基于空間信息技術(shù)的礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

簡煊祥，楊永均

（1.福州市勘測院，福建 福州350003；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221116）

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，礦區(qū)生態(tài)保護問題相應(yīng)而生，脆弱的礦區(qū)生態(tài)近年引起了廣泛的擔憂和關(guān)注［1］，礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測是土地復(fù)墾與生態(tài)重建的重要組成部分。但由于礦區(qū)生態(tài)擾動的特殊性，礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測的信息源多、量大，監(jiān)測時間長，覆蓋范圍廣，評價指標多，計算模型復(fù)雜；再者，傳統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測由于受到客觀條件的限制，地面采樣獲取實測數(shù)據(jù)的密度一般較小，時間間隔往往很長，采集的數(shù)據(jù)通常為點位數(shù)據(jù)，缺乏時空上的連續(xù)性和一致性，所監(jiān)測的信息難以體現(xiàn)大范圍生態(tài)環(huán)境的總體分布狀況［2］。顯然，傳統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測與評價方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生態(tài)保護與重建的要求，需要引入新的技術(shù)和方法來動態(tài)監(jiān)測脆弱的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化［3］。

為了解決上述問題和技術(shù)難點，本文將傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、現(xiàn)代空間信息技術(shù)集成起來，實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)實時、動態(tài)、快速監(jiān)測與評價，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算機管理。并選擇山西北關(guān)礦區(qū)作為研究實例來驗證開發(fā)的模型與系統(tǒng)的有效性。

1 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測內(nèi)容與方法

1.1 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測內(nèi)容及其時空尺度

采礦對于礦區(qū)這個獨特的人工、半人工生態(tài)系統(tǒng)的擾動體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)中生物和非生物因子因子的變化，如水土流失、植被破壞；生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化，如土地覆蓋的改變和植被第一性生產(chǎn)力下降；生態(tài)系統(tǒng)的功能受損，如物質(zhì)循環(huán)受到影響，碳源碳匯受到影響；破壞生態(tài)系統(tǒng)景觀，引起景觀破碎［4］。而礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測就是利用生命系統(tǒng)及其相互關(guān)系的變化反應(yīng)做“儀器”來監(jiān)測生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化。綜合目前的研究成果，本文確定礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測內(nèi)容如表1所示。

根據(jù)礦井生命周期理論和礦區(qū)生態(tài)演變特點［5－6］，礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測可以分別在礦井規(guī)劃建設(shè)階段、礦井生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段和礦井衰老報廢三個階段連續(xù)監(jiān)測。另外，礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測空間尺度一般區(qū)分為區(qū)域大尺度和礦井尺度［7］，進行區(qū)域大尺度生態(tài)監(jiān)測評價時，常采用中高分辨率影像和概略地面調(diào)查，進行礦井尺度的生態(tài)監(jiān)測評價時，常采用中低分辨率影像和詳細地面調(diào)查。

1.2 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測方法及模型

礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測需要綜合地面調(diào)查、遙感等多種空間信息技術(shù)采集數(shù)據(jù)，并運用生態(tài)模型或反演算法進行計算，針對不同的生態(tài)監(jiān)測項目，其主要監(jiān)測方法及其模型如表2所示。

表1 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測內(nèi)容

表2 主要生態(tài)監(jiān)測項目的方法及模型

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求分析

礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在功能上需要實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)數(shù)據(jù)的管理，包括自然地理、遙感影像等矢量、柵格、屬性數(shù)據(jù)的錄入、管理；礦區(qū)生態(tài)空間數(shù)據(jù)的處理，包括GIS空間分析等；礦區(qū)生態(tài)信息的遙感提取；能按照設(shè)定的生態(tài)監(jiān)測模型進行礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和評價；實現(xiàn)成果可視化，整飭與輸出。系統(tǒng)在性能上必須具有較好的適應(yīng)性、界面友好易于操作。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由文件、空間數(shù)據(jù)查詢與處理、生態(tài)狀況監(jiān)測與評價、結(jié)果整飭與輸出模塊組成，系統(tǒng)模塊功能如圖1所示。其中生態(tài)狀況監(jiān)測與評價提供的功能包括，包括生態(tài)因子信息提取，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能監(jiān)測，及生態(tài)系統(tǒng)綜合評價。所提供的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與評價產(chǎn)品包括生態(tài)因子動態(tài)監(jiān)測：植被指數(shù)、植被覆蓋度、土壤侵蝕、土地損毀；生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能監(jiān)測：土地覆蓋、景觀格局、NPP、碳匯；生態(tài)系統(tǒng)綜合評：生態(tài)資產(chǎn)測量、荒漠化監(jiān)測、生態(tài)綜合評價等。

