀化，有利于對評價結果的準確性進行評判。結合分類結果圖和相應的3D效果圖判斷，對長山礦區生態環境評價準確率較高，可較真實客觀地反映研究區生態環境現狀。

作者在研究中采用了遙感和GIS技術以及相應的數學方法，取得了較滿意的評價效果。但在實際應用中，還存在著一些不足之處以及有待改善的問題，主要表現在:

(1)在采用的層次分析法確定評價指標權重時，不可避免會摻雜主觀因素的影響，或多或少會影響結果的精確性，需要更準確客觀的研究方法。

(2)有些評價指標的提取是以目視解譯為主要手段，不能很好地保證解譯精度。因此，解譯方法和精度有待進一步提高。

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2010－08－06改回日期:2010－12－17

李喆(1984－)，男，四川省成都市人，博士，研究方向:3S技術及地理信息工程。