1、引言
自从工业革命以来，随着我国经济社会的发展和人们生活水平的不断提高，对自然资源的索取、开发、利用也不断增加。虽然我国的煤炭等能源的开采较西方发达国家比较晚，但是由于人口的压力以及社会经济快速发展的需求，近几年来由于开釆而造成的环境破坏程度日益严重范围日益增大，过度的挖掘开采对大自然产生了严重的破坏，长此以往，这种破坏不仅毁坏了自然的生态平衡，同时也毁了我们赖以生存的空间。
煤炭资源型城市曾经是我国经济发展的原动力，然而，随着我国煤炭资源长时间的开采和利用，造成了土地资源和生态环境的严重破坏，形成了大量的开釆沉陷区，开采沉陷区成为了煤炭城市发展的遗留问题。
国家“十二五”规划明确提出“要实现煤炭资源型城市的经济转型，改善煤炭资源型城市的生态环境”，十八大也明确提出“煤炭资源城市要加快转变经济增长方式，改善生态环境，实现全面建设小康社会”。为了改善开采沉陷区的生态状况，改善煤炭资源型城市的生态环境，国内许多煤炭资源型城市开始在开采沉陷区建设生态示范林场，以对开采沉陷区进行改良，并改善当地的生态环境。
1.1研究目的及意义
1.1.1研究目的
伴随社会的不断向前发展和人类文明的持续进步，今时今日人们对自然生态环境优化的需求已经从传统、简单的植树造林、保持水土等单一功能实现转变为现代、复杂的生态综合分析。为满足这一需求的转变，我国早期提出的煤炭资源型城市发展模式必须逐步转型，向着生态化城市大步迈进。要适应这一转变就必须对具备多因素分析功能的综合性生态评价体系加以研究，针对原有各大煤矿开釆区域出现的开采区不同程度沉陷现象进行生态恢复，就要寻找并建立起与开采沉陷复垦绿化相适应的生态系统恢复理论，同时对已恢复区域进行综合分析评价，寻找更为合适的发展路程，并通过技术手段促进复垦绿化区主导功能的发挥，推进区域多功能经营事业的发展。
文章旨在对我国典型的开釆沉陷复垦绿化区利用GIS技术及景观综合风险分析技术进行综合生态风险的空间分布情况分析，从而为决策者提供关于生态恢复区的景观生态风险评价的方法和结果，并通过EES系统分析为生态示范林下一步的生态修复和环境改造提供理论基础。
1.1.2研究意义
矿产资源的开采在采矿过程及采矿后造成的地表不均匀塌陷，以及煤矸石堆积造成的影响是长期和缓慢的；而生态风险评价风险压力因子涉及多种因子，风险受体也从人体，发展到种群、群落、生态系统、流域景观水平，比较完善的生态风险评价框架也已经形成。所以应用景观生态风险评价是对唐山市生态示范林进行风险评价的有效措施。
对开采沉陷复垦绿化区生态风险综合评价的最终目的在于生态风险决策管理，生态风险评价是作为风险管理和政策决策的支持工具，生态风险评价为风险管理和政策决策和执行提供了科学评价基础。结合系统分析，对于生态风险评价的结果，是要放到实际应用中去检验的，并且生态风险管理的结果需要返回到下一轮生态风险评价的要素中，以求不断修正和改善风险管理的决策。
1.2开采沉陷区破坏及治理现状
1.2.1开采沉陷区破坏现状
开釆沉陷区的破坏是全方位的，例如在土地资源、水资源、植被和当地居民等方面都造成了非常严重的影响。
（1）在对水资源方面：当地下煤层的开采面积超过一定的范围后，会引发地表的变形和移动，使地表产生大面积塌陷，从而导致沉陷区内水系遭到破坏，引发农业地质环境的变化，破坏当地的生态系统、影响农业的规划布局。另外，长期的水体采煤，还会造成开采现场周围重要水体发生河道变化，严重影响周围农田的水利灌溉；并有可能导致堤现产生裂缝，甚至使现体直接产生沉降。
