李恒凱，雷 軍，吳 嬌

（江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，贛州 341000）

0 引 言

礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中，不可避免地造成地表挖損和塌陷、土壤破壞、植被受損等問(wèn)題，及時(shí)掌握土地毀損數(shù)量、毀損時(shí)間、是否復(fù)墾、復(fù)墾過(guò)程和復(fù)墾后狀態(tài)，是土地管理部門(mén)實(shí)施土地復(fù)墾全程監(jiān)管的重要工作內(nèi)容[1]。傳統(tǒng)的土地毀損與復(fù)墾信息獲取多依賴(lài)于野外實(shí)地調(diào)查與測(cè)試分析，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且監(jiān)測(cè)范圍較小[2-5]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，多時(shí)相分類(lèi)后比較法被廣泛應(yīng)用于礦區(qū)土地和生態(tài)環(huán)境變化檢測(cè)[6-9]，但描述“過(guò)程”至關(guān)重要的時(shí)間維度被過(guò)度“概化”，土地毀損與恢復(fù)的變化特征未能較好體現(xiàn)。遙感時(shí)序分析以單波段量化參數(shù)代替原始的多光譜影像作為輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)量化分析地物在時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)和規(guī)律來(lái)分析地物的變化情況，對(duì)地物變化的標(biāo)準(zhǔn)具有較高的一致性，算法效率較高[10]，為更大時(shí)空范圍的生態(tài)過(guò)程監(jiān)測(cè)提供了方法[11]，已在植被動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)[12-13]、森林?jǐn)_動(dòng)與恢復(fù)[14-15]、礦區(qū)植被監(jiān)測(cè)[16]、礦區(qū)土地毀損[17]等方面得到應(yīng)用。南方離子稀土開(kāi)采始于20世紀(jì)80年代，先后經(jīng)歷了池浸、堆浸、原地浸礦 3種開(kāi)采工藝，其開(kāi)采過(guò)程直接對(duì)地表土壤、植被等環(huán)境因素造成破壞，帶來(lái)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，稀土礦區(qū)的土地資源毀損與生態(tài)恢復(fù)已成為離子稀土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵制約因素[18]。

Landsat 系列數(shù)據(jù)具有近40 a的存檔數(shù)據(jù)，但其回訪(fǎng)周期較長(zhǎng)，在多云多雨的中國(guó)南方地區(qū)可用數(shù)據(jù)較少；HJ-1A/1B CCD數(shù)據(jù)具有回訪(fǎng)周期短、覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但由于HJ-1A/1B衛(wèi)星發(fā)射較晚，所積累的歷史數(shù)據(jù)不多[19]。這 2種數(shù)據(jù)的結(jié)合，可為礦區(qū)尺度遙感時(shí)序分析法的應(yīng)用提供較為可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。當(dāng)前，采用遙感時(shí)序分析法對(duì)礦區(qū)土地毀損與恢復(fù)的研究主要集中在傳統(tǒng)煤礦區(qū)，如李晶等[1]應(yīng)用遙感時(shí)序分析方法對(duì)阿巴拉契亞煤田區(qū)韋恩縣1984—2010年間的土地毀損與恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行分析，較好揭示了土地毀損-復(fù)墾過(guò)程特征。由于南方稀土元素以離子狀態(tài)分布于土壤中，導(dǎo)致稀土開(kāi)采不像煤礦及大部分金屬礦開(kāi)采一樣，直接將礦體和基巖剝離，而是采用浸礦方法，通過(guò)化學(xué)溶液浸泡將稀土元素從土壤中置換出來(lái)，該方法一方面直接破壞地表植被，形成大片裸露荒地；另一方面稀土開(kāi)采注入的大量浸礦液體也直接導(dǎo)致礦點(diǎn)地表土壤特性發(fā)生變化，植被退化及自然恢復(fù)困難，廢棄礦點(diǎn)甚至多年寸草不生[20]。正是由于這種特殊的開(kāi)采方式，導(dǎo)致尾砂地的光譜特征與自然裸土較為相似，從而對(duì)稀土開(kāi)采識(shí)別造成干擾。本文以定南縣嶺北稀土礦區(qū)為例，以L(fǎng)andsat 5、Landsat 8和HJ-1B CCD影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合遙感時(shí)序分析方法，分析稀土開(kāi)采的時(shí)空分布及礦區(qū)土地毀損與恢復(fù)過(guò)程，以期為稀土礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

