基于遙感生態指數的神東礦區生態環境變化監測

岳 輝, 劉 英, 朱 蓉

(西安科技大學 測繪科學與技術學院, 陜西 西安 710054)

神東礦區是中國西北地區最大的煤礦基地，礦區煤炭資源豐富[1]。一方面，煤炭產業的發展帶動陜北地區的經濟發展，提高當地居民收入與生活水平。另一方面，由于煤炭是不可再生資源，當礦區的煤炭開采力度不斷增大時，過度的開采將會導致區域土地荒漠化加重、土壤肥力下降，土地沉陷等致使當地生態環境日益惡化[2-3]。因此，利用遙感技術對神東礦區生態環境變化進行監測與評價研究刻不容緩。20世紀60年代，國外就開展了利用遙感技術對礦產資源開采狀況及環境監測的研究[4]。在礦產資源開發造成的生態環境影響中，主要研究方面從最初的礦區水環境、土壤污染等逐步擴展到對研究區地表水、土壤和植物等要素的調查，以及綜合生態風險評價[5-8]。國內在生態環境評價方面雖起步較晚但發展迅速，特別是在遙感生態評價指數的提出和應用上。2006年，國家環境保護部以行業標準的形式頒發了《生態環境狀況評價技術規范》，推出了主要基于遙感技術的生態環境狀況指數(ecological environment index， EI)，旨在對我國縣級以上生態環境提供一種年度綜合評價標準。已在國內得到廣泛的應用，但該指數在具體應用過程中也發現了不少問題，如權重的合理性、歸一化系數的設定、指標的易獲取性等[9-11]。針對EI存在的問題，徐涵秋[12-13]提出了一個完全基于遙感信息、能夠集成多種指標因素的遙感綜合生態指數(remote sensing ecology index， RSEI)。通過遙感生態指數中的各種指標成分如：濕度指標(WET)、干度指標(NDSI)、綠度指標(NDVI)和熱度指標(LST)的計算，以及綜合分析并合成這幾個指標，采用主成分分析法，根據各個生態因子對各主分量的貢獻來綜合分析研究區的生態環境狀況。RESI不僅可用于水土流失區生態變化遙感監測[14]，又可以應用于城市生態環境遙感綜合評價，而且可用于礦區生態環境監測。繼徐涵秋之后，國內學者[15-17]采用RSEI指數對杭州市、渭南市、常寧市等城市的生態環境質量評價進行了大量研究。

生態環境是近年來人們越來越關注的一個話題，對于生態環境的變化進行監測與評價是一個重大而有意義的研究。在此基礎上進行城市生態環境的變化分析較為常見，但是利用該指數進行礦區生態環境質量監測的研究并不多見。因此，本文以神東礦區為研究對象，利用RSEI指數對礦區生態環境進行動態監測，旨在為神東礦區的生態環境參數服務，為建設高效的環境保護政策體系提供決策參考，以及為政府部門關于治理環境問題提供科學依據。

1 數據與研究區域

1.1 研究區概況

神東礦區是神府東勝礦區的簡稱，位于我國西北地區毛烏素沙漠南側與黃土高原北端的過渡地帶，橫跨陜西省神木縣、府谷縣、內蒙古自治區東勝市，地理位置位于北緯38°56′—39°49′，東經108°58′—110°25′之間，南北長約80 km，東西寬約15～55 km，是我國典型的干旱、半干旱荒漠化礦區。礦區北部與東北部為黃土高原丘陵區，地形較為破碎。近年來，由于地下開采過于嚴重，導致礦區地下水位下降、土壤肥力下降、水資源污染、土壤水分蒸發強烈等一系列環境問題出現，使得原本脆弱的生態環境進一步惡化。

1.2 數據來源與處理

本文所用的數據為神東礦區(行列號127,33)1989—2016年的TM，ETM+和OLI遙感影像，通過“地理空間數據云”和“美國地質調查局USGS”(http:∥glovis.usgs.gov/)進行免費數據的獲取。遙感影像時間基本集中在9—10月份，影像晴空無云，質量較好。數據預處理包括輻射定標、大氣校正和影像配準等，使配準的均方根誤差控制在0.5個像元以內。

