岳 輝, 劉 英, 朱 蓉

(西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710054)

神東礦區(qū)是中國西北地區(qū)最大的煤礦基地，礦區(qū)煤炭資源豐富[1]。一方面，煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)陜北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高當(dāng)?shù)鼐用袷杖肱c生活水平。另一方面，由于煤炭是不可再生資源，當(dāng)?shù)V區(qū)的煤炭開采力度不斷增大時(shí)，過度的開采將會(huì)導(dǎo)致區(qū)域土地荒漠化加重、土壤肥力下降，土地沉陷等致使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境日益惡化[2-3]。因此，利用遙感技術(shù)對神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測與評價(jià)研究刻不容緩。20世紀(jì)60年代，國外就開展了利用遙感技術(shù)對礦產(chǎn)資源開采狀況及環(huán)境監(jiān)測的研究[4]。在礦產(chǎn)資源開發(fā)造成的生態(tài)環(huán)境影響中，主要研究方面從最初的礦區(qū)水環(huán)境、土壤污染等逐步擴(kuò)展到對研究區(qū)地表水、土壤和植物等要素的調(diào)查，以及綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[5-8]。國內(nèi)在生態(tài)環(huán)境評價(jià)方面雖起步較晚但發(fā)展迅速，特別是在遙感生態(tài)評價(jià)指數(shù)的提出和應(yīng)用上。2006年，國家環(huán)境保護(hù)部以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式頒發(fā)了《生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)技術(shù)規(guī)范》，推出了主要基于遙感技術(shù)的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(ecological environment index， EI)，旨在對我國縣級以上生態(tài)環(huán)境提供一種年度綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。已在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，但該指數(shù)在具體應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了不少問題，如權(quán)重的合理性、歸一化系數(shù)的設(shè)定、指標(biāo)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(gè)完全基于遙感信息、能夠集成多種指標(biāo)因素的遙感綜合生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecology index， RSEI)。通過遙感生態(tài)指數(shù)中的各種指標(biāo)成分如：濕度指標(biāo)(WET)、干度指標(biāo)(NDSI)、綠度指標(biāo)(NDVI)和熱度指標(biāo)(LST)的計(jì)算，以及綜合分析并合成這幾個(gè)指標(biāo)，采用主成分分析法，根據(jù)各個(gè)生態(tài)因子對各主分量的貢獻(xiàn)來綜合分析研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況。RESI不僅可用于水土流失區(qū)生態(tài)變化遙感監(jiān)測[14]，又可以應(yīng)用于城市生態(tài)環(huán)境遙感綜合評價(jià)，而且可用于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。繼徐涵秋之后，國內(nèi)學(xué)者[15-17]采用RSEI指數(shù)對杭州市、渭南市、常寧市等城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)進(jìn)行了大量研究。

生態(tài)環(huán)境是近年來人們越來越關(guān)注的一個(gè)話題，對于生態(tài)環(huán)境的變化進(jìn)行監(jiān)測與評價(jià)是一個(gè)重大而有意義的研究。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行城市生態(tài)環(huán)境的變化分析較為常見，但是利用該指數(shù)進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的研究并不多見。因此，本文以神東礦區(qū)為研究對象，利用RSEI指數(shù)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，旨在為神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境參數(shù)服務(wù)，為建設(shè)高效的環(huán)境保護(hù)政策體系提供決策參考，以及為政府部門關(guān)于治理環(huán)境問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)是神府東勝礦區(qū)的簡稱，位于我國西北地區(qū)毛烏素沙漠南側(cè)與黃土高原北端的過渡地帶，橫跨陜西省神木縣、府谷縣、內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝市，地理位置位于北緯38°56′—39°49′，東經(jīng)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(qū)。礦區(qū)北部與東北部為黃土高原丘陵區(qū)，地形較為破碎。近年來，由于地下開采過于嚴(yán)重，導(dǎo)致礦區(qū)地下水位下降、土壤肥力下降、水資源污染、土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈等一系列環(huán)境問題出現(xiàn)，使得原本脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用的數(shù)據(jù)為神東礦區(qū)(行列號127,33)1989—2016年的TM，ETM+和OLI遙感影像，通過“地理空間數(shù)據(jù)云”和“美國地質(zhì)調(diào)查局USGS”(http:∥glovis.usgs.gov/)進(jìn)行免費(fèi)數(shù)據(jù)的獲取。遙感影像時(shí)間基本集中在9—10月份，影像晴空無云，質(zhì)量較好。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正和影像配準(zhǔn)等，使配準(zhǔn)的均方根誤差控制在0.5個(gè)像元以內(nèi)。

