基于主成分分析的輸變電工程水土流失區域生態質量動態監測

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是推動國家經濟發展的主要動力，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域生態質量的監測是現階段水土保持工作的重點，很有必要對其進行詳細的分析，針對監測的實際情況減少此類工程建設的水土流失和生態破壞[1-3]。

輸變電工程項目開發造成的水土流失，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，主要體現為輸變電工程周邊水土資源及其環境的破壞和損失[4]。通過對輸變電水土流失區域生態質量動態監測，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變化情況，向監管部門及時提供監測信息，針對突發的水土流失現象，及時發現并提供對策，為今后開展水土保持方案提供相應的經驗[5]。

在輸變電工程水土流失區域生態質量監測實踐中，國內外的專業研究者不斷探索和研究監測技術及方法，發展到現今，已經研究出很多成熟的監測方法[6]。如基于RSEI模型的動態監測方法、基于多源遙感數據的動態監測方法，這些監測方法在面對大面積區域時，監測內容過于復雜，操作不靈活，實際應用能力不能滿足現階段對監測方法需求[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域生態質量動態監測方法，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域生態質量動態監測方法設計

1.1 布設監測點

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，水土流失區域的生態質量動態監測，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、植被覆蓋指數等項目進行監測。

在進行實地監測時，監測點的選擇必須滿足以下規定：監測點具有代表性，可以集中反映水土流失區域的水流流失狀況，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測，對道路邊坡、臨時堆土場等位置設置監測點位。監測點具體點位布設見表1。

表1 水土流失區域監測點點位布設

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，則合并該監測點[12]。監測點位具體布設見表2。

表2 線狀工程水土流失區域監測點位布設

在監測點布設完成后，將獲得的各項參數作為監測指標，統一進行無量綱化處理后，篩選出與生態質量有密切關系的指標，用于衡量生態質量的水平。

1.2 動態監測指標選擇與計算

考慮輸變電工程所處的特殊環境和水土流失呈現出的特征，最終確定生態質量動態監測的指標為生物豐富度指數、土壤濕潤指數、植被覆蓋指數、土地侵蝕指數[13]。各項指數具體計算如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

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

獲得監測指標后，計算生態質量綜合指數，作為輸變電工程水土流失區域生態質量的監測結果。

1.3 生態質量監測結果計算與分析

采用主成分分析法處理指標數據，標準化處理公式如下：

(5)

(6)

(7)

對經過處理的數據進行主成分分析，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的數據作為主成分，對主成分進一步分析，得到正交旋轉因子載荷矩陣；對數據進一步篩選，得到與輸電工程水土流失區域生態質量相關性大的數據；使用這些數據作為衡量生態質量的數據，計算生態質量綜合指數。

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質量綜合指數，并對其按綜合主成分值進行排序。生態質量綜合指數越高，說明生態質量越好；生態質量綜合指數越低，說明生態質量越差?；谥鞒煞址治龅膭討B監測方法將最終獲得生態質量綜合指數作為監測結果，能夠更好地衡量輸變電工程水土流失區域生態質量，以便及時采取措施面對突發的破壞生態的情況，保證輸變電工程水土流失區域能夠及時恢復生態穩定。至此，基于主成分分析的輸變電工程水土流失區域生態質量動態監測方法設計完成。

2 輸變電工程水土流失區域生態質量動態監測方法實驗研究

2.1 實驗數據準備

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

表3 Landsat5/ Landsat8衛星

考慮輸變電工程所在區域，綜合時相及熱效應強度較明顯的原則，選擇的衛星數據參數見表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，將傳統的基于RSEI模型的動態監測方法和基于多源遙感數據的動態監測方法引入到實驗研究中，設計對比實驗，主要對不同監測方法的監測頻次和參數關聯性進行實驗研究。

表4 衛星數據參數

2.2 監測頻次實驗結果及分析

圖1 不同生態質量動態監測方法監測頻次實驗結果

觀察圖1結果可以看出，基于RSEI模型的動態監測方法在一年的監測中，只有在暴雨階段的6、7、8月份進行監測，監測頻次為3次/年；基于多源遙感數據的動態監測方法實驗結果顯示，在一年的監測中，在3-9月份的雨季中，只選擇5、7和9月份進行了監測，監測頻次為3次/年；提出的基于主成分分析的動態監測方法實驗結果顯示，在整個3-9月份的雨季中均進行了監測，監測頻次為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域生態質量監測方法能夠根據實際情況調整監測頻次，保證監測的實效性。

2.3 參數關聯性實驗結果及分析

由于輸變電工程水土流失區域生態質量動態監測中涉及的參數物理意義不相同，單位也不相同，為了便于比較，對原始數據進行無量綱化處理。在處理完成后，計算兩兩參數間的關聯系數，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域生態質量的參數數列；xi為影響生態質量的參數關聯組成的數據序列，共有n個；Δi(j)為參數數列和比較數列歸一化后的絕對差值；ε為分辨系數，取值為0.5；ξi(j)為參數關系系數。

對于監測方法的參數關聯性的對比分析，將計算關聯系數的平均值作為關聯度，以此衡量不同監測方法的參數關聯性。關聯度越大，說明參數相關性越強，影響越大；反之，關聯度越小，說明參數相關性越弱，影響越小。具體的計算結果見表5。

對比觀察表5結果可知，兩種傳統的動態監測方法的參數相關度比較高。相比之下，提出的動態監測方法參數相關度低，參數相關性弱，對監測結果影響小。結合監測頻次實驗結果可知，提出的基于主成分分析法的輸變電工程水土流失區域生態質量動態監測方法實效性好，參數之間的關聯性對監測結果影響小，具有較好的應用性能，該方法優于傳統的動態監測方法。

表5 不同監測方法參數相關性實驗結果

3 結 語

本文圍繞輸變電工程水土流失區域的生態質量問題展開研究與討論，在相關研究資料支持下，提出基于主成分分析的輸變電工程水土流失區域生態質量動態監測方法。在方法設計完成后，通過多項對比實驗驗證了該監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域生態質量監測未能進行更深層次的驗證分析，在后續研究中將從這一方面展開研究。