基于遙感生態(tài)指數的神東礦區(qū)1995-2020年生態(tài)環(huán)境質量的時空變化特征分析

李 蕊, 陳國清, 李瑋賢, 蒙 榮, 王明玖, 郭洋楠

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特 010018; 2.內蒙古農業(yè)大學 草原與資源環(huán)境學院, 內蒙古 呼和浩特 010018; 3.神華神東煤炭集團有限公司技術研究所, 陜西 榆林 719315)

隨著經濟全球化的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題儼然成為全球性關注熱點。礦業(yè)是中國經濟支柱產業(yè)，其發(fā)展在一定程度上以破壞環(huán)境為代價，礦業(yè)在取得巨大成就的同時，也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞。神東礦區(qū)是中國重要的區(qū)域生態(tài)脆弱帶以及國家級水土流失重點監(jiān)督區(qū)和重點治理區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，干旱少雨；原生植被種類單調，平均植被覆蓋率僅3%～11%，風蝕區(qū)面積占總面積的70%，長此以往，會使本來脆弱的生態(tài)環(huán)境變得徹底無法修復，面臨生態(tài)環(huán)境惡化的嚴重制約，不僅經濟難以持續(xù)發(fā)展，還會影響晉陜蒙接壤地區(qū)的生態(tài)安全。所以深入研究礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量時空變化規(guī)律，對于恢復礦區(qū)生態(tài)功能，提高礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量等具有十分重要的理論價值和現(xiàn)實意義[1-2]。

2015年環(huán)保部發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》(HJ192-2015)，提出生態(tài)環(huán)境狀況評價指數(ecological environment index，EI)[3-4]，而構成EI指數的各個指標在數據可獲取性、權重合理性和評價結果時空分析等方面仍存有弊端[5]。徐涵秋基于遙感技術提出了遙感生態(tài)指數(remote sensing ecology index，RSEI)，由綠度、濕度、熱度和干度4個遙感生態(tài)指標構建[6-7]，該指數不僅數據易獲得、權重非人為設定，而且具有較強的客觀性、評價結果可視化效果好等優(yōu)點，因此與EI指數相比該指數更適用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價。由于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境受損的直接體現(xiàn)就是礦區(qū)土壤理化性質、土地利用方式、植被的時空變化等，所以對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的研究主要集中在礦區(qū)生態(tài)效應[8]、生態(tài)安全[9]、承載力等[10]方面。但是這些研究和規(guī)范的目標是揭示礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的現(xiàn)狀及變化，大部分文獻評價了生態(tài)環(huán)境質量包括水環(huán)境[11]、植被環(huán)境和土壤環(huán)境[12-13]，部分涉及到土地利用景觀格局[14]，在神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量時空演變規(guī)律的研究比較缺乏。本文在RSEI指數的基礎上，利用多時相遙感數據綜合研究神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化及發(fā)展趨勢，同時利用重心遷移法來探究生態(tài)環(huán)境質量空間變化狀況，以期為該研究區(qū)的空間變化情況及生態(tài)環(huán)境建設提供一定的科學依據，也為神東礦區(qū)完善生態(tài)治理制度體系提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取神東礦區(qū)(為神府—東勝礦區(qū)的簡稱)作為研究區(qū)，位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯東南部和陜西北部交界處，地理坐標在北緯38°52′—39°41′，東經109°51′—110°46′。實際研究區(qū)坐標為38°56′—39°49′N，108°58′—110°25′E。地處西北地區(qū)毛烏素沙漠東南邊緣與黃土高原北端的過渡地帶，西北高，東南低，屬典型的干旱、半干旱荒漠高原氣候。礦區(qū)北部東勝梁呈東西向展布，形成南北向河流的分水嶺。東部及東北部為黃土丘陵山區(qū)，溝壑縱橫，形成梁峁、溝壑和土原3種地貌。

