裴曉陽

(榆林學院，陜西 榆林 719000)

我國在礦區(qū)利用和開發(fā)煤炭資源時，易出現生態(tài)環(huán)境問題，造成山體滑坡、地表塌陷、地下水位下降和煤矸石壓占等生態(tài)環(huán)境問題，對原始的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了破壞[1]。為了修復礦區(qū)生態(tài)景觀，在20世紀90年代以后人們采取了土地復墾措施，并取得了一定的效益。但礦區(qū)生態(tài)景觀的破壞和塌陷速率隨著采煤速度和經濟的增長不斷加大，造成的生態(tài)破壞已經難以通過土地復墾得以修復。為了促進礦區(qū)生態(tài)和經濟的協(xié)調發(fā)展，需要尋找合理的礦區(qū)生態(tài)景觀修復方法[2]。因此，研究礦區(qū)生態(tài)景觀修復方法具有重要意義。

毛正君等[3]將PVV板材格構錨桿梁應用在生態(tài)景觀修復中，提出了以灌—草植被為主的植被恢復模式，以喬木為輔助的多層次生態(tài)恢復模式。它具有結構簡單、施工工藝簡便、綠化效果好等優(yōu)點，既能起到防護作用，又能改善邊坡的穩(wěn)定性。郭成久等[4]將遙感影像輸入ArcCIS軟件中，進行了遙感影像的可視化處理，從而確定了不同的土地類型。采用動態(tài)模型、土地利用過渡矩陣、地形破碎指數等方法，對2010—2018年礦區(qū)的地貌特征進行了分析，根據識別結果，結合景觀破碎度指數、土地利用轉移矩陣和動態(tài)度模型分析礦區(qū)景觀特征，在最小累積阻力模型的基礎上修復礦區(qū)生態(tài)景觀。在上述方法的基礎上，為進一步提升礦區(qū)生態(tài)景觀修復效果，提出高分辨率遙感數據分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復研究方法。

1 高分辨率遙感數據分析

采用礦區(qū)生態(tài)景觀高分辨率遙感影像，由于獲取的高分辨率遙感圖像中易存在陰影，高分辨率遙感數據分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復研究采用灰度線性匹配方法[5-6]校正處理獲取的高分辨率遙感圖像。礦區(qū)生態(tài)景觀高分辨率遙感影像如圖1所示。

圖1 礦區(qū)生態(tài)景觀高分辨率遙感影像Fig.1 High-resolution remote sensing image of ecological landscape in the mining area

用D(x，y)表示非陰影區(qū)域，即陽坡；用T(x，y)表示陰影區(qū)，即陰坡，兩者的地表反射特征相同，用[tmin，tmax]表示T(x，y)的灰度范圍，用[dmin，dmax]表示D(x，y)的灰度范圍，通過式(1)校正高分辨率遙感圖像：

(1)

式中，T′(x，y)為校正后的高分辨率遙感圖像。

高分辨率遙感數據分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復研究，采用主成分分析法[7-8]獲取高分辨率遙感圖像中存在的特征信息，完成礦區(qū)生態(tài)景觀數據的采集[9-10]。

2 礦區(qū)生態(tài)景觀修復

在礦區(qū)生態(tài)景觀修復過程中，選取下述生態(tài)景觀分析指標[11]。

(1)優(yōu)勢度指數LDI。景觀中斑塊的重要程度可通過優(yōu)勢度指數得以反映，其計算公式如下：

(2)

式中，m為要素類型數量；Ai為在生態(tài)景觀中第i種景觀要素所占的面積比例。

(2)斑塊總面積TA。

TA=S

(3)

式中，S為斑塊總面積。

(3)聚集度指數AI?？赏ㄟ^該指標描述斑塊類型在生態(tài)景觀中的物理連通性。

(4)

式中，hi、(hi)max分別為當像元的斑塊類型為i時，2個像元之間的可能連通數和最大可能連通數。

(4)斑塊數目NP。

NP=mi

(5)

式中，mi為斑塊在景觀類型中的數量。

(5)破碎度FI。人類活動直接影響著礦區(qū)生態(tài)景觀的破碎化程度，破碎度FI可通過式(6)計算得到。

FI=∑mi/S

(6)

式中，S為景觀面積。

(6)平均斑塊面積MPS。景觀生態(tài)信息可通過平均斑塊面積MPS反饋：

MPS=S/mi

(7)

(7)香農均勻度指數SHEI[12-13]。為斑塊面積在生態(tài)景觀中的分布不均勻程度，可通過式(8)計算得到：

(8)

式中，q為斑塊類型總數。

(8)最大斑塊指數LPI。人類在景觀中活動的強弱和方向可通過最大斑塊指數反映，其表達式為：

(9)

式中，sij為斑塊ij在景觀中對應的面積。

(9)香農多樣性指數SHDI?？赏ㄟ^式(10)計算得到：

(10)

(10)斑塊密度PD。指斑塊在單位景觀面積中的數量，生態(tài)景觀的空間異質性和破碎化可通過斑塊密度體現，其表達式為：

PD=mi/S×100%

(11)

在高分辨率遙感數據的基礎上，采用上述指標評價礦區(qū)的生態(tài)景觀CEI[14-15]：

(12)