嶺北稀土礦區(qū)位于江西省定南縣城北約20 km處。地理坐標(biāo)：東經(jīng) 114°58′04″～115°10′56″，北緯 24°51′24″～25°02′56″，面積約為200 km2。該礦區(qū)迄今已有 20多年開(kāi)采歷史，其開(kāi)采工藝先后經(jīng)歷了池浸、堆浸、原地浸礦。早期采用的開(kāi)采工藝為池浸和堆浸，其開(kāi)采工藝均為露天開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)程中需要將植被表土層和礦體剝離，造成大量廢土、廢石堆積，侵占了大量土地，同時(shí)尾砂隨雨水沖刷，造成礦點(diǎn)周邊土地沙化。后期采用的原地浸礦開(kāi)采工藝在一定程度上減少了對(duì)礦區(qū)土地的破壞，但大量注液孔的開(kāi)挖和浸礦液體不可避免的泄露，仍會(huì)對(duì)礦區(qū)土地造成一定的破壞。圖1為研究區(qū)地理位置圖。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location map of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究采用的數(shù)據(jù)主要有遙感數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)為1990—2016年的Landsat 5、Landsat 8和HJ-1B CCD影像。由于研究區(qū)域位于南方地區(qū)，多云多雨天氣較多，因此采集時(shí)間多集中在 10月至次年 1月。1992—1994年、1996—1999年、2012年和 2015年的Landsat影像，受衛(wèi)星回訪(fǎng)周期、云量等因素的影響，無(wú)合適影像選擇。2008年以后，HJ-1A/1B衛(wèi)星成功發(fā)射，由于回訪(fǎng)周期短、空間分辨率相同，因此2008年以后缺失的Landsat 5和Landsat 8影像采用同時(shí)期10月的HJ-1B CCD影像替代。進(jìn)行時(shí)間序列分析時(shí)，傳感器之間的差異會(huì)導(dǎo)致不確定性誤差，因此選取了 4對(duì)同日過(guò)境的HJ-1B CCD和Landsat 5/8影像進(jìn)行交互比較，其中2組影像對(duì)為試驗(yàn)影像，另2組影像對(duì)為驗(yàn)證影像。DEM數(shù)據(jù)選擇由日本 METI和美國(guó) NASA聯(lián)合研制的 ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30 m，由地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)提供。表1為選取的交互比較影像對(duì)的詳細(xì)信息，表2為時(shí)間序列分析影像數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。

表1 交互比較影像對(duì)Table 1 Interactive comparison image pair

表2 影像獲取日期、類(lèi)型及標(biāo)識(shí)符Table 2 Date, type and identifier of image acquisition

為進(jìn)行后續(xù)分析，分別對(duì)HJ-1B CCD、Landsat 5和Landsat 8原始影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正，并對(duì)大氣校正后的HJ-1B CCD、Landsat 5和Landsat 8影像進(jìn)行幾何校正，幾何校正方法選擇二次多項(xiàng)式，幾何校正誤差均控制在0.5個(gè)像元之內(nèi)。利用研究區(qū)域的矢量邊界對(duì)幾何校正后的Landsat 5、Landsat 8和HJ-1B CCD進(jìn)行圖像裁剪，得到研究區(qū)域的Landsat 5、Landsat 8和HJ-1B CCD時(shí)間序列影像。

2.2 研究方法

歸一化植被指數(shù)（NDVI）由于對(duì)植被的生物物理特征十分敏感，且在時(shí)效、尺度方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，在礦區(qū)土地?fù)p毀變化監(jiān)測(cè)中有較好的應(yīng)用效果[21-23]。本文以 NDVI時(shí)序影像為研究對(duì)象，通過(guò)回歸分析法，構(gòu)建Landsat 5、Landsat 8和HJ-1B CCD 3種數(shù)據(jù)之間的NDVI轉(zhuǎn)換方程，并將3種數(shù)據(jù)的NDVI轉(zhuǎn)化到Landsat 5標(biāo)準(zhǔn)下，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的多源時(shí)序 NDVI影像，從而對(duì)稀土開(kāi)采時(shí)空分布及礦區(qū)土地毀損與恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行分析。

