基于高分一号卫星遥感影像的矿区生态安全评价研究——以井陉矿区为例

刘 剑 锋，张 可 慧,马 文 才

(1.河北省科学院地理科学研究所，河北 石家庄 050021；2.河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北 石家庄 050021；3.河北省科学院，河北 石家庄 050081)



基于高分一号卫星遥感影像的矿区生态安全评价研究
——以井陉矿区为例

刘 剑 锋1，2，张 可 慧1,马 文 才3

(1.河北省科学院地理科学研究所，河北 石家庄 050021；2.河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北 石家庄 050021；3.河北省科学院，河北 石家庄 050081)

根据矿区生态环境的特点，以世界经合组织(OCED)提出的“压力-状态-响应”(P-S-R) 框架理论为指导，构建了既适合遥感监测技术定量评估又能较好表征矿区生态安全信息的评价指标体系，针对矿区开采地区空间地物的复杂性，提出了指标数据源遥感化的概念，基于“高分一号”卫星遥感影像为主的多源、多时相、多分辨率遥感数据源，实现了多尺度目标监测与评价技术。以井陉矿区为例，进行矿区生态安全评价研究，评价结果符合实际情况，表明该研究可为维护矿区及其周边生态环境的原生平衡、引导矿区资源的合理开采与利用提供技术支持。

高分一号；遥感；生态安全；矿区；指标体系；评价

0 引言

随着人类社会对地球资源的不断开发，生态环境的原生平衡不断受到威胁，生态安全问题也日益凸显。生态安全的研究愈来愈受到学术界、政府及公众的广泛关注，对生态安全概念的重新定义和扩展有了更多的研究和讨论[1]，从而开展了许多生态安全的相关研究[2-9]。矿产资源是人类社会赖以生存和发展必需的物质基础，而日益增速的矿山开发造成的生态环境问题也愈发严重，矿区生态安全已成为生态安全的一项重要研究内容。

矿山开发区域一般地形较为复杂、地物特征多样，地物信息获取不易，如果采用传统的实地监测方法，费时、费力又满足不了实时监测的要求。近年来，3S及空间数据库技术的快速发展为矿区生态环境的相关研究提供了新的数据来源和技术手段，可及时、大范围地监测矿区生态环境状况，具有传统方法难以比拟的优势。相关研究中，马玲[5]采用SPOT-5图像和Quick Bird图像对攀枝花钒钛磁铁矿-宝鼎煤矿区矿山开采引起的环境问题进行监测，并利用模糊数学方法结合遥感和GIS技术对该区的生态环境质量进行了评价；Pradhan等[6]基于遥感数据和GIS技术，采用神经网络模型对矿区滑坡区域生态安全进行评价；叶宝莹等[7]通过MSS、TM(ETM)、中巴资源卫星(CBERS)等多源多尺度遥感数据，提取安太堡露天矿区的煤矿开采、土地破坏及土地复垦数据，为大型露天矿区的生态安全评价奠定了基础；朱运海等[8]在生态安全评价中采用动态评价因子，以发现生态安全在单个因子及整体上的发展趋势和潜在问题。但由于矿区生态安全受矿业活动等的扰动性强，已有的评价方法需进一步完善和补充。

针对矿山开采地区空间地物的复杂性，本文基于“高分一号”卫星遥感影像为主的多源、多时相、多分辨率遥感数据源，探讨不同因子的遥感反演技术方法，实现多尺度目标监测与评价技术，采用“P-S-R”框架理论，构建快速有效的矿区生态安全评价指标体系，并对井陉矿区进行了实例研究，取得了较好的效果。本研究为维护矿区及其周边生态环境的原生平衡、引导矿山资源的合理开采与利用提供技术支持。

1 基于高分一号遥感影像的矿区生态安全评价方法

1.1 矿区生态安全评价体系构建框架理论

“P-S-R”(压力-状态-响应) 框架理论由世界经合组织(OCED)提出，综合考虑了人类活动、生态环境状况及处理环境问题的政策措施三方面因素，可满足矿区生态环境多目标、复杂的自然和人类活动评价要求。其同时考虑到社会经济、自然环境、人类活动等不同范畴的评价指标，是一种考虑比较全面、评价机制设计较完整的指导性评价框架理论，指标的选择与评价对象选择的理论依据、评价者的知识背景具有密切关系。