式中，n為指標數量；Ei為指標對應的權重；Oi為單項評價指標對應的分值。

根據式(12)評價結果選取相應的景觀修復方法。①景觀生態(tài)學理論。在景觀生態(tài)學理論[16-17]的基礎上，研究景觀動態(tài)變化遺跡和景觀結構功能之間存在的作用機理。在生態(tài)系統(tǒng)中礦區(qū)屬于殘存斑塊，可遵循景觀生態(tài)學理論修復，在礦區(qū)生態(tài)景觀修復過程中，需要處理基質與斑塊之間的關系，在機制中融入修復后的破碎斑塊，形成良性循環(huán)。②適度干擾理論。按照規(guī)劃對事物控制，能夠使其向制定方向發(fā)展，能維持偏離的目標在允許限度內變化。針對不同的干擾，控制的力度都不相同，有的需要大力控制，有的則不需要控制。適度干擾在干擾控制中可以促進礦區(qū)生態(tài)景觀的修復，即不干擾和過分干擾在礦區(qū)中都不利于生態(tài)景觀的修復。經研究調查發(fā)現，只有適度干擾有利于礦區(qū)生態(tài)景觀的修復，礦區(qū)物種多樣性與干擾水平之間存在的關系如圖2所示。③全生命周期理論[18-19]。事物起源、發(fā)展以及消亡的整個過程即為全生命周期，在采礦全生命周期中，礦區(qū)生態(tài)景觀修復只是其中的一個階段。生命恢復在中觀尺度上指的是生命周期中的維護與管理。對礦區(qū)生態(tài)景觀修復時，應該分析破壞生態(tài)景觀的主要因子，從后期管理、礦區(qū)設計和規(guī)劃3個方面出發(fā)修復礦區(qū)生態(tài)景觀[20]，并在生命周期管理中引入3D立體生態(tài)規(guī)劃技術，按照承載能力從規(guī)劃角度出發(fā)將礦區(qū)生態(tài)景觀修復劃分為幾個階段，完成修復。

圖2 物種多樣性與干擾水平Fig.2 Species diversity and disturbance level

3 試驗與分析

為了驗證高分辨率遙感數據分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復研究方法的整體有效性，選取生態(tài)景觀需要修復的某礦區(qū)作為試驗對象，將試驗對象劃分為4個區(qū)域，對其修復，將聚合度、最大斑塊指數、斑塊結合度指數和香農多樣性指數作為指標，對修復效果實施評價。礦區(qū)現場如圖3所示。

圖3 礦區(qū)現場Fig.3 Site map of mining area

(1)聚合度。修復前后的聚合度見表1。

表1 修復前后的聚合度Tab.1 Aggregation degree before and after repair

聚合度越高，表明斑塊類型在礦區(qū)生態(tài)景觀中的物理連通性越好。分析表1可知，采用所提方法對礦區(qū)生態(tài)景觀修復后，與修復前相比，4個區(qū)域的聚合度有所提升，表明修復后的斑塊類型在礦區(qū)生態(tài)景觀中的物理連通性有所提高，驗證了所提方法的有效性。

(2)最大斑塊指數。最大斑塊指數越大，表明內部種和優(yōu)勢種在礦區(qū)生態(tài)景觀中的豐度越大。修復前后礦區(qū)生態(tài)景觀的最大斑塊指數見表2。

表2 修復前后的最大斑塊指數Tab.2 Maximum plaque index before and after repair

由表2可知，與修復前相比，采用高分辨率遙感數據分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復方法修復后，4個區(qū)域的最大斑塊指數得到了優(yōu)化，內部種和優(yōu)勢種的豐度有所提高，表明所提方法可有效修復礦區(qū)生態(tài)景觀。

(3)斑塊結合度指數。景觀斑塊的聚合程度可通過斑塊結合度指數得以反映，斑塊結合度指數越高，表明生態(tài)景觀修復效果越好，斑塊結合度指數COHESION可通過式(13)計算得到：

(13)

式中，S為斑塊對應的總面積；Aij為在該類型中斑塊i，j的周長；βij為在該類型中斑塊對應的面積。

修復結果見表3。

表3 修復前后的斑塊結合度指數Tab.3 Plaque association index before and after repair

分析表3可知，修復后的斑塊結合度指數優(yōu)于修復前的斑塊結合度指數。因為所提方法采用核主成分分析法獲取了高分辨率遙感數據，進而得到了礦區(qū)生態(tài)景觀數據，根據礦區(qū)的實際生態(tài)景觀狀況，采用相應的方法實施修復，提高了區(qū)域的斑塊結合度指數。

(4)香農多樣性指數。修復前后的香農多樣性指數見表4。

表4 修復前后的香農多樣性指數Tab.4 Fragrance diversity index before and after restoration

香農多樣性指數越高，表明礦區(qū)景觀類型的豐富度越高。由表4可知，修復后4個區(qū)域的斑塊結合度指數都有所提升，表明修復后景觀類型的豐富度都得以提高，驗證了所提方法的有效性。

4 結語

礦區(qū)植被覆蓋層由于開采作業(yè)會受到破壞，加重了土壤沙化、滑坡和水土流失的強度，與此同時也降低了生物多樣性。對礦區(qū)生態(tài)景觀修復可以恢復礦區(qū)的生態(tài)，提高礦區(qū)的綠化面積。我國用地逐漸緊張，修復礦區(qū)生態(tài)景觀可盤活大量的土地資源，將廢棄的礦區(qū)轉變?yōu)檗r業(yè)用地、旅游用地、居住用地和商業(yè)用地，促進經濟發(fā)展的同時可以改善生態(tài)環(huán)境。因此，研究礦區(qū)生態(tài)景觀修復方法具有重要意義。目前礦區(qū)生態(tài)景觀修復方法存在修復效果差的問題，提出高分辨率遙感數據分析下的礦區(qū)生態(tài)景觀修復研究方法，該方法將高分辨率遙感數據分析技術應用在景觀修復中，有效提高了生態(tài)景觀的修復效果。