（2）在对土地资源方面：由于煤炭资源的不断开采，生产出的煤炭的露天堆放和煤矸石的大量堆积，加上降雨的影响，雨水淋滤下渗，导致开采区地下水化学组分超过地区背景值，污染当地地下水环境。虽然采煤产生的废水尚未构成对地表水和地下水的有害物质污染，但由于悬浮物质增加，使得地表水体生态功能下降；同时，由于开釆作业使浅层水疏干，导致开采区饮水井干枯，耕地也失去灌概条件，当地居民的生产和生活用水十分困难，最终导致被动搬迁。有些地区甚至出现区域性塌陷，山体倾移、变形、下沉，最终导致严重缺水，建筑物下沉等。另外，地表塌陷还可以破坏土壤的组成成分和土壤结构，使地表发生一系列的变形和破坏，造成土地贫瘠化，特别是对农业耕地的破坏，表水的大量流失，加剧土地的干旱，影响农业收成。地表塌陷的形成改变了原地面形态，开釆沉陷区周围，特别是塌陷坑、塌陷盆地周围水烛和重力侵烛加剧；沟谷、岸坡的塌陷还可诱发山体崩塌和山体滑坡；若槽状塌陷坑形成于沟谷两侧，且其走向与沟谷平行，必然使沟谷进一步下沉和拓宽，而槽状塌陷坑本身也是一种特殊的沟道，流水侵烛不断加剧其形成；某些塌陷区的特殊区域还会出现垮顼，引起山洪、水库渗漏现象。
（3）在对植被的影响方面：开采沉陷区地表裂缝处植物生长环境受到破坏，减少植被数量，塌陷坑深度超过2m以上，会导致其上的植物根系拉断，甚至枯萎死亡；其次，地表张口裂缝、塌陷漏斗、塌陷盆地还会造成地面大量土层松散水土流失更加严重，严重破坏植物的生存环境，如果不及时加以治理甚至会导致植被大面积死亡，最终加剧风烛和沙漠化。最后，沉陷区破坏当地地下水体，降低了地下水位，影响植物的生长发育，甚至导致死亡，破坏原有的生态平衡。
随着矿井的生产，采区土地因开采而逐渐沉陷，压煤村庄陆续搬迁，由于该地地处黄河冲积平原，地下潜水位较高，这一平原地区将逐步沉陷形成浅盆地型积水湿地，将导致大面积耕地常年积水无法耕作，而且土地塌陷还会引起居民房屋损坏，道路变形等，致使当地的基础设施破坏严重。如不能及时修复，会造成矿区人均耕地锐减，矿农矛盾日益尖锐，形成社会不安定因素，因此，要加强煤炭沉陷区的环境保护和生态治理，大面积的塌陷常年被积水覆盖，己不具备农作物种植的功能。
2开采沉陷复垦绿化区对地观测与GIS建库
通过参考文献、实地调查和遥感监测技术实现开采沉陷复垦绿化区对地观测，同时结合地理信息系统建立开采沉陷复垦绿化区数据库，以此为开采沉陷复垦绿化区区域生态评价提供基础数据。
2.1开采沉陷复垦绿化区对地观测
首先对研究区的卫星遥感图像进行预处理。遥感数据的预处理是在遥感研究中的一个重要前提，只有将此步骤完整精准的完成后，才能为后期数据提取处理等工作提高精度打好基础。其基本步骤为：先对选取的遥感数据进行几何校正，确定其投影系统后，将其设置到正确的投影，然后选取一定数量的控制点，根据这些控制点对影像进行几何改正；然后是图像增强处理，将与所要研究的地物的光谱和空间特征进行突出，也能够将不清晰的图像进行调整，不需要关注的地物进行抑制，最后将处理好的影像进行拼接、裁剪并进行景观类型分类。
（1）几何校正
由于卫星传感器获取遥感影像的过程中受到视角的变化以及地球表面曲率的影响，而产生了一定的几何畸变，而这种几何畸变是有规律可寻的，所以可以通过模拟的遥感平台来进行预测，这样才能使遥感数据最终能够和标准的地图、图像数据等叠合在一起。
首先进行几何粗校正，其目的是为了让影像统一到相同的投影系统和坐标系当中，这样才能将需要校正的所有影像叠合在一起。几何精校正包括灰色空间重采样和空间转换。灰度重釆样方法包括：邻近点插值法、双线性内插法以及三次卷积插值法。利用ERDAS9.2进行操作，一般配准的误差控制在1个像元以内，保证80%以上的地物在目视情况下相对精准。
（2）图像增强
图像增强目的通常是为了突出地表的地物特征信息，改变图像的灰度等级和灰度范围，提高图像的对比度，消除噪声平滑等，根据不同的研究方向以及不同的需求，该操作可以放在最后，这样可以更容易获得定量化信息。如本文是为了凸显植被信息，所以在图像增强处理后，突出植被相关部分能够为后续的解译工作的顺利进行打好基础。具体操作也是在ERDAS9.2中完成。
（3）图像拼接和裁剪
按照坐标，将已经处理好的同一地区的遥感影像拼接在一起。在拼接的过程中最应该注意的就是在接边处，由于不同的影像颜色上可能会存在差异，这样就需要将其调整到最接近的颜色，否则不仅拼接的精度有影响，还有可能导致接边处偏移，会对后续的波段灰度值提取有很大的影响。
