基于遙感生態指數的寶日希勒露天礦區生態修復效果評估

韓 琳，李永峰，巫長悅，韓斐雪

(中國礦業大學公共管理學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

目前，我國的能源消費結構仍以傳統化石能源為主，煤炭消費量居高不下，且短期內煤礦依然會維持高強度開采現狀。內蒙古東部地區地下埋藏著超過1 500億t褐煤，是我國煤炭主產區和主要輸出區[1]。受煤田埋深位置、地層構造、儲存條件等影響，蒙東地區煤炭資源以露天開采為主，生產率高且成本低，但開采過程中會占用大量土地資源，破壞地形地貌，造成大氣污染、水土流失等一系列生態環境問題。財政部自然資源和生態環境司統計數據顯示，為響應我國生態文明建設與高質量發展要求，“十三五”期間中央財政累計安排生態保護修復相關轉移支付資金8 770億元，投入大量人力、物力、財力推進礦區生態修復，目前已初見成效。因此，通過監測礦區生態環境質量的變化，對已開展生態修復的礦山進行成果評估，有助于具有針對性地制定下一步修復計劃。

20世紀90年代，我國開始進行生態環境質量評估工作，主要通過碳足跡和生態足跡分析生態承載力狀況，間接反映其生態環境質量[2]。2006年，原國家環境保護總局發布《生態環境狀況評價技術規范(試行)》(HJ 192—2006)，正式將生態環境狀況指數(EI)作為生態環境評價的標準。徐涵秋[3]基于EI指數提出了遙感生態指數(RSEI)，利用遙感影像更直觀地對區域生態環境變化進行可視化分析。寶日希勒露天礦作為典型的蒙東草原露天礦，自1998年9月開工建設，2010年完成擴建并開展治理礦山生態環境工作，生產能力30 Mt/a。本文利用該礦區多時相Landsat系列遙感數據，通過分析礦區開采前、開采中、開采后不同階段的RSEI值，反映礦山建設和生態修復過程中生態環境質量的時空分異情況，對已進行的生態修復工作效果開展評估，明確下一步生態修復的目標，助推綠色礦山建設。

1 研究區概況

寶日希勒露天礦位于內蒙古自治區呼倫貝爾市陳巴爾虎旗境內，東經119°41′56″～119°49′23″，北緯49°20′24″～49°27′31″，東南距寶日希勒鎮10.5 km，南距呼倫貝爾市海拉爾區20 km。礦區屬亞寒帶大陸性季風氣候，降水量315 mm/a，蒸發量1 344.8 mm/a。礦區地勢東北高西南低，海拔標高在667～684 m之間，礦區內地形起伏平緩[4]。截至2016年底，礦區內因煤炭開采占用和破壞的土地總面積為2 243.36 hm2，排放礦坑水超過2 617.75萬t/a和固體廢棄物19 011.1萬t[5]，連續高強度的資源開采對周圍的生態環境造成了嚴重破壞。

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

本文選取寶日希勒露天礦區1996年6月30日、1996年7月16日、1996年9月2日的Landsat 5遙感影像，2010年7月23日、2010年8月24日、2010年9月9日、2019年7月16日、2019年8月1日、2019年9月18日的Landsat 8遙感影像，影像資料均來自美國地質調查局(USGS)官網。所選取影像空間分辨率為30 m，行列號123/026，云量較少，畫質清晰且成像時間均處于植被生長期，適宜計算遙感生態指數。對所選取的遙感影像預處理包括輻射定標、大氣校正和地理配準等，對所選取的遙感影像進行分析運算后，取該年植被生長季均值代表當年的生態環境水平，盡可能減少由于數據選取造成的誤差。

2.2 遙感生態指數(RSEI)模型

遙感生態指數(RSEI)是基于遙感技術提出的一種以自然因素為驅動快速檢測和評價區域生態環境狀況的指標。RSEI指數耦合了植被指數、濕度分量、地表溫度和裸土指數4個評價指標，分別對應該區域的綠度、濕度、熱度和干度4大生態要素，能夠直觀且全面地反映該區域生態條件的優劣，表達式見式(1)[3]。

RSEI=f(NDVI，NDBSI，WET，LST)

(1)

