基于RS與GIS技術的喀斯特煤礦區生態環境質量評價：以盤州市為例

劉發勇，田祥貴，何 林

（貴州盤江煤電集團技術研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

煤炭是我國重要的能源基礎，貴州省的煤炭資源儲量居全國第五位，素有“西南煤?！敝Q，是我國西南地區主要的煤炭生產基地和開發利用的重要基地。近年來，貴州省的經濟社會發展與生態保護的沖突問題不斷凸顯，煤炭資源的開采不同程度地造成了環境污染和生態破壞，對礦區及其周邊生態環境造成了嚴重影響，加之貴州省特殊的喀斯特地質條件，受井下開采活動影響而造成的地面塌陷、沉降、山體滑坡、地下水流失等生態環境問題更為突出。目前，利用各類生態環境因子對區域的生態環境質量進行定量評價已成為生態環境評價與保護的重要內容，塵福艷等[1]利用遙感技術提取了礦區生態環境特征因子，建立了綜合評價模型，實現了陜北礦區的生態環境綜合評價；肖艷[2]以小流域為評價單元，選用植被覆蓋指數、水體密度指數、土地退化指數等作為生態環境質量評價因子，實現了小流域的生態環境質量等級劃分；吳倩[3]采用AHP-熵權法結合的最小信息熵組合權重實現華北油田中部生態環境評價。目前，基于RS衛星觀測范圍廣、光譜信息豐富、GIS空間疊加運算與空間分析的融合應用，已經在生態、環保、國土等領域得到廣泛的應用[4-6]，但針對喀斯特山區生態環境質量評價的相關研究中，結合煤礦開采指標進行綜合評價的相關研究較少，以喀斯特環境為評價因子的煤礦區生態環境質量評價的研究也較少?；诖耍鶕λ固氐V區特有的地質條件，針對煤礦開采活動關聯因素建立喀斯特礦區生態環境質量評價體系，對喀斯特煤礦區生態環境質量進行科學、客觀的評價，為礦區的煤炭產業規劃、生態環境保護等提供科學的數據支撐。

1 研究區概況

盤州市地處貴州省西部，國土面積4 056 km2，下轄14鎮6街道7鄉；冬無嚴寒，夏無酷暑，屬亞熱帶氣候，年均氣溫15.2 ℃，年均降水量1 390 mm；由于南北盤江支流的切割，形成了層巒疊嶂、山高谷深的喀斯特高原山地地貌，整體地勢西北高，東部和南部較低，中南部隆起，海拔最高2 865 m為北部的牛棚梁子主峰，海拔最低735 m為東北部的格所河谷，相對高差2 130 m；境內煤炭資源儲量大、品種全、質量優，是貴州省乃至長江以南的主要產煤區，探明儲量105億t，遠景儲量380億t，“三線建設”時期開發盤縣煤田，并設立了盤縣礦區，歷經半個多世紀的發展，盤州市已經成為全國重點產煤縣和重要電源點，是貴州省煤炭的“壓艙石”，也是貴州省電煤保供的重點產煤地。

2 數據源與研究方法

2.1 數據源及數據處理

選用2021年3月Landsat8 OLI的遙感影像作為數據源，在經過影像預處理、輻射校正、空間校正、裁剪、拼接等處理之后，選用綠波段3、紅外波段4、近紅外波段5進行標準假彩色合成，得到空間分辨率為30 m的多光譜影像，為提高影像分辨率，需將多光譜影像進行空間分辨率的提升。Landsat8 OLI的8波段為全色波段，其空間分辨率為15 m，通過全色波段與多光譜影像的融合，不僅保留了多光譜影像的光譜特征，同時提升了影像的分辨率，最終得到空間分辨率為15 m的多光譜影像，根據盤州市行政范圍進行影像拼接、裁剪等，采用面向對象的遙感影像分類方法，根據影像柵格單元顏色、聚類形狀、分割尺度、紋理信息等最終得到較好的土地利用分類結果，實現對盤州市土地利用數據的分類。

坡度數據根據盤州市DEM數據進行計算，DEM數據來源于NASA官網，分辨率為12.5 m，在ArcGIS空間分析模塊支持下，以領域窗口計算得出盤州市坡度范圍值，再根據表1中的坡度分級值進行坡度分級；煤礦開采強度數據來源為貴州省能源局官方網站，農業人口密度數據來自《盤州市2021年統計年鑒》，以鄉級行政單元為基礎統計各鄉鎮的農業人口數量，通過人口數與行政面積比值計算出農業人口密度，通過對盤州市鄉鎮矢量數據關聯最終獲得帶人口密度的鄉鎮級矢量數據；石漠化與水土流失也是盤州生態環境變化的重要特征，參考熊康寧等[7]、劉發勇等[8]的研究成果，采用巖溶地區石漠化分等定級及水土流失分類定級劃分標準進行數據處理，最終得到研究區的石漠化數據及水土流失數據。

