劉沂軒，劉 譽，杜珍應，曹久立

基于多時相遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)地表植被與土壤變化監(jiān)測

劉沂軒1，2，劉 譽3，杜珍應1，曹久立1

(1.江蘇省水文水資源勘測局徐州分局，江蘇 徐州 221006； 2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008； 3.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

基于多時相的Landsat遙感數(shù)據(jù)，以陜西省榆林市大柳塔礦區(qū)為例，通過圖像處理得到地面歸一化植被指數(shù)(NDVI)和土壤指數(shù)兩個研究要素，結合礦區(qū)采掘工作面，提取了采區(qū)和非采區(qū)樣本點的時序數(shù)據(jù)，使用單一變量法對比分析其時序變化情況，并對研究區(qū)域的植被和土壤未來變化趨勢作了預測。結果表明：礦井工作面采掘活動破壞了地面植被和土壤的穩(wěn)定性，降低了其對環(huán)境影響的抵抗和恢復能力，礦區(qū)植被覆蓋度逐年增加，但是土壤受侵蝕情況嚴重；在未來幾年內(nèi)，大柳塔礦區(qū)的植被覆蓋度會持續(xù)增加，土壤較容易受到侵蝕，特別注意地面采礦活動區(qū)域和受擾動影響區(qū)域的土壤保護，改善土壤退化現(xiàn)狀。

NDVI；土壤指數(shù)；多時相數(shù)據(jù)；工作面采動影響

0 引言

中國大部分煤炭資源分布在植被覆蓋較少、土壤容易受到侵蝕的干旱和半干旱西北部區(qū)域[1]。隨著煤礦規(guī)模的迅速發(fā)展，礦井開采活動、地面建設和運營也對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來了影響[2]。因此，研究礦區(qū)開采活動對地面生態(tài)環(huán)境要素影響具有十分重要的意義。遙感技術作為一種先進的信息采集方法，在多時相數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究中具有明顯優(yōu)勢[3]，并且隨著多元數(shù)據(jù)融合技術的發(fā)展，出現(xiàn)了與遙感相結合的交叉學科分析[4]，如吳立新等[5]使用SPOT衛(wèi)星的NDVI數(shù)據(jù)對神東礦區(qū)植被覆蓋動態(tài)變化進行了分析；汪煒等[6]基于Landsat影像和STRM的DEM數(shù)據(jù)對淮南礦區(qū)的土壤侵蝕變化情況進行了研究。以上礦區(qū)植被和土壤侵蝕研究只是從宏觀上對礦區(qū)變化情況進行了分析，并沒有結合礦區(qū)具體采礦活動分析采礦活動對地表植被與土壤的影響。本文以陜西省榆林市的大柳塔礦區(qū)為例，在GIS和RS技術的支持下，選用從1994年至2014年中的11個時相的Landsat數(shù)據(jù)，反演礦區(qū)歸一化植被指數(shù)和土壤指數(shù)，結合實際開采工作面，分析礦井開采前后地面植被和土壤侵蝕的變化情況，并對該礦區(qū)的植被和土壤未來發(fā)展趨勢進行了預測。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)概況

大柳塔煤礦始建于1987年10月，1996年正式投產(chǎn)，位于陜西省神木縣境內(nèi)，由大柳塔井和活雞兔井組成，兩井擁有井田面積189.9 km2，煤炭地質(zhì)儲量23.2億t，可采儲量15.3億t，核定生產(chǎn)能力2 170萬t。本文的研究區(qū)域在大柳塔井所在區(qū)域，位于扇貝黃土高原北側、毛烏素沙漠東南邊緣，地勢中間高，大部分地區(qū)土壤類型是風沙土，植被覆蓋率低[7-8]。

1.2 實驗數(shù)據(jù)及預處理

本文從1994年到2014年的Landsat影像數(shù)據(jù)中，擇優(yōu)選取了包含研究區(qū)域11年的11個時相的數(shù)據(jù)，其中包括Landsat5 TM數(shù)據(jù)6幅圖像，Landsat7 ETM+數(shù)據(jù)3幅和Landsat8數(shù)據(jù)2幅。2006年的影像時間為2006年9月10日，其他影像的時間都是8月份，這11幅影像均屬于無云或者少云的數(shù)據(jù)，成像效果較好，影像波段內(nèi)均含有數(shù)據(jù)處理所需的波段數(shù)據(jù)，能夠滿足需求。Landsat數(shù)據(jù)預處理主要包括輻射校正、大氣校正、圖像裁剪、融合、掩膜等過程。

