基于遙感生態(tài)指數(shù)的平朔露天礦生態(tài)環(huán)境評價

尹建平

（中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036006）

隨著社會經(jīng)濟及基本物質(zhì)條件的快速發(fā)展，以及自然資源、空間環(huán)境的不斷改變，導(dǎo)致土壤退化、水土流失、生物多樣性減少等一系列環(huán)境問題，給生態(tài)文明建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展帶來嚴重挑戰(zhàn)。如何準確快速地評估區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況，成為當今迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法包括模糊評價法[1]、層次分析法[2]、PSR 模型[3]等，這些方法受主觀因素影響較大，評價結(jié)果往往偏離區(qū)域內(nèi)實際狀況；主成分分析法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]的出現(xiàn)解決了主觀權(quán)重賦值的問題，使評估更具科學(xué)性。2006 年環(huán)境保護部發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行）》為生態(tài)環(huán)境狀況評價提供了標準，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI 得到廣泛應(yīng)用，但其指標權(quán)重需要人為設(shè)定，且存在評價結(jié)果無法空間可視化的問題。近年來，眾多專家學(xué)者利用遙感與地理信息技術(shù)對城市、沙漠、黃土流失區(qū)和自然保護區(qū)等不同區(qū)域進行生態(tài)環(huán)境評價[6-7]。

平朔目前已經(jīng)成為我國規(guī)模最大，現(xiàn)代化程度最高的煤炭基地之一。隨著煤炭的開采，對環(huán)境的破壞也是日益嚴重。1985 年平朔礦區(qū)開始進行初級的復(fù)墾工作，隨著國家對生態(tài)文明建設(shè)工作的重視和人們環(huán)保意識的不斷增強，平朔礦區(qū)開始實行更高級的生態(tài)重建工作，實行“采，運，排，復(fù)”一體化工藝，“地貌重塑、土壤重構(gòu)，植被重建，水土保持，植被配置模式，堆狀排棄工藝”等生態(tài)環(huán)境重構(gòu)的綜合技術(shù)，對我國黃土高原區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理工作起到了積極的示范作用。

目前，對于平朔露天礦的研究主要集中在植被恢復(fù)與土壤因子的關(guān)系、地表覆被變化及土地利用結(jié)構(gòu)變化和景觀格局等領(lǐng)域，鮮見針對礦區(qū)進行生態(tài)環(huán)境狀況評估的研究。為此，基于遙感生態(tài)指數(shù)RSEI，集成綠度、濕度、熱度和干度4 項指標，利用主成分分析法建立評估模型，綜合分析1989—2018年礦區(qū)涉及生態(tài)環(huán)境狀況的指標變化，著重分析近30 年的生態(tài)環(huán)境變化程度，評估平朔露天礦的生態(tài)環(huán)境狀況，揭示平朔露天礦開始復(fù)墾工作后其生態(tài)環(huán)境恢復(fù)情況，以期為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于山西省朔州市平魯區(qū)寧武煤田北端（N39°23′，E112°30′），礦區(qū)南北長23 km，東西寬22 km，總面積為380 km2，已探明地質(zhì)儲量127.5 億t?，F(xiàn)包括安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦、東露天礦、井工一礦、井工二礦（已停產(chǎn)）、井工三礦6 個煤礦及其配套選煤廠。該區(qū)屬黃土丘陵地貌，溫帶半干旱大陸性氣候，海拔在1 250～1 350 m 水平，年均氣溫4.8～7.5℃，年均降水量428.2～449 mm，礦區(qū)土壤主要為栗褐土，其土壤結(jié)構(gòu)差，水土嚴重流失。

1.2 數(shù)據(jù)源及研究方法

在中國地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn/）獲取了1989 年6 月20 日、1998 年7 月11 日、2007 年6 月18 日的Landsat5 TM 數(shù)據(jù)，2018年7 月1 日的Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)影像資料及矢量邊界數(shù)據(jù)和Google Earth 影像數(shù)據(jù)。云層覆蓋面積小于10%，空間分辨率15 m/30 m，研究主要使用ENVI Classic 軟件來處理圖像并且結(jié)合使用ENVI5.3和ArcGIS 10.2 空間處理軟件。

選取易獲取的歸一化植被指數(shù)、濕度分量、干度指數(shù)和地表溫度代表綠度NDVI、濕度WET、干度NDSI 和熱度LST，對各項指標進行標準化處理，利用ArcGIS 軟件的主成分分析工具將遙感生態(tài)指數(shù)RSEI 表示為4 項指標合成的函數(shù)。

1.2.1 評價因子標準化處理

RSEI 各分量指標綠度、濕度、干度以及熱度，它們的量綱不同，沒法進行相互比較，故需要進行標準化處理。

式中：X、Y 分別為指數(shù)原值和標準化值；Xmax為指數(shù)的最大值；Xmin為指數(shù)的最小值。

1.2.2 遙感生態(tài)指數(shù)計算

首先將經(jīng)過標準化處理的4 個評價因子利用ENVI 5.3 軟件Layer Stacking 工具進行波段合成，然后再利用軟件中主成分分析模塊進行主成分分析，將主成分1（PCA1）作為初始遙感生態(tài)指數(shù)RSEI0：

