簡(jiǎn)煊祥，楊永均

（1.福州市勘測(cè)院，福建 福州350003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221116）

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，礦區(qū)生態(tài)保護(hù)問(wèn)題相應(yīng)而生，脆弱的礦區(qū)生態(tài)近年引起了廣泛的擔(dān)憂和關(guān)注［1］，礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)是土地復(fù)墾與生態(tài)重建的重要組成部分。但由于礦區(qū)生態(tài)擾動(dòng)的特殊性，礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)的信息源多、量大，監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，覆蓋范圍廣，評(píng)價(jià)指標(biāo)多，計(jì)算模型復(fù)雜；再者，傳統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測(cè)由于受到客觀條件的限制，地面采樣獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的密度一般較小，時(shí)間間隔往往很長(zhǎng)，采集的數(shù)據(jù)通常為點(diǎn)位數(shù)據(jù)，缺乏時(shí)空上的連續(xù)性和一致性，所監(jiān)測(cè)的信息難以體現(xiàn)大范圍生態(tài)環(huán)境的總體分布狀況［2］。顯然，傳統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生態(tài)保護(hù)與重建的要求，需要引入新的技術(shù)和方法來(lái)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)脆弱的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化［3］。

為了解決上述問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)，本文將傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代空間信息技術(shù)集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)管理。并選擇山西北關(guān)礦區(qū)作為研究實(shí)例來(lái)驗(yàn)證開發(fā)的模型與系統(tǒng)的有效性。

1 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法

1.1 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容及其時(shí)空尺度

采礦對(duì)于礦區(qū)這個(gè)獨(dú)特的人工、半人工生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)中生物和非生物因子因子的變化，如水土流失、植被破壞；生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化，如土地覆蓋的改變和植被第一性生產(chǎn)力下降；生態(tài)系統(tǒng)的功能受損，如物質(zhì)循環(huán)受到影響，碳源碳匯受到影響；破壞生態(tài)系統(tǒng)景觀，引起景觀破碎［4］。而礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)就是利用生命系統(tǒng)及其相互關(guān)系的變化反應(yīng)做“儀器”來(lái)監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化。綜合目前的研究成果，本文確定礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容如表1所示。

根據(jù)礦井生命周期理論和礦區(qū)生態(tài)演變特點(diǎn)［5－6］，礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)可以分別在礦井規(guī)劃建設(shè)階段、礦井生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段和礦井衰老報(bào)廢三個(gè)階段連續(xù)監(jiān)測(cè)。另外，礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)空間尺度一般區(qū)分為區(qū)域大尺度和礦井尺度［7］，進(jìn)行區(qū)域大尺度生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)時(shí)，常采用中高分辨率影像和概略地面調(diào)查，進(jìn)行礦井尺度的生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)時(shí)，常采用中低分辨率影像和詳細(xì)地面調(diào)查。

1.2 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)方法及模型

礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)需要綜合地面調(diào)查、遙感等多種空間信息技術(shù)采集數(shù)據(jù)，并運(yùn)用生態(tài)模型或反演算法進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)不同的生態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，其主要監(jiān)測(cè)方法及其模型如表2所示。

表1 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

表2 主要生態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的方法及模型

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求分析

礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在功能上需要實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)數(shù)據(jù)的管理，包括自然地理、遙感影像等矢量、柵格、屬性數(shù)據(jù)的錄入、管理；礦區(qū)生態(tài)空間數(shù)據(jù)的處理，包括GIS空間分析等；礦區(qū)生態(tài)信息的遙感提取；能按照設(shè)定的生態(tài)監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)；實(shí)現(xiàn)成果可視化，整飭與輸出。系統(tǒng)在性能上必須具有較好的適應(yīng)性、界面友好易于操作。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由文件、空間數(shù)據(jù)查詢與處理、生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、結(jié)果整飭與輸出模塊組成，系統(tǒng)模塊功能如圖1所示。其中生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供的功能包括，包括生態(tài)因子信息提取，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能監(jiān)測(cè)，及生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)。所提供的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)產(chǎn)品包括生態(tài)因子動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：植被指數(shù)、植被覆蓋度、土壤侵蝕、土地?fù)p毀；生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能監(jiān)測(cè)：土地覆蓋、景觀格局、NPP、碳匯；生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)：生態(tài)資產(chǎn)測(cè)量、荒漠化監(jiān)測(cè)、生態(tài)綜合評(píng)價(jià)等。

本文中礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)以地理柵格單元為基礎(chǔ)。因此，本系統(tǒng)中的生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)功能基于柵格數(shù)據(jù)運(yùn)算，其中，以運(yùn)算較為復(fù)雜的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)為例，其數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖1 礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

圖2 土壤侵蝕監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)處理流程

3 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)選用目前應(yīng)用成熟的C／S結(jié)構(gòu)，以Microsoft公司的.NET為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)工具選擇Visual Studio 2008和C＃語(yǔ)言，并將ESRI公司的ArcEngine組件嵌入到系統(tǒng)中，還集成了IDL語(yǔ)言處理遙感影像。礦區(qū)基礎(chǔ)矢量柵格空間數(shù)據(jù)、遙感影像等數(shù)據(jù)利用Geodatabase數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle中，客戶端通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE操作數(shù)據(jù)。

利用ArcEngine中的TOCControl等控件和IWorkspaceFactory、IInterpolationOp3、IMapAlgebraOp等接口實(shí)現(xiàn)多個(gè)圖層地圖的顯示和控制、數(shù)據(jù)加載與查詢、空間插值、矢柵轉(zhuǎn)換、柵格運(yùn)算等功能，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)因子信息的提取功能，利用IDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了遙感反演的代碼編寫，從而完成遙感數(shù)據(jù)的讀取和運(yùn)算。系統(tǒng)還采用第三方控件DevExPress實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)框架和美觀的系統(tǒng)界面。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