2.2.1 轉(zhuǎn)換方程構(gòu)建與精度檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)礦區(qū)不同來(lái)源同期影像上的 NDVI采樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)散點(diǎn)圖存在明顯的線(xiàn)性相關(guān)性，因此使用回歸分析法獲取Landsat 5/8與HJ-1B CCD數(shù)據(jù)的NDVI之間的轉(zhuǎn)換方程，兩者之間的回歸模型可以用以下數(shù)學(xué)形式表示

式中x，y分別表示HJ-1B CCD、Landsat 5/8的NDVI值，a，b為系數(shù)，可以通過(guò)最小二乘法獲得。

將未參與試驗(yàn)的HJ-1B CCD影像利用得到的轉(zhuǎn)換方程模擬出與Landsat 5/8對(duì)應(yīng)的NDVI影像（以下簡(jiǎn)稱(chēng)模擬影像），然后將模擬影像和實(shí)際Landsat 5/8的NDVI影像進(jìn)行比較評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換方程的精度。通過(guò)計(jì)算 NDVI的均方根誤差（RMSE）來(lái)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換方程的精度。RMSE的計(jì)算公式如下[24]：

式中Xi為模擬影像的NDVI值，Yi為實(shí)際Landsat 5/8影像的NDVI值，N為驗(yàn)證樣本個(gè)數(shù)。

2.2.2 稀土開(kāi)采識(shí)別

結(jié)合時(shí)序影像中的真彩色影像和 Google Earth上的已有年份的高分影像，分別在每期的 NDVI影像上隨機(jī)選取一定量的訓(xùn)練樣點(diǎn)，訓(xùn)練樣點(diǎn)的類(lèi)型包括：1）各期影像有植被覆蓋和基本無(wú)植被覆蓋；2）已開(kāi)采（1990—2016，所選的訓(xùn)練樣點(diǎn)受到稀土開(kāi)采擾動(dòng)或者1990年以前受稀土開(kāi)采擾動(dòng)但未進(jìn)行復(fù)墾）和未受到稀土開(kāi)采擾動(dòng)。應(yīng)用CART（classification and regression tree）決策樹(shù)分類(lèi)方法，將采集的訓(xùn)練樣點(diǎn)輸入RuleGen v1.02軟件中，得到每期影像中植被與非植被、開(kāi)采與非開(kāi)采的閾值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 每期影像植被/裸土、稀土開(kāi)采與非開(kāi)采的閾值Fig.2 Vegetation/bare soil and rare earth mining/no rare earth mining threshold for each image in time series

與其他礦區(qū)不同，稀土元素在土壤中的豐度較低、分布范圍較廣，因此南方離子稀土礦區(qū)的地物類(lèi)型復(fù)雜，包含林地、耕地、草地、居住用地、果園、道路等。除稀土開(kāi)采產(chǎn)生的尾砂地以外，建筑物、其他人為活動(dòng)（森林砍伐、果園開(kāi)發(fā)）產(chǎn)生的裸土區(qū)域，其N(xiāo)DVI值較低，僅通過(guò)稀土開(kāi)采與非開(kāi)采的閾值獲取稀土開(kāi)采的時(shí)空分布，可能把這部分區(qū)域也包括在內(nèi)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)曾多次前往嶺北稀土礦區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)的建筑多為民居，出于成本和交通便利方面的考慮，建筑多建造于農(nóng)田、裸土之上、且建筑物一旦建成，其 NDVI變化相對(duì)較??；另外非稀土開(kāi)采產(chǎn)生的裸土區(qū)域，與稀土尾砂地相比，其土壤成分未受到較大改變，植被恢復(fù)較快，NDVI的整體波動(dòng)較小。正是由于上述原因，因此可以加入變異系數(shù)對(duì)建筑物以及非稀土開(kāi)采導(dǎo)致的土地毀損進(jìn)行剔除，計(jì)算公式如下[25]

式中CV為變異系數(shù)，S為標(biāo)準(zhǔn)差，xi為時(shí)序影像中某點(diǎn)像元的NDVI值，為時(shí)序影像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)像元NDVI的平均值，n為選取的時(shí)序影像景數(shù)，本文取n=19。

