甄 娜，李宇航，陳 濤*

（1.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450016；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

我國是礦產(chǎn)資源大國，在某種程度上，礦山開采的強度與礦區(qū)周邊自然環(huán)境破壞程度成正比關(guān)系[1]。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，必然需要大量開采礦產(chǎn)資源，然而在礦山開采、加工、運輸和利用的過程中，給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重破壞，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日益惡化，其中露天采場與工業(yè)廣場對環(huán)境破壞最為明顯。據(jù)統(tǒng)計，20世紀以來我國每年破壞土地面積以8%～9%的速度遞增，到2020年，年均破壞土地面積約為6 600 hm2，破壞速度迅猛，勢必會影響我國礦產(chǎn)資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護[2]。因此，對礦山環(huán)境進行監(jiān)測，合理開采礦產(chǎn)資源，維持并改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境是一項必要的戰(zhàn)略任務(wù)。

植被是地表生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成部分。植被覆蓋度是指植被的葉、莖、枝等地上部分在地面的垂直投影面積占單位面積的百分比[3]，可有效衡量地表植被狀況。植被覆蓋度的高低將直接體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)是否健康[4]，因此常被作為評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要指標?，F(xiàn)階段已研究出多種植被覆蓋度的遙感估算方法，如楊勝天[5]等通過植被指數(shù)法提取了南水北調(diào)西線工程區(qū)的植被覆蓋度，并對調(diào)水工程區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行了評價；池宏康[6]采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ㄌ崛×松车赜洼锶郝涞闹脖桓采w度，并建立了其與土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)之間的關(guān)系模型；李苗苗[7]等建立了利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）定量估算植被覆蓋度的模型，并結(jié)合密云水庫上游的實際情況，對研究區(qū)植被覆蓋度進行了估算；孫安昌[8]等利用混合像元分解方法提取了1991－2013年武漢市的植被、水體、裸地3種地物類型的植被覆蓋度，并分析了武漢市地表覆蓋變化情況。

植被覆蓋度在礦山生態(tài)環(huán)境研究中也有廣泛應(yīng)用，如張世文[9]等利用長時間序列遙感影像獲取了植被覆蓋度，并分析了草原露天煤礦區(qū)的植被波動程度和變化趨勢，以揭示礦山開采活動對植被覆蓋度的影響；李恒凱[10]等利用森林郁閉制圖模型、像元二分法模型和線性光譜混合模型分析了稀土礦產(chǎn)資源開采活動下的礦區(qū)植被覆蓋變化情況；謝寶妮[11]等利用多年的凈第一性生產(chǎn)力數(shù)據(jù)分析了礦區(qū)植被時空變化特征提取和影響因子的相關(guān)性。在礦山開采的過程中，隨著開采強度的不斷上升，地表植被覆蓋狀況也將受到劇烈影響，因此研究礦區(qū)植被覆蓋變化情況，可有效了解礦區(qū)及其周邊地區(qū)植被的破壞程度，對加強礦山管理監(jiān)督和恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義[12]。

本人結(jié)合前人研究成果和河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院2018年河南省礦山地質(zhì)遙感動態(tài)解譯數(shù)據(jù)，以河南省禹州市為研究區(qū)，以礦區(qū)圖斑為對象，研究了各類礦山開采對植被的破壞程度；并分析了1992－2015年植被覆蓋變化情況，以期在方法技術(shù)上積累經(jīng)驗，為禹州市礦山環(huán)境的恢復(fù)治理提供遙感依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

禹州市地處河南省中部（圖1），隸屬于許昌市管轄，位于 113°03′～113°39′E、33°59′～34°24′N之間，為伏牛山脈與豫東平原過渡帶；總面積為1 461 km2，平均海拔為225.77 m；東接長葛縣，西鄰登封市、汝州市，南連郟縣、襄城縣，北靠新鄭市、新密市。禹州市屬溫帶季風(fēng)性氣候，熱量資源豐富、雨量充沛、光照充足、無霜期長，年平均降水量約為650 mm。禹州市擁有豐富的礦產(chǎn)資源，經(jīng)初步探測，包括煤炭、鋁礬土、石灰?guī)r、稀土等30多種，種類繁多；有礦產(chǎn)地33處，其中煤炭總儲量最高，約為90億t，居河南省第二位，是全國15個商業(yè)煤炭基地之一[13]。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選用的遙感影像數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）下載的Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，包括TM和OLI_TIRS傳感器數(shù)據(jù)。受數(shù)據(jù)質(zhì)量和季節(jié)影響，本文篩選了7幅遙感影像，如表1所示。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表

禹州市礦區(qū)數(shù)據(jù)來源于河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，包括堆積、壓占和挖損3種土地占用類型的圖斑。由圖2可知，圖斑主要集中在禹州市北部和西部多山地區(qū)，挖損類居多，堆積類較少。