2 研究方法

2.1 RSEI指數(shù)的構(gòu)建

構(gòu)建濕度、綠度、干度、熱度總共4種指數(shù)組成的RSEI指標(biāo)，利用主成分分析進(jìn)一步的監(jiān)測神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，即：

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

(1)

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

2.2 濕度指標(biāo)

遙感纓帽變換的濕度、綠度、亮度分量已被大量應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，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(shù)據(jù)的濕度指標(biāo)計(jì)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(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1和短波紅外2波段的反射率數(shù)據(jù)。

2.3 綠度指標(biāo)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)能夠反映植物生物量、葉面積指數(shù)以及植被覆蓋度，是使用最廣泛的植被指數(shù)。因此選用NDVI來計(jì)算植被覆蓋度Fv，并用其來代替綠度指標(biāo)，具體表達(dá)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(nèi)的NDVI的最大和最小值。

2.4 熱度指標(biāo)

采用地表溫度代表熱度，先用Landsat用戶手冊的模型計(jì)算出亮溫T，然后對其進(jìn)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(biāo)參數(shù)。

經(jīng)過公式(6)計(jì)算的溫度T必須進(jìn)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(biāo)

干度指標(biāo)由裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)合成，記為NDSI，其計(jì)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(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1波段的反射率。

2.6 RSEI指數(shù)的計(jì)算

由于各項(xiàng)指標(biāo)的單位和數(shù)值范圍存在差異，各項(xiàng)指標(biāo)需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式為[22]：

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

(9)

式中：NI——標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；I——該指標(biāo)的數(shù)值大?。籌max，Imin——該指標(biāo)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(jìn)行正規(guī)化，以便于指標(biāo)的度量和比較，計(jì)算公式為：

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

(11)

RSEI為遙感生態(tài)指數(shù)，其值介于[0,1]之間。RSEI值越接近1，生態(tài)越好，反之，越差。

3 結(jié)果與分析

3.1 各指標(biāo)因子分析

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

圖1 神東礦區(qū)熱度指標(biāo)LST分級

圖2 神東礦區(qū)綠度指標(biāo)FV分級

圖3 神東礦區(qū)濕度指標(biāo)WET分級

圖4 神東礦區(qū)干度指標(biāo)NDSI分級

由圖1—4可知，從1989—2015年，神東礦區(qū)的綠度指標(biāo)(FV)存在有規(guī)律的變化，專題圖顏色由深灰到淺灰，淺灰色越明顯的區(qū)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(biāo)WET同樣對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈正相關(guān)，其是表示生態(tài)環(huán)境良好的一個(gè)特征。1989—2015年，WET指標(biāo)均值接近于1所占區(qū)域總體面積范圍逐漸增大，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越來越好。LST與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好程度成負(fù)相關(guān)，神東礦區(qū)1989—2015年，明顯的熱度指標(biāo)趨于優(yōu)良化，進(jìn)一步表明神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境逐步變好。神東礦區(qū)1989—1994年，NDSI值接近于1的區(qū)域范圍有所增加，尤其是1994年，其NDSI反映的生態(tài)質(zhì)量差的區(qū)域達(dá)到了最大，而1994年之后，隨著年份的增長，NDSI值接近于1的區(qū)域范圍每年都比前一年有所減小，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸得到恢復(fù)。

3.2 神東礦區(qū)尺度生態(tài)環(huán)境分析

經(jīng)過正規(guī)化后的RSEI數(shù)值范圍在[0,1]之間，值越接近于1表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之生態(tài)質(zhì)量則越差。根據(jù)值的范圍，進(jìn)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(yōu)5個(gè)等級，對應(yīng)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(gè)別年份之間有波動(dòng)，但神東礦區(qū)總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(tǒng)計(jì)不同等級面積所占總礦區(qū)面積的百分比可知，1989—2005年神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善，1989年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“差”和“較差”的面積分別占整個(gè)研究區(qū)域的33.8%和30.7%，兩者之和幾乎占整個(gè)神東礦區(qū)總面積的4/5，而2005年分別為23.0%和26.3%；“中等”以下生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2005年46.3%，2015年減少到40.8%，呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢；2005—2015年神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體趨于穩(wěn)定并保持繼續(xù)向生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好的方向發(fā)展，“中等”及以上等級之和2005年為50.7%，2015年為59.2%，呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，表明神東礦區(qū)2005—2015年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸在改善并趨于穩(wěn)定。

