典型煤炭矿区生态健康遥感诊断_陈逸雨.pdf

年第期陈 逸 雨，等：典 型 煤 炭 矿 区 生 态 健 康 遥 感 诊 断引 文 格 式：陈 逸 雨，曹 春 香，徐 敏，等典 型 煤 炭 矿 区 生 态 健 康 遥 感 诊 断 测 绘 通 报，（）：-：-典型煤炭矿区生态健康遥感诊断陈 逸 雨，曹 春 香，徐敏，谢波，张 九 堂（中 国 科 学 院 空 天 信 息 创 新 研 究 院 遥 感 科 学 国 家 重 点 实 验 室，北 京；中 国 科 学 院 大 学，北 京；山 西 灵 石 华 苑 煤 业 有 限 公 司，山 西 晋 中）摘 要：煤 炭 资 源 是 我 国 重 要 的 一 次 性 能 源，科 学 监 测 与 评 估 矿 区 生 态 健 康，对 于 维 持 经 济 发 展 与 生 态 健 康 的 平 衡 至 关 重 要。本 文选 取 位 于 山 西 省 的处 典 型 煤 炭 矿 区，基 于年 的遥 感 数 据，利 用 目 视 解 译 方 法 对 露 天 矿 区 进 行 了 多 年 用 地 类型 演 变 格 局 分 析；并 分 别 对处 典 型 矿 区 的 绿 度、湿 度、干 度、热 度 进 行 了 估 算，应 用 知 识 粒 度 熵 的 权 重 计 算 方 法，综 合 构 建 了 矿 区遥 感 生 态 指 数（），完 成 了 矿 区 生 态 健 康 多 年 遥 感 诊 断。结 果 表 明，两 处 露 天 矿 区 呈 现 边 开 采 边 复 垦 的 生 产 模 式，各 有 半 数 的研 究 年 份区 域 均 值 达 到.以 上；地 下 矿 区 的 开 采 工 作 基 本 不 造 成 地 上 扰 动，其年 以 来 的 生 态 健 康 状 况 较 为 稳 定，均 值 在.上 下 浮 动；处 矿 区年 的均 值 分 别 为.、.、.。本 文 改 进 了 传 统 的 遥 感 生 态 指 数 构 建 方 法，为煤 炭 矿 区 的 长 时 序 生 态 监 测 与 遥 感 诊 断 提 供 了 科 学 支 撑。关 键 词：典 型 煤 炭 矿 区；生 态；指 数；知 识 粒 度 熵；遥 感 诊 断中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，；，）：，-，（），-，.-，.，.，.，：；煤 炭 资 源 是 我 国 重 要 的 一 次 性 能 源，广 泛 分 布于 新 疆、内 蒙 古、山 西、贵 州 等 地，整 体 呈 现 西 多 东少、北 多 南 少 的 空 间 分 布 格 局。然 而，我 国 煤 炭矿 区 生 态 环 境 本 底 大 多 较 脆 弱，大 量 的 矿 区 开 采 活动 对 土 壤、水 热、植 被、大 气 等 生 态 要 素 造 成 立 体 性影 响。当 前，随 着 国 家 生 态 文 明 建 设 的 不 断 推进，亟 须 科 学 监 测 与 评 估 煤 炭 矿 区 生 态 健 康 现 状，促 进 矿 区 开 采 的 可 持 续 发 展，达 到 经 济 发 展 与 绿 色生 态 的 平 衡。随 着 卫 星 遥 感 与 地 理 信 息 技 术 的 快 速 发 展，遥收 稿 日 期：-基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（）；国 家 自 然 科 学 基 金（）；国 家 林 业 和 草 原 局 林 草 科 技 创 新 发 展 与 研 究 项 目（）作 者 简 介：陈 逸 雨（），女，硕 士 生，研 究 方 向 为 环 境 健 康 遥 感 诊 断。-：通 信 作 者：曹 春 香。-：测绘通报年第期感 监 测 技 术 相 较 于 地 面 调 查 具 有 时 效 性 高、监 测 面积 广、可 进 行 多 层 次 立 体 观 测 的 优 势，广 泛 应 用 于矿 区 生 态 环 境 的 监 测 与 评 价。