草原露天矿区草地沙化的遥感分析--以霍林河矿区为例.pdf

第3 4 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．1 2 0 0 5 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 5 文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 0 0 6 0 5 草原露天矿区草地沙化的遥感分析 以霍林河矿区为例 胡振琪，杨玲，王广军 中国矿业大学土地复垦与生态重建研究所，北京1 0 0 0 8 3 摘要研究了霍林河矿区1 9 8 7 - - 2 0 0 3 年的草地沙化情况；探讨了露天煤矿区草地沙化的影响因 子；采用线性光谱混合分解模型 L S M M 完成了草地沙化信息的提取，对引发草地沙化的直接破 坏信息则采用决策树和B P 神经网络相结合的方法进行了提取．结果表明随着累计原煤产量 的增加，草地破坏面积和草地沙化面积在逐年扩大；矿区建设期内草地沙化速率远高于生产期； 草地直接破坏面积与草地沙化面积具有明显的正相关关系，故可将草地直接破坏面积作为评价、 预测该区煤炭开发对周围草地沙化影响的重要依据 关键词草原露天矿区；草地破坏；草地沙化；遥感 中图分类号x8 7 文献标识码A R e s e a r c ho nD e s e r t i f i c a t i o no fG r a s s l a n d i nP r a i r i eC o a l m i n eB a s e do nR e m o t eS e n s i n gD a t a C a s es t u d yo fH u o l i n h eC o a l m i n e H UZ h e n - q i 。Y A N GL i n g 。W A N GG u a n g j u n I n s t i t u t eo fL a n dR e c l a m a t i o na n dE c o R e s t o r a t i o n ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed e s e r t i f i c a t i o no fg r a s s l a n df r o m19 8 7t o2 0 0 3i nH u o l i n h ec o a l m i n ei Ss t u d i e d ． F a c t o r si n d u c i n gd e s e r t i f i c a t i o no fg r a s s l a n di no p e n c a s tc o a l m i n ea r ed i s c u s s e d ．T h ei n f o r m a t i o no f g r a s s l a n dd e s e r t i f i c a t i o ni Se x t r a c t e db yl i n e a rs p e c t r a lm i x t u r em o d e lw h i l et h ed i r e c td e s t r u c t i o n i n f o r m a t i o ni n d u c i n g g r a s s l a n d d e s e r t i f i c a t i o ni se x t r a c t e d b yd e c i s i o n m a k i n g t r e ea n db a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ．T h er e s u l ts h o w st h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fc o a lo u t p u t ，t h ea r e ao f d e s t r u c t i o na n dd e s e r t i f i c a t i o no fg r a s s l a n dk e e pe n l a r g i n gy e a rb yy e a r ．