基于遙感生態(tài)指數(shù)的福建紫金山礦區(qū)生態(tài)評估

林夢婧,汪小欽，肖愛芳，王 琳

(1.福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘和信息共享教育部重點實驗室，衛(wèi)星空間信息技術(shù)綜合應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建 福州 350108; 2.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福建 福州 350108; 3.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

礦產(chǎn)資源是國家經(jīng)濟發(fā)展的重要物資資源，但其開發(fā)常常伴隨周邊生態(tài)環(huán)境的破壞.通常采用人力監(jiān)測礦區(qū)及其周邊的生態(tài)質(zhì)量，但耗時耗力，信息化水平較低[1].后來，人們開始采用遙感技術(shù)來監(jiān)測和評價礦區(qū)的生態(tài)質(zhì)量.早期的遙感數(shù)據(jù)比較單一，只能反映礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)某一個方面特征.有學(xué)者嘗試將遙感獲取的土地利用、植被覆蓋度等指標與地形地貌等參數(shù)結(jié)合開展綜合評估，但是評價因子的選擇及其權(quán)重的確定都較為主觀.徐涵秋[2-4]提出一個完全基于遙感技術(shù)、沒有人為權(quán)重設(shè)定且結(jié)果能被可視化的遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecology index，RSEI)，可以快速、定量、客觀地評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境.RSEI提出后，被廣泛應(yīng)用不同區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量評價，目前也被應(yīng)用于礦區(qū)[5-7]，但現(xiàn)有的應(yīng)用一般只利用較少時期的遙感數(shù)據(jù)開展對比，并沒有針對礦區(qū)開發(fā)建設(shè)重要階段開展生態(tài)質(zhì)量評價與變化原因分析，無法較全面反映礦山建設(shè)過程中生態(tài)質(zhì)量的變化.

紫金山金銅礦作為我國少有的超大型礦床,開發(fā)以來一直備受關(guān)注，但是大部分學(xué)者關(guān)注的重點尚集中在紫金山礦區(qū)的經(jīng)濟價值以及礦石種類上，對其生態(tài)質(zhì)量變化方面的研究較少.因此，客觀評價礦區(qū)開發(fā)建設(shè)不同時期的生態(tài)狀況，可以更好地發(fā)揮“綠色礦山”建設(shè)的示范作用，對協(xié)調(diào)礦山開發(fā)與生態(tài)保護具有重要的意義.本研究利用福建紫金山礦區(qū)開發(fā)建設(shè)不同階段的多時相Landsat系列遙感數(shù)據(jù)，基于RSEI開展礦山不同開發(fā)發(fā)展階段生態(tài)狀況評估，以期發(fā)現(xiàn)紫金山礦區(qū)及其周邊生態(tài)變化，更好地響應(yīng)“既要金山銀山，也要綠水青山”政策.

1 研究區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

紫金山礦區(qū)位于福建省龍巖市上杭縣，平均海拔1 209 m，屬于才溪鄉(xiāng)和舊縣鄉(xiāng)管轄，主要交通方式為公路.紫金山礦山蘊藏著豐富的金銅礦，地質(zhì)工作始于上個世紀60年代，1994年建成投產(chǎn)，1997年12月進行了千噸級揭頂定向擲拋大爆破，1998年金礦生產(chǎn)由坑采轉(zhuǎn)為露采，從2005—2007年開始金銅礦聯(lián)合開發(fā).

1.2 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

根據(jù)紫金山礦山開發(fā)的關(guān)鍵時間節(jié)點，考慮相同季相且無云的數(shù)據(jù)，選用了7個時期10月份獲取的Landsat遙感影像作為數(shù)據(jù)源.其中1992年的數(shù)據(jù)代表礦山開發(fā)建設(shè)前的生態(tài)狀況，1996年代表建設(shè)初期，2001—2014年分別代表不同的建設(shè)時期，2017年代表近況.遙感數(shù)據(jù)均是從USGS官網(wǎng)(https://earthexplorer.usgs.gov/)上下載的Landsat的L1T產(chǎn)品數(shù)據(jù)，該系列產(chǎn)品經(jīng)過了嚴格的幾何校正、輻射定標等工作，不同傳感器影像之間具有較好的一致性，為地表動態(tài)監(jiān)測提供保障,并對影像進行了大氣校正等處理.影像數(shù)據(jù)包括Landsat 5 TM 影像(1992年10月20日、1996年10月31日、2001年10月20日、2007年10月5日、2009年10月10日)和Landsat 8 OLI影像(2014年10月8日、2017年10月25日).