2 技術路線

2.1 植被覆蓋度和土壤指數(shù)反演

2.1.1 植被覆蓋度

綠色植被能起到吸收大氣中污染物、防止水土流失和降低熱效應等作用，是反映研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變的主要指標因素之一[9]。植被覆蓋度越高，自然環(huán)境就越好，生態(tài)環(huán)境也就越趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)行的統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)植被覆蓋情況最常用的是計算歸一化植被指數(shù)，然后再計算植被覆蓋度[10]：

(1)

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)； NDVIsoil為完全是裸土或者無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIVeg是完全被植被覆蓋的像元的NDVI值。針對不同時相的遙感影像統(tǒng)計取值，選取5%和95%的拐點處的NDVI值為裸土指數(shù)和全植被指數(shù)進行計算。

2.1.2 土壤指數(shù)

土壤組成與土壤侵蝕等有很大的關系，采用裸土植被指數(shù)作為土壤因子[11]，首先把經(jīng)過大氣糾正的圖像進行纓帽變換，然后取變換結果中的亮度和綠度值進行計算，得到土壤指數(shù)：

GRABS=VI-0.091 78×BI+5.589 59

(2)

式中：VI和BI分別為纓帽變化的綠度指數(shù)和土壤亮度指數(shù)。如表1所示，把土壤指數(shù)分成10類，數(shù)值越大，說明土壤越不容易受到侵蝕。

表1 土壤指數(shù)分類表

2.2 樣本點選取

如圖1所示，通過在反演之后的影像上疊加工作面，選取礦井采掘工作面上的點和不受采動影響的點，使用單一變量法分析采動對地面植被覆蓋和土壤指數(shù)的影響。選取的樣本點要滿足以下要求：

1)樣本點要屬于同一土壤類型、同為植被覆蓋的區(qū)域。

2)采區(qū)內(nèi)的樣本點應當盡量在采區(qū)正上方，以減少相鄰采區(qū)開采的影響。

3)非采區(qū)的樣本點應當選擇遠離采區(qū)的地方，避免其他時間的采動對該點的影響。

本文中選取的采區(qū)內(nèi)樣本點選擇在2006年1至6月和2007年2至7月的工作面上，非采區(qū)的樣本點選在所有工作面之外，避免由于其他年份的采動造成的影響。

圖1 疊加工作面選取樣本點Fig.1 Overlay working face to select sample points

2.3 礦區(qū)植被覆蓋和土壤指數(shù)變化趨勢預測

使用一元線性回歸分析法對研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境發(fā)展趨勢進行預測[12]，通過計算一組時間序列遙感影像的對應像元的線性回歸系數(shù)，對該像元的發(fā)展趨勢進行預測，從而獲得研究區(qū)域整體的變化趨勢情況。

(3)

式中：n為時間序列數(shù)據(jù)的個數(shù)；NDVIi對應像元i的NDVI值。

經(jīng)過計算得到對應像元的一元線性擬合直線的斜率θslop，通過這個斜率就可以得到對應像元在今后發(fā)展的趨勢。θslop大于0，說明過去時間的NDVI值呈現(xiàn)增加的趨勢，在未來幾年內(nèi)也會持續(xù)增加；θslop小于0，說明在過去時間里NDVI值呈現(xiàn)減少的趨勢，在未來幾年內(nèi)會持續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋動態(tài)變化分析

圖2 2006年和2007年采區(qū)和非采區(qū)植被覆蓋點NDVI時序變化折線圖Fig.2 The NDVI time series change line chart of vegetation cover points in 2006 and 2007 in mining area and non mining area

