劉 劍 鋒，張 可 慧,馬 文 才

(1.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北 石家莊 050021；2.河北省地理信息開(kāi)發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050021；3.河北省科學(xué)院，河北 石家莊 050081)

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基于高分一號(hào)衛(wèi)星遙感影像的礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究
——以井陘礦區(qū)為例

劉 劍 鋒1，2，張 可 慧1,馬 文 才3

(1.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北 石家莊 050021；2.河北省地理信息開(kāi)發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050021；3.河北省科學(xué)院，河北 石家莊 050081)

根據(jù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)，以世界經(jīng)合組織(OCED)提出的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(P-S-R) 框架理論為指導(dǎo)，構(gòu)建了既適合遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)定量評(píng)估又能較好表征礦區(qū)生態(tài)安全信息的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，針對(duì)礦區(qū)開(kāi)采地區(qū)空間地物的復(fù)雜性，提出了指標(biāo)數(shù)據(jù)源遙感化的概念，基于“高分一號(hào)”衛(wèi)星遙感影像為主的多源、多時(shí)相、多分辨率遙感數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)了多尺度目標(biāo)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)。以井陘礦區(qū)為例，進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究，評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際情況，表明該研究可為維護(hù)礦區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境的原生平衡、引導(dǎo)礦區(qū)資源的合理開(kāi)采與利用提供技術(shù)支持。

高分一號(hào)；遙感；生態(tài)安全；礦區(qū)；指標(biāo)體系；評(píng)價(jià)

0 引言

隨著人類社會(huì)對(duì)地球資源的不斷開(kāi)發(fā)，生態(tài)環(huán)境的原生平衡不斷受到威脅，生態(tài)安全問(wèn)題也日益凸顯。生態(tài)安全的研究愈來(lái)愈受到學(xué)術(shù)界、政府及公眾的廣泛關(guān)注，對(duì)生態(tài)安全概念的重新定義和擴(kuò)展有了更多的研究和討論[1]，從而開(kāi)展了許多生態(tài)安全的相關(guān)研究[2-9]。礦產(chǎn)資源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，而日益增速的礦山開(kāi)發(fā)造成的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重，礦區(qū)生態(tài)安全已成為生態(tài)安全的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

礦山開(kāi)發(fā)區(qū)域一般地形較為復(fù)雜、地物特征多樣，地物信息獲取不易，如果采用傳統(tǒng)的實(shí)地監(jiān)測(cè)方法，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力又滿足不了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。近年來(lái)，3S及空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的快速發(fā)展為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的相關(guān)研究提供了新的數(shù)據(jù)來(lái)源和技術(shù)手段，可及時(shí)、大范圍地監(jiān)測(cè)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，具有傳統(tǒng)方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究中，馬玲[5]采用SPOT-5圖像和Quick Bird圖像對(duì)攀枝花釩鈦磁鐵礦-寶鼎煤礦區(qū)礦山開(kāi)采引起的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用模糊數(shù)學(xué)方法結(jié)合遙感和GIS技術(shù)對(duì)該區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Pradhan等[6]基于遙感數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)礦區(qū)滑坡區(qū)域生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)；葉寶瑩等[7]通過(guò)MSS、TM(ETM)、中巴資源衛(wèi)星(CBERS)等多源多尺度遙感數(shù)據(jù)，提取安太堡露天礦區(qū)的煤礦開(kāi)采、土地破壞及土地復(fù)墾數(shù)據(jù)，為大型露天礦區(qū)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)；朱運(yùn)海等[8]在生態(tài)安全評(píng)價(jià)中采用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)因子，以發(fā)現(xiàn)生態(tài)安全在單個(gè)因子及整體上的發(fā)展趨勢(shì)和潛在問(wèn)題。但由于礦區(qū)生態(tài)安全受礦業(yè)活動(dòng)等的擾動(dòng)性強(qiáng)，已有的評(píng)價(jià)方法需進(jìn)一步完善和補(bǔ)充。