本研究在“P-S-R”框架理论下展开，而利用遥感数据可以较好地提取相应环境因子数据，因此研究采用我国首发的高时空分辨率遥感图像——“高分一号”遥感影像为主的多源遥感数据源，同时辅以基础数据库中基础、专题地理信息及社会经济统计数据，结合仪器实地快速采样分析法开展对研究区的监测和评价研究，建立了基于3S技术的矿区生态安全P-S-R框架模型。基于遥感技术在空间、光谱、时间分辨率及信息提取技术方面的不断进步，本研究提出了指标数据源遥感化的概念，即提高遥感数据在整个指标体系数据源中的占比，以期实现对研究区生态安全的逐年乃至逐月的监测，为做到对整体生态安全或单因子的早期预警打下坚实基础。

1.2 矿区生态安全评价计算方法

生态安全评价方法的提出经历了从简单描述到精确定量计算的过程。目前常用的方法有灰色关联度法、主成分投影法、层次分析法(AHP法)、生态足迹法、综合指数法等。本文为更客观地求取生态安全评价指数，基于GIS技术，采用地学空间模型、AHP法和综合指数法相结合的方法进行矿区生态安全评价。

(1)评价指标的空间化与标准化。为更好地体现各评价指标在生态安全评价中的量化作用。需将其数据无量纲化，标准化处理方法如下：

正相关指标的标准化(其指标值越大，则生态安全程度将越好，如植被盖度)：

负相关指标的标准化(其指标值越大，则生态安全程度会越差，如矿业活动区面积)：

式中：xi′是指标i转化后的无量纲值；xi为标准化前的原始指标值；xmax、xmin分别为区域内最大、最小值[10]。

其次，对非空间数据进行空间化处理。为了实现非空间数据与空间数据的叠加计算，需对其进行空间化处理。根据数据对应的行政区划等级，分别将非空间数据值赋均值到乡镇或者行政村，然后进行栅格化处理，从而实现非空间数据的空间化处理。

(2)矿区生态安全的综合评价指数表达式为：

Ai=∑KiBi

式中：Ai代表综合评价指数；Ki为单项评价指标的权重值；Bi为单项评价指标的标准值。

2 矿区生态安全评价指标体系构建

矿区生态安全问题突出，其评价须利用已有评价标准并结合实际。指标构建原则如下：1)科学性原则。选择能客观、真实地反映矿区生态安全的现状及演化特征的代表性指标。2)完整性与实用性原则。矿区属自然和人工交互生态系统，应全面考虑自然与社会的各项指标以完整反映矿区生态安全现状及内生机制等特征[11]，同时考虑指标数据的易获取性及可定量化性，并适应矿区发展水平。3)针对性和引导性原则。针对主要的生态安全问题设立指标，舍弃从属目标，同时引导矿区生态安全的发展方向。4)动态性与稳定性相结合原则。指标体系在一定时期后应做适当调整以适应矿区生态安全动态变化过程及社会经济的不同发展水平，以切实反映阶段性特征，同时考虑评价的可对比性，指标体系在一段时间内应保持相对稳定性，原有指标和替代指标也可并存一段时间，以便于进行评价比较和趋势分析。5)指标遥感化及快速获取性原则。数据遥感化、数据库支撑并采用其他先进数据采集技术可快速获取客观数据，排除数据获取周期长、实测数据缺乏等因素。6)数据空间化原则。各指标均具有空间属性，反映其分布特征。

根据上述原则，参考已有研究成果[9-13]，构建包含压力-状态-响应3个层次的矿区生态安全评价指标体系，共涉及23个评价指标，并采用层次分析法结合专家打分赋予指标权重(表1)。

3 矿区生态安全评价指标信息提取

3.1 基于多源遥感数据的指标数据提取

(1)遥感数据源选择。考虑获取遥感数据的经费、时空分辨率及成像幅面宽度等因素，研究选用高分一号遥感影像数据，并辅以中巴资源卫星遥感数据、TM遥感数据以及GoogleEarth、天地图等网络遥感资源进行矿区相关数据的提取。高分一号卫星是中国高分辨率对地观测系统的第一颗卫星，其突破了多光谱、高时空分辨率相结合的光学遥感技术，高精度、高稳定度姿态控制技术，高分辨率数据处理与应用等关键技术，适合矿区生态环境关键因子的监测。