T h ee x p a n d i n go fg r a s s l a n d d e s e r t i f i c a t i o nd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np e r i o do fc o a l m i n ei sm o r er a p i d e rt h a nt h a td u r i n gt h e p r o d u c t i o np e r i o d ．T h e r ei sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea r e ao fd i r e c td e s t r u c t i o na n dt h ea r e a o fd e s e r t i f i c a t i o n ．S ot h ea r e ao fd i r e c td e s t r u c t i o nc a nb eu s e da sa ni m p o r t a n ta s s e s s m e n t a n d p r e d i c t i o ni n d i c a t o rf o rg r a s s l a n dd e s e r t i f i c a t i o na r o u n dc o a l m i n e s ． K e yw o r d s p r a i r i eo p e n c a s tc o a l m i n e ；g r a s s l a n dd e s t r u c t i o n ；g r a s s l a n dd e s e r t i f i c a t i o n ；r e m o t e s e n s i n g 煤炭是我国最重要的能源，煤炭行业在国民经 济建设中占有重要地位．随着我国煤炭开发“战略 西进”的实施，西部地区将成为我国新世纪重要的 能源基地，而同时这里又是中国重要的草原区之 一，长期以来由于自然和人类的双重作用，草原的 生态环境已是十分脆弱，而煤炭资源的开发和利 用，在促进经济和社会发展的同时，也带来了环境 和灾害问题‘1 | ，势必会使已经十分脆弱的草地环境 收稿日期2 0 0 4 0 7 ～o l 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 0 0 7 1 0 4 5 作者简介胡振琪 1 9 6 3 一 ，男，安徽省嘉山县人，教授，博士生导师，从事土地复垦与生态重建方面的教学及研究 万方数据 第1 期胡振琪等草原露天矿区草地沙化的遥感分析 进一步恶化，生态系统和畜牧业经济的可持续性都 受到严重威胁．本文以霍林河煤矿区为例，阐述了 矿区开发对草地的影响，并借助于卫星遥感资料， 对研究区1 6 年来的草地沙化情况进行了分析，以 期为矿产和草地资源的合理利用和可持续发展提 供决策依据． 1 研究区概况 霍林河煤矿区位于内蒙古自治区哲里木盟扎 鲁特旗境内，走向长6 0k m ，宽8 ～1 0k m ，面积约 为5 4 0k m 2 ．矿区中心的地理坐标为东经1 1 9 。3 4 7 ， 北纬4 5 。2 87 ．位于煤矿区中部的霍林河露天矿是我 国重点开发的大型现代化露天煤矿之一，现有生产 能力10 0 0M t ／a ．此外，在煤矿区北部尚分布有其 它体制的煤矿1 0 余个．考虑到霍林河煤矿区现有 露天煤矿主要集中在霍林郭勒市境内 如图l 所 示 ，本文以霍林郭勒市行政界线作为整个研究区 域的边界． 图1霍林河煤矿区位置不意图 F i g ．1 L o c a t i o no fH u o l i n h ec o a l m i n e 本区地处蒙古高原东部，属中温带温凉地区半 湿润大陆性气候，冬季寒冷少雪，夏季凉爽；平均年 降水量为3 5 4I T I I T I ，蒸发量达15 4 4m m ．栗钙土为 本区主要土壤，占土地总面积的8 5 ．5 ％，间有少量 风沙土和草甸土分布．该区草原系当今世界保留比 较完整的原始草原之一，属于蒙古植物分布区，植 被以针茅、羊草为主． 2 矿区开发对草地的影响 煤矿开发是引发霍林河煤矿区草地退化的主 要因子．煤矿开发对该区草地的影响主要表现在对 草地的直接破坏和草地沙化． 煤矿开发对草地的直接破坏主要包括[ 2 ] 1 挖损，露天煤矿开采后将形成深大的采坑，造成原 地表形态、地层层序、生物种群的直接破坏，使原来 的草地生态系统不复存在；2 压占，挖损后产生的 废弃岩土直接堆置于原来的草地上，形成巨大的排 土场，造成原来草地生态系统的丧失；3 占用，原 有的草地变为容纳厂房、选煤场、运煤铁路、排土道 路、供电通讯线路和给排水管道的工业广场，为缓 解煤炭运输的压力而兴建的大型坑口电厂及其附 属设施，以及矿区开发建设引发的城市扩张、村庄 搬迁和砖瓦窑等建设用地的增长都会导致对原有 草地资源的占用． 