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准东矿区生态环境遥感监测及生态质量评价模型

作者2019-03-27 10:56未知
煤炭是新疆的支柱产业,储量丰富,但煤炭资源开发会引起土地挖损、煤粉尘污染、植被破坏、空气污染等区域性生态环境问题。如何快速准确地监测环境污染,评价生态环境质量十分重要。遥感技术是监测煤矿区生态环境和评价生态质量的有效方法之一。本文选取准东矿区为研究区,Landsat TM/ETM+/OLI和MODIS 04/09/11为数据源,利用遥感和野外实测手段监测矿区主要生态环境参数,包括地表煤粉尘污染,植被覆盖度,地表温度,土壤湿度和空气中AOD、PM_(2.5)和PM_(10)等地表环境因子和大气环境因子,分析矿区活动对各生态环境参数的影响,通过构建基于RSEI和基于AHP的生态环境评价模型,评价准东矿区开采前后生态环境质量变化以及模型的适用性,得出如下结论:(1)地表煤粉尘污染信息的遥感识别和提取运用遥感监督分类方法(K-Mean、ISODATA)和非监督分类方法(MD、ML和SVM)对准东煤矿区的煤粉尘污染进行分类,得出这些分类方法无法有效识别煤粉尘污染信息及区分矿区周围的复杂地物。通过与高光谱信息比较发现煤块、地表煤粉和地表土壤的光谱反射率曲线在对应于多光谱Landsat影像的NIR、SWIR1、SWIR2的差异最大。SWIR1/SWIR2/NIR波段组合图像可凸出煤粉尘污染区地物信息,能辨识受煤粉尘污染影响的矿区各功能区布局。据此构建增强煤粉指数ECDI能有效识别五彩湾各矿点的煤粉尘污染信息并区分水体,烟尘和砾石等干扰物。(2)地表煤粉尘污染信息的动态过程与驱动分析通过ECDI估算矿区煤粉尘污染程度,分析五彩湾矿区历年煤粉尘污染空间分布,得出自2008年煤粉尘污染面积逐年增加,至2014年达到最大,2015年和2016各矿点煤粉尘污染面积同步减少。煤粉尘扩散主要由煤炭和煤矸石的开采、装卸、运输和堆放引起。随采矿过程优化,基础设施完善,废料处理和利用,煤粉尘污染范围急剧缩减。自然风沙侵蚀、尘土掩埋和雨水冲渗也造成煤粉尘污染面积减少。煤粉尘沉降区域受夏季东北风影响主要分布于矿坑西南方向,并紧密围绕矿坑、煤矸石场和洗煤厂周边。距离矿区中心30 km范围内为煤粉尘重度沉降区,离中心越近污染越严重。(3)植被覆盖度的遥感估算和时空分布特征构建NDVI-DFI特征空间,获取端元特征值,利用像元三分模型估算准东矿区植被覆盖度。对比像元二分模型和像元三分模型,得出像元三分模型更加适合干旱区低植被覆盖区。运用MOD09地表反射率数据估算植被覆盖度的结果与基于Landsat数据估算的结果相似。经实地采样验证,得出像元三分模型的估算精度较高。基于像元三分模型分析2003、2006、2009、2012和2015年准东地区的植被覆盖度,得出优势级III、IV和V级植被面积呈现递增趋势,劣势级I和II级植被面积呈现递减趋势,生态环境整体呈恢复趋势。像元三分模型估算植被覆盖度具有一定的尺度效应。在局部五彩湾矿区尺度分析得出,随着矿区开采活动加剧,有部分NPV被占据,从而退化为BS,由于采矿所占区域原本PV覆盖极少,因此对PV损害较轻。(4)地表温度的遥感估算和时空分布特征通过单窗算法估算准东矿区地表温度,反演结果显示2003年、2006年、2009年、2012年和2015年的LST最高值和均值整体呈现递增趋势,低温区向高温区转化。经实地采样验证并与MOD11地表温度数据比较,得出LST反演结果精度可靠。五彩湾矿区LST受到人为影响变化显著,人类活动区LST普遍低于周边戈壁无人区,但建筑表面温度较高,煤矿采掘区则表现为相对高温,是由于煤炭自身热属性导致。同时LST受自然因素影响,新疆多年气温连续升高导致LST呈现高值。