表1 评价指标体系及权重

Table 1 Evaluation index system and weight

目标层准则层[权重]要素层[权重]指标层[权重]数据来源评价指标体系压力[0．44](Pressure)状态[0．46](State)响应[0．10](Response)环境压力[0．34]人文压力[0．10]地质构造[0．05]岩性[0．05]地形[0．10]矿区环境可治理度[0．05]土壤侵蚀度[0．06]植被指数[0．10]生物多样性指标[0．05]社会响应指标[0．10]地质灾害数量[0．06]遥感数据地质灾害潜在危险源[0．05]遥感数据水体污染[0．09]遥感数据大气粉尘污染[0．02]遥感数据大气污染[0．04]监测数据土壤化肥折纯量[0．02]数据库农药使用量[0．03]数据库农膜使用量[0．01]数据库土壤Pb污染[0．02]实测数据矿业活动区面积[0．03]遥感数据>25°坡耕地面积[0．02]遥感数据人均耕地面积[0．01]数据库人口密度[0．02]数据库恩格尔系数[0．01]数据库人口受教育程度[0．01]数据库地质构造[0．05]数据库岩性[0．05]数据库坡度[0．10]数据库矿区环境可治理度[0．05]遥感数据土壤侵蚀度[0．06]数据库NDVI[0．10]遥感数据生物丰度指数[0．05]遥感数据生态环境治理度[0．10]遥感数据

(2)遥感数据预处理。一般情况下，矿区内地貌类型复杂多样，相对高差大，利用DEM数据对经过粗校正的遥感图像进行正射校正以消除高差等因素带来的畸变；其后对高分一号2 m全色和8 m多光谱影像经IHS变换后的I分量经小波变换进行融合，得到兼具高空间分辨率和光谱分辨率的融合图像。

(3)指标信息提取。通过建立LUCC数据解译标志并细化矿产活动占地解译标志形成了融合图像的LUCC遥感数据信息提取标志。其他信息解译标志如下：1)地质灾害：主要包括滑坡、崩塌等。滑坡一般呈簸箕形、舌形、梨形等，陡峭的滑坡壁和它们所形成的围谷，遥感影像上表现为弯曲弧形。2)地质灾害危险性：采矿等活动造成掌子面、尾矿库等固废堆放，存在溃坝、崩塌等隐患，根据矿业采场及堆场位置结合DEM数据，划定隐患大致范围。3)环境污染：选矿、洗煤废水不经处理或处理不达标排放，对水体或土壤等造成污染。采矿过程中产生的烟尘、粉尘主要对矿业活动区临近区域及运输道路两侧造成污染，表现在土壤或植被的颜色与周围正常颜色的明显差异。

3.2 基于实地及其他来源的指标数据快速提取

便携式X射线荧光光谱仪对于Cu、Pb等重金属元素的检出限均低于区域元素背景值和土壤环境质量标准一级标准值，说明便携式X射线荧光光谱仪可用于土壤重金属污染快速检测和土地质量评价[14]。实地采集的数据为土壤重金属污染数据。采用X射线荧光分析仪，在野外按照1.5 km×1.5 km的网格布点，DEM坡度及地质、断裂带、统计数据等数据来自河北省科学院地理科学研究所不断更新的生态环境基础数据库。

4 实例研究及结果分析

4.1 研究区概况

井陉矿区是河北省石家庄市的直辖区，位于太行山区中段，北纬38°01′18″～38°08′03″，东经113°58′50″～114°06′08″，周边与井陉县接壤，地势西高东低，面积70.29 km2，辖两镇一乡，2个街道办事处，30个行政村。矿区矿产资源以煤炭为主，具有一百多年的矿产资源开采史，该区经济曾因矿山开发而繁荣，在20世纪60年代，其焦煤产量位居全国第二位。