2 研究方法

2.1 RSEI指數的構建

構建濕度、綠度、干度、熱度總共4種指數組成的RSEI指標，利用主成分分析進一步的監測神東礦區的生態環境質量，即：

RSEI=f(EV,Eet,LST,NDSI)

(1)

式中：FV，WET，LST，NDSI——綠度指標、濕度指標、熱度指標和干度指標。

2.2 濕度指標

遙感纓帽變換的濕度、綠度、亮度分量已被大量應用于生態環境質量評價，其中濕度分量對土壤和植被的濕度有較好的反映。以Landsat 5TM為例，反射率數據的濕度指標計算公式為[18]：

WETTM=0.031 5×RBlue+0.202 1×RGreen+

0.310 2×RRed+0.159 4×RNir-

0.680 6×RSwir1-0.610 9×RSwir2

(2)

式中：RBlue，RGreen，RRed，RNir，RSwir1，RSwir2——TM，ETM+和OLI影像的藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1和短波紅外2波段的反射率數據。

2.3 綠度指標

歸一化植被指數(NDVI)能夠反映植物生物量、葉面積指數以及植被覆蓋度，是使用最廣泛的植被指數。因此選用NDVI來計算植被覆蓋度Fv，并用其來代替綠度指標，具體表達式為[19]：

NDVI=(ρNIR-ρRed)/(ρNIR+ρRed)

(3)

式中：ρNIR，ρRed——TM和OLI近紅外和紅波段的反射率。

Fv=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(4)

其中，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內的NDVI的最大和最小值。

2.4 熱度指標

采用地表溫度代表熱度，先用Landsat用戶手冊的模型計算出亮溫T，然后對其進行比輻射率校正，獲得地表溫度LST[20]：

Li=gain·DN+bias

(5)

T=k2/ln(k1/Li+1)

(6)

式中：Li——TM/ETM+/OLI熱紅外波段的像元在傳感器處的輻射值； DN——像元灰度值，gain，bias——熱紅外波段的增益值與偏置值，可以從影像的頭文件獲得；T——傳感器處亮度溫度值；K1，K2——定標參數。

經過公式(6)計算的溫度T必須進行比輻射率糾正才能成為地表溫度LST：

LST=T/〔1+(λ·T/ρ)lnε〕

(7)

式中：λ——TM/ETM+熱紅外波段的中心波長(λ=11.435 μm)，OLI熱紅外波段的中心波長(λ=10.9 μm)；ρ=1.438×10-2mK；ε——地面比輻射率。

2.5 干度指標

干度指標由裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)合成，記為NDSI，其計算公式為[21]：

NDSI=(SI+IBI)/2

(8)

式中： SI=〔(ρSWIR1+ρRed-(ρBlue+ρNIR〕/〔(ρSWIR1+ρRed)+(ρBlue+ρNIR)〕

IBI={2ρSEIR1/(ρSWIR1+ρNIR)-〔ρNIR/(ρNIR+ρRed)+ρGreen/(ρGreen+ρSWIR1〕}

{2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR+〔ρNIR(ρNIR+ρRed)+ρGreen/(ρGreen+ρSWIR1)〕}

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

2.6 RSEI指數的計算

由于各項指標的單位和數值范圍存在差異，各項指標需進行標準化處理，計算公式為[22]：

NI=(I-Imin)/(Imax-Imin)

(9)

式中：NI——標準化后的指標值；I——該指標的數值大小；Imax，Imin——該指標的最大和最小值。

RSEI0=PCA(FV,WET,LST,NDSI)

(10)

式中：PCA——主成分分析。

對RSEI進行正規化，以便于指標的度量和比較，計算公式為：

RSEI=(RSEI0-RSEImin)/(RSEImax-RSEImin)

(11)