針對(duì)礦山開(kāi)采地區(qū)空間地物的復(fù)雜性，本文基于“高分一號(hào)”衛(wèi)星遙感影像為主的多源、多時(shí)相、多分辨率遙感數(shù)據(jù)源，探討不同因子的遙感反演技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)多尺度目標(biāo)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)，采用“P-S-R”框架理論，構(gòu)建快速有效的礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)井陘礦區(qū)進(jìn)行了實(shí)例研究，取得了較好的效果。本研究為維護(hù)礦區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境的原生平衡、引導(dǎo)礦山資源的合理開(kāi)采與利用提供技術(shù)支持。

1 基于高分一號(hào)遙感影像的礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法

1.1 礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系構(gòu)建框架理論

“P-S-R”(壓力-狀態(tài)-響應(yīng)) 框架理論由世界經(jīng)合組織(OCED)提出，綜合考慮了人類活動(dòng)、生態(tài)環(huán)境狀況及處理環(huán)境問(wèn)題的政策措施三方面因素，可滿足礦區(qū)生態(tài)環(huán)境多目標(biāo)、復(fù)雜的自然和人類活動(dòng)評(píng)價(jià)要求。其同時(shí)考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境、人類活動(dòng)等不同范疇的評(píng)價(jià)指標(biāo)，是一種考慮比較全面、評(píng)價(jià)機(jī)制設(shè)計(jì)較完整的指導(dǎo)性評(píng)價(jià)框架理論，指標(biāo)的選擇與評(píng)價(jià)對(duì)象選擇的理論依據(jù)、評(píng)價(jià)者的知識(shí)背景具有密切關(guān)系。

本研究在“P-S-R”框架理論下展開(kāi)，而利用遙感數(shù)據(jù)可以較好地提取相應(yīng)環(huán)境因子數(shù)據(jù)，因此研究采用我國(guó)首發(fā)的高時(shí)空分辨率遙感圖像——“高分一號(hào)”遙感影像為主的多源遙感數(shù)據(jù)源，同時(shí)輔以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中基礎(chǔ)、專題地理信息及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合儀器實(shí)地快速采樣分析法開(kāi)展對(duì)研究區(qū)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)研究，建立了基于3S技術(shù)的礦區(qū)生態(tài)安全P-S-R框架模型。基于遙感技術(shù)在空間、光譜、時(shí)間分辨率及信息提取技術(shù)方面的不斷進(jìn)步，本研究提出了指標(biāo)數(shù)據(jù)源遙感化的概念，即提高遙感數(shù)據(jù)在整個(gè)指標(biāo)體系數(shù)據(jù)源中的占比，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)生態(tài)安全的逐年乃至逐月的監(jiān)測(cè)，為做到對(duì)整體生態(tài)安全或單因子的早期預(yù)警打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)計(jì)算方法

生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法的提出經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單描述到精確定量計(jì)算的過(guò)程。目前常用的方法有灰色關(guān)聯(lián)度法、主成分投影法、層次分析法(AHP法)、生態(tài)足跡法、綜合指數(shù)法等。本文為更客觀地求取生態(tài)安全評(píng)價(jià)指數(shù)，基于GIS技術(shù)，采用地學(xué)空間模型、AHP法和綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)。

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間化與標(biāo)準(zhǔn)化。為更好地體現(xiàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)在生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的量化作用。需將其數(shù)據(jù)無(wú)量綱化，標(biāo)準(zhǔn)化處理方法如下：

正相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化(其指標(biāo)值越大，則生態(tài)安全程度將越好，如植被蓋度)：

負(fù)相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化(其指標(biāo)值越大，則生態(tài)安全程度會(huì)越差，如礦業(yè)活動(dòng)區(qū)面積)：