1.2 數據來源及預處理

本文所用的數據為神東礦區(qū)(行列號127，33)1995—2020年的Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI遙感影像，數據通過“美國地質調查局USGS”(http:∥glovis.usgs.gov/)進行免費數據的獲取。其中包括1995，2000，2005，2010年的Landsat 5 TM與2015，2020年的Landsat 8 OLI共6期的遙感影像數據，采用的遙感影像的質量較好。由于綠度指標(NDVI)選用的數據為一期影像而非多期求均值，為避免綠度指標過高影響評價指數準確性，且受到數據獲取限制，所以選用的時間基本集中在9—11月份影像晴空無云。

運用遙感分析軟件ENVI 5.3對6個不同時期的影像進行輻射定標、大氣校正等，為滿足研究精度的需要，將均方根誤差控制在0.5個像元內，最后使用神東礦區(qū)的矢量邊界對圖形進行裁剪。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)環(huán)境質量評價 RSEI指數是用于綜合研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的新型遙感生態(tài)指數，由濕度指標、綠度指標、熱度指標、干度指標組成的，利用主成分分析構建神東礦區(qū)遙感生態(tài)指數，即：

RSEI0=1-{PC1〔f(NDVI，WET，LST，NDSI)〕}

(1)

(2)

式中：RSEI為遙感生態(tài)指數; NDVI為綠度指標; WET為濕度指標; LST為熱度指標; NDSI為干度指標; PC1為主成分分析后得到的第一主成分; RSEI0為遙感生態(tài)指數初始值;其中RSEI0-min，RSEI0-max分別代表RSEI0的最小值、最大值。

(1) 濕度。濕度指標選用遙感纓帽變換的濕度分量，濕度分量對神東礦區(qū)的土壤和植被的濕度有較好的反映[15-16]。Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI的濕度計算公式分別為：

WETTM=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+

0.310 2ρred+0.159 4ρNIR+

0.680 6ρSWIR1+0.610 9ρSWIR2

(3)

WETOLI=0.151 1ρblue+0.197 2ρgreen+

0.328 3ρred+0.340 7ρNIR+

0.711 7ρSWIR1+0.455 9ρSWIR2

(4)

式中：ρblue為藍波段反射率;ρgreen為綠波段反射率;ρSWIR1為短波紅外1波段反射率;ρSWIR2為短波紅外2波段反射率。

(2) 綠度。綠度指標選用歸一化植被指數(NDVI)代替綠度，它主要反映植物生物量、葉面積指數以及植被覆蓋度，是使用最廣泛的植被指數[17]。具體表達式為：

NDVI=(ρNIR-ρRed)/(ρNIR+ρRed)

(5)

式中：ρNIR，ρRed分別為Landsat 5 TM,Landsat 8 OLI的近紅外波段和紅波段的反射率。

(3) 熱度。熱度指標選用地表溫度代表熱度，Landsat 5 TM影像主要利用熱紅外6波段輻射定標參數，將像元灰度值轉換為傳感器處的輻射亮度值，通過Planck輻射函數求出包含了大氣影響的像元溫度亮度，進而通過比輻射率轉換為地表溫度[5,18]，提取公式如下：

L6=gain·DN+bias

(6)

(7)

TS=Tb/〔1+(λTb/α)Inε6〕

(8)

式中：gain和bias分別是Landsat 5 TM第6波段的增益和偏置值;K1和K2為定標參數:K1=607.76 W/(m2·sr·μm),K2=1 260.56 W/(m2·sr·μm);中心波長λ=11.48 μm,α取1.438×10-2mK。DN為像元灰度值。

Landsat 8 OLI影像主要利用熱紅外10波段進行輻射定標，得到熱紅外波段的輻射亮度值，最后通過普朗克定律反函數求得Ts，其表達式為：

(9)

(10)

TS=

(11)

