基于RS与GIS技术的喀斯特煤矿区生态环境质量评价：以盘州市为例

刘发勇，田祥贵，何 林

（贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引 言

煤炭是我国重要的能源基础，贵州省的煤炭资源储量居全国第五位，素有“西南煤海”之称，是我国西南地区主要的煤炭生产基地和开发利用的重要基地。近年来，贵州省的经济社会发展与生态保护的冲突问题不断凸显，煤炭资源的开采不同程度地造成了环境污染和生态破坏，对矿区及其周边生态环境造成了严重影响，加之贵州省特殊的喀斯特地质条件，受井下开采活动影响而造成的地面塌陷、沉降、山体滑坡、地下水流失等生态环境问题更为突出。目前，利用各类生态环境因子对区域的生态环境质量进行定量评价已成为生态环境评价与保护的重要内容，尘福艳等[1]利用遥感技术提取了矿区生态环境特征因子，建立了综合评价模型，实现了陕北矿区的生态环境综合评价；肖艳[2]以小流域为评价单元，选用植被覆盖指数、水体密度指数、土地退化指数等作为生态环境质量评价因子，实现了小流域的生态环境质量等级划分；吴倩[3]采用AHP-熵权法结合的最小信息熵组合权重实现华北油田中部生态环境评价。目前，基于RS卫星观测范围广、光谱信息丰富、GIS空间叠加运算与空间分析的融合应用，已经在生态、环保、国土等领域得到广泛的应用[4-6]，但针对喀斯特山区生态环境质量评价的相关研究中，结合煤矿开采指标进行综合评价的相关研究较少，以喀斯特环境为评价因子的煤矿区生态环境质量评价的研究也较少。基于此，根据喀斯特矿区特有的地质条件，针对煤矿开采活动关联因素建立喀斯特矿区生态环境质量评价体系，对喀斯特煤矿区生态环境质量进行科学、客观的评价，为矿区的煤炭产业规划、生态环境保护等提供科学的数据支撑。

1 研究区概况

盘州市地处贵州省西部，国土面积4 056 km2，下辖14镇6街道7乡；冬无严寒，夏无酷暑，属亚热带气候，年均气温15.2 ℃，年均降水量1 390 mm；由于南北盘江支流的切割，形成了层峦叠嶂、山高谷深的喀斯特高原山地地貌，整体地势西北高，东部和南部较低，中南部隆起，海拔最高2 865 m为北部的牛棚梁子主峰，海拔最低735 m为东北部的格所河谷，相对高差2 130 m；境内煤炭资源储量大、品种全、质量优，是贵州省乃至长江以南的主要产煤区，探明储量105亿t，远景储量380亿t，“三线建设”时期开发盘县煤田，并设立了盘县矿区，历经半个多世纪的发展，盘州市已经成为全国重点产煤县和重要电源点，是贵州省煤炭的“压舱石”，也是贵州省电煤保供的重点产煤地。

2 数据源与研究方法

2.1 数据源及数据处理

选用2021年3月Landsat8 OLI的遥感影像作为数据源，在经过影像预处理、辐射校正、空间校正、裁剪、拼接等处理之后，选用绿波段3、红外波段4、近红外波段5进行标准假彩色合成，得到空间分辨率为30 m的多光谱影像，为提高影像分辨率，需将多光谱影像进行空间分辨率的提升。Landsat8 OLI的8波段为全色波段，其空间分辨率为15 m，通过全色波段与多光谱影像的融合，不仅保留了多光谱影像的光谱特征，同时提升了影像的分辨率，最终得到空间分辨率为15 m的多光谱影像，根据盘州市行政范围进行影像拼接、裁剪等，采用面向对象的遥感影像分类方法，根据影像栅格单元颜色、聚类形状、分割尺度、纹理信息等最终得到较好的土地利用分类结果，实现对盘州市土地利用数据的分类。

坡度数据根据盘州市DEM数据进行计算，DEM数据来源于NASA官网，分辨率为12.5 m，在ArcGIS空间分析模块支持下，以领域窗口计算得出盘州市坡度范围值，再根据表1中的坡度分级值进行坡度分级；煤矿开采强度数据来源为贵州省能源局官方网站，农业人口密度数据来自《盘州市2021年统计年鉴》，以乡级行政单元为基础统计各乡镇的农业人口数量，通过人口数与行政面积比值计算出农业人口密度，通过对盘州市乡镇矢量数据关联最终获得带人口密度的乡镇级矢量数据；石漠化与水土流失也是盘州生态环境变化的重要特征，参考熊康宁等[7]、刘发勇等[8]的研究成果，采用岩溶地区石漠化分等定级及水土流失分类定级划分标准进行数据处理，最终得到研究区的石漠化数据及水土流失数据。