挖损、压占和占用会造成矿区地表原生植被的 完全破坏，使地表表土及岩层裸露，常常引起沙尘 暴，是引发矿区周围草地沙化的重要原因．此外，由 于煤矿的开发，机动车辆增多，引起无限制的开辟 新路，而该区土壤质地多轻壤偏砂，植被一经破坏， 水土流失严重，在春季大风的作用下，土壤风蚀沙 化迅速蔓延．同时矿山开采对地下水资源的破坏以 及城市增长引起的水资源过度利用，使得本区地下 水位下降，植被盖度减少，进一步加剧了土壤沙化． 3 研究方法 3 ．1资料准备 经过充分的区域调查和分析，基于行政单元收 集了霍林河煤矿区1 9 8 7 年、1 9 9 6 年和2 0 0 3 年的 T M 资料，如表1 所示．另外还收集了霍林河煤矿 区的1 5 0 0 0 0 地形图 1 9 8 7 年 、1 5 0 0 0 0 矿山资 源分布图 1 9 9 6 年 、1 5 0 0 0 0 土地利用现状图 2 0 0 3 年 ，此外还收集到了霍林河煤矿区1 9 8 7 年 土壤普查报告、1 9 9 2 年土地利用现状调查报告等 文本资料．为了消除遥感影像之间由于传感器和物 候状况的差异而造成的影响，以1 9 8 7 年6 月1 5 日 遥感影像为参考影像，应用T I S F 辐射转换模 型睁4 1 对1 9 9 6 年和2 0 0 3 年的遥感影像进行了辐射 校正；几何校正则是利用1 5 0 0 0 0 地形图上的1 2 个控制点，将遥感影像转换至5 4 北京平面坐标系 下，几何校正的精度小于0 ．5 个像元．所有的图件 都经过了扫描矢量化并转成E N V I 系统的．e v f 格 式，以备后续使用． 表1 霍林河煤矿区T M 资料” T a b l e1H u o l i n h ec o a l m i n er e m o t es e n s i n g d a t af r o mT h e m a t i cM a p p e r * 资料来源中国科学院遥感卫星地面接收站 万方数据 8中国矿业大学学报第3 4 卷 3 ．2 基于决策树和B P 神经网络的信息的提取 挖损、压占和占用是引发矿区周围草地沙化的 重要原因，因此必须遵循一定的思路将这一部分草 地直接破坏信息提取出来，作为后续分析的基础． 煤矿开发对草地的直接破坏主要表现在挖损、 压占和占用上，最终体现到研究区不同年份的土地 利用／覆盖变化上．由于草原露天矿区土地覆被以 牧草地为主，牧草地成片分布，问有少量的水体、居 民地等，因此可以遵循决策树的思想，首先利用 J N D v ≥0 ．0 5 为阈值将土地覆被中的植被和非植被 信息分别提取出来，而后利用B P 神经网络[ 5 ．6 ] ，将 非植被信息中的挖损、压占和占用的信息提取出 来．为了避免引起分类混淆，挖损、压占和占用信息 被划分为矿业建设用地 挖损和压占 、居民地 占 用 和其它建设用地 占用 3 个地物类，连同水体 和裸土共5 个地物类一起作为B P 输入层，B P 神 经网络的作用函数采用S i g m o i d 函数，即厂 z 一 1 ／ 1 e 一 ，为了避免陷入局部极小解，引入动量a 以改进算法、加速收敛和防止振荡．本研究中，将 B P 神经网络隐层数设为2 层，步长7 7 0 ．1 ，口一 0 ．5 ，在迭代1 0 00 0 0 次以后，R M S 误差达到 0 ．0 0 01 ．基于决策树和B P 神经网络的草地直接破 坏信息提取结果如图2 所示． 图2 基于决策树和B P 神经网络的草地直接破坏信息提取结果 F i g ．2D e s t r o y e dg r a s s l a n db a s e do nd e c i s i o n m a k i n gt r e ea n dB Pn e u r a ln e t w o r k 为了评定本次分类结果的精度，采用法国雷兹 导航定位公司生产的S T 2 4 型手持G P S 定位精度 优于2 0m ，在研究区进行了随机抽样，共随机抽 取了1 0 0 个点，正确点数为9 3 ，错误点数7 ，平均分 类精度为9 3 ％． 3 ．3 基于光谱混合分解模型的信息提取 遥感影像是以像元为基本单位来检测和获取 地物信息．