RSEI0=PCA[（fNDVI，WET，NDBSI，LSTI）]

為了方便各時期遙感生態(tài)指數(shù)之間進行比較，同樣對RSEI0進行標準化處理，按照如下公式進行：

式中：RSEI為對應(yīng)各期經(jīng)過標準化的生態(tài)遙感指數(shù)，值域[0，1]；RSEI0－min為原始遙感生態(tài)指數(shù)中最小值；RSEI0-max為原始遙感生態(tài)指數(shù)中最大值。

RSEI 值越大表示生態(tài)環(huán)境狀況越好，反之則代表生態(tài)環(huán)境狀況越差。

2 結(jié)果與分析

2.1 平朔露天礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況分析

1989—2018 年4 個指標的主成分分析結(jié)果見表1（已篩選第1 主成分）。

表1 1989—2018 年4 個指標的主成分分析結(jié)果（CP1 值）

由計算結(jié)果可知1989—2018 年綠度、濕度、干度和熱度的值，其中綠度和濕度與生態(tài)環(huán)境狀況呈正相關(guān)關(guān)系，共同對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況起正面的促進作用。干度和熱度與生態(tài)環(huán)境狀況呈負相關(guān)關(guān)系，兩者共同起負面作用。由表1 可知各年度4 項指標第1 主成分的貢獻率均大于65%，貢獻較好，表明第1 主成分已經(jīng)集成4 個指標的大部分特征。由各指標的第1 主成分載荷可知，與該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況呈正相關(guān)關(guān)系的濕度、綠度中，兩者的貢獻率較低甚至有的年份為負值，表明植被生長及分布情況是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的直接影響因素。

2.2 平朔礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況變化

1989—2018 年平朔礦區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)RSEI 見表2。

表2 1989—2018 年平朔礦區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)RSEI

由表2 及空間分布（圖略）來看，1989 年生態(tài)環(huán)境狀況為優(yōu)的區(qū)域零性散落在整個礦區(qū)內(nèi)，1994 年生態(tài)狀況為優(yōu)的區(qū)域主要位于礦區(qū)南部，整體看來生態(tài)環(huán)境質(zhì)量比1989 年有所好轉(zhuǎn)。東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降明顯，這是因為采礦初期東部地區(qū)是采礦的重心位置，建設(shè)用地面積增多，植被稀疏，覆蓋度低，生態(tài)破壞較為嚴重，而北部地區(qū)由于采礦活動較少，對植被、耕地等保護措施較好，植被茂盛，也與該時期林地面積增加有關(guān)。但是在1994—2007年，由于采礦活動重心位置的北移，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境仍處于下降階段，在該段時期內(nèi)，礦區(qū)草地、耕地持續(xù)減少，采礦用地、裸地持續(xù)增加是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因，在圖上我們可以明顯的看到礦區(qū)北部及南部區(qū)域生態(tài)質(zhì)量明顯惡化。

2007 年之后礦區(qū)逐步開展復(fù)墾工作，復(fù)墾范圍主要集中在礦區(qū)南部安家?guī)X、安太堡露天礦周圍，由圖2 實例可以看出10 年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯變好。2018 年RSEI 上升0.018，隨著復(fù)墾工作的進行，礦區(qū)生態(tài)質(zhì)量持續(xù)變好，林地、耕地面積增加，建設(shè)用地、裸地面積減少。復(fù)墾工作進行至2018 年RSEI 值已基本與1989 年建礦初期時的RSEI 值接近，說明礦區(qū)在擴大采礦的同時兼顧到了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的維護治理，近10 年來的復(fù)墾工作頗有成效。

3 結(jié)論

1）平朔露天礦1989、1994、1998、2003、2007、2013、2018 年的遙感生態(tài)指數(shù)值分別為0.564、0.592、0.547、0.527、0.512、0.558、0.576，數(shù)據(jù)表明RSEI 值呈先升高后降低再升高的變化過程，結(jié)合空間分布圖整體來看，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況為良性發(fā)展趨勢。

2）綠度和濕度對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況起顯著的正向作用，主要是因為研究區(qū)植被覆蓋度隨復(fù)墾年限的增加而增加，而干度和熱度指標對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況起負向作用。

3）通過分析遙感數(shù)據(jù)及空間分布情況可實現(xiàn)快速地對平朔露天礦大面積區(qū)域進行生態(tài)環(huán)境狀況評估，同時運用主成分分析法可有效避免評價模型主觀因素的影響，提高了評估結(jié)果的客觀性，對于其他礦區(qū)進行相關(guān)方面的研究有一定的指導(dǎo)意義。