根據(jù)上述計(jì)算公式得到嶺北稀土礦區(qū)的變異系數(shù)影像，并隨機(jī)采集稀土擾動(dòng)與非稀土擾動(dòng)的訓(xùn)練樣點(diǎn)，輸入RuleGen v1.02軟件中，得到稀土擾動(dòng)與非稀土擾動(dòng)的變異系數(shù)閾值CV1=0.400 9。結(jié)合得到的稀土開(kāi)采與非稀土開(kāi)采的閾值、變異系數(shù)閾值 CV1獲取稀土開(kāi)采的時(shí)空分布。只有 NDVI小于稀土開(kāi)采與非稀土開(kāi)采的閾值，變異系數(shù)大于 CV1的區(qū)域才被定義為稀土開(kāi)采，僅滿(mǎn)足前一條件的定義為非稀土擾動(dòng)。

2.2.3 土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型劃分

通過(guò)Google Earth 上已有年份的高分影像，獲得研究區(qū)域包含的土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型，從 NDVI時(shí)序影像上獲取研究區(qū)域不同土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型的 NDVI變化軌跡，并通過(guò)歷史高分影像將 NDVI變化軌跡、土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型進(jìn)行對(duì)應(yīng)。研究區(qū)包含的土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型分別為：1）未受到干擾，整個(gè)時(shí)期植被覆蓋均保持在較高水平（林地）；2）池浸/堆浸開(kāi)采，整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)基本無(wú)植被覆蓋；3）非稀土開(kāi)采干擾，整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)基本無(wú)植被覆蓋（建筑物）；4）池浸/堆浸開(kāi)采，采前有植被，采后植被尚未恢復(fù)；5）非稀土開(kāi)采干擾，植被覆蓋水平較低（農(nóng)田）；6）非稀土開(kāi)采干擾，植被覆蓋降低，后逐漸恢復(fù)，達(dá)到干擾前水平（果園開(kāi)發(fā)）；7）池浸/堆浸開(kāi)采，采前有植被，采后植被有一定恢復(fù)，但未達(dá)到采前水平；8）非稀土開(kāi)采干擾，干擾前植被覆蓋較高，干擾后植被覆蓋迅速降低，后迅速恢復(fù)，達(dá)到干擾前水平（森林砍伐）；9）非稀土開(kāi)采干擾，監(jiān)測(cè)初期植被覆蓋較低，后逐漸升高，達(dá)到周邊同類(lèi)水平（退耕還林）。9種不同類(lèi)型像元的NDVI變化軌跡如圖3所示。

根據(jù)上述不同 NDVI軌跡類(lèi)型的特征差異，采用以下 6個(gè)特征參量，通過(guò)閾值設(shè)置，對(duì)每一個(gè)像元的歸屬進(jìn)行辨識(shí)。m、n分別表示開(kāi)采前、開(kāi)采后的觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

圖3 不同類(lèi)型像元的NDVI變化軌跡Fig.3 NDVI change trajectory of different pixels

1）MAXi表示整個(gè)觀(guān)測(cè)期內(nèi)時(shí)序NDVI的最大值，反映i像元所在位置植被覆蓋度的峰值。MAXi= max(NDVI1i, NDVI2i,…, NDVI19i)。

2）MINi表示整個(gè)觀(guān)測(cè)期內(nèi)時(shí)序NDVI的最小值，反映i像元所在位置是否受到擾動(dòng)，MINi= min (NDVI1i,NDVI2i,…,NDVI19i)。

3）MAXi_pre表示擾動(dòng)前時(shí)序NDVI的最大值，反映i像元所在位置擾動(dòng)前植被覆蓋度的峰值。MAXi_pre=max(NDVI1i, NDVI2i,…,NDVImi), 0≤m＜19。

4）MAXi_post表示擾動(dòng)后時(shí)序NDVI的最大值，反映i像元所在位置擾動(dòng)后植被覆蓋的峰值，MAXi_post=max(NDVIm+1_i, NDVIm+2_i,…,NDVIm+n_i), 0≤m＜19,m+n=19。

5）NDVIi_veg、NDVIi_rare分別表示時(shí)序影像中每期影像植被與非植被、開(kāi)采與非開(kāi)采的 NDVI閾值、具體數(shù)據(jù)從方法2.2.2中獲取。

6）CV1表示稀土開(kāi)采干擾與非稀土開(kāi)采干擾的變異系數(shù)閾值，CV1≥0.400 9表示為稀土開(kāi)采干擾，CV1＜0.400 9，表示非稀土干擾。

應(yīng)用上述 6個(gè)特征參數(shù)，對(duì)研究區(qū)域的土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，具體分類(lèi)見(jiàn)表3。

表3 稀土礦區(qū)土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型Table 3 Type of land damage and recovery in rare earth mining area

