基于3S的露天礦區(qū)生態(tài)恢復景觀格局變化研究

■　陳思思

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司浙江杭州310014）

基于3S的露天礦區(qū)生態(tài)恢復景觀格局變化研究

■陳思思

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司浙江杭州310014）

基于3S技術(shù)分析了云南某露天礦區(qū)土地利用及景觀格局變化過程，結(jié)果表明：(1)研究區(qū)土地利用類型在空間上和數(shù)量上變化顯著；(2)生態(tài)恢復與重建是研究區(qū)采礦用地減少、林地面積增加的主要原因；(3)研究區(qū)景觀格局變化與礦山開采和生態(tài)恢復與重建密切相關(guān)。3S技術(shù)是研究露天礦區(qū)景觀格局變化的重要手段之一，景觀格局變化分析可作為評價露天礦區(qū)生態(tài)恢復與重建的生態(tài)效益的一種技術(shù)方法。

生態(tài)恢復與重建景觀格局3S露天礦區(qū)

本文以云南某露天礦區(qū)復墾2年、復墾6年和復墾10年的遙感影像資料為研究對象分析該礦區(qū)不同階段的景觀格局變化，評價其生態(tài)恢復取得的生態(tài)效益，以期為礦區(qū)生態(tài)恢復與重建提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況及研究方法

1.1研究區(qū)概況

云南某露天礦區(qū)于1972年建成投產(chǎn)。經(jīng)40多年的開采，該礦區(qū)地貌發(fā)生極大的改變，曾一度出現(xiàn)采空區(qū)石漠化嚴重、生態(tài)環(huán)境惡化、地質(zhì)災害突出、環(huán)境污染、景觀破壞等環(huán)境問題。為了控制環(huán)境問題的蔓延，該礦區(qū)采取了“邊采礦、邊恢復”的分階段生態(tài)恢復與重建模式，其中第一階段為1986～1990年，第二階段為2004～2006年。

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源及預處理

選擇研究區(qū)復墾后2年、復墾后6年和復墾后10年的三期影像資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(分辨率均為30m)，對各影像進行波段組合，利用1:50 000地形圖對1986年影像進行幾何校正，然后通過Erdas Imagine 9.0的影像自動匹配配準模塊AutoSync將其余影像校正到1986年影像上，并對其進行幾何精度校正。

1.2.2土地分類系統(tǒng)的建立

參考我國土地利用分類方法和《土地利用現(xiàn)狀分類標準》(GB/T 21010-2007)，并結(jié)合研究區(qū)實際情況，建立了該區(qū)域的土地利用/覆蓋分類系統(tǒng)(見表1)。

表1　研究區(qū)土地利用/覆蓋分類系統(tǒng)

1.2.3景觀格局指數(shù)的選取

合理的指標體系應反映景觀的個體單元的形態(tài)特征、空間形態(tài)特征及整體多樣性特征[]。對于景觀格局動態(tài)分析，國內(nèi)外許多學者已經(jīng)提出一些定量指標[]。結(jié)合本研究區(qū)特點，選取的斑塊類型水平指數(shù)包括：斑塊面積、斑塊數(shù)目和斑塊平均分維數(shù)；選取的景觀水平指數(shù)包括：景觀多樣性指數(shù)、景觀聚合度指數(shù)、斑塊密度和邊界密度。

1.2.4影像的解譯與結(jié)果計算

首先，結(jié)合實地調(diào)查資料與參考資料，利用Arc View 3.3對影像進行分類；其次，依據(jù)GPS樣點對分類結(jié)果進行精度檢驗；接著，將分類結(jié)果在ArcView3.3中進行矢量化；最后，采用FRAGSTATS分析研究區(qū)景觀格局變化。

2　結(jié)果與分析討論

2.1研究區(qū)土地利用類型的變化

土地利用是具有特定時間和空間屬性的一種特殊的自然和社會現(xiàn)象，其變化包括土地資源的數(shù)量和質(zhì)量變化，也包括土地利用的空間、組合方式及未來土地資源需求量的變化[2][3]。本研究主要從土地資源空間分布、土地資源數(shù)量以及主要土地利用類型間的轉(zhuǎn)化來分析研究區(qū)的土地利用變化。

2.1.1土地資源數(shù)量變化

采用Arc View3.3統(tǒng)計分析研究區(qū)復墾2年、復墾6年和復墾10年三期土地利用類型統(tǒng)計結(jié)果可知，復墾期間，林地和建設(shè)用地增加幅度最大，耕地和灌木林地減少最為明顯。18年間研究區(qū)林地增加了12.72%，建設(shè)用地增加了5.69%，水體增加了0.79%，耕地面積減少了7.30%，灌木林地減少了8.67%，未利用地減少了2.6%，采礦用地減少了0.63%。礦區(qū)面積減少是礦區(qū)邊開采邊復墾的結(jié)果。有林地的增加和灌木林地的減少主要受植被的生長狀況影響，林地面積總體呈增加趨勢。而耕地面積的減少與建設(shè)用地的增加有關(guān)。

2.1.2土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化

采用Arc View3.3分析研究區(qū)復墾年間耕地、有林地、灌木林地和建設(shè)用地4種土地利用類之間相互轉(zhuǎn)化，結(jié)果見下表2。從表可知，復墾年間，有7.77%有林地 (46.17hm2)和12.16%灌木林地(153.10hm2)轉(zhuǎn)化成采礦用地，可見采礦活動共占用了199.27 hm2林地。復墾10年后，采礦用地中有47.78hm2轉(zhuǎn)化成了林地，179.44hm2轉(zhuǎn)化成了灌木林地，即共有227.22hm2采礦用地轉(zhuǎn)化成了林地，主要原因是礦區(qū)實施了生態(tài)恢復與重建工程。