式中：NDVI為歸一化植被指數；NDBSI為干度指數；WET為濕度指數；LST為熱度指數。

2.2.1 綠度指數

本文用NDVI指數作為衡量區域植被密度和覆蓋度的重要指標來表征綠度指數，表達式見式(2)[3]。

(2)

式中，ρNir和ρRed分別為Landsat 5和Landsat 8的近紅外波段和紅光波段。

2.2.2 干度指數

礦區NDBSI指數由裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)構成，表達式見式(3)～式(5)[3]。

(3)

(4)

(5)

式中，ρBlue、ρGreen、ρSwir1分別為Landsat 5和Landsat 8的藍光波段、綠光波段、紅光波段以及中紅外波段1。

2.2.3 濕度指數

本文用纓帽變換所得的濕度分量表征WET指數，Landsat 5 TM影像和Landsat 8 OLI影像濕度分量的計算參數有所不同，分別見式(6)和式(7)[6]。

WET=0.031 5ρBlue+0.202 1ρGreen+0.310 2ρRed+

0.159 4ρNir-0.680 6ρSwir1-0.610 9ρSwir2

(6)

WET=0.151 1ρBlue+0.197 3ρGreen+0.328 3ρRed+

0.340 7ρNir-0.711 7ρSwir1-0.455 9ρSwir2

(7)

式中，ρSwir2為Landsat 5和Landsat 8中的中紅外波段2。

2.2.4 熱度指數

本文采用大氣校正法反演地表溫度用以表征LST指數，表達式見式(8)～式(10)。

(8)

P(TS)=[Lγ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(9)

Lγ=[εP(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(10)

式中：LST為地表真實溫度，℃；K1、K2為定標參數；P(TS)為黑體熱輻射亮度；Lγ為熱紅外輻射亮度值；ε為地表比輻射率；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；L↑為大氣向上輻射亮度；L↓為大氣向下輻射亮度。

2.3 RSEI綜合指標構建

本文采用主成分分析法將分量指標降維處理，并耦合構建RSEI綜合指標用于生態環境質量空間分異性分析。根據主成分分析的原則，特征值累計貢獻度達85%以上的視為有效數據，本文僅選取第一主成分不能包含全部有效信息，因此，采用第一主成分和第二主成分結合的方式綜合有效信息，計算初始生態指數RSEI0。為使RSEI0能夠最大程度反映該區域的生態環境狀況，可用1減去計算出的PC1綜合值和PC2綜合值，計算表達式見式(11)[7]。

RSEI0=1-

{M×PC1[f(NDVI,NDBSI,WET,LST)]+

N×PC2[f(NDVI,NDBSI,WET,LST)]}

(11)

為便于指標度量、比較以及可視化處理，需要對RSEI0進行標準化處理，見式(12)。

(12)

式中：RSEImax為區域初始生態指數的最大值；RSEImin為區域初始生態指數的最小值。經過處理的RSEI值介于[0，1]之間，RSEI值越大代表該區域的生態環境質量越優。

3 結果分析

按照上述方法可計算寶日希勒露天礦區的綠度、干度、濕度和熱度各分量指標，并進行標準化處理以及主成分分析，得到1996—2019年各分量指標(表1)以及RSEI影像，并逐一對其進行時空變化分析，綜合反映礦區生態環境質量變化和已修復區域的生態修復效果。

表1 寶日希勒露天礦區各分量指標統計Table 1 Sub-indexes statistics of Baorixile Open-pit Mining Area

3.1 綠度指標時空變化特征分析

本文通過礦區NDVI指數的變化情況反映綠度指標的變化(表1)。1996—2019年期間，礦區NDVI指數整體呈下降趨勢，從0.582 07減低至0.413 72，說明礦區范圍內植被退化情況嚴重，即便在雨水充沛的夏季植被指數也相對較低。