3 結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)換方程及精度評(píng)價(jià)

采用回歸分析的方法，得到HJ-1B CCD與Landsat5/8之間NDVI的轉(zhuǎn)換方程，其結(jié)果如圖4a、4b所示。并利用均方根誤差的方法對(duì)模型的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，其結(jié)果如圖4c、4d。

通過(guò)圖4a、4b可以看出，HJ-1B CCD和Landsat 5/8的 NDVI影像對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換方程的R2值均超過(guò) 0.9，說(shuō)明HJ-1B CCD和Landsat 5/8的NDVI非常類(lèi)似。圖4c、4d中，HJ-1B CCD影像模擬的NDVI值與實(shí)際的Landsat 5/8影像的NDVI值的散點(diǎn)基本沿1∶1線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，RMSE均小于0.05，表明轉(zhuǎn)換方程的精度較高。

3.2 稀土開(kāi)采時(shí)空分布分析

根據(jù)方法2.2.2獲取嶺北稀土礦區(qū)稀土開(kāi)采的時(shí)空分布，并進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。圖 5為礦區(qū)某一稀土開(kāi)采區(qū)主要年份的時(shí)空分布圖。

由圖 6可知，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，均有一定數(shù)量的開(kāi)采活動(dòng)產(chǎn)生，其中2000—2004年、2006年開(kāi)采面積較大，其開(kāi)采面積均超過(guò) 1km2，2006年的開(kāi)采面積最大為2.5461 km2，2008—2016年開(kāi)采面積均較小，2013年以后開(kāi)采面積均處于0.1 km2以下。2006年以前，由于稀土開(kāi)采工藝較為簡(jiǎn)單，且大多數(shù)礦點(diǎn)位于邊遠(yuǎn)山區(qū)，監(jiān)管較為困難，外加稀土價(jià)格的上漲，偷采盜采嚴(yán)重，導(dǎo)致開(kāi)采面積急劇增加[26]；2006年以后，開(kāi)始實(shí)施稀土開(kāi)采數(shù)量管制，出口關(guān)稅由最初的出口退稅演變?yōu)橹鹉晏岣叱隹陉P(guān)稅，外加監(jiān)管力度加強(qiáng)，從而導(dǎo)致稀土面積迅速減少[27]。由圖 5可知，在同一時(shí)間同一地點(diǎn)，稀土開(kāi)采面積較小，開(kāi)采較為分散，這主要是由于當(dāng)時(shí)嶺北礦區(qū)的采礦權(quán)人（贛州稀土礦業(yè)有限公司）采用了委托開(kāi)采的運(yùn)作模式，所有權(quán)與經(jīng)營(yíng)權(quán)分離，從而導(dǎo)致礦點(diǎn)分散開(kāi)采。分散開(kāi)采模式不僅增加了監(jiān)管的困難，還導(dǎo)致資源浪費(fèi)，環(huán)境治理困難增加。

圖4 HJ-1B CCD 和Landsat 5/8影像的轉(zhuǎn)換方程及精度檢驗(yàn)Fig.4 Conversion model and accuracy test of HJ-1B CCD and Landsat 5/8 image

圖6 稀土開(kāi)采數(shù)量Fig.6 Number of rare earth mining

3.3 土地毀損與恢復(fù)分析

利用得到的轉(zhuǎn)換方程，將時(shí)序影像中 Landsat 8和HJ-1B CCD影像的NDVI值轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)andsat 5標(biāo)準(zhǔn)下，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的多源時(shí)序NDVI影像，根據(jù)表3中土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型的劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到稀土礦區(qū)的土地毀損與恢復(fù)空間分布圖，如圖 7所示。通過(guò)在土地毀損與恢復(fù)專(zhuān)題圖上隨機(jī)選取一定量的樣本，結(jié)合 Google earth上的高分影像對(duì)提取精度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

圖7 土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型空間分布圖Fig.7 Spatial distribution map of land damage and reclamation

通過(guò)表 4可以看出，各種土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型的提取精度均在85%以上，滿(mǎn)足精度要求。其中類(lèi)型2的提取精度最低，主要是因?yàn)橛胁糠窒⊥灵_(kāi)采區(qū)域后期演變?yōu)榻ㄖ玫?，稀土開(kāi)采后的土地恢復(fù)與建筑有一定的相似性。

