基于高分一號遙感影像的露天礦區植被恢復效果評價研究

關鍵詞：礦山修復；植被覆蓋；監測評價；高分一號

中圖分類號：X87 文獻標志碼：B

前言

池州市礦產資源較為豐富，極大促進了地方經濟發展，然而，在礦產資源的開采過程中，礦區的植被系統和植被功能遭到了破壞，造成礦區生態環境不斷惡化，在保護生態環境和可持續發展的導向要求下，對礦區植被的恢復治理顯得尤為重要。

植被覆蓋度作為監測地表綠化造林的重要指標，量化表征了地表植被豐度，反應了植被的生長態勢，是刻畫地表植被覆蓋的重要參數，對其監測能夠表征礦區植被恢復狀況，進而較好的評價礦區植被的恢復效果。傳統的測量方法費時費力、效率低，而遙感監控則具有省時省力，效率高和更大處理數據的優點。學者們基于遙感技術等，就不同環境下的露天礦區開采及其生態恢復過程，對植被覆蓋度的變化開展了一系列研究，趙菁菁等利用Landsat TM/ETM數據通過估算唐山首鋼馬蘭莊鐵礦礦區植被覆蓋度探究礦區生態恢復效果。鐘琪等采用Landsat影像分析大寧礦礦區植被覆蓋度變化趨勢研究礦區修復成效。目前，基于Landsat影像采用像元二分模型分析區域植被覆蓋情況的研究思路逐漸成熟。在礦區植被恢復監測中，采用中國自主研發的高分一號遙感高時空分辨影像數據較少，尤其是針對治理分區來監測評價植被恢復成效的文章還鮮有報道。

鑒于此，文章基于池州市露天礦山修復前（2015年）后（2021年）的高分1號16 m遙感數據，結合運用像元二分模型、轉移矩陣和差值分析等方法，對一般治理區、預防區和重點治理區進行植被恢復成效評價。研究結果可進一步推動池州市生態優先綠色低碳高質量發展。

1研究區概況

研究區為安徽省池州市境內露天礦區，位于安徽省長江下游南岸，該地區四季分明，雨量充沛，溫暖濕潤。多年平均氣溫16.5攝氏度，多年平均降水量1431.85～1626.40毫米，無霜期256天。池州市礦產資源開發歷史悠久、自然資源豐富。礦區開采方式以露天開采為主。池州市查明資源儲量的礦產有石灰巖、方解石、白云巖、鉛鋅、錳和鎢鉬等40種礦產，礦產地243處，其中大型30處，中型46處，小型98處，小型以下69處。礦山區于2015年后持續地進行礦山植被恢復工作，根據池州市地質環境保護與治理規劃，將露天礦區分為預防區、一般治理區和重點治理區。露天礦山實施覆土整理，栽種葛藤、爬山虎等適用于礦山區的植物。（見圖1）

2研究數據與方法

2.1數據來源與處理

GF-1衛星搭載了兩臺2m分辨率全色／8 m分辨率多光譜相機和四臺16m分辨率多光譜相機，具有高空間分辨率對地觀測和大寬幅成像結合的特點，文章選取池州市礦區恢復實施前（2015年）61景、實施后（2021年）66景5-9月（植物生長季）且質量較好的GF-1衛星影像，數據來源于中國資源衛星應用中心（ http：／／36.112.130.153：7777/DSS-Platform/index.html）。先對原始影像進行預處理，利用ENVI5.3軟件中Radiometric Calibration模塊依次進行輻射定標和大氣校正，消除由大氣影響所造成的輻射誤差，反演地物真實的表面反射率；將Landsat8全色波段影像作為參考運用Geometric Cor-rection模塊完成正射校正。接著，在ArcGISl0.8中運用Image Analysis工具計算歸一化植被指數，然后利用Mosaic To New Raster工具進行最大值合成，最后，按池州市礦區治理區進行剪裁和掩膜統計。

2.2像元二分模型

NDVI（歸一化植被指數）又稱標準化植被指數，可以反應植物的生長狀況，在植被覆蓋度的研究中應用廣泛。基于像元二分模型建模估算其植被覆蓋度（Fc），其基本原理計算公式為（1）：

根據《土壤侵蝕分類分級標準》劃分植被覆蓋度等級見表1。

2.3轉移矩陣分析法

轉移矩陣是指通過研究一個地區在不同時期土地利用狀況的變動關系，而得到的二維矩陣。一般的轉移矩陣（如表2所示）中A_i到A_n為不同類型，S_nn代表相應年份下兩種類別的轉化面積（nn相同時表示自身未發生變化的面積）。從類別轉移矩陣中可以得出各類面積的變化，即T1至T2年間各類別P+n到Pn+面積變化（Pn+-P+n）。

