基于蜣螂算法优化的投影寻踪生态环境评价方法构建

矿山开采会破坏和占用大量土地资源,对生态环境造成持久的负面影响,因此评价矿区生态环境质量变化迫在眉睫。为了准确监测矿区生态环境质量,以陕煤集团张家峁矿区2000—2023年24期逐年的Landsat影像为基础数据,通过计算绿度(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、湿度(Humidity Index,WET)、热度(Land Surface Temperature,LST)、干度(Normalized Differential Build-up and bare Soil Index,NDBSI)4项生态指标,并采用基于果蝇优化算法的投影寻踪(Fruit Fly Optimization Algorithm-Projection Pursuit Clustering,FOA–PPC)、基于粒子群优化算法的投影寻踪(Particle Swarm Optimization-Projection Pursuit Clustering,PSO–PPC)、基于灰狼优化算法的投影寻踪(Grey Wolf Optimizer-Projection Pursuit Clustering,GWO–PPC)和基于蜣螂优化算法的投影寻踪(Dung Beetle Optimizer-Projection Pursuit Clustering,DBO–PPC)4种群智能优化算法构建矿区生态环境质量评价方法,并利用平均相关度进行精度验证。结果表明:①DBO–PPC模型的平均相关度和类内聚集度均高于PSO–PPC模型、FOA–PPC模型和GWO–PPC模型,且与EI指数更接近,表明DBO–PPC能更好的评估研究区生态环境;②基于DBO–PPC模型的张家峁矿区2000—2023年生态环境质量均值为0.4,生态环境质量以差和较差等级为主,面积占比约55.94%,空间上呈西部差东部好,常家沟水库的生态环境在研究期内表现为优等级,矿区东北部和中部区域的生态环境较好,植被覆盖较多;③矿区发生沉陷面积占比为81.28%,沉陷最大值达−0.15 m;采区发生沉陷现象面积占比明显高于矿区,占采区面积的89.56%,生态环境质量以−0.0004的速率下降,表明采矿活动使得研究区的地表发生了沉陷,进而影响到生态环境。综上所述DBO–PPC模型在监测评价矿区生态环境质量方面具有较强的合理性,从而为矿区生态环境可持续发展提供技术手段。

基于遥感生态指数的神东矿区1990—2022年煤炭开采对生态环境的影响分析

定量分析煤矿开采、土地复垦等人类活动对环境产生的影响可为矿区环境保护提供复垦依据。基于1990—2022年Landsat影像,采用遥感生态指数RSEI评估神东矿区的生态环境时空动态演变特征,并利用随机森林模型建立温度、降雨、潜在蒸散发与RSEI的关系模型,得到气候条件下RSEI的预测值R′SEI,结合残差分析与基于Landsat的干扰和恢复趋势检测(Landtrendr)算法定量评估人类活动的影响。结果表明:①矿区与矿井尺度的整体RSEI均值皆有所上升,但矿井尺度RSEI均值低于矿区尺度;2018—2022年光伏区RSEI下降速率为-0.027,略低于控制区,表明神东矿区整体生态环境得到略微改善,但人为采矿活动导致矿井尺度生态环境质量低于矿区尺度,而光伏区的建设对生态环境起到了改善作用。②神东矿区采矿前(1990—1996年)和采矿后(1996—2022年)R′SEI与实际RSEI的相关系数R^(2)为0.61。矿区生态环境在只受气候因素影响下呈变好趋势。③采矿后(1996—2022年),矿区尺度残差δ均值为0.07,δ<0的部分主要集中在矿区北部矿井集中区及其周边地区,占总面积的39.74%,每当矿区有新矿活动加入,δ<0的面积占比就会大幅增加;矿井尺度整体δ均值在1996—2000年呈下降趋势,2000—2012年呈上升趋势,2012—2022年呈下降趋势。④1990—2022年矿区尺度扰动和恢复强度均值分别为0.45、0.37,矿井尺度扰动和恢复强度均值分别为0.43、0.37,矿井尺度扰动强度低于矿区尺度但恢复强度与其相近;采矿后(1996—2022年),扰动与恢复面积占比都保持先上升后下降趋势,表明矿区扰动和恢复行为总是伴随发生且煤炭开采所产生的扰动可由生态遭到破坏后的自我修复及人类复垦行为进行抵消。矿区扰动持续时间占比最大为1 a,恢复持续时间最大为16 a,表明研究区的采矿扰动为急剧的采矿干扰事件,短暂采矿干扰影响发生之后,便有恢复事件发生,且人为对矿区采取的修复行为具有长期性和持续性。综上所述,煤矿开采行为对矿区生态环境造成较强的负面影响,但人类对矿区生态采取的各种治理措施及环境自身的修复能力可对其进行修复。该研究有助于理解煤炭开采对矿区生态环境的影响,并为神东矿区生态环境质量的恢复与提升提供科学依据。