(4) 干度。裸土和建筑用地均會造成地表“干化”，因此選用建筑指數(IBI)和裸土指數(SI)構建干度指標，記為NDSI[19-20]，其計算公式為：

NDSI=(SI+IBI)/2

(12)

式中：

(13)

(14)

式中：ρBlue,ρGreen,ρRed,ρNIR,ρSWIR1分別為Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1波段的反射率。

1.3.2 RSEIⅠ—Ⅴ級重心遷移 重心遷移模型是運用ArcGIS平臺繪制出不同時期、不同等級的生態(tài)環(huán)境質量重心坐標，根據重心坐標能夠更加直觀地反映出每個時期RSEI不同等級的遷移方向、遷移的距離等空間動態(tài)變化規(guī)律。為了分析1995—2020年神東礦區(qū)不同等級的RSEI空間變化情況，運用ArcGIS 10.4中的工具將5個等級進行處理，再分別計算6期的5個等級的重心，最后繪制重心移動路徑圖。重心坐標的運算方式如下：

(15)

(16)

2 結果與分析

2.1 神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量指標主成分分析

利用上述RSEI模型和4個分量模型的計算平均值(圖1)，可分析神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量變化過程：神東礦區(qū)1995—2020年的生態(tài)環(huán)境質量呈現(xiàn)出下降—上升—下降—上升的變化趨勢；其中，2000年生態(tài)環(huán)境質量最低，較1995年生態(tài)環(huán)境質量下降11%，2010年生態(tài)環(huán)境質量最高，較1995年生態(tài)環(huán)境質量提高了5.4%。各分量指標(歸一化后)的平均值變化情況: 1995—2020年，綠度指標NDVI與RSEI的趨勢成正比，總體上呈上升趨勢；干度指標NDSI與RSEI的趨勢成反比，總體上呈下降趨勢；濕度指標WET呈現(xiàn)下降—上升—下降趨勢，2000年WET出現(xiàn)低值為0.46，總體上呈下降趨勢；熱度指標LST呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降—上升的波動趨勢，2005年LST最低值為0.44，總體上呈上升趨勢。在各指標變化中，WET與LST，NDVI與NDSI變化趨勢成反比?？偟膩碚f，神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量主要與NDVI，NDSI指標相關，RSEI變化雖有起伏，但波動范圍仍保持在一般狀態(tài)下，生態(tài)環(huán)境質量有所提升。

注：NDVI為綠度指標；RSEI為遙感生態(tài)指數；WET為濕度指標；LST為熱度指標；NDSI為干度指標。下同。

利用ArcGIS 10.4在研究區(qū)內隨機生成了180個點，提取各指標及RSEI的值。通過分析1995—2020年NDVI，WET，NDSI和LST與RSEI擬合(圖2)可以發(fā)現(xiàn)：擬合結果在0.05水平下，均顯著不同于0。NDVI，NDSI，LST與RSEI的R2值分別為0.21，0.29，0.24，WET與RSEI的R2值為0.02，說明NDVI，NDSI，LST是影響RSEI的主要指標。通過對NDVI，WET，NDSI和LST的主成分分析，得到如表1所示結果。由表1可知，第1主成分的貢獻率均達到50%以上，表明PC1已集中了4個指標的大部分特征。在1995—2020年，PC1的NDVI均為正值，WET多為正值，說明NDVI，WET與RSEI變化呈正相關關系，LST均為負值，NDSI多為負值，說明 LST，NDSI與RSEI變化呈負相關關系。相較4個指標對神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量貢獻率，NDVI，NDSI對神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量影響更大，表明植被生長分布情況以及人類活動是研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的直接影響因素。