如圖2所示，從整體上來看，采區(qū)和采區(qū)之外的樣本點的NDVI年際變化趨勢是一致的，說明選擇的點沒有受到局部因素的干擾，作為樣本點用來分析是可靠的。研究區(qū)域內(nèi)有植被覆蓋區(qū)域的NDVI值并沒有減小，反而呈現(xiàn)緩慢遞增的趨勢，這說明研究區(qū)域內(nèi)的整體植被覆蓋量逐漸增加，這得益于神東集團的土地復墾工作。圖2(a)中，2006年工作面開采之后，采區(qū)內(nèi)樣本點的NDVI值有小幅度的變化；到2007年，NDVI值劇增；隨后直到2012年，采區(qū)內(nèi)樣本點的NDVI值均高于非采區(qū)樣本點，分析原因為神東煤炭集團的土地整治和生態(tài)修復活動[7]；2012年之后，采區(qū)和非采區(qū)的NDVI值基本趨于一致，這說明經(jīng)過一段時間的自身和人為修復過程，地面受到采動影響的區(qū)域的植被逐漸恢復，整個區(qū)域的植被水平趨于一致。同樣，圖2(b)中，在2007年工作面上的樣本點，隨著工作面的采動，在2007年上NDVI值均明顯減小，隨后經(jīng)過一段時間的修復過程；到2013年，受2007年工作面采動影響的地表植被覆蓋區(qū)域和非采區(qū)的植被覆蓋區(qū)域的植被水平趨于一致。

從以上兩個年份的工作面樣本點分析可知，采區(qū)上方的生態(tài)修復和土地復墾工作并沒有從根本上完全消除工作面采礦活動對地面植被的影響。在大柳塔礦區(qū)內(nèi)，現(xiàn)行的土地復墾力度下，受工作面采動影響的地表植被恢復到整體水平的年限約為5年。

3.2 土壤指數(shù)變化分析

如圖3、圖4所示，可以看到研究區(qū)域內(nèi)的土壤指數(shù)整體波動性較大。沒有很明顯的規(guī)律可循。隨著工作面的采動，地面所有樣本點的土壤指數(shù)均減小，在有植被覆蓋的區(qū)域較無植被

覆蓋的區(qū)域下降程度小。由于2006年和2007年影響程度的疊加，導致2007年地面土壤指數(shù)下降幅度較大。隨后，在采區(qū)和非采區(qū)的樣本點的土壤指數(shù)變化較為雜亂，但是總體呈現(xiàn)減小的趨勢。由于土壤受侵蝕程度與很多因素都有關系，不能簡單的歸咎于受采動工作面的影響，要想分析井下工作面采掘活動對地面土壤侵蝕能力產(chǎn)生影響的程度和其相關關系，還需要進一步研究。結合植被覆蓋度變化情況，雖然研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度增加了，但是并沒有帶來土壤指數(shù)的好轉，礦區(qū)土壤還是較容易受到侵蝕，波動情況較大。

圖3 2006年和2007年采區(qū)和非采區(qū)地表植被覆蓋區(qū)土壤指數(shù)時序變化折線圖Fig.3 The time series change line chart of soil index of vegetation coverage area in 2006 and 2007 in mining area and non mining area

圖4 2006年和2007年采區(qū)和非采區(qū)地表裸土區(qū)土壤指數(shù)時序變化折線圖Fig.4 The time series change line chart of soil index of bare soil area in 2006 and 2007 in mining area and non mining area

3.3 大柳塔礦區(qū)植被覆蓋和土壤指數(shù)發(fā)展趨勢預測

大柳塔礦區(qū)植被覆蓋和土壤指數(shù)發(fā)展趨勢預測圖如圖5、圖6所示，變化趨勢分級的標準如表2所示。

圖5 大柳塔礦區(qū)植被覆蓋發(fā)展趨勢預測圖Fig.5 Prediction map of development trend of vegetation coverage in the Daliuta mining region

圖6 大柳塔礦區(qū)土壤指數(shù)發(fā)展趨勢預測圖Fig.6 Prediction map of development trend of soil index in the Daliuta mining region

NDVI值一元線性回歸趨勢斜率土壤指數(shù)分類值一元線性回歸趨勢斜率變化程度≤-0.02≤-0.8嚴重退化-0.02～-0.008-0.8～-0.5輕微退化-0.008～0.008-0.5～0.5基本不變0.008～0.040.5～0.8輕微改善0.04≤0.8≤明顯改善