式中：xi′是指標(biāo)i轉(zhuǎn)化后的無(wú)量綱值；xi為標(biāo)準(zhǔn)化前的原始指標(biāo)值；xmax、xmin分別為區(qū)域內(nèi)最大、最小值[10]。

其次，對(duì)非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化處理。為了實(shí)現(xiàn)非空間數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的疊加計(jì)算，需對(duì)其進(jìn)行空間化處理。根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的行政區(qū)劃等級(jí)，分別將非空間數(shù)據(jù)值賦均值到鄉(xiāng)鎮(zhèn)或者行政村，然后進(jìn)行柵格化處理，從而實(shí)現(xiàn)非空間數(shù)據(jù)的空間化處理。

(2)礦區(qū)生態(tài)安全的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)表達(dá)式為：

Ai=∑KiBi

式中：Ai代表綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Ki為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值；Bi為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

2 礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

礦區(qū)生態(tài)安全問(wèn)題突出，其評(píng)價(jià)須利用已有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際。指標(biāo)構(gòu)建原則如下：1)科學(xué)性原則。選擇能客觀、真實(shí)地反映礦區(qū)生態(tài)安全的現(xiàn)狀及演化特征的代表性指標(biāo)。2)完整性與實(shí)用性原則。礦區(qū)屬自然和人工交互生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)全面考慮自然與社會(huì)的各項(xiàng)指標(biāo)以完整反映礦區(qū)生態(tài)安全現(xiàn)狀及內(nèi)生機(jī)制等特征[11]，同時(shí)考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)的易獲取性及可定量化性，并適應(yīng)礦區(qū)發(fā)展水平。3)針對(duì)性和引導(dǎo)性原則。針對(duì)主要的生態(tài)安全問(wèn)題設(shè)立指標(biāo)，舍棄從屬目標(biāo)，同時(shí)引導(dǎo)礦區(qū)生態(tài)安全的發(fā)展方向。4)動(dòng)態(tài)性與穩(wěn)定性相結(jié)合原則。指標(biāo)體系在一定時(shí)期后應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)礦區(qū)生態(tài)安全動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不同發(fā)展水平，以切實(shí)反映階段性特征，同時(shí)考慮評(píng)價(jià)的可對(duì)比性，指標(biāo)體系在一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定性，原有指標(biāo)和替代指標(biāo)也可并存一段時(shí)間，以便于進(jìn)行評(píng)價(jià)比較和趨勢(shì)分析。5)指標(biāo)遙感化及快速獲取性原則。數(shù)據(jù)遙感化、數(shù)據(jù)庫(kù)支撐并采用其他先進(jìn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)可快速獲取客觀數(shù)據(jù)，排除數(shù)據(jù)獲取周期長(zhǎng)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏等因素。6)數(shù)據(jù)空間化原則。各指標(biāo)均具有空間屬性，反映其分布特征。

根據(jù)上述原則，參考已有研究成果[9-13]，構(gòu)建包含壓力-狀態(tài)-響應(yīng)3個(gè)層次的礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，共涉及23個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用層次分析法結(jié)合專家打分賦予指標(biāo)權(quán)重(表1)。

3 礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)信息提取

3.1 基于多源遙感數(shù)據(jù)的指標(biāo)數(shù)據(jù)提取

(1)遙感數(shù)據(jù)源選擇?？紤]獲取遙感數(shù)據(jù)的經(jīng)費(fèi)、時(shí)空分辨率及成像幅面寬度等因素，研究選用高分一號(hào)遙感影像數(shù)據(jù)，并輔以中巴資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、TM遙感數(shù)據(jù)以及GoogleEarth、天地圖等網(wǎng)絡(luò)遙感資源進(jìn)行礦區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)的提取。高分一號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，其突破了多光譜、高時(shí)空分辨率相結(jié)合的光學(xué)遙感技術(shù)，高精度、高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)，高分辨率數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，適合礦區(qū)生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵因子的監(jiān)測(cè)。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

