基于主成分分析的輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測

覃文虎

(鶴峰縣水土保持站，湖北 鶴峰 445800)

0 引 言

輸變電工程項目建設開發(fā)是推動國家經(jīng)濟發(fā)展的主要動力，目前輸變電工程建設項目有上千項，對于輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的監(jiān)測是現(xiàn)階段水土保持工作的重點，很有必要對其進行詳細的分析，針對監(jiān)測的實際情況減少此類工程建設的水土流失和生態(tài)破壞[1-3]。

輸變電工程項目開發(fā)造成的水土流失，主要是以人類自身的建設活動為主要外因而形成的水土流失類型，主要體現(xiàn)為輸變電工程周邊水土資源及其環(huán)境的破壞和損失[4]。通過對輸變電水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測，能夠有效檢驗工程在建設過程中水土流失是否得到有效控制，及時反映水土流失的動態(tài)變化情況，向監(jiān)管部門及時提供監(jiān)測信息，針對突發(fā)的水土流失現(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)并提供對策，為今后開展水土保持方案提供相應的經(jīng)驗[5]。

在輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測實踐中，國內(nèi)外的專業(yè)研究者不斷探索和研究監(jiān)測技術(shù)及方法，發(fā)展到現(xiàn)今，已經(jīng)研究出很多成熟的監(jiān)測方法[6]。如基于RSEI模型的動態(tài)監(jiān)測方法、基于多源遙感數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測方法，這些監(jiān)測方法在面對大面積區(qū)域時，監(jiān)測內(nèi)容過于復雜，操作不靈活，實際應用能力不能滿足現(xiàn)階段對監(jiān)測方法需求[7-9]。因此，本文提出基于主成分分析的輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測方法，解決上述存在的問題。

1 基于主成分分析的輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測方法設計

1.1 布設監(jiān)測點

輸變電工程施工過程中，由于人為活動的影響會加劇水土流失，待施工完成后不再有土建施工活動，水土流失量比較小[10]。因此，水土流失區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測，主要針對施工期的水土流狀況、生物豐富程度、土地退化指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)等項目進行監(jiān)測。

在進行實地監(jiān)測時，監(jiān)測點的選擇必須滿足以下規(guī)定：監(jiān)測點具有代表性，可以集中反映水土流失區(qū)域的水流流失狀況，盡量避免人為活動的干擾，平地模擬觀測場應與施工場地水土流失因素保持一致[11]。

對于點式工程，主要對地面進行定量監(jiān)測，對道路邊坡、臨時堆土場等位置設置監(jiān)測點位。監(jiān)測點具體點位布設見表1。

表1 水土流失區(qū)域監(jiān)測點點位布設

對于線狀工程，默認標段存在所有類型的塔基來設置監(jiān)測點位。如果實際工程中，塔基類型不存在，則取消塔基類型；如果塔基重合，則合并該監(jiān)測點[12]。監(jiān)測點位具體布設見表2。

表2 線狀工程水土流失區(qū)域監(jiān)測點位布設

在監(jiān)測點布設完成后，將獲得的各項參數(shù)作為監(jiān)測指標，統(tǒng)一進行無量綱化處理后，篩選出與生態(tài)質(zhì)量有密切關(guān)系的指標，用于衡量生態(tài)質(zhì)量的水平。

1.2 動態(tài)監(jiān)測指標選擇與計算

考慮輸變電工程所處的特殊環(huán)境和水土流失呈現(xiàn)出的特征，最終確定生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測的指標為生物豐富度指數(shù)、土壤濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土地侵蝕指數(shù)[13]。各項指數(shù)具體計算如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

讀寫分離 有的老師在讀寫結(jié)合過程中為了讀寫結(jié)合而結(jié)合，“寫”與“讀”之間的關(guān)系顯得很生硬，存在閱讀與寫作分離現(xiàn)象，不能把閱讀、積累、實踐、寫作有機地緊密結(jié)合起來，甚至破壞了閱讀情緒，提不起學生的表達欲望。

獲得監(jiān)測指標后，計算生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)，作為輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的監(jiān)測結(jié)果。

1.3 生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果計算與分析

采用主成分分析法處理指標數(shù)據(jù)，標準化處理公式如下：

(5)

(6)

(7)

對經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)進行主成分分析，為了縮減計算時間，使用SPSS軟件計算出特征值和貢獻率，篩選出貢獻率大于85%或者特征值大于1的數(shù)據(jù)作為主成分，對主成分進一步分析，得到正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣；對數(shù)據(jù)進一步篩選，得到與輸電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量相關(guān)性大的數(shù)據(jù)；使用這些數(shù)據(jù)作為衡量生態(tài)質(zhì)量的數(shù)據(jù)，計算生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)。