RSEI為遙感生態指數，其值介于[0,1]之間。RSEI值越接近1，生態越好，反之，越差。

3 結果與分析

3.1 各指標因子分析

選取1989，1994，2005和2015年這4個典型年份完成專題圖(圖1—4)。

圖1 神東礦區熱度指標LST分級

圖2 神東礦區綠度指標FV分級

圖3 神東礦區濕度指標WET分級

圖4 神東礦區干度指標NDSI分級

由圖1—4可知，從1989—2015年，神東礦區的綠度指標(FV)存在有規律的變化，專題圖顏色由深灰到淺灰，淺灰色越明顯的區域，表示植被覆蓋度高，反之，則表示植被覆蓋度較低，從四年的專題圖中的顏色變化來看，2005年的植被覆蓋度最低，1989—2005年，植被覆蓋度逐年降低，而在2005年之后，植被覆蓋度先增加后減少。與NDVI作用相同的是，濕度指標WET同樣對生態環境質量呈正相關，其是表示生態環境良好的一個特征。1989—2015年，WET指標均值接近于1所占區域總體面積范圍逐漸增大，表明生態環境質量越來越好。LST與生態環境質量良好程度成負相關，神東礦區1989—2015年，明顯的熱度指標趨于優良化，進一步表明神東礦區的生態環境逐步變好。神東礦區1989—1994年，NDSI值接近于1的區域范圍有所增加，尤其是1994年，其NDSI反映的生態質量差的區域達到了最大，而1994年之后，隨著年份的增長，NDSI值接近于1的區域范圍每年都比前一年有所減小，表明生態環境質量逐漸得到恢復。

3.2 神東礦區尺度生態環境分析

經過正規化后的RSEI數值范圍在[0,1]之間，值越接近于1表示生態環境質量越好，反之生態質量則越差。根據值的范圍，進一步將各年份的RSEI以0.2為間隔分成5級，分別代表差、較差、中等、良和優5個等級，對應的值的范圍為[0，0.2)，[0.2，0.4)，[0.4，0.6)，[0.6，0.8)和[0.8，1][13]。由圖5和表1可知，雖然中間個別年份之間有波動，但神東礦區總體生態環境質量呈上升趨勢，由1989年的0.366增加到2015年的0.477(圖5)。

通過統計不同等級面積所占總礦區面積的百分比可知，1989—2005年神東礦區的生態環境質量有所改善，1989年生態環境質量為“差”和“較差”的面積分別占整個研究區域的33.8%和30.7%，兩者之和幾乎占整個神東礦區總面積的4/5，而2005年分別為23.0%和26.3%；“中等”以下生態環境質量2005年46.3%，2015年減少到40.8%，呈現逐漸下降的趨勢；2005—2015年神東礦區的生態環境質量總體趨于穩定并保持繼續向生態環境質量好的方向發展，“中等”及以上等級之和2005年為50.7%，2015年為59.2%，呈現逐漸上升趨勢，表明神東礦區2005—2015年的生態環境質量逐漸在改善并趨于穩定。

圖5 神東礦區遙感綜合生態指數RSEI分級

年份198919901991199419981999200020012003RSEI均值0.3660.4290.3670.4180.4300.4200.4330.3780.449年份200420052006200820092011201320142015RSEI均值0.4450.4400.4510.4590.4660.4550.4090.4730.477

3.3 神東礦區礦井尺度生態環境質量分析

神東礦區中所包含的礦井有：布爾臺、金烽寸草塔、柳塔、烏蘭木倫、寸草塔、石圪臺、哈拉溝、爾林兔、補連塔、上灣、大柳塔、活雞兔、榆家梁和錦界煤礦，共計14個，本文主要討論其中的9個礦區生態環境質量變化趨勢。根據礦井開采時間和影像時間，分為1998年之前采區和非采區，2000年之前采區和非采區等不同開采時間段(詳見表2)。