1.3 研究方法

RSEI指數(shù)集成4個重要的生態(tài)因子，即綠度、濕度、干度和熱度，通過主成分變換獲取的第一主分量具有絕對優(yōu)勢信息量的特點構(gòu)造而成[2-4]，可以快速地對區(qū)域生態(tài)狀況進行時空變化分析.RSEI結(jié)果以遙感像元為單元；同時利用主成分分析方法自動確定各指標權(quán)重，減少人為確定權(quán)重的干擾.引入RSEI開展紫金礦區(qū)生態(tài)質(zhì)量評價.

1) 綠度指標.綠度指標[8]采用歸一化植被指數(shù)NDVI，這是目前運用最廣泛的植被指數(shù)，與各綠度分量都有關(guān)系，具有代表性.

2) 濕度分量.濕度指標采用纓帽變化中的濕度分量指標計算，對于Landsat8 OLI影像數(shù)據(jù)和Landsat5 TM數(shù)據(jù)，計算公式也有所區(qū)別[9-10].

3) 干度分量.代表干度的指標是建筑用地指標IBI，但由于研究區(qū)域中存在裸土，因此干度指標由建筑指數(shù)和土壤指數(shù)SI合成[2]:

4) 溫度分量.利用地表比輻射率、植被覆蓋度和NDVI[11-12]計算得出.

計算以上4個分量后，為保證各指標的可比性，歸一化到[0,1].然后利用主成分分析方法獲取第一主成分(PC1)，進而獲得RSEI指數(shù)后歸一化至[0,1]，值越大表示生態(tài)質(zhì)量越好.

2 結(jié)果分析

按照以上方法，分別計算不同時期影像的綠度、濕度、干度和熱度4個分量并歸一化后，通過主成分分析的PC1歸一化到[0,1]，獲得紫金山礦區(qū)1992—2017年的RSEI影像(如圖1所示)，反映生態(tài)狀況的綜合情況.

圖1 1992—2017年的RSEI影像Fig.1 RSEI image from 1992 to 2017

2.1 紫金山礦區(qū)生態(tài)空間變化分析

為更直觀地反映生態(tài)環(huán)境的情況，依據(jù)文[4]以0.2為間隔將RSEI分為五級，由此可生成RSEI不同等級的空間分布(如圖2所示)，各等級的面積統(tǒng)計如圖3所示.

圖2 紫金礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等級分布圖Fig.2 Distribution map of ecological environment level in Zijin mining area

結(jié)合圖2和圖3可知，從整體上看，紫金礦整體研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量在開發(fā)初期得到一定的改善.隨后持續(xù)的開發(fā)影響了整體的生態(tài)環(huán)境，礦區(qū)內(nèi)生態(tài)質(zhì)量變差，而在礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境持續(xù)變好，整體而言生態(tài)分級占比最大的部分由中等向優(yōu)過渡.1992年和1996年，生態(tài)環(huán)境等級位于中等的面積處于主導(dǎo)；2001—2014年，生態(tài)環(huán)境等級良的面積處于主導(dǎo)；到2017年，生態(tài)環(huán)境等級優(yōu)的部分成為主導(dǎo)，占地面積82.42 km2，為49.0%.

圖3 紫金礦區(qū)生態(tài)質(zhì)量分類等級百分比Fig.3 Percentage of ecological environment classification in Zijin mining area

礦山開發(fā)初級，生態(tài)質(zhì)量等級為優(yōu)的面積基本上全部破壞，從2001年后面積開始逐漸擴大，到2017年，基本上占到一半.生態(tài)質(zhì)量等級為良的面積經(jīng)歷上升和下降2個階段，到2017年占比接近30%.生態(tài)質(zhì)量等級為中等的面積總體上呈現(xiàn)下降趨勢.生態(tài)質(zhì)量等級為差的部分從1992年開始持續(xù)波動下降，說明生態(tài)質(zhì)量整體變好，但生態(tài)質(zhì)量等級為極差的面積也逐步擴大.其中生態(tài)質(zhì)量等級為極差的變大部分主要集中在紫金礦重點開發(fā)區(qū)內(nèi)，說明紫金礦區(qū)的開發(fā)對整體生態(tài)狀況造成了影響.