本系統(tǒng)選擇了山西北關(guān)礦區(qū)作為運(yùn)行實(shí)例。該礦區(qū)位于山西南部太行山中南段，其地理坐標(biāo)為35°48′15″～35°49′09″N，113°15′57″～113°18′41″E，屬于典型的大陸性溫帶氣候特征，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽有陰雨，冬季嚴(yán)寒少雪；野生動(dòng)物較少，該區(qū)域嚙齒類動(dòng)物較多，大型動(dòng)物稀少；屬暖溫帶夏綠闊葉林帶，喬、灌、草種類繁多，覆蓋率由東南向西北逐漸降低；井田內(nèi)無(wú)常年性河流和大的地表水體。根據(jù)礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建要求，確定了2004年／2007年／2010年三個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間，并確定了地面30m×30m分辨率的空間尺度。數(shù)據(jù)來(lái)源于地面調(diào)查和TM遙感監(jiān)測(cè)，部分監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示。

圖3 實(shí)例礦區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果示意圖

從圖3中可以看出，礦區(qū)土壤這一非生物生態(tài)因子受到一定程度的侵蝕破壞，主要是微度侵蝕（占91.73%），并不嚴(yán)重，通過(guò)植被建設(shè)和生態(tài)保護(hù)，能夠有效控制水土流失；隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦區(qū)建設(shè)用地逐年增加，2010年較2004年增加5.38%，生態(tài)系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)改變；而由于植被覆蓋減少和土地生產(chǎn)力減弱導(dǎo)致植被凈初級(jí)生產(chǎn)力減弱，生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。又從生態(tài)資產(chǎn)的測(cè)算結(jié)果來(lái)看，礦區(qū)單位面積生態(tài)資產(chǎn)最高21.478萬(wàn)元／km2，單位價(jià)值較低，礦區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，礦業(yè)活動(dòng)和人類過(guò)度開發(fā)損害了自然生態(tài)系統(tǒng)的原有功能，這也反映了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。綜合來(lái)看，礦區(qū)生態(tài)一定程度上受到了采礦活動(dòng)的擾動(dòng)，并在自然條件變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多重影響下發(fā)生變化，有必要針對(duì)這些變化加強(qiáng)礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)重建工作。

4 結(jié)語(yǔ)

與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方式相比較，基于“3S”空間信息技術(shù)的方法可以提供大區(qū)域宏觀、快速的監(jiān)測(cè)結(jié)果，而且多時(shí)期監(jiān)測(cè)結(jié)果的可比性強(qiáng)。本文總結(jié)了礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，提煉建立了對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)模型。利用地面數(shù)據(jù)采集、遙感反演、GIS空間數(shù)據(jù)分析等方法，得到礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)所需的數(shù)據(jù)。利用ArcEngine組件庫(kù)和IDL來(lái)完成生態(tài)數(shù)據(jù)的交互查詢、空間分析與顯示制圖，在 Microsoft的.NET平臺(tái)集成構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在以山西省北關(guān)礦區(qū)為實(shí)例礦區(qū)的調(diào)試中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果能為礦區(qū)生態(tài)保護(hù)提供技術(shù)支持。

［1］ 錢鳴高.煤炭產(chǎn)能擴(kuò)張引發(fā)中西部環(huán)境隱憂［N］.科學(xué)時(shí)報(bào)，2011－02－21.

［2］ 劉敏.3S技術(shù)及其在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.廣東林業(yè)科技，2005，21（3）：71－74.

［3］ 吳剛，張紹良，侯湖平.基于“3S”技術(shù)的礦區(qū)生態(tài)擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2011，34（2）：133－135.

［4］ 卞正富.礦區(qū)土地復(fù)墾界面要素演替規(guī)律及其調(diào)控研究［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［5］ 李永峰，汪云甲.基于 TGIS的煤炭生產(chǎn)礦井生命周期研究［C］.南京：中國(guó)自然資源學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2004.

［6］ 侯湖平.基于遙感的煤礦區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

［7］ 雷少剛.荒漠礦區(qū)關(guān)鍵環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)與采動(dòng)影響規(guī)律研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

［8］ 彭蘇萍，王磊，孟召平，等.遙感技術(shù)在煤礦區(qū)積水塌陷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用—以淮南礦區(qū)為例［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2002，27（4）：274－278.

［9］ Wischmeier W H，et al.Soil erodibility Nomorgraph for Farmland and Construction Sites［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1971（26）：189－193.

［10］ 田慶久，閔祥軍.植被指數(shù)研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，1998，13（4）：327－333.

［11］ 劉廣峰，吳波，范文義，等.基于像元二分模型的沙漠化地區(qū)植被覆蓋度提?。阂悦珵跛厣车貫槔跩］.水土保持研究，2007，14（2）：268－271.

［12］ 侯湖平，張紹良，閆艷，等.基于RS、GIS的礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)研究［J］.中國(guó)土地科學(xué)，2009，23（8）：62－67.

［13］ 張召，白中科，賀振偉，等.基于RS和GIS的平朔露天礦區(qū)土地利用類型與碳匯量的動(dòng)態(tài)變化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（3）：230－236.

［14］ 潘耀忠，史培軍，朱文泉，等.中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)資產(chǎn)遙感定量測(cè)量［J］.中國(guó)科學(xué) D輯，2004，34（4）：375－384.