圖2 禹州市圖斑分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次研究區(qū)裁剪采用的是從河南省自然資源廳獲取的禹州市行政邊界矢量，再進行輻射定標和大氣校正等預(yù)處理工作，預(yù)處理基于ENVI5.3平臺完成。輻射定標參數(shù)適應(yīng)Flaash大氣校正設(shè)定，大氣校正參數(shù)模型選用適應(yīng)影像傳感器。研究區(qū)平均海拔則通過地理空間數(shù)據(jù)云下載的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)裁剪并計算獲取。大氣模型根據(jù)參考影像獲取時間和研究區(qū)位置選擇Sub-Arctic Summer模型。

2.2 植被覆蓋度信息提取

本文采用像元二分模型進行植被估算。該模型將混合像元表現(xiàn)出來的混合光譜信息分解為植被覆蓋光譜信息和非植被覆蓋光譜信息，因其結(jié)果準確且普適性強而得到了廣泛應(yīng)用。其計算公式為：

式中，VFC為植被覆蓋度；NDVIs為裸土或無植被覆蓋區(qū)的NDVI值；NDVIv為全植被覆蓋像元的NDVI值，即純凈植被像元NDVI值。

式中，NIR為近紅外波段，R為紅波段，分別對應(yīng)Landsat5 TM影像的3、4波段和Landsat8 OLI影像的4、5波段。

理想狀態(tài)下，純凈裸土或非植被像元NDVIs的值應(yīng)趨近于0，純凈植被像元的NDVIv值趨近于1；但受溫度、濕度、傳感器和大氣等影響，NDVI值是不確定的，將隨時間和空間的變化而變化，變化范圍一般在-0.1～-0.2之間[14]，因此NDVIs與NDVIv的選取并不能參考理想狀態(tài)下的數(shù)值。本文借鑒李苗苗[7]等估算NDVIv和NDVIs的方法，根據(jù)像元NDVI值的統(tǒng)計情況，以累積像元5%和95%作為上下限取閾值分別代表NDVIs和NDVIv。研究技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 研究技術(shù)流程圖

3 研究結(jié)果與分析

3.1 禹州市礦區(qū)植被覆蓋度整體變化趨勢

禹州市7個不同時期的植被覆蓋度如圖4所示，可以看出，2001年、2004年和2015年植被覆蓋度整體情況較好，1994年、2008年、2010年植被覆蓋度整體較差；禹州市西、北部邊緣地帶植被覆蓋情況普遍較好，中、東、部以及南部地區(qū)隨時間變化差異較大，且有一定的波動。禹州市西、北部以山區(qū)為主，海拔較高，礦產(chǎn)資源多集中于此，植被覆蓋類型以林地為主，覆蓋度相對較好，但由于一系列的礦山開采活動，植被受到了明顯破壞；中、東、南部多為平原地區(qū)，海拔較低，植被覆蓋類型以耕地為主，植被覆蓋變化不穩(wěn)定。

導(dǎo)致植被覆蓋度波動較大的原因主要為獲取影像受季節(jié)影響嚴重。禹州市以平原為主，耕地面積約為910 km2，占禹州市總面積的60%以上；而耕地受季節(jié)影響嚴重，不同時段農(nóng)作物長勢變化較大，因此導(dǎo)致了植被覆蓋度的波動。為減小季節(jié)影響，本文以礦區(qū)為主，結(jié)合2018年礦區(qū)圖斑矢量在ArcGIS10.3平臺上計算了圖斑內(nèi)植被覆蓋度的變化情況，如圖5所示，可以看出，1992－2015年禹州市礦區(qū)植被覆蓋度均值整體呈下降趨勢，1992年植被覆蓋度均值最高，為41.84%，2010年植被覆蓋度均值最低，為17.03%；1992－1994年植被覆蓋度下滑顯著，共降低了11.85%；1994－2004年有短暫上升；2008－2015年河南省經(jīng)濟形勢較好，禹州市北部礦區(qū)主要以開采建筑石料的露天采場為主，受房地產(chǎn)開發(fā)、城區(qū)建設(shè)等影響較大，因此經(jīng)濟的快速增長導(dǎo)致了礦區(qū)的快速擴張，進而造成了植被覆蓋度的快速下降。

圖4 1992－2015年禹州市植被覆蓋度圖

圖5 1991－2015年禹州市礦區(qū)植被覆蓋度平均值

3.2 礦區(qū)植被覆蓋面積變化

為了研究礦區(qū)植被的生長情況，本文將植被覆蓋度劃分為不同等級，從而計算不同等級植被覆蓋面積。植被覆蓋度的分級方法有很多，本文采用等間距分隔法[13]將植被覆蓋度分為5個等級，即0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%，如表2所示。1992－2014年不同等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移折線圖如圖6所示，可以更清晰地觀察植被覆蓋面積的變化。

表2 各年份不同等級植被覆蓋面積/hm2

圖6 1992－2014年不同等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移折線圖

礦山開采活動的土地利用破壞主要表現(xiàn)為土地的挖損、壓占和堆積。首先剝離耕地、林地等原本的地表植被，再從事礦山的開發(fā)、生產(chǎn)等活動，隨著時間的推移，礦山開采活動在影像上表現(xiàn)為無植被覆蓋面積不斷擴張。耕地植被覆蓋度變化幅度較大，受季節(jié)影響也較大，通常表現(xiàn)為低植被覆蓋或無植被覆蓋，對研究結(jié)果有一定的影響，若影像獲取時間為農(nóng)作物生長茂盛時期，則表現(xiàn)為高植被覆蓋；草地、林地的變化主要體現(xiàn)為中高植被覆蓋變化，相對較穩(wěn)定。礦區(qū)主要集中在禹州市北部，以林地和草地為主，有部分耕地，因此可通過無植被覆蓋面積的變化分析禹州市礦區(qū)的擴張情況。