圖1為寶日希勒露天礦區NDVI指數時空分布圖。由圖1可知，1996年和2019年礦區內NDVI指數都呈現西北方向較低、東北方向較高的時空分布，且離礦坑越近，NDVI指數下降越明顯，植被覆蓋度越低。隨著開采工作不斷推進，露天礦采坑位置隨之不斷變動，礦坑中心位置從西到東平移2.6 km，采坑面積不斷擴大，由7.029 km2增至11.262 km2。按照《礦山生態環境保護與恢復治理技術規范(試行)》(HJ 651—2013)的要求，需要及時對采礦活動造成的土壤、植被和景觀破壞進行治理，以恢復其原有的生態功能。寶日希勒露天礦區已開展生態修復工作近10年，開采過后的礦坑位置已基本完成回填覆土和綠化，現作為礦區內排土場。隨著對礦區生態修復工作的推進，該區域整體NDVI指數平穩上升，從0.14升至0.42。距離礦坑較遠的對照組，NDVI指數基本維持在0.57～0.58之間，較為穩定，較礦區范圍內整體水平略優。由此可知，經過人工干預和修復治理，礦坑位置的NDVI指數已有明顯改善，基本恢復至該區域的平均水平，但仍低于該區域未開采前和對照區的生態環境狀態。

圖1 寶日希勒露天礦區NDVI指數時空分布圖Fig.1 Spatial distribution map of NDVI index in Baorixile Open-pit Mining Area

3.2 干度指數時空變化特征分析

本文用裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)綜合形成的NDBSI指數反映區域土地干燥程度，NDBSI指數越大表示土地植被覆蓋率越低或已遭受損毀，地表裸露范圍越大，NDBSI指數一般在[-1，1]之間波動。由表1可知，礦區內平均NDBSI指數呈逐年上升趨勢，1996—2019年期間，NDBSI指數從-0.012 61增加至0.039 66，地表裸露或土地損毀的范圍不斷擴大。

圖2為寶日希勒露天礦區NDBSI指數時空分布。由圖2可知，NDBSI指數總體呈現西北地區高、東部地區低的時空分布特征，離礦坑位置越遠的區域NDBSI指數越低，表明該區域植被覆蓋情況較好，人為開發利用的痕跡和造成的土地損毀也越少。經過礦區的環境治理和生態修復，已經基本完成開采工作的采區所形成的礦坑，恢復成為內排土場，其NDBSI指數有所下降，從0.090 31減少至0.011 74，低于2019年礦區整體范圍內的平均水平。這表明隨著生態修復工作的推進，已經進行恢復治理區域土壤的干燥程度下降，生態環境質量穩步提升，已初步完成生態恢復目標，但仍未恢復至未開采前的自然狀態。

圖2 寶日希勒露天礦區NDBSI指數時空分布圖Fig.2 Spatial distribution of NDBSI index in Baorixile Open-pit Mining Area

3.3 濕度指數時空變化特征

WET指數關系著地表植被生長所需水分能否正常供應[8]。本文采用遙感圖像纓帽變換所得的濕度分量WET指數作為反映土壤濕度的指標，其數值在[-1，1]之間波動。寶日希勒露天礦區地處干旱半干旱地區，因此水是影響區域地表植被生長的關鍵因素，土壤的濕度分量WET指數越高，能為植被正常生長提供的水分和養分也就也越充足，植被的長勢就相對更好。由表1可知，1996—2019年期間，礦區整體平均WET指數輕微震蕩，呈現先降后升的趨勢，整體波動不大，維持-0.17～-0.12之間。WET指數與區域降水量密切相關，1996年、2010年以及2019年陳巴爾虎旗夏季平均降水量分別為340.0 mm、130.0 mm和361.5 mm[9]，與WET指數呈現同樣的變化趨勢。

圖3為寶日希勒露天礦區WET指數時空分布圖。由圖3可知，離礦坑位置越遠，WET指數越高，代表該地區土壤水分含量高，有利于植被生長。2010年礦坑位置平均WET指數約為-0.161，屬于較低水平，2019年增長至-0.102 162，高于該時期區域平均值和1996年未開采時該區域的平均濕度指數，所選取對照區WET指數同樣呈現先降后升的趨勢，已恢復成內排土場的區域WET指數高于對照區，由此可以看出，經過生態修復，礦區整體土壤含水量增高，且內排土場作為重點修復對象，WET指數已經恢復至本地生態狀況，適合礦區植被生長發育，修復效果較好。

圖3 寶日希勒露天礦區WET指數時空分布圖Fig.3 Spatial distribution of WET index in Baorixile Open-pit Mining Area

