禹州市1992－2015年矿区植被覆盖度动态变化研究

甄 娜，李宇航，陈 涛*

（1.河南省地质环境监测院，河南 郑州 450016；2.中国地质大学（武汉） 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074）

我国是矿产资源大国，在某种程度上，矿山开采的强度与矿区周边自然环境破坏程度成正比关系[1]。随着我国经济的飞速发展，必然需要大量开采矿产资源，然而在矿山开采、加工、运输和利用的过程中，给生态环境带来了严重破坏，导致矿区生态环境日益恶化，其中露天采场与工业广场对环境破坏最为明显。据统计，20世纪以来我国每年破坏土地面积以8%～9%的速度递增，到2020年，年均破坏土地面积约为6 600 hm2，破坏速度迅猛，势必会影响我国矿产资源开发的可持续发展与生态环境保护[2]。因此，对矿山环境进行监测，合理开采矿产资源，维持并改善矿区生态环境是一项必要的战略任务。

植被是地表生态系统中最重要的组成部分。植被覆盖度是指植被的叶、茎、枝等地上部分在地面的垂直投影面积占单位面积的百分比[3]，可有效衡量地表植被状况。植被覆盖度的高低将直接体现生态系统是否健康[4]，因此常被作为评价区域生态环境的重要指标。现阶段已研究出多种植被覆盖度的遥感估算方法，如杨胜天[5]等通过植被指数法提取了南水北调西线工程区的植被覆盖度，并对调水工程区的自然生态环境现状进行了评价；池宏康[6]采用经验模型法提取了沙地油蒿群落的植被覆盖度，并建立了其与土壤调节植被指数之间的关系模型；李苗苗[7]等建立了利用归一化植被指数（NDVI）定量估算植被覆盖度的模型，并结合密云水库上游的实际情况，对研究区植被覆盖度进行了估算；孙安昌[8]等利用混合像元分解方法提取了1991－2013年武汉市的植被、水体、裸地3种地物类型的植被覆盖度，并分析了武汉市地表覆盖变化情况。

植被覆盖度在矿山生态环境研究中也有广泛应用，如张世文[9]等利用长时间序列遥感影像获取了植被覆盖度，并分析了草原露天煤矿区的植被波动程度和变化趋势，以揭示矿山开采活动对植被覆盖度的影响；李恒凯[10]等利用森林郁闭制图模型、像元二分法模型和线性光谱混合模型分析了稀土矿产资源开采活动下的矿区植被覆盖变化情况；谢宝妮[11]等利用多年的净第一性生产力数据分析了矿区植被时空变化特征提取和影响因子的相关性。在矿山开采的过程中，随着开采强度的不断上升，地表植被覆盖状况也将受到剧烈影响，因此研究矿区植被覆盖变化情况，可有效了解矿区及其周边地区植被的破坏程度，对加强矿山管理监督和恢复矿区生态环境具有重要意义[12]。

本人结合前人研究成果和河南省地质环境监测院2018年河南省矿山地质遥感动态解译数据，以河南省禹州市为研究区，以矿区图斑为对象，研究了各类矿山开采对植被的破坏程度；并分析了1992－2015年植被覆盖变化情况，以期在方法技术上积累经验，为禹州市矿山环境的恢复治理提供遥感依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

禹州市地处河南省中部（图1），隶属于许昌市管辖，位于 113°03′～113°39′E、33°59′～34°24′N之间，为伏牛山脉与豫东平原过渡带；总面积为1 461 km2，平均海拔为225.77 m；东接长葛县，西邻登封市、汝州市，南连郏县、襄城县，北靠新郑市、新密市。禹州市属温带季风性气候，热量资源丰富、雨量充沛、光照充足、无霜期长，年平均降水量约为650 mm。禹州市拥有丰富的矿产资源，经初步探测，包括煤炭、铝矾土、石灰岩、稀土等30多种，种类繁多；有矿产地33处，其中煤炭总储量最高，约为90亿t，居河南省第二位，是全国15个商业煤炭基地之一[13]。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源

本文选用的遥感影像数据是从地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）下载的Landsat卫星影像数据，包括TM和OLI_TIRS传感器数据。受数据质量和季节影响，本文筛选了7幅遥感影像，如表1所示。

表1 遥感影像数据列表

禹州市矿区数据来源于河南省地质环境监测院，包括堆积、压占和挖损3种土地占用类型的图斑。由图2可知，图斑主要集中在禹州市北部和西部多山地区，挖损类居多，堆积类较少。