近 年 来，研 究 人 员基 于 遥 感 手 段，分 别 从 植 被 退 化、水 文 变 化、土地 沉 陷、景 观 格 局、生 态 风 险 评 价等 方 面 对矿 区 生 态 环 境 展 开 了 系 列 监 测，建 立 了 遥 感 生 态 指数（，）-、矿 区生 态 健 康 指 标 体 系等 系 列 评 价 方 式 与 指 标，并 获得 了 系 列 研 究 成 果。然 而，现 有 研 究 大 多 聚 焦 于单 个 煤 炭 矿 区，缺 少 不 同 矿 区 之 间 的 长 时 序 对 比 分析；此 外，较 常 用 的 指 数 建 立 方 法 多 分 为 两 类，即 基于 主 观 赋 权 方 法 的 层 次 分 析 法，或 完 全 依 赖 数 据 本身 的 客 观 赋 权 的 主 成 分 分 析 法。环 境 健 康 遥 感 诊 断 是 基 于 遥 感 数 据 建 立 评 价体 系，阈 值 化 评 估 生 态 健 康 状 况 的 科 学 手 段，已 形成 较 为 成 熟 的 关 键 技 术 与 成 果 体 系。基 于 此，本文 基 于 主 客 观 结 合 的 知 识 粒 度 熵 赋 权 方 法 集 成 改进 的 矿 区 健 康，选 取 山 西 省处 典 型 煤 炭 矿区，利 用年 来 的多 光 谱 影 像 数 据，对 露天 矿 区 的 多 年 用 地 类 型 进 行 目 视 解 译，并 在 此 基 础上 对处 典 型 煤 炭 矿 区 进 行 多 年 环 境 健 康 遥 感诊 断。研 究 区 概 况山 西 省 地 处 黄 土 高 原 东 翼，属 于 温 带 大 陆 性 季风 气 候，矿 产 资 源 丰 富。如 图（）所 示，浅 绿 色 区域 为 山 西 省 的 煤 炭 重 点 开 采 区，煤 类 包 括 焦 煤、瘦煤、贫 瘦 煤、贫 煤、无 烟 煤 等。图（）（）为 山 西省 的处 典 型 煤 炭 矿 区 所 在 地，分 别 为 平 朔 市 的 两处 露 天 矿 区（矿 区、矿 区）和 临 汾 市 的 一 处 地 下矿 区（矿 区）。处 矿 区 占 地 面 积 分 别 为.、.、.。研 究 区 的 选 取 综 合 考 虑 了 地 上 与 地下 不 同 的 煤 炭 开 采 方 式、资 料 的 易 获 取 度 及 实 地 探查 的 便 捷 性 等。图研 究 区数 据 来 源 与 研 究 方 法.光谱数据收集与预处理本 文 使 用 的 光 谱 数 据 为年 的 数 据，以 及年 的与数 据，空 间 分 辨 率 统 一 为。选 取植 被 生 长 较 为 旺 盛 的月，筛 选 该 时 间 段 内 含云 量 小 于的 影 像。根 据 各 矿 区 不 同 的 使 用 年限，每年 选 取 一 景 遥 感 影 像 进 行 分 析。数 据预 处 理 过 程 包 括 辐 射 定 标、大 气 校 正、几 何 校 正、裁 剪 等。.矿区用地类型分类通 过 波 段 组 合 与 目 视 解 译，综 合 对 比 临 近 年 份遥 感 影 像，并 参 考 高 分 辨 率 数 据 与 实地 调 研 数 据 等，对 露 天 开 采 的、矿 区 进 行 用 地 类型 划 分，露 天 矿 区 分 类 体 系 见 表。表露 天 矿 区 用 地 类 型 及 分 类 标 准类 别解 译 标 准露 天 矿 深 色，深 坑 状，有 煤 层 露 出剥 离 区 黄 土 裸 露，将 要 开 采 但 暂 未 开 采 的 区 域工 业 用 地 建 筑 用 地，如 运 煤 道、煤 厂 等未 复 垦 呈 阶 梯 堆 积 景 观，开 采 后 还 未 及 时 复 垦已 复 垦 植 被 恢 复 后 的 土 地未 扰 动 明 显 还 未 开 采 的 地 区.遥感生态指数分量计算集 成的 分 量 包 括 绿 度、湿 度、干 度、热 度，本 文 均 使 用数 据 反 演 计 算 得 到。绿 度 表 征 的 是 植 被 覆 盖 情 况。首 先 计 算 植 被指 数，然 后 计 算 植 被 覆 盖 率（代 表 绿 度 分 量指 标）。