井陉矿区由于面积较小，生态系统属于人类社会经济系统和自然生态系统交互影响的复合生态系统。在利益等因素驱动下，资源遭到长时间、大规模、快速的开采利用，致使矿区矿产等资源枯竭、环境污染，极大地超过该区域生态承载能力，使当地生态安全面临巨大压力，对区域生态安全构成严重威胁。而区域生态安全恶化后，又反过来制约社会经济的发展，形成恶性循环。井陉矿区煤炭资源已经逐步枯竭，是一个典型的“因煤而建、因煤而兴、因煤而衰”的资源型城区，其矿山开发在给该区带来经济上繁荣的同时也引发较多的生态环境问题，具有典型的代表性，故选择该区作为研究区进行矿区生态安全评价，监控和掌握该区域的生态安全现状，并通过分析生态安全问题产生的原因为制定相应的对策打下基础，最终达到使研究区生态安全处于良好状态、实现可持续发展的目的。

4.2 主要生态安全指标分析

4.2.1 地质灾害数量分析 通过对高分一号卫星数据的解译判读，辅助以Google earth等网络高分辨率(1 m级)遥感影像、坡度数据及实地考察验证。研究区地质灾害分布情况见表2。

表2 研究区滑坡、崩塌分布

Table 2 Distribution of landslide and avalanche

分布区域地质灾害类型地质灾害数量贾庄镇滑坡1崩塌2凤山镇滑坡7横涧乡--

从地形上看，地质灾害主要分布在西部清凉山和云凤山上；从行政区域看，主要分布在贾庄镇和凤山镇。地质灾害的主要类型为滑坡，共有8个点；其次为崩塌，共有2个点。横涧乡由于仅有小部分较低坡度山地，因此没有滑坡、崩塌发生。据四川攀西调查资料[15]，按平均坡度分级进行统计如表3 所示，滑坡大多发生在10°～30°之间，崩塌多数出现在坡度大于30°的边坡。

表3 崩塌、滑坡与坡度的关系[16]

Table 3 Relationship between avalanche,landslide and slope

坡度(°)数量(个)比例(%)类型10没有0滑坡10～20607．4滑坡21～3053265．2滑坡>3022427．4崩塌

文献[17]对过去30年间的2 238处崩塌历史资料进行了统计，约80%的崩塌事例的坡度为30°～50°，其中边坡坡度在40°时最多，并且一般土质边坡的坡度要缓于岩质边坡，且土质边坡崩塌时的坡度主要介于30°～40°之间，而岩质边坡崩塌时坡度在30°～50°之间[18]。本研究将滑坡、崩塌发生地点与坡度数据进行了叠加分析显示，发生滑坡的地方坡度在12.5°～23.0°之间，崩塌一处坡度在31.0°～33.0°。影像判读解译结果与上述统计资料中滑坡、崩塌发生的坡度分布规律吻合。

4.2.2 地质灾害规模分析 采空区在井陉矿区核心区域大面积分布(图1)。各乡镇中采空区面积占总面积的比例最高的是凤山镇，约25.7%；其次为贾庄镇，占21%；最少的是横涧乡，占12.6%。采空区对其区域的各种土地利用类型均产生不同程度的影响。由表4可知，采空区影响面积最大的是耕地，约682.2hm2，占整个受影响区域面积的47.28%；其次是林地和中转场地，分别占16.56%和12.62%；城乡居民用地为5.58%。通过以上数据可知，采空区导致的地面塌陷、地裂缝等对农业、林业、工业及居民生活均产生了较大影响。通过相关资料和实地调查得知，由于采空区地表应力发生改变，产生的塌陷、地裂缝等十分严重，导致居民及工矿企业建筑受损，弃耕撂荒现象严重。

图1 井陉矿区采空区分布

Fig.1 Goaf distribution of Jingxing mining area

表4 采空区土地利用类型及其面积

Table 4 Area of land use in goaf area

土地利用类型面积(m2)占采空区比例(%)耕地6827195．5847．275林地2391024．7416．557草地686982．454．757水域283826．331．965城乡居民用地805681．575．579中转场地1822223．0012．618固体废弃物 196．780．001矿业建筑1249353．088．651交通工业用地374882．852．597总计14441366．39100