3.4 熱度指數時空變化特征

本文采用遙感影像地表溫度反演所得的實際地表溫度表示該區域的LST指數，LST指數值越高，表示地表溫度越高，在較大程度上影響區域內動植物正常生存和繁育。由表1可知，1996—2019年期間，寶日希勒露天礦區夏季平均地表溫度呈現先增后減趨勢，1996年地表溫度約為29.18 ℃，2010年升高至31.38 ℃，2019年又降至30.32 ℃，與該區域夏季降水呈現相同趨勢。研究表明，LST指數與NDVI指數呈負相關關系，由于地面在裸露的狀態下，吸收太陽輻射的能力增強，地表溫度相對較高；植被的熱輻射能力小于裸露的地面和建筑表面，地面植被生長越茂盛，地表溫度的降低越明顯[10]。由此可見，該區域經過生態修復，地表溫度下降，更適合動植物生存，利于生態系統正向演替。

圖4為寶日希勒露天礦區LST指數時空分布圖。由圖4可知，2019—2010年開采的礦坑區域平均地表溫度由33.03 ℃降低至28.89 ℃，低于1996年未開采時的地表平均溫度。離礦坑較遠的對照區，平均地表溫度也呈現出先升后降的趨勢，由26.57 ℃升高至31.30 ℃后又降至29.00 ℃，礦坑接近區域平均值。從地表溫度的變化趨勢可以看出，經過長時間的生態環境治理和修復工作，原礦坑位置的植被生長環境得到改善，生態修復效果明顯。

圖4 寶日希勒露天礦區LST指數時空分布圖Fig.4 Spatial distribution of LST index in Baorixile Open-pit Mining Area

3.5 遙感生態指數(RSEI)時空變化特征

對NDVI指數、WET指數、NDSI指數、LST指數進行主成分分析并計算礦區RSEI指數，具體結果見表2。由表2可知，各年份PC1的主成分貢獻度均小于70%，PC1和PC2的累計貢獻度均大于85%，說明只選取PC1確實難以包含全部所需信息，必須將貢獻率作為權重計算PC1和PC2構建綜合指標初始RSEI0，才能更好地反映該地區的生態環境狀況。

表2 各分量指標主成分分析結果Table 2 Principal component analysis results of sub-indexes

4個分量指標的主成分載荷結果見表3。由表3可知，WET指數和NDVI指數均呈現正值，說明綠度和濕度在生態環境影響中起正面促進作用，而NDBSI指數和LST指數均為負值，說明其在生態環境影響中起反向抑制作用。同時，可以看出WET指數和NDVI指數的總體主成分載荷較高，且NDVI指數的載荷高于WET指數，也就是說NDVI指數對RSEI指數的貢獻最高，影響最大，WET指數次之。在負向指標中LST指數的載荷高于NDBSI指數，也就是說LST指數對生態環境的負面影響更顯著。由此可知，可以通過提高植被覆蓋度增大土壤濕度，從而降低地表溫度，提升區域的生態環境質量。

對主成分結果進行分析和計算得到初始壓遙感生態指數RSEI0，通過計算和標準化處理得到寶日希勒露天礦區1996年、2010年、2019年開采前、開采中、修復后的RSEI指數影像(圖5)。由圖5可知，礦坑所在位置RSEI指數平均值在整體中處于最低水平，隨著離礦坑位置越來越遠，RSEI指數平均值隨之升高，說明受開采影響越小，該區域生態環境質量越好，礦區RSEI指數平均值見表3。

圖5 寶日希勒露天礦區RSEI指數時空分布圖Fig.5 Spatial distribution of RSEI index in Baorixile Open-pit Mining Area

由表3可知，寶日希勒露天礦區內RSEI指數平均值整體呈現下降趨勢。1996—2010年，RSEI指數平均值由0.848 60下降至0.557 51，下降幅度明顯，主要由于此時礦區正處于建設期和達產期，對周邊生態環境破壞和擾動較大，導致環境質量下降明顯；2019年RSEI指數平均值下降至0.532 74，整體下降幅度較小，主要是由于此時隨著生態修復工作穩步推進，礦區更重視對存在的生態環境污染和破壞進行綜合整治，礦區內部及周邊生態環境有所改善，尤其是內排土場區域，作為原礦坑所在地，經過修復和治理，該區域由裸露的礦坑變為有植被覆蓋的地表，通過計算可知，RSEI指數平均值也有明顯變化，從0.326 918增長至0.492 416。同時，將礦區內未開采區域作為對照區查看其RSEI平均值變化，1996年、2010年和2019年對照區的RSEI指數平均值計算結果分別為0.630 29，0.604 60和0.614 70，說明對照區生態環境質量整體變化較小，并且優于礦坑采區以及內排土場。由此可知，雖然針對已開采區域的生態修復工作已經取得一定成效，但由于礦坑開采面積逐年擴大，且開采對于周邊環境的影響范圍與采坑面積呈正相關，影響范圍也逐年擴大，所以整體上RSEI指數仍呈現下降趨勢，需要繼續對已經破壞的區域進行修復直至生態環境恢復至未開采時水平。

