基于遙感生態指數的神東礦區1995-2020年生態環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.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特 010018; 2.內蒙古農業大學 草原與資源環境學院, 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展，生態環境問題儼然成為全球性關注熱點。礦業是中國經濟支柱產業，其發展在一定程度上以破壞環境為代價，礦業在取得巨大成就的同時，也對生態環境造成了嚴重破壞。神東礦區是中國重要的區域生態脆弱帶以及國家級水土流失重點監督區和重點治理區，生態環境脆弱，干旱少雨；原生植被種類單調，平均植被覆蓋率僅3%～11%，風蝕區面積占總面積的70%，長此以往，會使本來脆弱的生態環境變得徹底無法修復，面臨生態環境惡化的嚴重制約，不僅經濟難以持續發展，還會影響晉陜蒙接壤地區的生態安全。所以深入研究礦區生態環境質量時空變化規律，對于恢復礦區生態功能，提高礦區生態環境質量等具有十分重要的理論價值和現實意義[1-2]。

2015年環保部發布了《生態環境狀況評價技術規范》(HJ192-2015)，提出生態環境狀況評價指數(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指數(remote sensing ecology index，RSEI)，由綠度、濕度、熱度和干度4個遙感生態指標構建[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點，因此與EI指數相比該指數更適用于區域生態環境質量評價。由于礦區生態環境受損的直接體現就是礦區土壤理化性質、土地利用方式、植被的時空變化等，所以對礦區生態環境質量的研究主要集中在礦區生態效應[8]、生態安全[9]、承載力等[10]方面。但是這些研究和規范的目標是揭示礦區生態環境質量的現狀及變化，大部分文獻評價了生態環境質量包括水環境[11]、植被環境和土壤環境[12-13]，部分涉及到土地利用景觀格局[14]，在神東礦區生態環境質量時空演變規律的研究比較缺乏。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生態環境質量變化及發展趨勢，同時利用重心遷移法來探究生態環境質量空間變化狀況，以期為該研究區的空間變化情況及生態環境建設提供一定的科學依據，也為神東礦區完善生態治理制度體系提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選取神東礦區(為神府—東勝礦區的簡稱)作為研究區，位于內蒙古自治區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′。實際研究區坐標為38°56′—39°49′N，108°58′—110°25′E。地處西北地區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，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(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，最后使用神東礦區的矢量邊界對圖形進行裁剪。

1.3 研究方法

1.3.1 生態環境質量評價 RSEI指數是用于綜合研究區域生態環境現狀的新型遙感生態指數，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遙感生態指數，即：

RSEI0=1-{PC1〔f(NDVI，WET，LST，NDSI)〕}

(1)

(2)

式中：RSEI為遙感生態指數; 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、不同等級的生態環境質量重心坐標，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變化規律。為了分析1995—2020年神東礦區不同等級的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 神東礦區生態環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)，可分析神東礦區的生態環境質量變化過程：神東礦區1995—2020年的生態環境質量呈現出下降—上升—下降—上升的變化趨勢；其中，2000年生態環境質量最低，較1995年生態環境質量下降11%，2010年生態環境質量最高，較1995年生態環境質量提高了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呈現下降—上升—下降趨勢，2000年WET出現低值為0.46，總體上呈下降趨勢；熱度指標LST呈現上升—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。總的來說，神東礦區的生態環境質量主要與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下，生態環境質量有所提升。

注：NDVI為綠度指標；RSEI為遙感生態指數；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)可以發現：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個指標對神東礦區生態環境質量貢獻率，NDVI，NDSI對神東礦區生態環境質量影響更大，表明植被生長分布情況以及人類活動是研究區生態環境質量的直接影響因素。

圖2 各指標環境生態質量與RSEI擬合

表1 1995-2020年遙感生態指數的主成分分析

2.2 神東礦區生態環境質量分級

經過歸一化后的神東礦區RSEI數值范圍在[0,1]之間，RSEI值越接近于1表示神東礦區生態環境質量越好，反之神東礦區生態環境質量則越差。根據神東礦區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年神東礦區遙感生態指數(RSEI)等級分布

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

1995—2010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，其中2010年生態環境狀況最好，“中等”級面積變化幅度較小，相較1995年的“良”、“優”等級之和2010年提升了33.77%。2010—2015年生態環境質量有所下降，2015—2020年生態環境質量有所提升。1995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”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)發現：1995—2020年神東礦區生態環境質量各等級主要土地利用類型為草地、耕地。神東礦區生態環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。說明神東礦區生態環境質量受耕地、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年生態環境質量等級轉移變化分析，發現神東礦區生態環境質量變化的區域較為分散，生態環境質量變差的區域占總面積的23.09%，生態環境質量變好的區域占總面積的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年神東礦區生態環境質量各等級重心遷移情況(圖6)可知：神東礦區生態環境質量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”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”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，神東礦區不同生態環境質量等級的區域變化明顯，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”等級向西北方向偏移。

圖6 1995-2020神東礦區RSEI Ⅰ-Ⅴ級移動路徑

3 討 論

神東礦區作為中國重要的區域生態脆弱帶和重點治理區，其生態環境質量的影響不言而喻。當前，對礦區生態環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]，但就本研究區域而言，神東礦區是自然環境較多和人居較少的研究區，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、濕地等研究區較多[25-27]，對礦區研究較少。

已有文獻[28-29]運用RSEI指數對礦區生態環境質量變化進行研究，但是沒考慮生態環境質量變化是具有空間區域性的，本文增加了生態環境質量在空間方面變化的研究；并在土地利用類型與生態環境質量變化上做了進一步的分析，對神東礦區生態環境質量變化做了更深的研究。岳輝等[29]對神東礦區生態環境質量變化的研究，得出1989—2015年神東礦區的生態環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年神東礦區整體生態環境質量總體上呈向好發展的趨勢。礦區生態環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活動影響，在二者綜合影響下決定了區域生態環境質量的總體水平。在礦區生態環境質量分級分析中，1995—2020年各級土地利用類型均以草地、耕地為主，且與礦區生態環境質量總體變化趨勢一致。Ⅱ級、Ⅲ級占礦區50%以上的面積，且遷移幅度較小，說明在生態環境質量治理過程中，大部分的區域生態環境質量得到了一定的維持，加大生態環境保護力度。Ⅰ級、Ⅳ級和Ⅴ級的生態環境質量遷移幅度較大，說明在較差的區域加大了生態環境的治理力度，導致較差較好的區域變化幅度較大。

在以后的研究中，可以豐富生態環境質量評價指標，對神東礦區生態環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生態環境質量變化原因，為對神東礦區的生態環境的保護、治理提供依據。

4 結 論

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

(2) 神東礦區生態環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總面積的57%。對比1995年礦區生態環境質量，2018年變好的區域是研究區總面積的42.22%，神東礦區生態環境質量有所提升。

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

(4) 神東礦區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，說明處于該區域的神東礦區生態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，說明處于該區域的神東礦區生態質量空間遷移幅度相對穩定。