Table 1 Evaluation index system and weight

目標(biāo)層準(zhǔn)則層[權(quán)重]要素層[權(quán)重]指標(biāo)層[權(quán)重]數(shù)據(jù)來(lái)源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系壓力[0．44](Pressure)狀態(tài)[0．46](State)響應(yīng)[0．10](Response)環(huán)境壓力[0．34]人文壓力[0．10]地質(zhì)構(gòu)造[0．05]巖性[0．05]地形[0．10]礦區(qū)環(huán)境可治理度[0．05]土壤侵蝕度[0．06]植被指數(shù)[0．10]生物多樣性指標(biāo)[0．05]社會(huì)響應(yīng)指標(biāo)[0．10]地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量[0．06]遙感數(shù)據(jù)地質(zhì)災(zāi)害潛在危險(xiǎn)源[0．05]遙感數(shù)據(jù)水體污染[0．09]遙感數(shù)據(jù)大氣粉塵污染[0．02]遙感數(shù)據(jù)大氣污染[0．04]監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)土壤化肥折純量[0．02]數(shù)據(jù)庫(kù)農(nóng)藥使用量[0．03]數(shù)據(jù)庫(kù)農(nóng)膜使用量[0．01]數(shù)據(jù)庫(kù)土壤Pb污染[0．02]實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)礦業(yè)活動(dòng)區(qū)面積[0．03]遙感數(shù)據(jù)>25°坡耕地面積[0．02]遙感數(shù)據(jù)人均耕地面積[0．01]數(shù)據(jù)庫(kù)人口密度[0．02]數(shù)據(jù)庫(kù)恩格爾系數(shù)[0．01]數(shù)據(jù)庫(kù)人口受教育程度[0．01]數(shù)據(jù)庫(kù)地質(zhì)構(gòu)造[0．05]數(shù)據(jù)庫(kù)巖性[0．05]數(shù)據(jù)庫(kù)坡度[0．10]數(shù)據(jù)庫(kù)礦區(qū)環(huán)境可治理度[0．05]遙感數(shù)據(jù)土壤侵蝕度[0．06]數(shù)據(jù)庫(kù)NDVI[0．10]遙感數(shù)據(jù)生物豐度指數(shù)[0．05]遙感數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境治理度[0．10]遙感數(shù)據(jù)

(2)遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理。一般情況下，礦區(qū)內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣，相對(duì)高差大，利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)過(guò)粗校正的遙感圖像進(jìn)行正射校正以消除高差等因素帶來(lái)的畸變；其后對(duì)高分一號(hào)2 m全色和8 m多光譜影像經(jīng)IHS變換后的I分量經(jīng)小波變換進(jìn)行融合，得到兼具高空間分辨率和光譜分辨率的融合圖像。

(3)指標(biāo)信息提取。通過(guò)建立LUCC數(shù)據(jù)解譯標(biāo)志并細(xì)化礦產(chǎn)活動(dòng)占地解譯標(biāo)志形成了融合圖像的LUCC遙感數(shù)據(jù)信息提取標(biāo)志。其他信息解譯標(biāo)志如下：1)地質(zhì)災(zāi)害：主要包括滑坡、崩塌等?；乱话愠属せ?、舌形、梨形等，陡峭的滑坡壁和它們所形成的圍谷，遙感影像上表現(xiàn)為彎曲弧形。2)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性：采礦等活動(dòng)造成掌子面、尾礦庫(kù)等固廢堆放，存在潰壩、崩塌等隱患，根據(jù)礦業(yè)采場(chǎng)及堆場(chǎng)位置結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，劃定隱患大致范圍。3)環(huán)境污染：選礦、洗煤廢水不經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)排放，對(duì)水體或土壤等造成污染。采礦過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵、粉塵主要對(duì)礦業(yè)活動(dòng)區(qū)臨近區(qū)域及運(yùn)輸?shù)缆穬蓚?cè)造成污染，表現(xiàn)在土壤或植被的顏色與周圍正常顏色的明顯差異。