4.2.3 地质灾害危险性分析 开采煤炭和地下水使地表产生不均匀沉降，从而引发塌陷、地裂缝等地质灾害，在煤炭资源几乎枯竭的情况下，地方国有煤矿和乡镇村集体煤矿多次复采残煤，进一步加大了地面塌陷、裂缝程度，造成地质灾害隐患；采石场等破坏了原有的山体平衡，形成掌子面等开采面，受雨水冲刷容易产生崩塌和滑坡等地质灾害；采石形成的尾矿、废矿石如果贮存地点不适宜会导致堆积量逐年增大，在汛期容易产生泥石流；雨量年度分布极为不均，汛期强降雨易诱发地质灾害的发生。因此，采空区、矿山开采面、不适宜的尾矿库和废矿石堆放点，都具有地质灾害危险性。井陉矿区采矿历史悠久，存在大面积的采空区，经遥感判读在贾庄镇和横涧乡存在大量矿山开采面，这些都是崩塌、滑坡、地面塌陷、地裂缝的潜在危险源。因此井陉矿区具有较高的地质灾害危险性。

4.2.4 粉尘污染分析 井陉矿区存在大量煤炭开采、洗选、储存、中转等活动，加之大量采石场的存在，导致采场、中转场地等矿业活动场地周围及交通主干道两侧粉尘污染极为严重，对周边区域土壤产生了严重影响，受污染农作物导致减产，受污染植被导致生长不良，并且视觉感官极差。相关区域在遥感影像上呈现以矿业活动场所为中心向外颜色由深变浅的规律，即离煤炭较近的地方受煤炭粉尘污染较重，随着距离的增加影响逐渐减少；而采石场周边则因为受浅色粉尘的影响呈现较周围同类地物浅的色调(图略)。

4.3 矿区生态安全综合评价结果分析

依据公开出版的国家、地方和行业标准，结合已有研究成果，将研究区生态安全状态分为安全状态、较安全状态、一般状态、较不安全状态和不安全状态5个生态安全等级。根据综合评价结果可知，研究区内生态安全评价等级为一般状态的面积最大，约占30.17%；其次为较安全级别，约占22.41%，安全状态占17.24%；不安全状态和较不安全状态分别占15.81%和14.37%。由此可知该区域生态安全已受到威胁的区域面积占比为60.35%，生态安全问题应引起相关部门关注。

由研究区生态安全状态空间分布(图2)可知，井陉的生态安全状况总体格局呈现以下特点：1)研究区5种生态安全状态呈现按乡镇集聚的特点。凤山镇生态安全状态好于横涧乡，而贾庄镇生态安全状态最差。时空分布上研究区北部处于较差的生态安全水平，南部整体处于较好的生态安全水平。2)研究区生态安全水平空间分布与人类活动分布和地形特点呈正相关。贾庄镇人口最多，山地占比例最高，矿山开采活动密度大，工业较为发达，因此该区域生态安全承受了较大压力，大部分区域处于预警状态。

综合以上分析，大规模矿业活动是使得矿区内部分区域生态安全处于较不安全或不安全状态的主因。从生态安全受到威胁的区域看，很大程度上归咎于该区域规模大、强度高、近百年的矿业开采历史。矿区的资源开采型支柱产业单一，围绕矿业开采的产业活动造成的地质灾害及隐患、景观的破坏、土地资源占用、环境污染等负面影响导致该区域生态安全出现大面积预警状态。

图2 生态安全空间分布格局

Fig.2 Spatial distribution of ecological security

5 结语

本文首次将以高分一号卫星遥感影像为主的多类型、多时相和不同空间分辨率的遥感图像引入数据源，基于“压力-状态-响应”框架理论建立了一套适合矿区生态安全评价的遥感信息指标体系，涉及的23个指标涵盖了自然、人类活动、社会经济等多方面的因素，是一个较全面的矿区生态安全评价体系,指标数据均来自遥感数据、数据库、监测数据及实地快测。遥感信息提取采用了计算机自动提取与目视解译相结合的方法,既提高了信息提取的效率又保证了解译精度,可满足对矿区生态安全的快速监测及评价的要求。经实例验证，本文方法能较好地评价实际生态安全状况，可为相关研究提供借鉴。由于在指标权重的设定中采用了层次分析法与专家打分法相结合的方法，存在一定的主观成分，如何取得更为客观的权重体系，提高评价的普适性，将是下一步研究的重点。

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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

河北省科学院科技计划项目(14123、14130、15130)

刘剑锋(1974-)，男，副研究员，研究方向为3S技术在生态环境中的应用。E-mail:ljf70s@126.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.05.024

X37；TP75

A

1672-0504(2015)05-0121-06