本文中礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測以地理柵格單元為基礎(chǔ)。因此，本系統(tǒng)中的生態(tài)狀況監(jiān)測與評價功能基于柵格數(shù)據(jù)運算，其中，以運算較為復(fù)雜的土壤侵蝕監(jiān)測為例，其數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖1 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能

圖2 土壤侵蝕監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)處理流程

3 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)選用目前應(yīng)用成熟的C／S結(jié)構(gòu)，以Microsoft公司的.NET為開發(fā)平臺，開發(fā)工具選擇Visual Studio 2008和C＃語言，并將ESRI公司的ArcEngine組件嵌入到系統(tǒng)中，還集成了IDL語言處理遙感影像。礦區(qū)基礎(chǔ)矢量柵格空間數(shù)據(jù)、遙感影像等數(shù)據(jù)利用Geodatabase數(shù)據(jù)存儲模型存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle中，客戶端通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE操作數(shù)據(jù)。

利用ArcEngine中的TOCControl等控件和IWorkspaceFactory、IInterpolationOp3、IMapAlgebraOp等接口實現(xiàn)多個圖層地圖的顯示和控制、數(shù)據(jù)加載與查詢、空間插值、矢柵轉(zhuǎn)換、柵格運算等功能，同時，為實現(xiàn)生態(tài)因子信息的提取功能，利用IDL語言實現(xiàn)了遙感反演的代碼編寫，從而完成遙感數(shù)據(jù)的讀取和運算。系統(tǒng)還采用第三方控件DevExPress實現(xiàn)靈活的系統(tǒng)框架和美觀的系統(tǒng)界面。

3.2 系統(tǒng)運行實例

本系統(tǒng)選擇了山西北關(guān)礦區(qū)作為運行實例。該礦區(qū)位于山西南部太行山中南段，其地理坐標為35°48′15″～35°49′09″N，113°15′57″～113°18′41″E，屬于典型的大陸性溫帶氣候特征，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽有陰雨，冬季嚴寒少雪；野生動物較少，該區(qū)域嚙齒類動物較多，大型動物稀少；屬暖溫帶夏綠闊葉林帶，喬、灌、草種類繁多，覆蓋率由東南向西北逐漸降低；井田內(nèi)無常年性河流和大的地表水體。根據(jù)礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建要求，確定了2004年／2007年／2010年三個監(jiān)測時間，并確定了地面30m×30m分辨率的空間尺度。數(shù)據(jù)來源于地面調(diào)查和TM遙感監(jiān)測，部分監(jiān)測與評價結(jié)果如圖3所示。

圖3 實例礦區(qū)系統(tǒng)運行結(jié)果示意圖

從圖3中可以看出，礦區(qū)土壤這一非生物生態(tài)因子受到一定程度的侵蝕破壞，主要是微度侵蝕（占91.73%），并不嚴重，通過植被建設(shè)和生態(tài)保護，能夠有效控制水土流失；隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，礦區(qū)建設(shè)用地逐年增加，2010年較2004年增加5.38%，生態(tài)系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)改變；而由于植被覆蓋減少和土地生產(chǎn)力減弱導(dǎo)致植被凈初級生產(chǎn)力減弱，生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。又從生態(tài)資產(chǎn)的測算結(jié)果來看，礦區(qū)單位面積生態(tài)資產(chǎn)最高21.478萬元／km2，單位價值較低，礦區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，礦業(yè)活動和人類過度開發(fā)損害了自然生態(tài)系統(tǒng)的原有功能，這也反映了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。綜合來看，礦區(qū)生態(tài)一定程度上受到了采礦活動的擾動，并在自然條件變化、社會經(jīng)濟發(fā)展等多重影響下發(fā)生變化，有必要針對這些變化加強礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)重建工作。

4 結(jié)語

與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的傳統(tǒng)方式相比較，基于“3S”空間信息技術(shù)的方法可以提供大區(qū)域宏觀、快速的監(jiān)測結(jié)果，而且多時期監(jiān)測結(jié)果的可比性強。本文總結(jié)了礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容，提煉建立了對應(yīng)的監(jiān)測模型。利用地面數(shù)據(jù)采集、遙感反演、GIS空間數(shù)據(jù)分析等方法，得到礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測與評價所需的數(shù)據(jù)。利用ArcEngine組件庫和IDL來完成生態(tài)數(shù)據(jù)的交互查詢、空間分析與顯示制圖，在 Microsoft的.NET平臺集成構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。在以山西省北關(guān)礦區(qū)為實例礦區(qū)的調(diào)試中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，監(jiān)測結(jié)果能為礦區(qū)生態(tài)保護提供技術(shù)支持。

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