由表2和圖6可知，1992－2003年無植被覆蓋區(qū)面積不斷增大，增勢明顯，說明禹州市礦區(qū)面積在不斷擴大；中高植被覆蓋區(qū)面積變化整體平穩(wěn)，有微弱下降；低植被覆蓋區(qū)面積顯著減小，表明禹州市的礦區(qū)開發(fā)程度不斷加深，以侵占耕地植被為主，侵占了少部分林地、草地。

為了具象化展示礦區(qū)植被的破壞程度，本文截取禹州市北部礦權(quán)密集處作為局部示意圖，選取1992年、2004年、2015年典型時間節(jié)點具象化表現(xiàn)植被面積的不斷縮減，結(jié)果如圖7所示，可以看出，1992年礦區(qū)內(nèi)無植被覆蓋區(qū)面積較小，低植被覆蓋區(qū)面積較大，影像表現(xiàn)為裸露的山脊和部分耕地，未出現(xiàn)明顯的開采痕跡；2004年影像已有明顯的礦山開采痕跡，無植被覆蓋區(qū)面積明顯擴張；2015年礦山開采面積進一步擴張，無植被覆蓋區(qū)面積呈明顯增長趨勢。

圖7 1992－2015年礦區(qū)植被覆蓋度對比

3.3 不同礦種間植被覆蓋面積變化對比

礦山是開發(fā)礦產(chǎn)資源而形成的比較獨特的體系。礦區(qū)地物是礦山在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中形成的特定的土地占用類型。對于礦山地物的分類，在我國因地域的差別而有所不同，目前尚未形成統(tǒng)一的分類標準。本文參照河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院發(fā)布的礦山地物分類標準將礦區(qū)圖斑分為3種土地占用類型，如表3所示。

表3 禹州市礦區(qū)圖斑統(tǒng)計表

不同的土地占用類型對植被破壞的程度有所不同，因此本文分別針對3種土地占用類型統(tǒng)計植被覆蓋面積占比變化情況，并對比其破壞程度，從而了解其在礦山環(huán)境治理工作中的優(yōu)先級。由圖7可知，在礦區(qū)范圍內(nèi)，植被覆蓋度為0～20%的區(qū)域與礦山開采區(qū)域保持高度一致，因此本文以20%為研究閾值，將礦區(qū)劃分為有植被覆蓋區(qū)域與無植被覆蓋區(qū)域，并計算面積制作折線圖，如圖8所示，可以看出，3種土地占用類型均呈有植被覆蓋區(qū)面積下降、無植被覆蓋區(qū)面積上升的趨勢；挖損、壓占類植被變化曲線相對接近，且均比堆積類植被破壞程度高。堆積類包括廢石渣堆、排土場、矸石山和尾礦庫4種礦山類別，為礦山生產(chǎn)過程中附帶的廢棄物，不直接用于生產(chǎn)，因此其地表人為活動較少，植被更容易自然恢復(fù)，且礦山堆積產(chǎn)物更容易治理，對環(huán)境破壞程度相對較?。欢鴫赫碱愔械墓I(yè)廣場、冶煉廠以及挖損類中的露天采場是直接參與礦區(qū)開發(fā)和生產(chǎn)的場所，且其生產(chǎn)過程會對地表造成直接破壞，因此破壞程度較嚴重，若未經(jīng)過人為環(huán)境治理，自然恢復(fù)需要相當長的時間，因此加強對露天采場和工業(yè)廣場的監(jiān)督、管理、治理是十分必要的。

圖8 3種土地占用類型植被覆蓋面積變化

4 結(jié) 語

對礦區(qū)植被覆蓋度進行對比分析，能較好地反映研究區(qū)植被現(xiàn)狀與動態(tài)，揭示礦山開發(fā)過程對礦區(qū)植被的影響。本文綜合分析了禹州市1992－2015年礦區(qū)植被覆蓋度的時空變化和等級結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明：①禹州市礦區(qū)植被覆蓋度均值較低，隨著禹州市的快速發(fā)展，礦區(qū)植被覆蓋度均值日益降低；②禹州市礦區(qū)面積不斷擴張，破壞了原有的地表植被覆蓋，導(dǎo)致禹州市植被面積減?。虎巯噍^于堆積類礦山土地占用類型，挖損和壓占類土地占用類型對植被的破壞更嚴重，在開展礦山環(huán)境治理工作中應(yīng)優(yōu)先處理。

礦山開采刺激經(jīng)濟增長的同時，不可避免地會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大破壞。近年來，國家日益重視對生活環(huán)境的保護，出臺了一系列加強礦山管理監(jiān)督的政策，取得了較好的成果。今后將更加努力，找到經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間完美的平衡點。