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基于Landsat遥感影像的平庄西露天矿植被恢复效果与归因分析

2024-04-14


创新点


1)对平庄西露天排土场植被恢复进行全周期精细时空监测,揭示了三个排土场的植被指数都呈上升趋势,且绝大部分区域已恢复至露天开采前的水平。
2利用植被恢复力评价区域尺度植被恢复效果,对比揭示了三个排土场的植被恢复力强弱。
3基于多元回归残差法定量揭示不同驱动模式对排土场植被恢复的影响。

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基于 Landsat 遥感影像的平庄西露天矿植被恢复效果与归因分析

作者  ,  ,张成业,彭传盈,胡靖宇,蓝光升,张亚萍
单位:中国矿业大学北京地球科学与测绘工程学院
引用格式:李军,王慧,张成业,.基于 Landsat 遥感影像的平庄西露天矿植被恢复效果与归因分析[J].绿色矿山,2024,2(1):31-41. 


摘要



监测与评估生态脆弱区煤矿排土场植被恢复效果,厘清植被变化的驱动因子,能为排土场植被恢复的可持续发展提供技术和数据支撑现有的利用长时序遥感数据进行矿区植被变化及其驱动机制的相关研究,缺少对矿区尺度下排土场全生命周期植被恢复的精细刻画,缺乏专题指标以定量描述排土场植被恢复力针对上述问题,以平庄西露天矿的3个外排土场为研究对象,基于Landsat遥感影像生成了研究区逐年的最大INDV数据,采用时序趋势分析法对排土场植被进行全周期精细时空监测,并利用植被恢复力评价区域尺度植被恢复效果最后,使用多元回归残差法定量分析气候变化和人类活动两类主要驱动因子对排土场植被变化的影响。 

实验结果表明: (1) 2008—2023年间,3个排土场的植被指数都呈上升趋势,不同植被覆盖等级的面积比例逐步上升,绝大部分区域已经恢复至露天开采前的水平;(2)排土场植被恢复力呈现先增后降再趋于稳定的特点,山后排土场恢复力最强,其次为三家排土场,太平地排土场恢复力相对较弱;(3)在植被改善区,主要呈现人类活动主导影响人类活动和气候变化共同影响2类驱动模式;在植被退化区还存在气候变化主导影响模式,尤其在三家排土场,人类活动和气候变化共同作用影响较大



引言



露天煤矿开采具有开采效率高资源回采率高安全性好等优势,是我国煤炭的主要开采方式之一露天矿排土场是一个大型土石混合堆积体用于堆放废弃物,直接破坏原有的地貌生态,是绿色矿山建设中的重点关注对象之一相比原始地层,排土场的土壤层次紊乱,结构不良,往往容易导致植被修复效果不佳或出现波动等问题平庄西露天矿地处干旱-半干旱生态脆弱区,是我国重大生态系统保护和修复的攻坚区对其排土场进行植被恢复过程动态监测与效果评价,并厘清各类因素对排土场植被生长的影响程度,能够为排土场植被恢复的可持续发展提供技术和数据支撑
遥感观测具备范围广时序长分辨率高等优势近年来已成为矿区植被长势监测评估的重要手段学者们利用长时序遥感数据开展了大量的矿区植被变化及其驱动机制研究,按研究区空间尺度可以分为2:大尺度和小尺度研究在大尺度研究方面,杜灵通等使用2000—2017年中分辨率成像光 谱仪(MODIS)连续观测的归一化植被指数,分析了宁东煤炭基地在煤炭开发不同阶段植被呈现的时空变化特征;FANG使用1982—2015GIMMS NDVI 3g数据集的归一化植被指数,分析了内蒙古东部大面积矿区的植被变化趋势;XIAO识别和监测了2003—2019年内蒙古东部胜利煤田的开采和复垦过程在小尺度研究方面,王国芳等基于Landsat数据,研究了平朔露天矿等3个典型矿区2001—2016年植被覆盖度的时空变化特征;LI研究了 2006—2020年胜利一号露天矿区植被覆盖度的变化特征;郭洋楠等利用LiDAR揭示陕西大柳塔煤矿采煤沉陷区人工修复植物群落冠层结构分异
在植被恢复研究方面,于爽等探究了不同恢复年限对于内蒙古高寒露天煤矿排土场植被群落变化和植物个体生长的影响;ZHANG基于FVC差值评估了胜利一号露天矿排土场植被恢复效果尽管前人取得了一系列研究进展,但缺少对矿区尺度下排土场全生命周期植被恢复的精细刻画;另一方面,以往的研究多侧重于直接用植被指标变化量表示植被恢复程度,缺乏专题指标定量描述排土场植被恢复力
针对上述问题,笔者以内蒙古平庄西露天矿为研究区,基于Landsat卫星和高空间分辨率遥感影像计算长时序年最大NDVI指数,对各个排土场开展植被变化全周期监测,从时空尺度评价各排土场的恢复效果,并定量分离出人类活动和气候变化对植被的影响,从而为绿色矿山建设提供参考



结论



(1)2008—2023年间,3个排土场的植被指数都呈上升趋势,“及以上植被覆盖等级面积占比逐步上升,绝大部分区域已经恢复至露天开采前的水平
(2)排土场植被恢复力呈现先增后降再趋于稳定的特点,山后排土场恢复力最强,其次为三家排土场,太平地排土场恢复力相对较弱
(3)在植被改善区,主要呈现人类活动主导影响人类活动和气候变化共同影响两类驱动模式;在植被退化区,还存在气候变化主导影响模式,尤其在 三家排土场,人类活动和气候变化共同作用影响较大


部分图表

图 平庄西露天矿采场和排土场地理位置


图 平庄西露天矿采场和排土场地形


图 排土场年度最大 INDV的均值年际变化曲线


图 排土场 INDV等级空间分布


图 排土场不同植被覆盖等级面积占比


图 平庄西露天矿排土场植被变化趋势


图 平庄西露天矿排土场植被变化差值空间分布


图 平庄西露天矿排土场植被恢复力


图 平庄西露天矿排土场植被变化趋势归因













第一作者简介

李军,中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院副院长、教授、博士生导师,主持国家级和省部级项目10余项,发表论文80余篇,授权国家发明专利21项、软件著作权12项,出版专著2部。获青年测绘地理信息科技创新人才、孙越崎能源科学技术奖青年科技奖、中国遥感新势力、煤炭学报新锐科学家、中国地理信息科技进步一等奖、中国煤炭工业协会科学技术一等奖、绿色矿山科技进步一等奖等荣誉。


通讯作者简介


王慧,中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院测绘科学与技术专业2023级博士生,获中国矿业大学(北京)校级一等奖学金优秀研究生称号,参与国家重点研发计划项目1项,以第一作者身份在《Applied Sciences》、《地理与地理信息科学》发表文章2篇。

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