图2 禹州市图斑分布

2 研究方法

2.1 数据预处理

本次研究区裁剪采用的是从河南省自然资源厅获取的禹州市行政边界矢量，再进行辐射定标和大气校正等预处理工作，预处理基于ENVI5.3平台完成。辐射定标参数适应Flaash大气校正设定，大气校正参数模型选用适应影像传感器。研究区平均海拔则通过地理空间数据云下载的30 m分辨率DEM数据裁剪并计算获取。大气模型根据参考影像获取时间和研究区位置选择Sub-Arctic Summer模型。

2.2 植被覆盖度信息提取

本文采用像元二分模型进行植被估算。该模型将混合像元表现出来的混合光谱信息分解为植被覆盖光谱信息和非植被覆盖光谱信息，因其结果准确且普适性强而得到了广泛应用。其计算公式为：

式中，VFC为植被覆盖度；NDVIs为裸土或无植被覆盖区的NDVI值；NDVIv为全植被覆盖像元的NDVI值，即纯净植被像元NDVI值。

式中，NIR为近红外波段，R为红波段，分别对应Landsat5 TM影像的3、4波段和Landsat8 OLI影像的4、5波段。

理想状态下，纯净裸土或非植被像元NDVIs的值应趋近于0，纯净植被像元的NDVIv值趋近于1；但受温度、湿度、传感器和大气等影响，NDVI值是不确定的，将随时间和空间的变化而变化，变化范围一般在-0.1～-0.2之间[14]，因此NDVIs与NDVIv的选取并不能参考理想状态下的数值。本文借鉴李苗苗[7]等估算NDVIv和NDVIs的方法，根据像元NDVI值的统计情况，以累积像元5%和95%作为上下限取阈值分别代表NDVIs和NDVIv。研究技术流程如图3所示。

图3 研究技术流程图

3 研究结果与分析

3.1 禹州市矿区植被覆盖度整体变化趋势

禹州市7个不同时期的植被覆盖度如图4所示，可以看出，2001年、2004年和2015年植被覆盖度整体情况较好，1994年、2008年、2010年植被覆盖度整体较差；禹州市西、北部边缘地带植被覆盖情况普遍较好，中、东、部以及南部地区随时间变化差异较大，且有一定的波动。禹州市西、北部以山区为主，海拔较高，矿产资源多集中于此，植被覆盖类型以林地为主，覆盖度相对较好，但由于一系列的矿山开采活动，植被受到了明显破坏；中、东、南部多为平原地区，海拔较低，植被覆盖类型以耕地为主，植被覆盖变化不稳定。

导致植被覆盖度波动较大的原因主要为获取影像受季节影响严重。禹州市以平原为主，耕地面积约为910 km2，占禹州市总面积的60%以上；而耕地受季节影响严重，不同时段农作物长势变化较大，因此导致了植被覆盖度的波动。为减小季节影响，本文以矿区为主，结合2018年矿区图斑矢量在ArcGIS10.3平台上计算了图斑内植被覆盖度的变化情况，如图5所示，可以看出，1992－2015年禹州市矿区植被覆盖度均值整体呈下降趋势，1992年植被覆盖度均值最高，为41.84%，2010年植被覆盖度均值最低，为17.03%；1992－1994年植被覆盖度下滑显著，共降低了11.85%；1994－2004年有短暂上升；2008－2015年河南省经济形势较好，禹州市北部矿区主要以开采建筑石料的露天采场为主，受房地产开发、城区建设等影响较大，因此经济的快速增长导致了矿区的快速扩张，进而造成了植被覆盖度的快速下降。

图4 1992－2015年禹州市植被覆盖度图

图5 1991－2015年禹州市矿区植被覆盖度平均值

3.2 矿区植被覆盖面积变化

为了研究矿区植被的生长情况，本文将植被覆盖度划分为不同等级，从而计算不同等级植被覆盖面积。植被覆盖度的分级方法有很多，本文采用等间距分隔法[13]将植被覆盖度分为5个等级，即0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%，如表2所示。1992－2014年不同等级植被覆盖度面积转移折线图如图6所示，可以更清晰地观察植被覆盖面积的变化。