3.2 基于實(shí)地及其他來(lái)源的指標(biāo)數(shù)據(jù)快速提取

便攜式X射線熒光光譜儀對(duì)于Cu、Pb等重金屬元素的檢出限均低于區(qū)域元素背景值和土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明便攜式X射線熒光光譜儀可用于土壤重金屬污染快速檢測(cè)和土地質(zhì)量評(píng)價(jià)[14]。實(shí)地采集的數(shù)據(jù)為土壤重金屬污染數(shù)據(jù)。采用X射線熒光分析儀，在野外按照1.5 km×1.5 km的網(wǎng)格布點(diǎn)，DEM坡度及地質(zhì)、斷裂帶、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)來(lái)自河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所不斷更新的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 實(shí)例研究及結(jié)果分析

4.1 研究區(qū)概況

井陘礦區(qū)是河北省石家莊市的直轄區(qū)，位于太行山區(qū)中段，北緯38°01′18″～38°08′03″，東經(jīng)113°58′50″～114°06′08″，周邊與井陘縣接壤，地勢(shì)西高東低，面積70.29 km2，轄兩鎮(zhèn)一鄉(xiāng)，2個(gè)街道辦事處，30個(gè)行政村。礦區(qū)礦產(chǎn)資源以煤炭為主，具有一百多年的礦產(chǎn)資源開(kāi)采史，該區(qū)經(jīng)濟(jì)曾因礦山開(kāi)發(fā)而繁榮，在20世紀(jì)60年代，其焦煤產(chǎn)量位居全國(guó)第二位。

井陘礦區(qū)由于面積較小，生態(tài)系統(tǒng)屬于人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)交互影響的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。在利益等因素驅(qū)動(dòng)下，資源遭到長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模、快速的開(kāi)采利用，致使礦區(qū)礦產(chǎn)等資源枯竭、環(huán)境污染，極大地超過(guò)該區(qū)域生態(tài)承載能力，使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全面臨巨大壓力，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。而區(qū)域生態(tài)安全惡化后，又反過(guò)來(lái)制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，形成惡性循環(huán)。井陘礦區(qū)煤炭資源已經(jīng)逐步枯竭，是一個(gè)典型的“因煤而建、因煤而興、因煤而衰”的資源型城區(qū)，其礦山開(kāi)發(fā)在給該區(qū)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上繁榮的同時(shí)也引發(fā)較多的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，具有典型的代表性，故選擇該區(qū)作為研究區(qū)進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)，監(jiān)控和掌握該區(qū)域的生態(tài)安全現(xiàn)狀，并通過(guò)分析生態(tài)安全問(wèn)題產(chǎn)生的原因?yàn)橹贫ㄏ鄳?yīng)的對(duì)策打下基礎(chǔ)，最終達(dá)到使研究區(qū)生態(tài)安全處于良好狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目的。

4.2 主要生態(tài)安全指標(biāo)分析

4.2.1 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量分析 通過(guò)對(duì)高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的解譯判讀，輔助以Google earth等網(wǎng)絡(luò)高分辨率(1 m級(jí))遙感影像、坡度數(shù)據(jù)及實(shí)地考察驗(yàn)證。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布情況見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)滑坡、崩塌分布

Table 2 Distribution of landslide and avalanche

分布區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害類型地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量賈莊鎮(zhèn)滑坡1崩塌2鳳山鎮(zhèn)滑坡7橫澗鄉(xiāng)--