表4 土地毀損與恢復(fù)混淆矩陣Table 4 Confusion matrix of land damage and reclamation

根據(jù)得到的土地毀損與恢復(fù)分布圖，統(tǒng)計(jì)土地毀損與恢復(fù)的面積，結(jié)果如表5所示。

由表 5可知，整個(gè)觀(guān)測(cè)期內(nèi)未受到人為活動(dòng)影響的土地面積為 97.082 1 km2，占整個(gè)研究區(qū)域面積的45.41%，主要為未受干擾的林地。受到人為活動(dòng)影響的土地面積為 116.709 3 km2，占整個(gè)研究區(qū)域面積的54.59%，其中受到稀土開(kāi)采擾動(dòng)的像元面積為 11.354 4 km2，占受干擾像元面積的 9.73%，復(fù)墾區(qū)域的面積為5.004 9 km2，未復(fù)墾的面積為6.349 5 km2；受到非稀土開(kāi)采擾動(dòng)的像元面積為105.354 9 km2，占受干擾像元面積的 90.27%，其中整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)基本無(wú)植被覆蓋的像元面積為0.877 5 km2，主要為建筑，道路等固定設(shè)施；整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)植被覆蓋水平較低的像元面積為5.404 5 km2，主要為未拋荒的耕地；受干擾后植被恢復(fù)的像元面積為95.964 3 km2，其中類(lèi)型6的面積為3.148 2 km2，主要為果園開(kāi)采區(qū)；類(lèi)型8的面積為86.534 1 km2，主要為受到森林砍伐干擾的區(qū)域；類(lèi)型9的面積為9.390 6 km2，主要為拋荒多年的耕地以及退耕還林區(qū)。

表5 土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)Table 5 Land damage and recovery type area statistics

3.4 不同土地毀損類(lèi)型的土地恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)

通過(guò)分析土地從毀損到恢復(fù)的時(shí)長(zhǎng)，可進(jìn)一步研究嶺北稀土礦區(qū)土地毀損與恢復(fù)的相關(guān)特征，而在嶺北稀土礦區(qū)的土地毀損與恢復(fù)的類(lèi)型中，類(lèi)型6、7和8包含了土地從毀損到恢復(fù)的整個(gè)過(guò)程，因此利用其分析不同土地毀損類(lèi)型的土地恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)更具有代表性。

通過(guò)圖8a可以看出，1990—1995年，植被恢復(fù)的像元數(shù)目為89個(gè)，平均恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)為14～19 a；2000—2012年，植被恢復(fù)的像元數(shù)目為331 8，平均恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)為3～10 a。1990—2012年，受果園開(kāi)發(fā)擾動(dòng)后植被恢復(fù)平均時(shí)長(zhǎng)為3～19 a，植被恢復(fù)的平均加權(quán)時(shí)長(zhǎng)為7 a，說(shuō)明果園開(kāi)發(fā)所導(dǎo)致的土地毀損其恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，主要原因有：1）果園在栽種果樹(shù)前，需要將地表植被清除，包括灌木和草本植物；2）為方便采摘，果樹(shù)與果樹(shù)之間往往會(huì)保持一定的距離；3）為保持果樹(shù)能更好的生長(zhǎng)，果園每年會(huì)有一次至多次的除草工作，特別是果樹(shù)剛種下去的幾年中；4）嶺北稀土礦區(qū)位于贛南地區(qū)，而贛南地區(qū)的果園多以橙樹(shù)和桔樹(shù)為主，該類(lèi)樹(shù)木生長(zhǎng)較為緩慢。

通過(guò)圖8b可以看出，1991—2002年，植被恢復(fù)的像元數(shù)目為 259 1，植被恢復(fù)的平均時(shí)長(zhǎng)為 12～23a；2002—2010年，植被恢復(fù)的像元數(shù)目為339 2，植被恢復(fù)的平均時(shí)長(zhǎng)為5～10 a。1990—2010年，受稀土開(kāi)采干擾后植被恢復(fù)的平均時(shí)長(zhǎng)為5～23 a，稀土開(kāi)采擾動(dòng)后植被恢復(fù)的平均加權(quán)時(shí)長(zhǎng)為11a，說(shuō)明稀土開(kāi)采所導(dǎo)致的土地毀損其恢復(fù)時(shí)間比較長(zhǎng)。其主要原因有：1）無(wú)論是池浸/堆浸，還是原地浸礦開(kāi)采工藝，開(kāi)采過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生的尾砂，造成土壤沙化，保水保肥能力下降[28]；此外，開(kāi)采過(guò)程中使用的大量酸性浸礦液體，嚴(yán)重的改變了原來(lái)土壤的酸堿平衡，導(dǎo)致植被恢復(fù)較為困難[29]。2）人為復(fù)墾活動(dòng)較少，自然恢復(fù)為主。由于2009年定南縣被列為國(guó)家水土保持重點(diǎn)建設(shè)縣，嶺北項(xiàng)目區(qū)小流域綜合治理項(xiàng)目開(kāi)始實(shí)施，針對(duì)廢棄稀土礦區(qū)才有了較為綜合的治理[30]。根據(jù)定南稀土統(tǒng)計(jì)可知，截至2011年，定南縣稀土礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)治理僅作了極小部分，治理面積只有34 hm2，而且多靠自然恢復(fù)。