2.2斑塊類型水平指數(shù)的變化

本研究區(qū)面積為32.8km2，可分為7個景觀類型，復墾2年、6年和10年后的斑塊總數(shù)分別為132個、203個和165個，各年景觀類型斑塊面積和斑塊數(shù)目調(diào)查統(tǒng)計可知，復墾后10年間，有林地斑塊數(shù)目增加，由21增加到了55；灌木林地、耕地以及建設(shè)用地斑塊數(shù)目先增加后減少；采礦用地斑塊數(shù)目基本不變；未利用地斑塊數(shù)目減少。說明礦區(qū)開采范圍比較集中且復墾工程實施及時；隨著復墾工程的實施以及植被的生長，有林地斑塊數(shù)目增加，灌木林的數(shù)目減少，灌木林地向有林地轉(zhuǎn)化。

2.3斑塊平均分維數(shù)(MPFD)

斑塊平均分維數(shù)反應了斑塊形狀復雜程度，取值范圍在1～2之間。采用FRAGSTATS軟件運算復墾后2年、6年和10年的各景觀類型斑塊的平均分維數(shù)。

從景觀整體角度，復墾后2年和復墾后6年年景觀整體斑塊平均分維數(shù)分別為1.3359和1.3541，各景觀類型斑塊的平均分維數(shù)略有增加，說明隨著礦山開采，研究區(qū)土地利用斑塊邊緣的復雜程度增加。復墾后10年，研究區(qū)景觀整體斑塊平均分維數(shù)下降，為1.2986，說明隨著生態(tài)重建工程的實施以及礦區(qū)開采日益規(guī)范，土地利用斑塊邊緣的復雜程度降低，即土地斑塊呈向規(guī)則化發(fā)展趨勢。

從斑塊類型角度，復墾后10年間，所有景觀類型斑塊的平均分維數(shù)都發(fā)生了變化。有林地、采礦用地和未利用地的變化趨勢與景觀整體斑塊平均分維數(shù)變化趨勢相同，其中有林地斑塊平均分維數(shù)從復墾后2年的1.3275增加到復墾后6年的1.3596，繼而減少到復墾后10年的1.2002，而采礦用地平均斑塊分維數(shù)從復墾后2年的1.3514增加到復墾后6年的1.4053，再減少到復墾后10年的1.3466。復墾后10年間各個景觀類型斑塊平均分維數(shù)的增加在于礦區(qū)開采使原地貌景觀受到極大干擾，使該指數(shù)值在增加，而復墾后10年有林地以及采礦用地斑塊平均分維數(shù)的減少在于人工林地的復墾以及采礦活動的逐漸規(guī)范。

2.4景觀水平指數(shù)的變化

多樣性指數(shù)可用來度量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成復雜程度，其大小直接影響著系統(tǒng)的物種多樣性和遺傳多樣性，同時也影響著系統(tǒng)的生產(chǎn)力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。聚集度指數(shù)反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度，它能夠反映景觀組分的空間配置特征，同時也受到類型總數(shù)及其均勻度的影響。采用FRAGSTATS軟件運算得到復墾2年、6年和10年后的景觀多樣性指數(shù)、景觀聚合度指數(shù)、斑塊密度和邊界密度。

3　結(jié)論與展望

通過分析研究，得到以下幾個結(jié)論：

（1）研究區(qū)土地利用類型在空間上和數(shù)量上變化顯著，采礦用地用西向東延伸。不同土地利用類型的數(shù)量發(fā)生變化主要是“邊開采邊復墾”的生產(chǎn)方式導致的。

（2）有林地、灌木林地以及采礦用地之間的相互轉(zhuǎn)化表明，實施生態(tài)重建工程是采礦用地減少、林地面積增加的主要原因。礦區(qū)生態(tài)重建工程對轉(zhuǎn)入的有林地和灌木林地貢獻很大。

（3）采用FRAGSTATS軟件分析斑塊類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)，結(jié)果表明研究區(qū)的景觀格局得到優(yōu)化，同時景觀格局變化趨勢與礦山開采和生態(tài)重建工程聯(lián)系密切。

隨著地理信息技術(shù)的興起，對礦區(qū)的土地景觀格局動態(tài)變化監(jiān)測成為可能。本文研究認為，以3S技術(shù)為基礎(chǔ)的景觀格局變化研究是實現(xiàn)礦區(qū)動態(tài)監(jiān)測的重要手段之一。礦區(qū)生態(tài)恢復前后的景觀格局變化分析可以成為評價其生態(tài)效益的重要指標之一。

[1]李秀珍,布仁倉,常禹,等.景觀格局指數(shù)對不同景觀格局的反應[J].生態(tài)學報,2004,24(1):123～133.

[2]孫希華.濟南泉域土地利用動態(tài)研究及驅(qū)動力研究[J].國土資源遙感,2004,(1):60～64.

[3]高占國，趙旭陽.基于GIS的土地利用動態(tài)變化與預測-以井陘縣威州鎮(zhèn)為例[J].首都師范大學學報(自然科學版)，2002,23(2):75～80.

X3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-3-182-2