实际上，遥感影像上像元亮度值代表的 是地球表面上多种物质混合光谱辐射特征，传统的 分类方法如最大似然法等主要依据一定的准则将 像元单纯地划人到某一类当中，土地利用／覆盖变 化的探测也多采用分类后再比较的方法口] ，但分类 后比较法一直被认为存在较严重的缺陷，这就是无 法探测出存在某一种土地覆盖类型内部的细微变 化[ 8 ] ，于是光谱混合分解被提了出来，并得到了广 泛的应用凹。10 | ． 光谱混合分解的基础是线性光谱混合模型 L S M M ，被定义为像元的光谱亮度值是由构成 像元的基本组分或称为端元 e n d m e m b e r 的光谱 亮度值以其所占像元面积比例为系数的线性组 合L 1 1 | ．可用下式表达 R m 一 i c 从 ％， 酉 N ，一1 ，1 ≥f , i ≥0 ， 函 ，⋯． R M S I ∑ ％ 2 ／Ⅳr ． 一百 一 式中尺n 为第A 波段第i 像元的光谱反射值；N 为 基本组分的数目，N ≤r n l ，m 为波段数； 为对应 i 像元的第k 个基本组分所占的分量值；C H 为第k 个基本组分所在A 波段的光谱反射值；钆为第A 波 段第i 个像元对应的误差值；R M S 为均方根误差 图像． 线性光谱混合模型常采用最小二乘法的方法 进行计算．结果以各端元分量图和残余误差图像的 形式表示．植被、阴影和土壤是线性光谱混合模型 中经常要选用的3 个端元． 在光谱混合分解模型中，端元被定义为2 个成 分 主成分 为特征的空间中的极值点，或者Ⅳ个 成分构成的几何空间的顶角上．端元的类型、数量、 取值是至关重要的．通常以光谱混合分解误差￡尽 可能的小、像元分解后的分量值厂满足o ≤厂≤1 以及端元具有代表性来衡量和评价端元选择的好 万方数据 第1 期胡振琪等草原露天矿区草地沙化的遥感分析 坏．端元可以从波谱库选取，也可以从影像自身中 提取，从影像自身提取的端元易于获得且具有与数 据相同的度量尺度，实际应用中以此法为宜．在本 研究中，经过主成分变换和散度分析[ 9 j ，从遥感影 像上共选取了植被、阴影、沙壤、轻壤4 个端元参与 光谱混合分解计算，其中阴影选取的是影像上云的 阴影．为了保证光谱混合分解的精度，在进行光谱 混合分解之前，将水体、城镇及工矿建设等用地以 I N D V 0 ．0 5 为阀值分割出去． 光谱混合分解后，经去除植被、阴影，归一化后 沙壤分量结果如图3 所示． 图3L S M M 分解后沙壤分量结果图 F i g ．3 T h es a n ds o i le n d m e m b e rr e s u l t e df r o mL S M M 4 结果与分析 1 9 8 7 年、1 9 9 6 年和2 0 0 3 年霍林河矿区累计草 地直接破坏面积s 。、累计草地沙化面积s 和累计 原煤产量C 如图4 所示． 。2 0 0 羔 b1 5 0 立1 0 0 g 5 0 O 年份 图4 霍林河矿区草地破坏面积、 草地沙化面积和原煤产量统计 F i g ．4 S t a t i s t i cf i g u r eo fc o a lo u t p u t ，d e s t r o y e dg r a s s l a n d ， a n ds a n ds o i la r e a si nH u o l i n h ec o a l m i n e 从图4 中可以看出 1 1 9 9 6 年以后累计原煤产量的增长速度要 远高于1 9 9 6 年以前，主要原因是1 9 9 6 年之前霍林 河矿区生产与建设同步进行，而1 9 9 6 年以后则完 全进入了生产阶段，从而使原煤产量大幅度提高； 2 随着原煤累计产量的提高，累计草地直接 破坏面积和草地沙化面积也在逐年扩大；从1 9 9 8 到2 0 0 3 年的1 6 年间，草地直接破坏面积增加了 2 6 ．2 4k m 2 ，草地沙化面积则增加了8 3 ．9k m 2 ； 3 1 9 9 6 年之前土地的沙化速度要大于1 9 9 6 年之后沙化增长速度，表明露天矿区在建设期内土 地沙化速率要高于生产期．探其原因，除与煤炭开 采造成的草地破坏有关外，还与建设期内机动车辆 增多，引起无限制的开辟新路，进一步加剧草地沙 化密切相关； 4 累计草地直接破坏面积与草地沙化面积具 有明显的正相关关系，两者之间的线性相关系数为 0 ．9 7 ，线性相关方程为y 一0 ．3 0 x 一4 ．3 4 y 为草地 沙化面积；z 为累计草地直接破坏面积；面积单位 k m 2 ；原煤产量单位M t ，因此可将草地直接破坏 面积作为评价、预测该区煤炭开发对周围草地沙化 影响的重要依据． 