2.4差值分析法

利用差值分析法測量不同時期的植物覆蓋率變化，當差值等于0時，表明該柵格表示的植物覆蓋率隨日期改變而增加；差值低于0時，則說明用該柵格所表示的植物覆蓋面隨時間變動而減少。差值分析法能夠很好的表現出植被覆蓋度時間上的變化和展現礦區生態恢復和治理的成效。將差值運算后的結果即植被覆蓋度變化程度分為7個等級，分別為明顯退化（lt;-0.4）、中度退化（-0.15～-0.4）、輕度退化（-0.05～-0.15）、相對穩定（-0.05～0.05）、輕度改善（0.05～0.15）、中度改善（0.15～0.4）和明顯改善（gt;0.4）。

3結果與分析

3.1露天礦區恢復前后植被覆蓋度等級對比分析

借助植被覆蓋度等級面積變化來分析2015年和2021年露天礦區植被恢復成效。從空間分布來看，兩個時期的植被覆蓋度等級均以高植被覆蓋度為主，2021年相較于2015年露天礦區監測區的植被恢復效果明顯，體現在較低植被覆蓋度向高等級植被覆蓋變化（見圖2）。

從監測區治理分區來看，在2015年和2021年三個分區的植被覆蓋等級主要以高度植被覆蓋和中高植被覆蓋為主（如圖3所示），面積變化最為明顯的發生在一般治理區，相較于2015年，2021年高度植被覆蓋面積增加了23.3%，面積占比達到了91.03%，相應的中高度植被覆蓋和中植被面積分別減少了15%和4.6%，說明一般治理區露天礦區植被恢復取得明顯成效；其次為重點治理區，相較于2015年，2021年高度植被覆蓋面積增加了9.24%，面積占比也達到了91.03%，相應的中高度植被覆蓋和中植被覆蓋面積分別減少了6.02%和1.54%；而預防區，由于在2015年高度植被覆蓋面積占比原本就高（90.00%），在2021年的植被恢復空間較小，高度植被覆蓋度面積僅增加了3.70%。由此可見，2015年-2021年間露天礦區的植被恢復成效呈現出較好的發展態勢。

3.2露天礦區恢復前后植被覆蓋度等級轉移分析

為了定量探究露天礦區修復前后植被覆蓋度等級轉移情況，研究運用轉移矩陣方法，以轉移圖的形式直觀地展現監測分區植被覆蓋度等級面積比變化（見圖4）。

在植被恢復前后，一般治理區有31.35%的面積發生了植被覆蓋度等級轉移，其中以中高植被覆蓋度向高植被覆蓋度轉移面積占比最大（ 16.74%），其次為中低植被覆蓋度向高植被覆蓋度轉移（1.58%）；預防區有30.21%的面積發生了植被覆蓋度等級轉移，其中以中高植被覆蓋度向高植被覆蓋度轉移面積占比最大（11.83%），同時還存在2.26%的高植被覆蓋度向中高植被覆蓋度轉移；重點治理區有18.09%的面積發生了植被覆蓋度等級轉移，其中以中高植被覆蓋度向高植被覆蓋度轉移面積占比最大（7.02%），同時還存在3.06%的高植被覆蓋度向中高植被覆蓋度轉移。因此，通過分析植被覆蓋度等級轉移變化，進一步說明了露天礦區植被恢復取得了良好的效果。

3.3露天礦區植被恢復空間差異性分析

運用差值分析法得到植被覆蓋度空間格局變化圖，可以看出露天礦區87.87%的植被發生了改善，其中輕度改善、中度改善和明顯改善的面積占比依次為59.61%、37.41%和2.98%；同時，監測區還存在2.79%面積發生植被退化，主要分布在池州市長久神山礦區；9.34%的礦區植被相對穩定，主要分布在梅村和梅街礦區見圖5（a）。

從監測分區植被恢復空間差異性統計來看，一般治理區、預防區、重點治理區內植被發生改善的面積比例分別達到89%、91%和87%，而且均以輕度改善和中度改善為主，而植被發生退化的面積比例分別僅4%、6%和3%，面積占比較小，植被覆蓋度相對穩定的面積比例分別為7%、3%和10%。綜合來看，露天礦區植被恢復在監測分區均取得較好的效果見圖5（b）。

4結論

對比分析露天礦山植被修復前后的植被覆蓋度等級、轉移以及空間差異，并從不同分區監測評價修復成效，研究結果表明露天礦山植被恢復后，高等級植被覆蓋度分布面積明顯增加，主要分布在一般治理區和重點治理區；一般治理區、預防區和重點治理區內植被覆蓋度等級轉移均以中高植被覆蓋度向高植被覆蓋度轉移為主；露天礦山監測區87.87%的植被表現為改善，三個分區內植被均以輕度改善和中度改善為主。但在監測時間上不連續，在后期研究中，將充分結合高分系列和Sentinel系列高時空分辨率遙感影像，進一步揭示礦山生態修復的時空變化特征，并借助時空地理加權回歸模型，深入探究礦山生態修復的影響因素，助力持續打好長江保護修復攻堅戰。