圖5 神東礦區(qū)遙感綜合生態(tài)指數(shù)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(qū)礦井尺度生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

神東礦區(qū)中所包含的礦井有：布爾臺(tái)、金烽寸草塔、柳塔、烏蘭木倫、寸草塔、石圪臺(tái)、哈拉溝、爾林兔、補(bǔ)連塔、上灣、大柳塔、活雞兔、榆家梁和錦界煤礦，共計(jì)14個(gè)，本文主要討論其中的9個(gè)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化趨勢。根據(jù)礦井開采時(shí)間和影像時(shí)間，分為1998年之前采區(qū)和非采區(qū)，2000年之前采區(qū)和非采區(qū)等不同開采時(shí)間段(詳見表2)。

由表2可知，補(bǔ)連塔礦井2000—2011年采區(qū)和非采區(qū)RSEI均值的變化情況，從時(shí)間分布來看，采區(qū)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(qū)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(qū)和非采區(qū)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(qū)每年的RSEI均值均大于采區(qū)的RSEI?；铍u兔礦井的采區(qū)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(qū)的RSEI均值隨年份增加而增加，時(shí)間序列RSEI均值特征表明活雞兔礦井的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸提升。榆家梁礦井的采區(qū)和非采區(qū)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(tài)環(huán)境質(zhì)量存在變差的趨勢。哈拉溝礦井采區(qū)和非采區(qū)RSEI均值變化，總體來看不論是采區(qū)和非采區(qū)，RSEI值均在增加，且1998—2002年非采區(qū)的RSEI值均大于采區(qū)的RSEI值，2007年兩區(qū)域的生態(tài)環(huán)境處于較平衡狀態(tài)。烏蘭木倫礦井的整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差，其1998年采區(qū)的RSEI值僅為0.157，到2002年質(zhì)量有所提升，之后又逐漸減小，非采區(qū)的生態(tài)環(huán)境處于一個(gè)均衡狀態(tài)，隨著年份的增加RSEI值0.364圍繞上下浮動(dòng)。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(tái)礦井采區(qū)和非采區(qū)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(qū)的RSEI均值大于采區(qū)的RSEI均值，而2011年，采區(qū)和非采區(qū)的RSEI處于平衡狀態(tài)。錦界礦井2007年和2011年兩年采區(qū)和非采區(qū)RSEI結(jié)果顯示，2007年和2011年采區(qū)的RSEI均值均大于非采區(qū)的RSEI均值，表明采區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于非采區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。上灣2007年和2011年兩年采區(qū)和非采區(qū)RSEI均值結(jié)果表明，前后兩年采區(qū)和非采區(qū)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(qū)的生態(tài)環(huán)境優(yōu)于采區(qū)，而2011年采區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于采區(qū)。

表2 神東礦區(qū)各礦井采區(qū)和非采區(qū)RSEI均值變化

4 結(jié) 論

神東礦區(qū)地處西北內(nèi)陸，其脆弱的生態(tài)環(huán)境是制約煤炭綠色開采的關(guān)鍵要素。當(dāng)今以傳統(tǒng)開采方式導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，主要體現(xiàn)在地表植被的破壞，地表水和地下水的污染，開采導(dǎo)致的土地沉陷，以及水土流失加劇的荒漠化趨勢等[23-25]。當(dāng)前，對生態(tài)環(huán)境的分析主要集中在單一環(huán)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(chǎn)力等，而集多種環(huán)境要素進(jìn)行綜合分析的研究較少。RSEI指數(shù)是基于濕度，綠度，熱度和干度指標(biāo)構(gòu)建的基于遙感信息的綜合指數(shù)，RSEI指數(shù)不是各個(gè)分指數(shù)的人為加權(quán)求和，而是依賴于客觀自然和環(huán)境信息的客觀指數(shù)，RSEI能夠客觀地耦合濕度，綠度，熱度和干度各個(gè)分指標(biāo)，能夠合理反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。

(1) 礦區(qū)尺度上，神東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(tài)環(huán)境質(zhì)量存在差異，采區(qū)和非采區(qū)之間又有差別，榆家梁礦井整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)，烏蘭木倫礦井的采區(qū)和錦界的非采區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最差。

(3) 綜合礦區(qū)和礦井尺度而言，礦區(qū)RSEI均值總體呈增加趨勢，表明礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸改善。