1992—2007年和2014—2017年，生態(tài)環(huán)境等級變好面積大于變差面積，而2007—2014年，變差面積大于變好面積.但總體上，變差面積小于變好面積，整體生態(tài)質(zhì)量等級趨于改善.

2.2 紫金山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境時間變化特征

分別計算不同年份RSEI值在整個研究區(qū)域、紫金礦重點開發(fā)區(qū)的均值和標準差(如圖4所示)和間隔年份的年變化幅度(如圖5所示).

圖4 1992—2017年7個年份RSEI平均值和標準差Fig.4 RSEI average and standard deviation from 1992 to 2017

圖5 紫金礦區(qū)RSEI年均變化幅度Fig.5 RSEI annual average change

由圖4和圖5可知，整個研究區(qū)RSEI值雖然在2007—2014年有小幅度減小，但總體呈現(xiàn)上升趨勢，1992—1996年和2009—2014年期間的變化幅度都較小，其他階段的變化幅度均較大，特別是2014—2017年期間，變化幅度達1.8%，在1992—1996年處于緩慢增長，從1996—2007年處于穩(wěn)步增長階段，在2007—2014年出現(xiàn)RSEI平均值下降的趨勢，但在2014—2017年平均值又有較大回升.從標準差看，整個研究區(qū)在1996年最小，而后增大，由遙感影像圖與RSEI分布可知，是開發(fā)裸露區(qū)域變大與礦區(qū)植被覆蓋變化雙重作用的影響.

而在紫金礦重點開發(fā)區(qū)內(nèi)，RSEI值不斷下降，從1992年的0.418下降到2017年的0.319，其中2007—2009年和2009—2014年變化幅度較大，分別為-1.47%和-0.88%，其他階段的變化幅度較小.表明紫金礦的開發(fā)使裸土面積增加，導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)遭受一定程度的破壞，同時可以看出，2007—2009年RSEI值年均下降趨勢較大，說明2007—2009年間生態(tài)環(huán)境遭遇的破壞較為嚴重，但標準差一直都較高，說明位于礦山中間的紫金礦山公園的建設(shè)頗有成效.

整個研究區(qū)RSEI值一直都大于重點開發(fā)區(qū)，且兩者的差異逐漸增加，礦區(qū)重點開發(fā)區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境得到較大的改善.

2.3 紫金山礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化原因分析

從以上分析可知，紫金山礦區(qū)開發(fā)建設(shè)以來，整個區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量沒有下降，反而提升了；而重點開發(fā)區(qū)生態(tài)質(zhì)量雖然有所下降，但降低的幅度并不大.紫金山礦區(qū)生態(tài)質(zhì)量的變化與礦山開發(fā)歷程及企業(yè)和地方政府在生態(tài)環(huán)境保護方面的政策扶持和資金投入密不可分.

2002年制定并落實紫金山生態(tài)規(guī)劃和《2002年紫金山金礦礦區(qū)植被恢復(fù)實施方案》[13]，因此在礦山開發(fā)初期，RSEI上升；2004年紫金礦業(yè)生態(tài)旅游區(qū)開始建設(shè)；2006年，紫金礦業(yè)集團股份有限公司撥出試驗經(jīng)費2.2萬元，探索在金銅礦棄渣場及高陡邊坡等水土流失侵蝕劣地植被的恢復(fù)與重建途徑，加快其水土流失治理和生態(tài)恢復(fù)步伐[14].2007年后，紫金礦業(yè)集團更加注重生態(tài)環(huán)境保護，積極開展植樹造林，2011年底紫金山國家礦山公園正式開園.因此，在礦山公園建設(shè)初期的RSEI有一定降低，但隨著建設(shè)成效逐漸顯現(xiàn)，RSEI逐漸增加，2014年開始整個區(qū)域的RSEI值有較大增長.礦山公園按三期規(guī)劃建設(shè)，預(yù)計將于2020年全部建成[15].全部建成后，隨著植被的生長，綠化面積進一步擴大，屆時礦區(qū)生態(tài)會越來越好.截至2016年底，紫金山金銅礦累計投入植被恢復(fù)資金10 045萬元，實施綠化作業(yè)面積15 712畝(相當(dāng)于10.475 km2)[16]，到2017年12月止，礦山已治理廢棄地面積達11.179 3 km2[17].2017年的文獻顯示，上杭縣投入1.3億元，實施紫金公園、北江濱公園等生態(tài)項目建設(shè)，獲評“省級園林城市”[18].正因為企業(yè)和地方政府在生態(tài)環(huán)境方面的大量投入，整個區(qū)域的RSEI在礦山開發(fā)建設(shè)過程中總體上一直處于增長趨勢，生態(tài)質(zhì)量逐步提升.