由表2可知，補連塔礦井2000—2011年采區和非采區RSEI均值的變化情況，從時間分布來看，采區RSEI均值2000年為0.476，2006年減少為0.371，到2011年又增加到0.539，總體RSEI均值呈先減少后增加的趨勢；非采區從2000年的RSEI均值0.419逐漸增加到2011年的0.532，總體呈增加趨勢。大柳塔礦井1998—2011年采區和非采區的RSEI均值均在增加，分別從1998年的0.414，0.466增加到2011年的0.599，0.612，非采區每年的RSEI均值均大于采區的RSEI。活雞兔礦井的采區2008年的RSEI均值相較于2000年有所增加，2009年的RSEI均值相較于2000年和2008年均增加，非采區的RSEI均值隨年份增加而增加，時間序列RSEI均值特征表明活雞兔礦井的生態環境質量逐漸提升。榆家梁礦井的采區和非采區2008年的RSEI均值相較于2003年有所增加，而2011年的RSEI均值相較于2008年有所減少，這表明榆家梁礦井的生態環境質量存在變差的趨勢。哈拉溝礦井采區和非采區RSEI均值變化，總體來看不論是采區和非采區，RSEI值均在增加，且1998—2002年非采區的RSEI值均大于采區的RSEI值，2007年兩區域的生態環境處于較平衡狀態。烏蘭木倫礦井的整體生態環境質量較差，其1998年采區的RSEI值僅為0.157，到2002年質量有所提升，之后又逐漸減小，非采區的生態環境處于一個均衡狀態，隨著年份的增加RSEI值0.364圍繞上下浮動。造成這種問題的可能原因是其位于毛烏素沙漠邊緣，干旱少雨，植被覆蓋度較低。石圪臺礦井采區和非采區的RSEI均值均在逐漸增大，分別從2007年0.302，0.416逐漸增加到2011年的0.487，0.480，非采區的RSEI均值大于采區的RSEI均值，而2011年，采區和非采區的RSEI處于平衡狀態。錦界礦井2007年和2011年兩年采區和非采區RSEI結果顯示，2007年和2011年采區的RSEI均值均大于非采區的RSEI均值，表明采區的生態環境質量優于非采區的生態環境質量。上灣2007年和2011年兩年采區和非采區RSEI均值結果表明，前后兩年采區和非采區的RSEI均值逐漸增加，分別從2007年的0.452，0.482增大到2011年的0.567，0.498。從空間范圍來看，2007年非采區的生態環境優于采區，而2011年采區的生態環境質量優于采區。

表2 神東礦區各礦井采區和非采區RSEI均值變化

4 結 論

神東礦區地處西北內陸，其脆弱的生態環境是制約煤炭綠色開采的關鍵要素。當今以傳統開采方式導致礦區生態環境破壞嚴重，主要體現在地表植被的破壞，地表水和地下水的污染，開采導致的土地沉陷，以及水土流失加劇的荒漠化趨勢等[23-25]。當前，對生態環境的分析主要集中在單一環境要素中，比如地表植被、地表溫度、土壤濕度、植被凈初級生產力等，而集多種環境要素進行綜合分析的研究較少。RSEI指數是基于濕度，綠度，熱度和干度指標構建的基于遙感信息的綜合指數，RSEI指數不是各個分指數的人為加權求和，而是依賴于客觀自然和環境信息的客觀指數，RSEI能夠客觀地耦合濕度，綠度，熱度和干度各個分指標，能夠合理反映區域生態環境質量現狀。

(1) 礦區尺度上，神東礦區的生態環境質量整體呈上升趨勢，2015年的“中等”及其以上等級所占面積為59.2%，比1989年同等級面積增長了23.7%。

(2) 礦井尺度上，不同礦井的生態環境質量存在差異，采區和非采區之間又有差別，榆家梁礦井整體生態環境質量最優，烏蘭木倫礦井的采區和錦界的非采區生態環境質量最差。

(3) 綜合礦區和礦井尺度而言，礦區RSEI均值總體呈增加趨勢，表明礦區生態環境質量逐漸改善。