5 结论 1 煤炭开发对草地的影响主要表现在对草地 的直接破坏 挖损、压占和占用 和草地沙化； 2 随着累计原煤产量的增加，草地资源的累 计破坏面积和草地沙化面积也在逐年增长； 3 矿区在建设期内土地沙化速率要远高于生 产期，其原因除与煤炭开采造成的草地破坏有关 外，还与建设期内机动车辆增多，引起无限制的开 辟新路，进一步加剧草地沙化密切相关； 4 草地直接破坏面积与草地沙化面积具有明 显的正相关关系，两者之间的关系模型为Y 一 0 ．3 0 x 一4 ．3 4 ，可将草地直接破坏面积作为评价、预 测该区煤炭开发对周围草地沙化影响的重要依据． 致谢 内蒙古自治区霍林郭勒市国土资源局刘玉顺、 李志学和张志华等人为本研究提供了相关资料，在 此表示感谢 万方数据 中国矿业大学学报 第3 4 卷 参考文献 [ 1 ] 1 , 2 3 l - 3 ] [ 4 ] I - 5 ] [ 6 ] 盛业华，郭达志，张书毕，等．工矿区环境动态监测与 分析研究[ M ] ．北京地质出版社，2 0 0 1 ． 白中科，赵景逵，李晋川，等．大型露天煤矿生态系统 受损研究一一以平朔露天煤矿为例[ J ] ．生态学报， 1 9 9 9 ，1 9 6 8 7 0 8 7 5 ． B a iZK ，Z h a oJK ，L iJC ，e ta 1 ．E c o s y s t e md a m a g e i nal a r g eo p e n c a s tc o a lm i n e Ac a s es t u d yo n P i n g s h u oS u r f a c e C o a lM i n e ，C h i n a [ J ] ．A c t a E c o l o g i c aS i n i c a ，1 9 9 9 ，1 9 6 8 7 0 8 7 5 ． E l m o r eAJ ，M u s t a r dJF ，M a n n i n gS a r aJ ，e ta 1 ． Q u a n t i f y i n gv e g e t a t i o nc h a n g e i ns e m i a r i d e n v i r o n m e n t s P r e c i s i o na n da c c u r a c yo fs p e c t r a l m i x t u r ea n a l y s i sa n dt h en o r m a l i z e dd i f f e r e n c e v e g e t a t i o n i n d e x [ J ] ． R e m o t e S e n s i n g o f E n v i r o n m e n t ，2 0 0 0 ，7 3 8 7 1 0 2 ． H a l lFG ，S t r e b e lDE ，N i c k e s o nJE ，e ta 1 ． R a d i o m e t r i cr e c t i f i c a t i o n T o w a r dac o m m o n r a d i o m e t r i cr e s p o n s ea m o n gm u l t i d a t e ，m u l t i s e n s o r i m a g e s [ J ] ．R e m o t eS e n s i n go fE n v i r o n m e n t ，1 9 9 l ， 3 5 1 1 2 7 ． 贾永红，张春森，王爱平．基于B P 神经网络的多源遥 感影像分类l - J ] ．西安科技学院学报，2 0 0 1 ，2 1 1 5 8 6 0 ． J i aYH ，Z h a n gCS ，W a n gAP ．C l a s s i f y i n go f m u l t i s o u r c e sr e m o t es e n s i n gi m a g e r yb a s e do nB P n e u r a ln e t w o r k [ J ] ．J o u r n a lo fX iA nU n i v e r s i t yo f S c i e n c e T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，2 1 1 5 8 6 0 ． 骆剑承，周成虎，杨艳．人工神经网络遥感影像分类 模型及其与知识集成方法研究[ J ] ．遥感学报，2 0 0 1 ，5 2 1 2 2 1 2 9 ． L u oJC ，Z h o uCH ，Y a n gY ．