1)大柳塔礦區(qū)植被覆蓋發(fā)展趨勢預測

通過從1994年至2014年遙感影像中計算歸一化植被指數(shù)，然后針對每個像元的NDVI進行一元線性回歸計算，得到了每個像元的NDVI變化趨勢圖，全部退化區(qū)域約為4.0%，把結果圖導入到Google Earth中?？梢钥吹?，圖5中大部分區(qū)域呈現(xiàn)改善狀態(tài)，說明在以后的幾年內(nèi)，該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境會持續(xù)向好的方向發(fā)展，通過重標極差法[13]對該區(qū)域的預測情況進行檢驗，Hurst指數(shù)為0.940，相關系數(shù)為0.995 9，兩個結果一致。

2)大柳塔礦區(qū)土壤指數(shù)發(fā)展趨勢預測

通過從1994年至2014年遙感影像中計算土壤指數(shù)并對其進行劃分，然后對時序圖像中對應的像元進行一元線性回歸計算，得到每個像元的土壤指數(shù)變化趨勢圖(圖6)。在采區(qū)59.6%的區(qū)域的土壤指數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，在未來幾年，土壤將持續(xù)退化。在礦區(qū)西部地區(qū)，由于地面建筑物和采礦地面活動的增加導致土壤退化明顯；在北部地區(qū)由于原來的土壤類型為裸露的沙土地，土壤受侵蝕程度變化不大；在河谷地區(qū)由于植被覆蓋相對較為穩(wěn)定，土壤指數(shù)基本不變；在東北部的山地區(qū)域土壤退化較為嚴重，在今后的治理過程中應加大對這些地區(qū)的土壤治理；在東南部山地區(qū)域由于人為活動較小，土壤在未來幾年內(nèi)會有所改善。

4 結束語

本文以大柳塔礦區(qū)作為研究對象，從1994年至2014年中選擇11幅Landsat影像數(shù)據(jù)，反演植被覆蓋度和土壤指數(shù)，結合礦區(qū)工作面開采情況，分析了地面植被和土壤的變化情況，分析表明礦井工作面采掘活動對地表植被和土壤產(chǎn)生了影響，破壞了環(huán)境的穩(wěn)定性，使得土壤更易受到侵蝕，植被抗干擾能力下降。隨著礦區(qū)復墾程度的不斷增加，大柳塔礦區(qū)在未來幾年內(nèi)的植被覆蓋度將繼續(xù)增加，但是在受采區(qū)影響的地面區(qū)域和東部山地區(qū)域要特別注意保持水土，加大土地復墾力度，降低土壤受侵蝕的可能。

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Change Monitoring of Vegetation and Soil Based on Multi-Temporal Remote Sensing Data in Mining Area

LIU Yi-xuan1，2，LIU Yu3，DU Zhen-ying1，CAO Jiu-li1

(1.XuzhouBranch，JiangsuProvinceHydrologyandWaterResourcesInvestigationBureau，XuzhouJiangsu221006，China； 2.SchoolofResourcesandGeosciences，ChinaUniversityofMiningandTechnology，XuzhouJiangsu221008，China； 3.QingdaoGeotechnicalInvestigationandSurveyingResearchInstitute，QingdaoShandong266032，China)

Based on multi-temporal Landsat data，the paper took the Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)and the Soil Index as the research elements.Taking Daliuta mining region in Yulin City，Shanxi Province as the example，the paper extracted a series of experimental data to analysis the changes，which situated at the mining area and outside it.Then，the changing trend of vegetation and soil in this region was predicted using a single variable timing analysis method.Results show that the resistance and the resume capability of the vegetable and soil in the mining area surface were affected compared with the surface out of the mining area.Although the vegetation coverage increased，the soil index decreased seriously.In the next few years，the vegetation coverage in Daliuta mining region continues to increase，while the soil is vulnerable to be eroded.So，special attention needs to be paid to protect the soil from being eroded in the mining disturbance area to reduce the extent of soil degradation.

NDVI；the soil index；multi-temporal data；influence of mining working face

2016-09-20

測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(201412016)

X 87

：B

：1007-9394(2016)04-0026-04

劉沂軒(1975～)，男，陜西咸陽人，博士研究生，高級工程師，現(xiàn)主要從事工程測量、遙感、水文地質(zhì)勘察等方面的工作與研究。