本文主要采用了监督分类的方法提取出研宄区景观类型信息。监督分类是根据已有的监测数据作为样本，选择适合的特征参数及判别函数，对研究区域进行分类。监督分类的关键是训练场的选取，由于研宄区内样本的不同，对分类结果会产生极大的影响。所以，在进行监督分类的过程中，要选取具有代表性的地物作为样本，且光谱特征相对均一。在影像上可以将多块地物划分为一类。监督分类对光谱特征变化较大的区域进行分类，且训练样本足够多，这样分类了结果比较可靠。
2.2开采沉陷复垦绿化区GIS系统建库
文章针对开采沉陷区的特点，确定参与开采沉陷复垦绿化区GIS系统建库的主要因子包括：GPS监测点（高程）、沉陷区域（数量、面积）、沉陷区的环境要素。要完成GIS数据库的建立，首先要获取开采沉陷复垦绿化区各项建库指标的采集及提取。
（1）在开采沉陷复垦绿化区可能发生沉陷及已沉陷区域设置一定密度的监测点，定期或不定期测量其高程，用以分析区域的沉降幅度。
（2）开采沉陷复垦绿化区的沉陷区域数量可能增加、减少，沉陷区的范围也可能增大、缩小，通常我们可釆用多时相高分辨率遥感影像进行区域的动态监测。
（3）开采沉陷复垦绿化区地表沉陷对生态环境的影响主要表现在耕地、水文环境、地表各项设施、土地利用结构受到破坏，所以沉陷区的环境要素确定为：地表水（包括水域面积、水质等特征）和土壤等的具体情况。
2.2.1数据处理模型的选择
随着近年来以空间数据库为基础的GIS研究和应用的不断深入，随时间而变化的信息越来越受到人们的关注，因而提出了时态GIS(简称TGIS）的概念。时态GIS的组织核心是时空数据库，时空数据模型则是时空数据库的基础。其中比较成功的有连续快照模型、时空复合模型、基态修正模型等以及后续而堀起的基于事件的方法和面向对象的方法。
综合考虑分析开采沉陷复垦绿化区各项生态信息以及以上四种时空数据模型各自优缺点，基态修正模型可以说是一种比较理想的用于开釆沉陷复垦绿化区生态环境信息采集的时空模型。因此，文章提出将基态修正模型作为开采沉陷复垦绿化区生态环境时空数据库设计的基础。
2.2.2GIS系统数据库设计
（1）系统数据源
基于开采沉陷复垦绿化区生态环境信息的数据库建立所需主要数据源：
①基础地理数据。开采沉陷复垦绿化区的基础地理数据主要地表分布图、开采沉陷复垦绿化区矢量区划图等；
②遥感影像数据。开采沉陷复垦绿化区的遥感影像数据具体包括：研究地区环境要素的多源、多时相以及多尺度的航空影像及其相关资料数据。
③采样数据：GPS监测点的高程数据、同时需要对水体、土壤的相关数据进行采样检测。
（2）图形数据组织管理
依据开采沉陷复垦绿化区数据源获取的所有相关数据及资料均以文件形式实现组织分区管理，同时所有文件加以采集时间标注。统一按照“图库图层图幅”的方法进行数据的分级管理。
（3）属性数据组织管理
将研究涉及数据分为扩展关系数据和面向对象数据两个大类。所谓扩展关系数据就是把时间作为一种一般属性，从而会根据时间的变化，对数据进行排序并存储到相应的时空数据库中；而所谓面向对象的数据，与实践序列数据不同，是根据被研宄对象的具体属性，对数据进行相应的分类。
文章结合开采沉陷复垦绿化区具体情况，在GIS数据库的建立过程中，按照第二种数据的处理方法构建数据库，并根据地理特征的具体情况，对数据库管理系统进行管理和分类。
文章设计的数据库具体如图2-1所示：
3开采沉陷复垦绿化区生态风险评价体系构建..........17
3.1生态风险因子分析..........17
3.1.1重金属生态风险分析..............17
3.1.2尺体富营养化生态风险分析........20
4EES体系提出与分析............30
4.1EES系统理论概述............30