A N Nr e m o t es e n s i n g c l a s s i f i c a t i o nm o d e la n di t si n t e g r a t i o na p p r o a c hw i t h g e o k n o w l e d g e l - J ] ．J o u r n a lo fR e m o t eS e n s i n g ，2 0 0 1 ， 5 2 1 2 2 一1 2 9 ． 1 - 7 ] 周斌．针对土地覆盖变化的多时相遥感探测方法 I - j ] ．矿物学报，2 0 0 0 ，2 0 2 1 6 5 1 7 1 ． Z h o uB ．T h em u l t i t e m p o r a lr e m o t es e n s i n ga l g o r i t h m s f o rd e t e c t i n gl a n dc o v e rc h a n g e l - J ] ．A c t aM i n e r a l o g i c a S i n i c a ，2 0 0 0 ，2 0 2 1 6 5 一1 7 1 ． E 8 ] L a m b i nEF ，S t r a h l e rAH ．C h a n g ev e c t o ra n a l y s i si n m u l t i t e m p o r a ls p a c e at o o l t Od e t e c ta n dc a t e g o r i z e l a n dc o v e rc h a n g ep r o c e s s e su s i n gh i g ht e m p o r a l r e s o l u t i o ns a t e l l i t ed a t a [ J ] ．R e m o t eS e n s i n go f E n v i r o n m e n t ，1 9 9 4 ，4 8 2 3 1 2 4 4 ． I - 9 ] T h e s e i r aMA ，T h o m a sG ，S a n n i e rA D ．A ne v a l u a t i o no fs p e c t r a lm i x t u r em o d e l i n ga p p l i e dt Oas e m i a r i de n v i r o n m e n t 口] ．I n t ．J ．R e m o t eS e n s ．2 0 0 2 2 3 6 8 7 7 0 0 ． [ 1 0 l 刘成，王丹丽．李笑梅．用混合像元线性模型提取 中等植被覆盖区的粘土蚀变信息l - J ] ．遥感技术与应 用，2 0 0 3 ，1 8 2 9 5 9 8 。 L i uC ．W a n gDL ，L iXM ．E x t r a c t i n gc l a y a l t e r a t i o ni n f o r m a t i o no fm e d i u mv e g e t a t i o nc o v e r e d a r e a sb a s e do nl i n e a rm o d e lo fs p e c t r a lm i x t u r e a n a l y s i s [ J ] ．R e m o t eS e n s i n gT e c h n o l o g ya n d A p p l i c a t i o n ，2 0 0 3 ，1 8 2 9 5 9 8 ． E 1 1 ]张熙川，赵英时．应用线性光谱混合模型快速评价土 地退化的方法研究l - J ] ．中国科学院研究生院学报， 1 9 9 9 ，1 6 2 1 6 9 - 1 7 6 ． Z h a n gXC ，Z h a oYS ．A p p l i c a t i o no fl i n es p e t r a l m i x t u r em o d e lt O r a p i d a s s e s s m e n to fl a n d d e g r a d a t i o ni ns e m i a r i da r e a l - J ] ．J o u r n a lo fG r a d u a t e S c h o o l ，A c a d e m i aS i n i c a ，1 9 9 9 ，1 6 2 1 6 9 一1 7 6 。 责任编辑李成俊 万方数据