表1 喀斯特煤矿区生态环境质量评价指标体系Table 1 Evaluation index system of ecological environment quality in Karst coal mining area

生态环境质量的好坏与一定范围内的植被覆盖度有着明显的正向关系，一般情况下，植被覆盖度越高，生态环境质量越好，归一化植被指数是最直接体现植被覆盖度的指标，其取值范围在-1到1之间，当数值为负值时，表示观测区地面覆盖为水、雪或者观测时区域被云遮挡；当数值为0时，其近红外波段与红外波段值近似相等，地表主要特征为岩石或裸土等；当数值为正值时，表示地表有植被覆盖，且数值随覆盖度增大而增大。根据Landsat8 OLI波段组合情况，采用红光波段4、近红外波段5计算研究区的归一化植被指数（NDVI），见式（1）；为充分体现水对生态环境质量的重要，对植被指数进行改进，最终选用改进的归一化水体指数（MNDWI）提取研究区的水体指数，见式（2）。

式中：NDVI为归一化植被指数；MNDWI为归一化水体指数；BNIR为近红外波段；BRed为可见光红色波段；BGreen为绿波段。

2.2 评价指标体系构建

喀斯特矿区生态环境是自然环境与人类活动的复合生态系统，在建立生态环境质量评价指标体系时，需要考虑盘州市特殊的喀斯特地质环境及各评价因子之间的复杂关系。此外，要根据其对生态环境质量的贡献率及影响程度选取评价因子，在选取生态环境质量评价指标因子时，既要能够进行单一分析，又要能够进行综合分析[9-12]。针对盘州市特殊的喀斯特地质环境，结合盘州市矿区的实际情况，通过现有煤矿区生态环境质量评价的相关文献分析，在吕连宏等[13]、孙静芹等[14]、刘锦等[15]研究的基础上，本次生态环境质量评价指标选取土地利用、石漠化、水土流失、坡度、植被指数、水体指数、煤矿开采强度、农业人口密度八个因子建立评价指标体系，通过对评价指标数据的处理，按照表1中的生态环境质量分等定级指标实现对单一评价因子的处理。

2.3 生态环境综合评价

生态环境质量评价的指标体系是由影响生态环境的多因素组成的综合评价体系，因各评价因子对自然环境的影响存在较大的差异，不同的影响因子之间有差异也有联系，不能简单地进行空间叠加运算，需要综合考虑各因子对生态环境质量的影响，为综合考量各因子对综合评价结果的影响，同时考虑各评价因子之间的关系，在进行综合评价时引入单一评价因子权重值进行空间叠加计算，采用权重计算得出土地利用、石漠化、水土流失、坡度、植被指数、水体指数、煤矿开采强度及农业人口密度八个指标在参与生态环境质量评价时的相对权重。

表1确定的单因子生态环境状况只反映了某一个因子影响程度，但生态环境是一个综合的系统，参考刘发勇等[16]的研究成果，对单一因子所对应的生态环境质量进行分级赋值和属性量化处理，在ArcGIS栅格数据空间叠加分析模块支撑下，按照生态环境综合评价指数进行空间运算（式（3）），计算出盘州市各因子综合影响下的生态环境质量等级。

式中：Ej为j空间栅格单元生态环境质量指数；Ci为i因子环境质量等级；wi为i因子对生态环境质量的影响权重。由于各单一影响因子对生态环境质量的影响程度不同，需要对各单一因子进行加权计算，按照式（4）采用专家调查方法确定各因子的权重[17-18]。

式中：wi为i评价因子对生态环境质量的影响权重；xi为i评价因子相对于生态环境质量的重要性；m为进行权重专家打分的人数。根据计算确定生态环境质量权重为：土地利用-0.16、石漠化-0.18、水土流失-0.14、坡度-0.08、NDVI -0.18、MNDVI -0.06、煤矿开采强度-0.12、农业人口密度-0.08，进一步通过空间叠加运算综合因子影响下的生态环境质量。

3 研究结果与分析

图1为盘州市生态环境质量单一指标与综合评价结果图。由图1可知，石漠化因子、坡度因子、归一化植被指数因子及水体指数因子整体评价结果生态环境质量均较差，其主要原因是盘州市地处云贵高原的过渡地带，地处贵州省和云南省交界地，山高坡陡，河流切割剧烈，部分区域石漠化程度高、水土流失严重，地表植被覆盖度低，从而使得整个生态环境质量处于一种亚健康的状态；上述评价因子中，煤矿开发强度因子较其他评价因子而言较为集中，因是以矿区范围为评价基础，范围较广。