4.2开釆沉陷复垦绿化区EES系统体系分析............33
5实例研究与分析..............33
5.1研究区及其基础数据处理...........33
5.1.1研究区概况...........33
5实例研究与分析
唐山市作为河北省内经济、社会等发展较快的地区，同时也是我国近代工业摇篮。这里诞生了中国大陆第一座机械化采煤矿井。在唐山市的整个发展过程中，其开采业对生态造成的危害也是较为突出的。开采过程及开采后造成的地表不均勾塌陷，以及煤矸石堆积造成的影响是长期和缓慢的。对此，文章采用第2章及第3章叙述的理论，选择唐山市南湖生态示范林区作为研究区域，在利用遥感监测技术并结合该区域DEM数据完成研究区信息提取的基础上，通过遥感图像处理和GIS软件分析，以及相关算法，对其进行区域生态风险评价，并进行EES系统分析。以此来对本文所提出的整个生态系统风险评价及系统进行分析。
5.1研究区及其基础数据处理
5.1.1研究区概况
在唐山市釆煤沉陷区南湖示范林建设之前，由于釆煤沉陷区的存在，该地区的水体污染以及生态环境极度恶化，经过多年的生态修复，建成了目前的南湖生态示范林。示范林的西北部为田园绿地，具体的范围位于唐山市东北方向，包括大城山、凤凰山以及弯道山的全部地区，包括的河流有陡河和青龙河，人文区域主要包括大剑公园。
唐山市煤炭工业以井工开采为主，地面塌陷比较严重。截止到2000年底，唐山市因为资源的开采导致的地表塌陷总面积己达到216M（m2），其中，因为采煤塌陷而造成的绝产耕地总面积达到了4217M（m2）：，其中地表分布的塌陷坑的总数达到了55个，其地表总面积高达25.6k（m2）。而且，因为开采沉陷区的形成对唐山市当地居民的生活也造成了严重的影响，例如，到2002年，采煤塌陷导致了94个村庄不得不搬离原址。
为了解决唐山市采煤塌陷区造成的环境问题，2003年开始，唐山市开始在原有的采煤塌陷区基础上发展南湖生态示范林，一方面，有效利用唐山市的采煤塌陷区，另一方面，改善唐山市的生态环境。
6结论与展望
6.1结论与讨论
文章综合前人文献分析，结合GIS技术构建开采沉陷复垦绿化区生态风险综合评价体系并提出“区域生态经济社会体系”综合性分析的概念。以河北省唐山市南湖生态示范林为研究区，利用文章所提出的生态分析综合评价体系进行分析，在确定该研宄区域的综合生态风险等级的基础上，结合EES体系分析区域生态、经济、社会特征。综合文章分析，得到以下结论：
（1）文章提出的针对开采沉陷复垦绿化区的生态风险综合评价体系较通用性‘的生态风险评价体系而言，着重考虑开采后遗留的生态问题，以重金属污染、水土流失及生物多样性作为风险源，在综合分析各项指标的基础上，结合先进的GIS技术分析，能够更突出开采沉陷复垦绿化区生态问题所在；
（2）综合开采沉陷区特点，选择生态弹性度指数、景观破碎度指数及生态损失度指数作为生态风险评价的危害分析依据，并确定综合生态损失度、风险概率综合计算生态风险值，该体系能够满足开采沉陷复垦绿化区生态风险评价要求；
（3）以GIS技术为基础支撑，对该开采沉陷复垦绿化区进行综合生态风险评价，将整个南湖生态示范林一共分为四个风险级别，等级划分符合实际景观及实际情况，开采沉陷复垦绿化区生态风险综合评价体系具有现实可行性；
（4）根据EES系统体系分析唐山市南湖生态示范林的生态系统、区域经济系统和社会系统，发现生态系统区域得以存在的前提，而其周边的经济和社会系统都是在林场的生态系统的基础上衍生出来的。以生态的可持续发展为前提，并同时考虑其社会和经济效益，才能最终达到开采沉陷复垦绿化区的健康、和谐发展。
（5）开采沉陷复垦绿化区生态风险综合评价的目的是为生态环境管理提供数量化的决策依据和理论支持。通过评价，可以明确各景观生态风险的差异及其区域分异规律。为了促进生态环境的不断改善，保护生物多样性，维持生态结构和功能的稳定，从而达到社会、经济和生态环境的可持续、和谐发展。
参考文献（略）