表3 主成分載荷值及RSEI指數Table 3 Principal component load value and RSEI index

為更直觀地觀察生態環境的變化情況，將礦區各年份RSEI指數按照0.2的間隔分成5個等級(表4)[11]，分別統計面積。寶日希勒露天礦區總面積50.700 6 km2，生態環境各等級面積的分布以及在總面積占比見表5。

表4 RSEI指數分級Table 4 Classification of RSEI index

表5 寶日希勒露天礦區生態環境分級面積統計Table 5 Statistics of ecological environment classification area in Baorixile Open-pit Mining Area

1996年生態環境中等以下(1～3級)面積占礦區總面積的58.50%，生態環境較優以上(4～5級)的面積占礦區總面積的41.50%，其中，礦區內生態環境為中等級別(3級)的面積占比最高，達54.99%；較優級別(4級)的次之，占比達41.21%，總體生態環境狀況較好。2010年礦區生態環境狀況較優以上級別(4～5級)的面積占礦區總面積的80.51%，中等以下(1～3級)面積占礦區總面積的19.49%，其中，生態環境差及較差等級的面積占礦區總面積的13.69%，是1996年生態環境差及較差等級面積的3.9倍。該時間段內礦區內部生態環境較優等級的土地增多，但整體生態環境質量卻有所下降，主要由于礦坑面積擴大導致周邊生態環境等級下降。2019年礦區生態環境狀況中等以下(1～3級)面積占礦區總面積的32.31%，生態環境較優以上(4～5級)的面積占礦區總面積的67.69%，其中，生態環境優(5級)的面積為1996年生態環境優(5級)面積的137.3倍，主要集中在離礦坑較遠的礦區外圍。2019年生態環境差及較差狀態的面積占礦區總面積的22.15%，比1996年和2010年有所增加。這表明，雖然在已經進行針對性修復的區域生態環境狀況有大幅提升，但礦區整體生態環境仍舊需要進行持續治理，直至恢復生態本底水平。

4 結 論

基于多時相Landsat遙感影像和RSEI指數對寶日希勒露天礦區不同建設階段的生態修復效果以及生態環境質量狀況進行監測和評估，得到結論如下所述。

1)遙感生態指數(RSEI)應用于生態修復效果評估和生態環境質量監測，可以較好反映礦區內生態環境的變化情況。從RSEI指數各分量指標以及綜合指標的空間分布來看，由于礦區內礦坑面積不斷擴大，裸土面積增多，導致礦區內生態質量差的土地面積增加；礦區內生態環境等級較差的區域主要集中于正在開采煤炭資源的礦坑，周邊區域的生態環境則是區域逐漸變好良性發展，尤其是已經進行系統恢復的內排土場，生態環境狀況已經達到未開采前的水平，生態修復效果良好。由于變好的區域面積略少于變壞的區域面積，目前礦區整體生態環境還未達到未開采前的水平，還需要持續的生態修復工作，尤其是需要針對正在進行資源開采的區域，通過研究“采-排-復”一體化技術[12]，實現邊開采邊修復，在最大程度上保護礦區及周邊區域的生態環境良性發展。

2)地方政府和礦區開發企業對生態環境的重視程度和經費投入是生態修復區生態環境逐漸好轉的主要原因。未來的煤炭資源開采過程中，礦區應當持續秉承對生態環境修復當地重視態度，加強礦區開采后的生態修復，尤其是針對性地對礦坑及周邊區域進行綜合修復和治理，努力實踐“既要金山銀山，也要綠水青山”的綠色發展思想。