圖8 土地毀損與恢復(fù)類(lèi)型的植被恢復(fù)平均時(shí)長(zhǎng)Fig.8 Average time period of vegetation restoration in land damage and restoration types

通過(guò)圖8c可以看出，1990—2015年，受到森林砍伐干擾后植被恢復(fù)平均時(shí)長(zhǎng)為1～5 a，其平均加權(quán)時(shí)長(zhǎng)為3 a，說(shuō)明森林砍伐所導(dǎo)致的土地毀損其恢復(fù)時(shí)間較短。其主要原因?yàn)椋?）森林砍伐時(shí)，地表植被不需要完全清除，特別是灌木草本類(lèi)植物，對(duì)土地的損傷較?。?）在森林采伐區(qū)，一次砍伐結(jié)束后，為林區(qū)的持續(xù)發(fā)展，往往會(huì)栽種一些小樹(shù)苗幫助林區(qū)植被恢復(fù)。

4 結(jié) 論

本研究以嶺北稀土礦區(qū)為例，研究Landsat 5/8和HJ-1B CCD影像之間 NDVI的關(guān)系，并以 HJ-1B CCD、Landsat 5和Landsat 8等數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，結(jié)合回歸分析法、時(shí)序分析法，研究稀土開(kāi)采的時(shí)空分布及礦區(qū)的土地毀損與恢復(fù)特征。

1）HJ-1B CCD、Landsat5/8數(shù)據(jù)的NDVI 影像對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換方程的R2值均超過(guò)0.9以及模擬影像與真實(shí)影像之間的均方根誤差值均小于 0.05，說(shuō)明 HJ-1B CCD、Landsat5/8的NDVI數(shù)據(jù)之間存在較為顯著的線(xiàn)性正相關(guān)HJ-1B CCD和Landsat5/8數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的歸一化植被指數(shù)存在極為顯著的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系，具有較好的一致性。根據(jù)研究得到的轉(zhuǎn)換方程可以將HJ-1B CCD和Landsat5/8數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)歸一化植被進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模型算法的相互比較和轉(zhuǎn)換，有利于時(shí)序分析時(shí)，數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充。

2）稀土開(kāi)采時(shí)空分布表明：整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，嶺北稀土礦區(qū)均有稀土開(kāi)采活動(dòng)，其中2000—2004年、2006年開(kāi)采面積較大，其開(kāi)采面積均超過(guò)1 km2，2006年的開(kāi)采面積最大為2.546 1 km2，2008—2016年開(kāi)采面積均較小。2013年以后開(kāi)采面積均處于0.1 km2以下。稀土開(kāi)采在空間分布上較為分散，一定程度上增加了治理的難度。

3）土地毀損與恢復(fù)分析表明；嶺北稀土礦區(qū)未受干擾的像元面積為97.082 1 km2，受干擾的面積為116.709 3 km2，其中森林砍伐區(qū)所占的面積最大，為86.534 1 km2，占受干擾面積的一半以上,其土地毀損后平均恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)為3 a；未拋荒的耕地所占的面積為5.404 5 km2；拋荒多年及退耕還林的耕地所占的面積為9.390 6 km2；果園開(kāi)發(fā)區(qū)所占的面積為3.148 2 km2，平均恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)為7 a；稀土開(kāi)采所占的面積為11.354 4 km2，平均恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)為11 a，其中復(fù)墾恢復(fù)的面積為5.004 9 km2，仍有6.349 5 km2的區(qū)域植被未恢復(fù)，需引起相關(guān)部門(mén)的注意。

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