公 式 分 别 为年第期陈 逸 雨，等：典 型 煤 炭 矿 区 生 态 健 康 遥 感 诊 断（）（）（）（）（）（）式 中，和表 示 红 波 段 和 近 红 外 波 段 的 反 射率；、分 别 表 示的 最 大、最小 值。湿 度 指 标的 反 演 通 过 对 光 谱 数 据 进 行 缨帽 变 化 得 到，已 有 研 究 形 成 针 对 和 数 据 的 经 验 公 式，分 别 为 .（）.（）式 中，分 别 代 表 对 应 蓝、绿、红、近 红、中 红外、中 红 外波 段 的 反 射 率。干 度 指 标由 建 筑 指 数和 土 壤 指数合 成，反 映 了 地 表 的 干 化 情 况。、的 计 算 公 式 分 别 为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）热 度 分 量 可 直 接 使 用 系 列 产 品 中的 地 表 温 度 数 据。该 数 据 的 生 产 过 程 融 入 了 产 品，并 使 用 单 通 道 算 法 反 演 而 成，可 直 接 通 过官 网 下 载。.基于知识粒度熵的矿区健康遥感诊断传 统 的构 建 方 法 是 通 过 主 成 分 分 析法，将 多 个 分 量 的 信 息 集 中 到 个 主 变 量 上，从 而 达 到 压 缩 冗 余 信 息 的 目 的。该 方 法 的 实施 完 全 依 赖 数 据 本 身 的 信 息 质 量，且 仅 在 第 一 主成 分的 结 果 满 足 绿 度 与 湿 度 均 是 正 向 贡 献时 具 有 实 际 意 义。考 虑 特 征 向 量 方 向 的 不 唯一 性，应 用 到 不 同 的 研 究 区，很 难 保 证 各 分 量 权重 的 正 负 方 向 性。此 外，在 数 据 降 至个 维 度前，原 始 数 据 也 仅 为个 维 度，该 构 建 方 法 不 能对 原 始 数 据 进 行 有 效 降 维，无 法 发 挥 主 成 分 分 析方 法 的 优 势。因 此，本 文 采 用 基 于 知 识 粒 度 熵 方 法 的构 建 方 法，即 依 据 各 影 像 的 知 识 粒 度 熵，分 别 计 算个 分 量（绿 度、湿 度、干 度、热 度）对的 贡 献 权重，分 量 指 标 分 别 与 各 自 权 重 相 乘 并 加 和，最 终 得到 改 进 后 的 矿 区值。为 消 除 不 同 量 纲 的 影 响，计 算 权 重 前 分 别 检 查各 景 分 量 指 标 的 数 据 质 量，清 洗 滤 除.的 异 常 像 素 值，并 将 各 参 数 归 一 化 到之间。由 于为 正 向 指 示 性 指 标，因 此 对 绿 度 和湿 度 进 行 正 向 归 一 化，对 干 度 和 热 度 进 行 反 向 归 一化，公 式 为（）（）正 向（）（）反 向（）式 中，表 示 归 一 化 后 的 像 素 值；和分 别 为该 指 标 的 最 大 与 最 小 值。将 归 一 化 后 的个 分 量 指 标 值 域 平 均 划 分 为个 区 间，统 计 各 分 量 指 标 的 总 像 元 数和 各 区间 的 像 元 数，并 计 算 各 年 度 各 分 量 指 标 的 知 识粒 度 熵，以 及 各 指 标 各 年 份 对 应 的权 重 值，公 式 分 别 为 （）（）()（）式 中，；表 示 各 分 量 指 标 值 划 分 的 区间 个 数，即 ；表 示 参 与 计 算 的 总 像 素 数；表 示 第个 区 间 像 素 数。得 到 各 分 量 权 重 值后，个 分 量 逐 年 加 权 相 加 后 便 可 得 到 最 终 改 进 后的 矿 区，即 （）式 中，表 示 分 量 指 标 的 个 数，即 为。需 要 注 意 的是，由 于为 归 一 化 后 的 指 标 分 量，因 此 可 保 证的 值 域 在之 间，也 便 于 后 续 对 不 同 研 究区 的计 算 结 果 进 行 统 一 比 较。结 果 分 析.露天矿区多年用地类型变化图和 图分 别 为 两 处 露 天 矿 区 的 多 年 用 地 类型 划 分 结 果，不 同 颜 色 代 表 不 同 用 地 类 型。如