表1 喀斯特煤礦區生態環境質量評價指標體系Table 1 Evaluation index system of ecological environment quality in Karst coal mining area

生態環境質量的好壞與一定范圍內的植被覆蓋度有著明顯的正向關系，一般情況下，植被覆蓋度越高，生態環境質量越好，歸一化植被指數是最直接體現植被覆蓋度的指標，其取值范圍在-1到1之間，當數值為負值時，表示觀測區地面覆蓋為水、雪或者觀測時區域被云遮擋；當數值為0時，其近紅外波段與紅外波段值近似相等，地表主要特征為巖石或裸土等；當數值為正值時，表示地表有植被覆蓋，且數值隨覆蓋度增大而增大。根據Landsat8 OLI波段組合情況，采用紅光波段4、近紅外波段5計算研究區的歸一化植被指數（NDVI），見式（1）；為充分體現水對生態環境質量的重要，對植被指數進行改進，最終選用改進的歸一化水體指數（MNDWI）提取研究區的水體指數，見式（2）。

式中：NDVI為歸一化植被指數；MNDWI為歸一化水體指數；BNIR為近紅外波段；BRed為可見光紅色波段；BGreen為綠波段。

2.2 評價指標體系構建

喀斯特礦區生態環境是自然環境與人類活動的復合生態系統，在建立生態環境質量評價指標體系時，需要考慮盤州市特殊的喀斯特地質環境及各評價因子之間的復雜關系。此外，要根據其對生態環境質量的貢獻率及影響程度選取評價因子，在選取生態環境質量評價指標因子時，既要能夠進行單一分析，又要能夠進行綜合分析[9-12]。針對盤州市特殊的喀斯特地質環境，結合盤州市礦區的實際情況，通過現有煤礦區生態環境質量評價的相關文獻分析，在呂連宏等[13]、孫靜芹等[14]、劉錦等[15]研究的基礎上，本次生態環境質量評價指標選取土地利用、石漠化、水土流失、坡度、植被指數、水體指數、煤礦開采強度、農業人口密度八個因子建立評價指標體系，通過對評價指標數據的處理，按照表1中的生態環境質量分等定級指標實現對單一評價因子的處理。

2.3 生態環境綜合評價

生態環境質量評價的指標體系是由影響生態環境的多因素組成的綜合評價體系，因各評價因子對自然環境的影響存在較大的差異，不同的影響因子之間有差異也有聯系，不能簡單地進行空間疊加運算，需要綜合考慮各因子對生態環境質量的影響，為綜合考量各因子對綜合評價結果的影響，同時考慮各評價因子之間的關系，在進行綜合評價時引入單一評價因子權重值進行空間疊加計算，采用權重計算得出土地利用、石漠化、水土流失、坡度、植被指數、水體指數、煤礦開采強度及農業人口密度八個指標在參與生態環境質量評價時的相對權重。

表1確定的單因子生態環境狀況只反映了某一個因子影響程度，但生態環境是一個綜合的系統，參考劉發勇等[16]的研究成果，對單一因子所對應的生態環境質量進行分級賦值和屬性量化處理，在ArcGIS柵格數據空間疊加分析模塊支撐下，按照生態環境綜合評價指數進行空間運算（式（3）），計算出盤州市各因子綜合影響下的生態環境質量等級。

式中：Ej為j空間柵格單元生態環境質量指數；Ci為i因子環境質量等級；wi為i因子對生態環境質量的影響權重。由于各單一影響因子對生態環境質量的影響程度不同，需要對各單一因子進行加權計算，按照式（4）采用專家調查方法確定各因子的權重[17-18]。

式中：wi為i評價因子對生態環境質量的影響權重；xi為i評價因子相對于生態環境質量的重要性；m為進行權重專家打分的人數。根據計算確定生態環境質量權重為：土地利用-0.16、石漠化-0.18、水土流失-0.14、坡度-0.08、NDVI -0.18、MNDVI -0.06、煤礦開采強度-0.12、農業人口密度-0.08，進一步通過空間疊加運算綜合因子影響下的生態環境質量。

3 研究結果與分析

圖1為盤州市生態環境質量單一指標與綜合評價結果圖。由圖1可知，石漠化因子、坡度因子、歸一化植被指數因子及水體指數因子整體評價結果生態環境質量均較差，其主要原因是盤州市地處云貴高原的過渡地帶，地處貴州省和云南省交界地，山高坡陡，河流切割劇烈，部分區域石漠化程度高、水土流失嚴重，地表植被覆蓋度低，從而使得整個生態環境質量處于一種亞健康的狀態；上述評價因子中，煤礦開發強度因子較其他評價因子而言較為集中，因是以礦區范圍為評價基礎，范圍較廣。

