基于遙感生態指數的平朔露天礦生態環境評價

尹建平

（中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036006）

隨著社會經濟及基本物質條件的快速發展，以及自然資源、空間環境的不斷改變，導致土壤退化、水土流失、生物多樣性減少等一系列環境問題，給生態文明建設和社會可持續發展帶來嚴重挑戰。如何準確快速地評估區域內生態環境狀況，成為當今迫切需要解決的問題。傳統的生態環境質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，評價結果往往偏離區域內實際狀況；主成分分析法[4]、人工神經網絡法[5]的出現解決了主觀權重賦值的問題，使評估更具科學性。2006 年環境保護部發布的《生態環境狀況評價技術規范（試行）》為生態環境狀況評價提供了標準，生態環境狀況指數EI 得到廣泛應用，但其指標權重需要人為設定，且存在評價結果無法空間可視化的問題。近年來，眾多專家學者利用遙感與地理信息技術對城市、沙漠、黃土流失區和自然保護區等不同區域進行生態環境評價[6-7]。

平朔目前已經成為我國規模最大，現代化程度最高的煤炭基地之一。隨著煤炭的開采，對環境的破壞也是日益嚴重。1985 年平朔礦區開始進行初級的復墾工作，隨著國家對生態文明建設工作的重視和人們環保意識的不斷增強，平朔礦區開始實行更高級的生態重建工作，實行“采，運，排，復”一體化工藝，“地貌重塑、土壤重構，植被重建，水土保持，植被配置模式，堆狀排棄工藝”等生態環境重構的綜合技術，對我國黃土高原區生態恢復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與土壤因子的關系、地表覆被變化及土地利用結構變化和景觀格局等領域，鮮見針對礦區進行生態環境狀況評估的研究。為此，基于遙感生態指數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年礦區涉及生態環境狀況的指標變化，著重分析近30 年的生態環境變化程度，評估平朔露天礦的生態環境狀況，揭示平朔露天礦開始復墾工作后其生態環境恢復情況，以期為礦區生態環境治理提供科學依據和理論支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

礦區位于山西省朔州市平魯區寧武煤田北端（N39°23′，E112°30′），礦區南北長23 km，東西寬22 km，總面積為380 km2，已探明地質儲量127.5 億t。現包括安太堡露天礦、安家嶺露天礦、東露天礦、井工一礦、井工二礦（已停產）、井工三礦6 個煤礦及其配套選煤廠。該區屬黃土丘陵地貌，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，礦區土壤主要為栗褐土，其土壤結構差，水土嚴重流失。

1.2 數據源及研究方法

在中國地理空間數據云網站（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 數據，2018年7 月1 日的Landsat 8 OLI 數據影像資料及矢量邊界數據和Google Earth 影像數據。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、濕度分量、干度指數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指數RSEI 表示為4 項指標合成的函數。

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 分別為指數原值和標準化值；Xmax為指數的最大值；Xmin為指數的最小值。

1.2.2 遙感生態指數計算

首先將經過標準化處理的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）作為初始遙感生態指數RSEI0：

RSEI0=PCA[（fNDVI，WET，NDBSI，LSTI）]

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

式中：RSEI為對應各期經過標準化的生態遙感指數，值域[0，1]；RSEI0－min為原始遙感生態指數中最小值；RSEI0-max為原始遙感生態指數中最大值。

RSEI 值越大表示生態環境狀況越好，反之則代表生態環境狀況越差。

2 結果與分析

2.1 平朔露天礦區生態環境狀況分析

1989—2018 年4 個指標的主成分分析結果見表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果（CP1 值）

由計算結果可知1989—2018 年綠度、濕度、干度和熱度的值，其中綠度和濕度與生態環境狀況呈正相關關系，共同對礦區的生態環境狀況起正面的促進作用。干度和熱度與生態環境狀況呈負相關關系，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，與該區域生態環境狀況呈正相關關系的濕度、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生態環境狀況的直接影響因素。

2.2 平朔礦區生態環境狀況變化

1989—2018 年平朔礦區遙感生態指數RSEI 見表2。

表2 1989—2018 年平朔礦區遙感生態指數RSEI

由表2 及空間分布（圖略）來看，1989 年生態環境狀況為優的區域零性散落在整個礦區內，1994 年生態狀況為優的區域主要位于礦區南部，整體看來生態環境質量比1989 年有所好轉。東部地區生態環境質量下降明顯，這是因為采礦初期東部地區是采礦的重心位置，建設用地面積增多，植被稀疏，覆蓋度低，生態破壞較為嚴重，而北部地區由于采礦活動較少，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。但是在1994—2007年，由于采礦活動重心位置的北移，礦區生態環境仍處于下降階段，在該段時期內，礦區草地、耕地持續減少，采礦用地、裸地持續增加是導致生態環境質量下降的主要原因，在圖上我們可以明顯的看到礦區北部及南部區域生態質量明顯惡化。

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

3 結論

1）平朔露天礦1989、1994、1998、2003、2007、2013、2018 年的遙感生態指數值分別為0.564、0.592、0.547、0.527、0.512、0.558、0.576，數據表明RSEI 值呈先升高后降低再升高的變化過程，結合空間分布圖整體來看，礦區生態環境狀況為良性發展趨勢。

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

3）通過分析遙感數據及空間分布情況可實現快速地對平朔露天礦大面積區域進行生態環境狀況評估，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，提高了評估結果的客觀性，對于其他礦區進行相關方面的研究有一定的指導意義。