從不同時期的遙感影像圖可以看出，紫金礦重點開發(fā)區(qū)內(nèi)，礦區(qū)開發(fā)面積持續(xù)增大，但不同時期的開發(fā)面積增長幅度不同.1992—1996年紫金礦業(yè)剛剛起步開發(fā)，開發(fā)面積很小，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量略有下降；1996—2001年間，紫金礦經(jīng)歷了“揭頂大爆破”，開發(fā)建設(shè)面積大幅增長，2001年礦區(qū)已初具規(guī)模，此期間裸土面積增加，RSEI年均下降幅度擴大；2007和2009年的面積擴張與銅價上漲關(guān)系較大，查閱文獻以及倫敦金屬交易所的數(shù)據(jù)可知，銅價在2003—2006年不斷上漲[19]，由于加大開采力度，裸土面積增加，干度貢獻率持續(xù)加強，RSEI年均下降幅度達到最大；2014—2017年的開發(fā)面積也有較明顯的擴張，由世界黃金委員會提供的黃金價格來看與黃金價格有關(guān)，但是重點開發(fā)區(qū)整體的RSEI并沒有明顯降低，這與紫金集團從開發(fā)中期更加重視生態(tài)建設(shè)有關(guān)，2007年投入大量資金開展植被恢復(fù)和建造紫金礦區(qū)生態(tài)園后，RSEI年均下降幅度逐漸變小，即便2014—2017年紫金礦再次擴張，RSEI年均下降幅度大大減小，說明生態(tài)工程成效顯著.

以上不同時期生態(tài)工程建設(shè)和植被恢復(fù)投入使得紫金礦區(qū)及周邊整體生態(tài)大幅度變好，說明紫金礦業(yè)集團的“綠色礦山”建設(shè)卓有成效，值得推廣.

3 結(jié)語

基于多時期Landsat TM/OLI 遙感影像數(shù)據(jù)，利用RSEI對紫金礦區(qū)不同建設(shè)階段的生態(tài)環(huán)境進行遙感評估，得出以下結(jié)論：

1) RSEI可以較好地反映礦區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況.從空間分布上看，在紫金礦重點開發(fā)區(qū)內(nèi)裸土面積不斷擴大，開發(fā)區(qū)內(nèi)生態(tài)質(zhì)量差的面積增加.紫金礦整體研究區(qū)RSEI等級主導(dǎo)地位由中等轉(zhuǎn)為良再轉(zhuǎn)為優(yōu)，RSEI等級較差部分主要集中在重點開發(fā)區(qū)內(nèi)，外圍區(qū)域逐漸變好，變好的面積總體大于變差的面積.

2) 從RSEI來看，紫金礦整體研究區(qū)生態(tài)狀況呈現(xiàn)波動增長；在紫金礦重點開發(fā)區(qū)內(nèi)，RSEI持續(xù)下降.從年均變化幅度來看，在整體研究區(qū)內(nèi)，生態(tài)變化幅度較小，且整體處于變好的趨勢，而紫金礦重點開發(fā)區(qū)內(nèi)，在2007—2014年內(nèi)，RSEI年均下降幅度較大.

3) 地方政府和紫金礦業(yè)集團對生態(tài)環(huán)境保護的重視和大量經(jīng)費的投入是研究區(qū)RSEI總體增長的主要原因；礦山開發(fā)面積變化與礦山開發(fā)技術(shù)提升及金銅礦價格上漲較大相關(guān)，從而使重點開發(fā)區(qū)RSEI持續(xù)下降，但由于開發(fā)過程中相應(yīng)的生態(tài)治理經(jīng)費投入持續(xù)增長，RSEI并沒有出現(xiàn)大幅度的降低，為“綠色礦山”建設(shè)起到了示范作用.

在未來的開發(fā)中，紫金礦業(yè)集團應(yīng)該繼續(xù)重視對生態(tài)環(huán)境的保護，加強礦區(qū)開采后的生態(tài)修復(fù)，努力踐行“既要金山銀山，也要綠水青山”.