圖2 各指標環(huán)境生態(tài)質量與RSEI擬合

表1 1995-2020年遙感生態(tài)指數的主成分分析

2.2 神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量分級

經過歸一化后的神東礦區(qū)RSEI數值范圍在[0,1]之間，RSEI值越接近于1表示神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量越好，反之神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量則越差。根據神東礦區(qū)RSEI值的范圍，選用前人分類標準，進一步將各年份的RSEI以0.2為間隔分成5級(圖3)，分別代表差、較差、中等、良和優(yōu)5個等級，對應的等級編號分別為Ⅰ(0～0.2)，Ⅱ(0.2～0.4)，Ⅲ(0.4～0.6)，Ⅳ(0.6～0.8)，Ⅴ(0.8～1.0)。

圖3 1995-2020年神東礦區(qū)遙感生態(tài)指數(RSEI)等級分布

通過RSEI分類圖及統(tǒng)計不同等級面積所占礦區(qū)總面積的比例可知(圖4)，1995—2020年神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量整體呈上升趨勢，2010年生態(tài)環(huán)境質量最好，隨后由于經濟發(fā)展及人類活動生態(tài)環(huán)境質量有所下降，但整體上呈變好趨勢。神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量以“較差”和“中等”為主，合計平均占比為57%；“優(yōu)”“良”級合計平均占比為31.80%，“差”級平均占比約為11.19%。

圖4 各級別土地面積占神東礦區(qū)總面積的比例

1995—2010年神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量總體趨于穩(wěn)定，并保持繼續(xù)向生態(tài)環(huán)境質量好的方向發(fā)展，其中2010年生態(tài)環(huán)境狀況最好，“中等”級面積變化幅度較小，相較1995年的“良”、“優(yōu)”等級之和2010年提升了33.77%。2010—2015年生態(tài)環(huán)境質量有所下降，2015—2020年生態(tài)環(huán)境質量有所提升。1995年生態(tài)環(huán)境質量為“差”和“較差”的面積分別占整個研究區(qū)域的14.45%和28.51%，而2020年分別為9.34%和21.60%，“差”、“較差”級面積明顯下降，“中等”、“良”、“優(yōu)”等級面積均有提升，相較于1995年提升了12.01%。

通過研究1995—2020年RSEIⅠ—Ⅴ等級的土地利用類型及轉移矩陣(表2)發(fā)現(xiàn)：1995—2020年神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量各等級主要土地利用類型為草地、耕地。神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量整體上有上升趨勢，且耕地、草地面積整體上也在增加。說明神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量受耕地、草地面積變化影響較大。

表2 1995-2020年神東礦區(qū)土地利用類型轉移矩陣 %

在1995—2020年，西南方向土地類型為內陸湖泊，湖心有島嶼。按照模型因子，該地區(qū)主要評價指標為濕度指標(WET)和干度指標(NDSI)。通過主成分分析的結果可以看到NDSI在2010年貢獻程度最大，且為正值，而在其他年份NDSI貢獻程度較小，且為負值，故在2010年內陸湖泊質量相對最差。

通過1995年與2020年生態(tài)環(huán)境質量等級轉移變化分析，發(fā)現(xiàn)神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化的區(qū)域較為分散，生態(tài)環(huán)境質量變差的區(qū)域占總面積的23.09%，生態(tài)環(huán)境質量變好的區(qū)域占總面積的42.22%(圖5)，整體呈變好趨勢。

圖5 1995-2020年神東生態(tài)質量變化特征

2.3 不同等級RSEI重心轉移

通過分析1995—2020年神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量各等級重心遷移情況(圖6)可知：神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量Ⅰ—Ⅴ級重心在伊金霍洛旗和神木縣范圍內進行遷移。在1995—2020年“差”、“較差”、“優(yōu)”等級的重心轉移年幅度較大，其他等級的重心移動幅度均較小。其中“差”等級的重心轉移在2000—2015年遷移均值達到16.32 km；“較差”等級的重心轉移在2005—2015年遷移均值達到11.13 km；“優(yōu)”等級的重心轉移在2005—2020年遷移均值達到14.02 km；其他等級的重心遷移均值為3.11 km。說明1995年—2020年，神東礦區(qū)不同生態(tài)環(huán)境質量等級的區(qū)域變化明顯，波動范圍較大。從5個等級的重心移動路徑可以看出，“差”等級向西南方向偏移，“較差”、“中等”、“良”和“優(yōu)”等級向西北方向偏移。