以每個主成分對應的特征值占所有特征值之和的比例作為生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)，并對其按綜合主成分值進行排序。生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)越高，說明生態(tài)質(zhì)量越好；生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)越低，說明生態(tài)質(zhì)量越差。基于主成分分析的動態(tài)監(jiān)測方法將最終獲得生態(tài)質(zhì)量綜合指數(shù)作為監(jiān)測結(jié)果，能夠更好地衡量輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量，以便及時采取措施面對突發(fā)的破壞生態(tài)的情況，保證輸變電工程水土流失區(qū)域能夠及時恢復生態(tài)穩(wěn)定。至此，基于主成分分析的輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測方法設計完成。

2 輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測方法實驗研究

2.1 實驗數(shù)據(jù)準備

對輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量進行動態(tài)監(jiān)測，主要目的是通過對工程項目建設全過程的監(jiān)測，定點定量觀測和調(diào)查林草恢復情況，以說明水土流失防治效果。在實驗研究中，將動態(tài)監(jiān)測的主要目的考慮其中，以某輸變電工程為例，使用Landsat系列影像數(shù)據(jù)及Pleiades高分遙感影響數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)。綜合時相和云覆蓋等多方面因素，實驗中采用的數(shù)據(jù)分別由Landsat5和Landsat8兩種衛(wèi)星產(chǎn)生。具體的波段見表3。

表3 Landsat5/ Landsat8衛(wèi)星

考慮輸變電工程所在區(qū)域，綜合時相及熱效應強度較明顯的原則，選擇的衛(wèi)星數(shù)據(jù)參數(shù)見表4。

實驗中，以驗證方法在實際工作中的應用性能為研究目的，將傳統(tǒng)的基于RSEI模型的動態(tài)監(jiān)測方法和基于多源遙感數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測方法引入到實驗研究中，設計對比實驗，主要對不同監(jiān)測方法的監(jiān)測頻次和參數(shù)關(guān)聯(lián)性進行實驗研究。

表4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)參數(shù)

2.2 監(jiān)測頻次實驗結(jié)果及分析

圖1 不同生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測方法監(jiān)測頻次實驗結(jié)果

觀察圖1結(jié)果可以看出，基于RSEI模型的動態(tài)監(jiān)測方法在一年的監(jiān)測中，只有在暴雨階段的6、7、8月份進行監(jiān)測，監(jiān)測頻次為3次/年；基于多源遙感數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測方法實驗結(jié)果顯示，在一年的監(jiān)測中，在3-9月份的雨季中，只選擇5、7和9月份進行了監(jiān)測，監(jiān)測頻次為3次/年；提出的基于主成分分析的動態(tài)監(jiān)測方法實驗結(jié)果顯示，在整個3-9月份的雨季中均進行了監(jiān)測，監(jiān)測頻次為7次/年。綜上所述，提出的基于主成分分析法的輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測方法能夠根據(jù)實際情況調(diào)整監(jiān)測頻次，保證監(jiān)測的實效性。

2.3 參數(shù)關(guān)聯(lián)性實驗結(jié)果及分析

由于輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測中涉及的參數(shù)物理意義不相同，單位也不相同，為了便于比較，對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。在處理完成后，計算兩兩參數(shù)間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計算公式如下：

(8)

Δi(j)=|x0(n)-xi(n)|

(9)

式中：x0為反映輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的參數(shù)數(shù)列；xi為影響生態(tài)質(zhì)量的參數(shù)關(guān)聯(lián)組成的數(shù)據(jù)序列，共有n個；Δi(j)為參數(shù)數(shù)列和比較數(shù)列歸一化后的絕對差值；ε為分辨系數(shù)，取值為0.5；ξi(j)為參數(shù)關(guān)系系數(shù)。

對于監(jiān)測方法的參數(shù)關(guān)聯(lián)性的對比分析，將計算關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值作為關(guān)聯(lián)度，以此衡量不同監(jiān)測方法的參數(shù)關(guān)聯(lián)性。關(guān)聯(lián)度越大，說明參數(shù)相關(guān)性越強，影響越大；反之，關(guān)聯(lián)度越小，說明參數(shù)相關(guān)性越弱，影響越小。具體的計算結(jié)果見表5。

對比觀察表5結(jié)果可知，兩種傳統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測方法的參數(shù)相關(guān)度比較高。相比之下，提出的動態(tài)監(jiān)測方法參數(shù)相關(guān)度低，參數(shù)相關(guān)性弱，對監(jiān)測結(jié)果影響小。結(jié)合監(jiān)測頻次實驗結(jié)果可知，提出的基于主成分分析法的輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測方法實效性好，參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性對監(jiān)測結(jié)果影響小，具有較好的應用性能，該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測方法。

表5 不同監(jiān)測方法參數(shù)相關(guān)性實驗結(jié)果

3 結(jié) 語

本文圍繞輸變電工程水土流失區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量問題展開研究與討論，在相關(guān)研究資料支持下，提出基于主成分分析的輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測方法。在方法設計完成后，通過多項對比實驗驗證了該監(jiān)測方法的可行性和高水平的應用性能。但是受到時間、精力等原因的限制，輸變電工程水土流失區(qū)域生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測未能進行更深層次的驗證分析，在后續(xù)研究中將從這一方面展開研究。