從地形上看，地質(zhì)災(zāi)害主要分布在西部清涼山和云鳳山上；從行政區(qū)域看，主要分布在賈莊鎮(zhèn)和鳳山鎮(zhèn)。地質(zhì)災(zāi)害的主要類型為滑坡，共有8個(gè)點(diǎn)；其次為崩塌，共有2個(gè)點(diǎn)。橫澗鄉(xiāng)由于僅有小部分較低坡度山地，因此沒(méi)有滑坡、崩塌發(fā)生。據(jù)四川攀西調(diào)查資料[15]，按平均坡度分級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表3 所示，滑坡大多發(fā)生在10°～30°之間，崩塌多數(shù)出現(xiàn)在坡度大于30°的邊坡。

表3 崩塌、滑坡與坡度的關(guān)系[16]

Table 3 Relationship between avalanche,landslide and slope

坡度(°)數(shù)量(個(gè))比例(%)類型10沒(méi)有0滑坡10～20607．4滑坡21～3053265．2滑坡>3022427．4崩塌

文獻(xiàn)[17]對(duì)過(guò)去30年間的2 238處崩塌歷史資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，約80%的崩塌事例的坡度為30°～50°，其中邊坡坡度在40°時(shí)最多，并且一般土質(zhì)邊坡的坡度要緩于巖質(zhì)邊坡，且土質(zhì)邊坡崩塌時(shí)的坡度主要介于30°～40°之間，而巖質(zhì)邊坡崩塌時(shí)坡度在30°～50°之間[18]。本研究將滑坡、崩塌發(fā)生地點(diǎn)與坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行了疊加分析顯示，發(fā)生滑坡的地方坡度在12.5°～23.0°之間，崩塌一處坡度在31.0°～33.0°。影像判讀解譯結(jié)果與上述統(tǒng)計(jì)資料中滑坡、崩塌發(fā)生的坡度分布規(guī)律吻合。

4.2.2 地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模分析 采空區(qū)在井陘礦區(qū)核心區(qū)域大面積分布(圖1)。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中采空區(qū)面積占總面積的比例最高的是鳳山鎮(zhèn)，約25.7%；其次為賈莊鎮(zhèn)，占21%；最少的是橫澗鄉(xiāng)，占12.6%。采空區(qū)對(duì)其區(qū)域的各種土地利用類型均產(chǎn)生不同程度的影響。由表4可知，采空區(qū)影響面積最大的是耕地，約682.2hm2，占整個(gè)受影響區(qū)域面積的47.28%；其次是林地和中轉(zhuǎn)場(chǎng)地，分別占16.56%和12.62%；城鄉(xiāng)居民用地為5.58%。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知，采空區(qū)導(dǎo)致的地面塌陷、地裂縫等對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、工業(yè)及居民生活均產(chǎn)生了較大影響。通過(guò)相關(guān)資料和實(shí)地調(diào)查得知，由于采空區(qū)地表應(yīng)力發(fā)生改變，產(chǎn)生的塌陷、地裂縫等十分嚴(yán)重，導(dǎo)致居民及工礦企業(yè)建筑受損，棄耕撂荒現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖1 井陘礦區(qū)采空區(qū)分布

Fig.1 Goaf distribution of Jingxing mining area

表4 采空區(qū)土地利用類型及其面積

Table 4 Area of land use in goaf area

土地利用類型面積(m2)占采空區(qū)比例(%)耕地6827195．5847．275林地2391024．7416．557草地686982．454．757水域283826．331．965城鄉(xiāng)居民用地805681．575．579中轉(zhuǎn)場(chǎng)地1822223．0012．618固體廢棄物 196．780．001礦業(yè)建筑1249353．088．651交通工業(yè)用地374882．852．597總計(jì)14441366．39100