圖6 1995-2020神東礦區(qū)RSEI Ⅰ-Ⅴ級移動路徑

3 討 論

神東礦區(qū)作為中國重要的區(qū)域生態(tài)脆弱帶和重點治理區(qū)，其生態(tài)環(huán)境質量的影響不言而喻。當前，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量評價多以綜合指數法、層次分析等方法進行研究[21-24]，但就本研究區(qū)域而言，神東礦區(qū)是自然環(huán)境較多和人居較少的研究區(qū)，RSEI指數適用性比較強。而運用RSEI指數研究市縣、流域、自然遺產、濕地等研究區(qū)較多[25-27]，對礦區(qū)研究較少。

已有文獻[28-29]運用RSEI指數對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化進行研究，但是沒考慮生態(tài)環(huán)境質量變化是具有空間區(qū)域性的，本文增加了生態(tài)環(huán)境質量在空間方面變化的研究；并在土地利用類型與生態(tài)環(huán)境質量變化上做了進一步的分析，對神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化做了更深的研究。岳輝等[29]對神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化的研究，得出1989—2015年神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量整體呈上升趨勢。這與其研究結果綜合可以得出，1989—2020年神東礦區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質量總體上呈向好發(fā)展的趨勢。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量與人類活動強度、綠色植被的關系比較密切，綠色植被生長情況主要決定了綠度指標的高低，干度指標很大程度受人為開發(fā)活動影響，在二者綜合影響下決定了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的總體水平。在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量分級分析中，1995—2020年各級土地利用類型均以草地、耕地為主，且與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量總體變化趨勢一致。Ⅱ級、Ⅲ級占礦區(qū)50%以上的面積，且遷移幅度較小，說明在生態(tài)環(huán)境質量治理過程中，大部分的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量得到了一定的維持，加大生態(tài)環(huán)境保護力度。Ⅰ級、Ⅳ級和Ⅴ級的生態(tài)環(huán)境質量遷移幅度較大，說明在較差的區(qū)域加大了生態(tài)環(huán)境的治理力度，導致較差較好的區(qū)域變化幅度較大。

在以后的研究中，可以豐富生態(tài)環(huán)境質量評價指標，對神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化的驅動因子進行細致的分析，以更細致的討論神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化原因，為對神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境的保護、治理提供依據。

4 結 論

(1) 1995—2020年神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量總體呈變好趨勢。綠度指標與神東礦區(qū)生態(tài)質量變化一致，干度指標與神東礦區(qū)生態(tài)質量變化相反，綠度指標是影響生態(tài)環(huán)境質量的主要原因，干度指標是影響生態(tài)環(huán)境質量的次要原因。

(2) 神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化較為分散，以Ⅱ級、Ⅲ級為主，其面積接近于研究區(qū)總面積的57%。對比1995年礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量，2018年變好的區(qū)域是研究區(qū)總面積的42.22%，神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量有所提升。

(3) 在1995—2020年神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量各級土地利用類型均以草地、耕地為主，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量與耕地、草地面積均呈現(xiàn)總體上升趨勢。

(4) 神東礦區(qū)RSEIⅠ—Ⅴ級的重心轉移幅度較大等級有：Ⅰ級、Ⅳ級和Ⅴ級，遷移距離在10～15 km之間，說明處于該區(qū)域的神東礦區(qū)生態(tài)質量空間遷移幅度較大。重心轉移幅度較小的等級有Ⅱ級、Ⅲ級，遷移距離在3 km左右，說明處于該區(qū)域的神東礦區(qū)生態(tài)質量空間遷移幅度相對穩(wěn)定。