(5)土壤湿度的遥感估算和时空分布特征通过构建NDVI-LST特征空间,计算干湿边拟合方程,通过TVDI方法估算准东矿区土壤湿度,得出各年土壤湿度值均在0~1范围内,主要表现为中间沙漠地区土壤湿度较低,南部绿洲区和北部卡拉麦里山区土壤湿度较高。2003年~2015年的TVDI均值分别为0.71、0.67、0.73、0.72和0.77,表明研究区多年间一直保持一个较高水平的干旱状况。各年的TVDI反演结果存在差异,且分布规律也不同。经实地采样验证得出TVDI反演结果达到精度要求。五彩湾矿区土壤湿度受到人为影响变化显著,人工绿化带,洒水降尘和人工水体提高了土壤湿度,建筑物表面降低了土壤湿度。2009年和2015年分别为降水倾向型和温度倾向型干旱,其余各年均存在一定的温度倾向型或者降水倾向型干旱。(6)大气环境要素的遥感估算和时空分布特征提取MODIS04气溶胶产品的DEEP BLUE算法下的陆地气溶胶最优估算结果,分析准东地区气溶胶特征,得出2003年AOD高浓度区域主要分布在南部,2006年主要分布于西部,2009年和2015年分布无明显规律。从阈值方面,研究区AOD整体处于较低水平。实地测量得到PM_(2.5)、PM_(10)数据值普遍也处于较低水平,仅极少数观测结果有超过国家二级标准的日均值,准东矿区整体空气质量较好。PM_(2.5)、PM_(10)与AOD、AOD~*的相关性均十分显著。运用实测数据和遥感数据建立多项式模型估算PM_(2.5)、PM_(10)浓度。通过垂直-湿度订正后的反演模型较订正前精度有所提高,表现为R~2相对增大,RMSE相对减小。经模型估算得出,PM_(2.5)和PM_(10)高值区主要分布在研究区西南部的绿洲与荒漠交错带。二者的最大值超过国家二级标准的日均值,但平均值并未超过。将实测值与预测值进行线性拟合,效果较好,说明通过气溶胶反演PM_(2.5)、PM_(10)是可行的。相比之下,PM_(2.5)预测效果优于PM_(10)。研究区南部风沙天气较为频繁,空气中沙尘含量高,是引起该区域PM_(2.5)和PM_(10)高的主要原因。此外,PM_(2.5)和PM_(10)与气温呈正相关,与相对湿度呈负相关,但均不显著。(7)矿区生态质量评价模型研究将煤粉尘污染程度、植被覆盖度、地表温度、土壤湿度、PM_(2.5)、PM_(10)等生态环境参数进行相关性分析,得出煤粉尘与f_(pv)、LST和TVDI存在显著相关性。煤粉尘对植物生长存在负面影响,煤粉尘污染严重的区域地表温度相对偏高,矿区受人为扰动影响强烈。构建的RSEI生态评价模型结果中得出生态系统优良排序中部沙漠地区戈壁区绿洲荒漠交错带绿洲区。空气污染严重的区域普遍在绿洲及绿洲荒漠交错带附近。由于小尺度的空间生态指数与实际情况差异较大,因此RSEI不适用于五彩湾矿区尺度的生态质量评价。从AHP评价结果中得出2003年至2015年生态环境整体转好,其中南部绿洲区转变较为明显。各年生态环境质量等级中占比最大的为较差级别,占研究区面积的70%~85%。占比最小的为优级,面积比均不足1%,良级主要分布于绿洲区且呈改善趋势,差级占比整体呈减少趋势,但易发生波动。五彩湾矿区生态环境质量多年处于较低水平,这与恶劣的戈壁环境相关。RSEI和AHP生态评价方法存在一定的差异和共性。RSEI对于干旱荒漠稀疏植被区适用性不强,尤其表现在矿区小尺度分析,但其操作简便,客观且容易实现。AHP用于生态评价其生态意义更加丰富,适用于本研究区,但对指标要求较高,存在一定主观性。综上所述,煤矿开采对大尺度的准东地区生态环境影响较小,对于小尺度的五彩湾地区影响较大。人类活动对于矿区各生态环境参数具有重要影响。随着矿区修复和环境监管不断加强,准东矿区生态环境将得到改善。
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