4.2.3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分析 開(kāi)采煤炭和地下水使地表產(chǎn)生不均勻沉降，從而引發(fā)塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，在煤炭資源幾乎枯竭的情況下，地方國(guó)有煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)村集體煤礦多次復(fù)采殘煤，進(jìn)一步加大了地面塌陷、裂縫程度，造成地質(zhì)災(zāi)害隱患；采石場(chǎng)等破壞了原有的山體平衡，形成掌子面等開(kāi)采面，受雨水沖刷容易產(chǎn)生崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；采石形成的尾礦、廢礦石如果貯存地點(diǎn)不適宜會(huì)導(dǎo)致堆積量逐年增大，在汛期容易產(chǎn)生泥石流；雨量年度分布極為不均，汛期強(qiáng)降雨易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。因此，采空區(qū)、礦山開(kāi)采面、不適宜的尾礦庫(kù)和廢礦石堆放點(diǎn)，都具有地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性。井陘礦區(qū)采礦歷史悠久，存在大面積的采空區(qū)，經(jīng)遙感判讀在賈莊鎮(zhèn)和橫澗鄉(xiāng)存在大量礦山開(kāi)采面，這些都是崩塌、滑坡、地面塌陷、地裂縫的潛在危險(xiǎn)源。因此井陘礦區(qū)具有較高的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性。

4.2.4 粉塵污染分析 井陘礦區(qū)存在大量煤炭開(kāi)采、洗選、儲(chǔ)存、中轉(zhuǎn)等活動(dòng)，加之大量采石場(chǎng)的存在，導(dǎo)致采場(chǎng)、中轉(zhuǎn)場(chǎng)地等礦業(yè)活動(dòng)場(chǎng)地周圍及交通主干道兩側(cè)粉塵污染極為嚴(yán)重，對(duì)周邊區(qū)域土壤產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，受污染農(nóng)作物導(dǎo)致減產(chǎn)，受污染植被導(dǎo)致生長(zhǎng)不良，并且視覺(jué)感官極差。相關(guān)區(qū)域在遙感影像上呈現(xiàn)以礦業(yè)活動(dòng)場(chǎng)所為中心向外顏色由深變淺的規(guī)律，即離煤炭較近的地方受煤炭粉塵污染較重，隨著距離的增加影響逐漸減少；而采石場(chǎng)周邊則因?yàn)槭軠\色粉塵的影響呈現(xiàn)較周圍同類地物淺的色調(diào)(圖略)。

4.3 礦區(qū)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

依據(jù)公開(kāi)出版的國(guó)家、地方和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合已有研究成果，將研究區(qū)生態(tài)安全狀態(tài)分為安全狀態(tài)、較安全狀態(tài)、一般狀態(tài)、較不安全狀態(tài)和不安全狀態(tài)5個(gè)生態(tài)安全等級(jí)。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)生態(tài)安全評(píng)價(jià)等級(jí)為一般狀態(tài)的面積最大，約占30.17%；其次為較安全級(jí)別，約占22.41%，安全狀態(tài)占17.24%；不安全狀態(tài)和較不安全狀態(tài)分別占15.81%和14.37%。由此可知該區(qū)域生態(tài)安全已受到威脅的區(qū)域面積占比為60.35%，生態(tài)安全問(wèn)題應(yīng)引起相關(guān)部門關(guān)注。

由研究區(qū)生態(tài)安全狀態(tài)空間分布(圖2)可知，井陘的生態(tài)安全狀況總體格局呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：1)研究區(qū)5種生態(tài)安全狀態(tài)呈現(xiàn)按鄉(xiāng)鎮(zhèn)集聚的特點(diǎn)。鳳山鎮(zhèn)生態(tài)安全狀態(tài)好于橫澗鄉(xiāng)，而賈莊鎮(zhèn)生態(tài)安全狀態(tài)最差。時(shí)空分布上研究區(qū)北部處于較差的生態(tài)安全水平，南部整體處于較好的生態(tài)安全水平。2)研究區(qū)生態(tài)安全水平空間分布與人類活動(dòng)分布和地形特點(diǎn)呈正相關(guān)。賈莊鎮(zhèn)人口最多，山地占比例最高，礦山開(kāi)采活動(dòng)密度大，工業(yè)較為發(fā)達(dá)，因此該區(qū)域生態(tài)安全承受了較大壓力，大部分區(qū)域處于預(yù)警狀態(tài)。