表2 各年份不同等级植被覆盖面积/hm2

图6 1992－2014年不同等级植被覆盖度面积转移折线图

矿山开采活动的土地利用破坏主要表现为土地的挖损、压占和堆积。首先剥离耕地、林地等原本的地表植被，再从事矿山的开发、生产等活动，随着时间的推移，矿山开采活动在影像上表现为无植被覆盖面积不断扩张。耕地植被覆盖度变化幅度较大，受季节影响也较大，通常表现为低植被覆盖或无植被覆盖，对研究结果有一定的影响，若影像获取时间为农作物生长茂盛时期，则表现为高植被覆盖；草地、林地的变化主要体现为中高植被覆盖变化，相对较稳定。矿区主要集中在禹州市北部，以林地和草地为主，有部分耕地，因此可通过无植被覆盖面积的变化分析禹州市矿区的扩张情况。

由表2和图6可知，1992－2003年无植被覆盖区面积不断增大，增势明显，说明禹州市矿区面积在不断扩大；中高植被覆盖区面积变化整体平稳，有微弱下降；低植被覆盖区面积显著减小，表明禹州市的矿区开发程度不断加深，以侵占耕地植被为主，侵占了少部分林地、草地。

为了具象化展示矿区植被的破坏程度，本文截取禹州市北部矿权密集处作为局部示意图，选取1992年、2004年、2015年典型时间节点具象化表现植被面积的不断缩减，结果如图7所示，可以看出，1992年矿区内无植被覆盖区面积较小，低植被覆盖区面积较大，影像表现为裸露的山脊和部分耕地，未出现明显的开采痕迹；2004年影像已有明显的矿山开采痕迹，无植被覆盖区面积明显扩张；2015年矿山开采面积进一步扩张，无植被覆盖区面积呈明显增长趋势。

图7 1992－2015年矿区植被覆盖度对比

3.3 不同矿种间植被覆盖面积变化对比

矿山是开发矿产资源而形成的比较独特的体系。矿区地物是矿山在矿产资源开发过程中形成的特定的土地占用类型。对于矿山地物的分类，在我国因地域的差别而有所不同，目前尚未形成统一的分类标准。本文参照河南省地质环境监测院发布的矿山地物分类标准将矿区图斑分为3种土地占用类型，如表3所示。

表3 禹州市矿区图斑统计表

不同的土地占用类型对植被破坏的程度有所不同，因此本文分别针对3种土地占用类型统计植被覆盖面积占比变化情况，并对比其破坏程度，从而了解其在矿山环境治理工作中的优先级。由图7可知，在矿区范围内，植被覆盖度为0～20%的区域与矿山开采区域保持高度一致，因此本文以20%为研究阈值，将矿区划分为有植被覆盖区域与无植被覆盖区域，并计算面积制作折线图，如图8所示，可以看出，3种土地占用类型均呈有植被覆盖区面积下降、无植被覆盖区面积上升的趋势；挖损、压占类植被变化曲线相对接近，且均比堆积类植被破坏程度高。堆积类包括废石渣堆、排土场、矸石山和尾矿库4种矿山类别，为矿山生产过程中附带的废弃物，不直接用于生产，因此其地表人为活动较少，植被更容易自然恢复，且矿山堆积产物更容易治理，对环境破坏程度相对较小；而压占类中的工业广场、冶炼厂以及挖损类中的露天采场是直接参与矿区开发和生产的场所，且其生产过程会对地表造成直接破坏，因此破坏程度较严重，若未经过人为环境治理，自然恢复需要相当长的时间，因此加强对露天采场和工业广场的监督、管理、治理是十分必要的。

图8 3种土地占用类型植被覆盖面积变化

4 结 语

对矿区植被覆盖度进行对比分析，能较好地反映研究区植被现状与动态，揭示矿山开发过程对矿区植被的影响。本文综合分析了禹州市1992－2015年矿区植被覆盖度的时空变化和等级结构变化，结果表明：①禹州市矿区植被覆盖度均值较低，随着禹州市的快速发展，矿区植被覆盖度均值日益降低；②禹州市矿区面积不断扩张，破坏了原有的地表植被覆盖，导致禹州市植被面积减小；③相较于堆积类矿山土地占用类型，挖损和压占类土地占用类型对植被的破坏更严重，在开展矿山环境治理工作中应优先处理。

矿山开采刺激经济增长的同时，不可避免地会对生态环境产生巨大破坏。近年来，国家日益重视对生活环境的保护，出台了一系列加强矿山管理监督的政策，取得了较好的成果。今后将更加努力，找到经济发展与环境保护之间完美的平衡点。