图1 盘州市生态环境质量单一指标与综合评价结果Fig.1 Single index and comprehensive evaluation results of ecological environment quality in Panzhou City

表2为盘州市2021年生态环境质量评价结果。由表2可知，各生态环境质量等级在全市范围内均有分布，但整体来看，盘州市生态环境质量整体较好，优良等级占比达75.03%，其中，生态环境质量等级为良的区域占比45.29%，生态环境质量等级为优的区域占比29.74%，主要分布在盘州市的南部、北部及中部无煤矿开采的区域，该部分区域以植被覆盖度高、水土流失轻微、石漠化现象不严重、无煤矿开采；生态环境质量等级为较差及以下的区域占比为2.74%，主要分布在部分有煤矿开采、坡度较大、植被覆盖度低的区域，这类区域也是生态环境保护的重点，需要从矿山生态恢复、植树造林等方向提升该类区域的生态环境质量。

表2 盘州市2021年生态环境质量评价结果Table 2 Ecological environment quality evaluation results in Panzhou City in 2021

基于上述评价方法得到的盘州市生态环境质量虽然可看出整体分布规律，但由于计算结果图斑过于破碎化，对于实际生态环境保护与治理缺乏可操作性，不能实现生态环境保护的任务分解，为了能以一种简洁的方式综合考虑一定范围内不同生态环境质量等级的评定，同时又便于对区域生态环境质量的定量分析，基于此引入生态环境质量网格化计算与评价方法，在上述综合评价结果的基础上，以1 km×1 km格网为计算单元，通过引入基于生态环境质量等面积权重和生态环境质量等级值计算区域生态环境质量综合指数（KDI），其计算公式见式（5）。

式中：n为评价区域内生态环境质量的等级数量；Wi为区域范围内第i种生态环境质量的等级值；Ai为i类生态环境质量的面积比例。

在ArcGIS软件中，通过创建渔网工具生成1 km间隔的渔网后转换为面数据，去除行政区外的数据之后将矢量面数据与图1的综合评价结果进行空间叠加，以矢量数据的1 km格网为计算单元，根据式（5）对格网内的生态环境质量综合指数（KDI）进行计算，最终得到整个盘州市的KDI分布情况，如图2所示。图2（a）为图1中生态环境质量综合评价结果与1 km格网叠加效果图，图2（b）为网格化后的盘州市生态环境质量综合指数（KDI）计算结果图。由图2可知，经过网格化的计算之后，整体趋势与图1中的综合计算结果相符，但因计算尺度的扩大，使得一些零碎的突出点被融合计算，因此，网格化计算结果中不再有生态环境差的区域，整体生态环境质量以良为主，生态环境质量一般区域与图1（h）相比较，分布趋势较吻合，这说明煤矿开采对生态环境有一定的影响，在生态环境保护、治理与恢复的时候应重点关注该类区域的工作开展。

图2 盘州市生态环境质量综合评价网格化计算结果Fig.2 Grid computing results of comprehensive evaluation of ecological environment quality in Panzhou City

4 结 语

基于Landsat8 OLI遥感影像数据，综合考虑了影响喀斯特煤矿区生态环境质量的因子，采用基于指标权重的综合评价方法，以盘州市为例进行了喀斯特煤矿区生态环境质量综合评价与分析，通过多源数据的融合空间叠加计算，定量分析了盘州市生态环境质量及空间分布情况，结果表明盘州市生态环境质量整体较好，优良等级占比达75.03%，但生态环境质量差的区域在全市范围内均有零星分布，评价结果可为盘州市未来的生态环境保护及经济建设规划提供参考。

生态环境质量评价是一个系统的综合评价，在生态环境质量评价指标体系中，就井工煤矿而言，其对地表生态环境的影响主要为煤矿采空区的地表沉降、山体滑坡、裂缝等，其矿区范围内非采空区对生态环境影响不大，后续可对煤矿采空区数据进行具体量化，使得分析更为切合煤矿开采所带来的影响。此外，未考虑其他非煤矿山的影响，除以上评价指标外，还需考虑污染源数据、空气粉尘颗粒数据、地质灾害等因素的综合影响，在以后的研究中可进一步收集相关数据，完善生态环境质量评价指标体系，实现生态环境的多维度综合分析。

基于网格化的计算方法为区域生态环境质量评价提供了一种简洁且利于进行生态环境保护的参考，但是因选择的网格尺度会导致一些零碎生态环境质量差的区域被融合计算，但生态环境本就是一定范围的特定区域，因此，在对某一特定区域进行评价时可作为计算参考，如在以乡镇行政单元或者地域单元进行评价时可采用此方法进行，实现乡镇乃至村级别的生态环境质量评定，从而为生态环境的保护与考核提供一种思路。