綜合以上分析，大規(guī)模礦業(yè)活動(dòng)是使得礦區(qū)內(nèi)部分區(qū)域生態(tài)安全處于較不安全或不安全狀態(tài)的主因。從生態(tài)安全受到威脅的區(qū)域看，很大程度上歸咎于該區(qū)域規(guī)模大、強(qiáng)度高、近百年的礦業(yè)開(kāi)采歷史。礦區(qū)的資源開(kāi)采型支柱產(chǎn)業(yè)單一，圍繞礦業(yè)開(kāi)采的產(chǎn)業(yè)活動(dòng)造成的地質(zhì)災(zāi)害及隱患、景觀的破壞、土地資源占用、環(huán)境污染等負(fù)面影響導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)安全出現(xiàn)大面積預(yù)警狀態(tài)。

圖2 生態(tài)安全空間分布格局

Fig.2 Spatial distribution of ecological security

5 結(jié)語(yǔ)

本文首次將以高分一號(hào)衛(wèi)星遙感影像為主的多類型、多時(shí)相和不同空間分辨率的遙感圖像引入數(shù)據(jù)源，基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”框架理論建立了一套適合礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)的遙感信息指標(biāo)體系，涉及的23個(gè)指標(biāo)涵蓋了自然、人類活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多方面的因素，是一個(gè)較全面的礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系,指標(biāo)數(shù)據(jù)均來(lái)自遙感數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)地快測(cè)。遙感信息提取采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取與目視解譯相結(jié)合的方法,既提高了信息提取的效率又保證了解譯精度,可滿足對(duì)礦區(qū)生態(tài)安全的快速監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)的要求。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，本文方法能較好地評(píng)價(jià)實(shí)際生態(tài)安全狀況，可為相關(guān)研究提供借鑒。由于在指標(biāo)權(quán)重的設(shè)定中采用了層次分析法與專家打分法相結(jié)合的方法，存在一定的主觀成分，如何取得更為客觀的權(quán)重體系，提高評(píng)價(jià)的普適性，將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Research on Evaluation of Mining Area Ecological Security Based on Gaofen-1 Satellite Imagery:Take Jingxing Mining Area for Example

LIU Jian-feng1,2,ZHANG Ke-hui1,MA Wen-cai3

(1.InstituteofGeographicalSciences,HebeiAcademyofSciences,Shijiazhuang050021; 2.HebeiEngineeringResearchCenterforGeographicInformationApplication,Shijiazhuang050021; 3.HebeiAcademyofSciences,Shijiazhuang050081,China)

According to the features of mining area environment,an evaluation index system of ecological security,representing mining area ecological information as well as suitable for quantified evaluation by remote sensing,is constructed based on the OCED(Organization for Economic Cooperation and Development) proposed "Pressure-State-Response" framework model.Aiming at the complexity of spatial ground objects in mining area,a concept of "remote sensing informatization for index data source" is put forward,which is to increase the proportion of remote sensing based index data,to realize a yearly or even monthly monitoring of mining area.Based on Gaofen-1 satellite imagery and other remote sensing data,remote sensing inversion methods of different index are discussed and multi-scale objects monitoring and evaluating technology are realized.Taking Jingxing mining area for example,the reasonable result of mining area ecological security evaluation shows that the study can provide support to maintain the original balance of mining area ecological environment and to guide the reasonable exploitation of mine resources.

Gaofen-1 satellite;remote sensing;ecological security;mining area;index system;evaluation

2014-10-11；

2015-01-12

河北省科學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目(14123、14130、15130)

劉劍鋒(1974-)，男，副研究員，研究方向?yàn)?S技術(shù)在生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用。E-mail:ljf70s@126.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.05.024

X37；TP75

A

1672-0504(2015)05-0121-06