圖1 盤州市生態環境質量單一指標與綜合評價結果Fig.1 Single index and comprehensive evaluation results of ecological environment quality in Panzhou City

表2為盤州市2021年生態環境質量評價結果。由表2可知，各生態環境質量等級在全市范圍內均有分布，但整體來看，盤州市生態環境質量整體較好，優良等級占比達75.03%，其中，生態環境質量等級為良的區域占比45.29%，生態環境質量等級為優的區域占比29.74%，主要分布在盤州市的南部、北部及中部無煤礦開采的區域，該部分區域以植被覆蓋度高、水土流失輕微、石漠化現象不嚴重、無煤礦開采；生態環境質量等級為較差及以下的區域占比為2.74%，主要分布在部分有煤礦開采、坡度較大、植被覆蓋度低的區域，這類區域也是生態環境保護的重點，需要從礦山生態恢復、植樹造林等方向提升該類區域的生態環境質量。

表2 盤州市2021年生態環境質量評價結果Table 2 Ecological environment quality evaluation results in Panzhou City in 2021

基于上述評價方法得到的盤州市生態環境質量雖然可看出整體分布規律，但由于計算結果圖斑過于破碎化，對于實際生態環境保護與治理缺乏可操作性，不能實現生態環境保護的任務分解，為了能以一種簡潔的方式綜合考慮一定范圍內不同生態環境質量等級的評定，同時又便于對區域生態環境質量的定量分析，基于此引入生態環境質量網格化計算與評價方法，在上述綜合評價結果的基礎上，以1 km×1 km格網為計算單元，通過引入基于生態環境質量等面積權重和生態環境質量等級值計算區域生態環境質量綜合指數（KDI），其計算公式見式（5）。

式中：n為評價區域內生態環境質量的等級數量；Wi為區域范圍內第i種生態環境質量的等級值；Ai為i類生態環境質量的面積比例。

在ArcGIS軟件中，通過創建漁網工具生成1 km間隔的漁網后轉換為面數據，去除行政區外的數據之后將矢量面數據與圖1的綜合評價結果進行空間疊加，以矢量數據的1 km格網為計算單元，根據式（5）對格網內的生態環境質量綜合指數（KDI）進行計算，最終得到整個盤州市的KDI分布情況，如圖2所示。圖2（a）為圖1中生態環境質量綜合評價結果與1 km格網疊加效果圖，圖2（b）為網格化后的盤州市生態環境質量綜合指數（KDI）計算結果圖。由圖2可知，經過網格化的計算之后，整體趨勢與圖1中的綜合計算結果相符，但因計算尺度的擴大，使得一些零碎的突出點被融合計算，因此，網格化計算結果中不再有生態環境差的區域，整體生態環境質量以良為主，生態環境質量一般區域與圖1（h）相比較，分布趨勢較吻合，這說明煤礦開采對生態環境有一定的影響，在生態環境保護、治理與恢復的時候應重點關注該類區域的工作開展。

圖2 盤州市生態環境質量綜合評價網格化計算結果Fig.2 Grid computing results of comprehensive evaluation of ecological environment quality in Panzhou City

4 結 語

基于Landsat8 OLI遙感影像數據，綜合考慮了影響喀斯特煤礦區生態環境質量的因子，采用基于指標權重的綜合評價方法，以盤州市為例進行了喀斯特煤礦區生態環境質量綜合評價與分析，通過多源數據的融合空間疊加計算，定量分析了盤州市生態環境質量及空間分布情況，結果表明盤州市生態環境質量整體較好，優良等級占比達75.03%，但生態環境質量差的區域在全市范圍內均有零星分布，評價結果可為盤州市未來的生態環境保護及經濟建設規劃提供參考。

生態環境質量評價是一個系統的綜合評價，在生態環境質量評價指標體系中，就井工煤礦而言，其對地表生態環境的影響主要為煤礦采空區的地表沉降、山體滑坡、裂縫等，其礦區范圍內非采空區對生態環境影響不大，后續可對煤礦采空區數據進行具體量化，使得分析更為切合煤礦開采所帶來的影響。此外，未考慮其他非煤礦山的影響，除以上評價指標外，還需考慮污染源數據、空氣粉塵顆粒數據、地質災害等因素的綜合影響，在以后的研究中可進一步收集相關數據，完善生態環境質量評價指標體系，實現生態環境的多維度綜合分析。

基于網格化的計算方法為區域生態環境質量評價提供了一種簡潔且利于進行生態環境保護的參考，但是因選擇的網格尺度會導致一些零碎生態環境質量差的區域被融合計算，但生態環境本就是一定范圍的特定區域，因此，在對某一特定區域進行評價時可作為計算參考，如在以鄉鎮行政單元或者地域單元進行評價時可采用此方法進行，實現鄉鎮乃至村級別的生態環境質量評定，從而為生態環境的保護與考核提供一種思路。