基于遥感生态指数的神东矿区生态环境变化监测

岳 辉, 刘 英, 朱 蓉

(西安科技大学 测绘科学与技术学院, 陕西 西安 710054)

神东矿区是中国西北地区最大的煤矿基地，矿区煤炭资源丰富[1]。一方面，煤炭产业的发展带动陕北地区的经济发展，提高当地居民收入与生活水平。另一方面，由于煤炭是不可再生资源，当矿区的煤炭开采力度不断增大时，过度的开采将会导致区域土地荒漠化加重、土壤肥力下降，土地沉陷等致使当地生态环境日益恶化[2-3]。因此，利用遥感技术对神东矿区生态环境变化进行监测与评价研究刻不容缓。20世纪60年代，国外就开展了利用遥感技术对矿产资源开采状况及环境监测的研究[4]。在矿产资源开发造成的生态环境影响中，主要研究方面从最初的矿区水环境、土壤污染等逐步扩展到对研究区地表水、土壤和植物等要素的调查，以及综合生态风险评价[5-8]。国内在生态环境评价方面虽起步较晚但发展迅速，特别是在遥感生态评价指数的提出和应用上。2006年，国家环境保护部以行业标准的形式颁发了《生态环境状况评价技术规范》，推出了主要基于遥感技术的生态环境状况指数(ecological environment index， EI)，旨在对我国县级以上生态环境提供一种年度综合评价标准。已在国内得到广泛的应用，但该指数在具体应用过程中也发现了不少问题，如权重的合理性、归一化系数的设定、指标的易获取性等[9-11]。针对EI存在的问题，徐涵秋[12-13]提出了一个完全基于遥感信息、能够集成多种指标因素的遥感综合生态指数(remote sensing ecology index， RSEI)。通过遥感生态指数中的各种指标成分如：湿度指标(WET)、干度指标(NDSI)、绿度指标(NDVI)和热度指标(LST)的计算，以及综合分析并合成这几个指标，采用主成分分析法，根据各个生态因子对各主分量的贡献来综合分析研究区的生态环境状况。RESI不仅可用于水土流失区生态变化遥感监测[14]，又可以应用于城市生态环境遥感综合评价，而且可用于矿区生态环境监测。继徐涵秋之后，国内学者[15-17]采用RSEI指数对杭州市、渭南市、常宁市等城市的生态环境质量评价进行了大量研究。

生态环境是近年来人们越来越关注的一个话题，对于生态环境的变化进行监测与评价是一个重大而有意义的研究。在此基础上进行城市生态环境的变化分析较为常见，但是利用该指数进行矿区生态环境质量监测的研究并不多见。因此，本文以神东矿区为研究对象，利用RSEI指数对矿区生态环境进行动态监测，旨在为神东矿区的生态环境参数服务，为建设高效的环境保护政策体系提供决策参考，以及为政府部门关于治理环境问题提供科学依据。

1 数据与研究区域

1.1 研究区概况

神东矿区是神府东胜矿区的简称，位于我国西北地区毛乌素沙漠南侧与黄土高原北端的过渡地带，横跨陕西省神木县、府谷县、内蒙古自治区东胜市，地理位置位于北纬38°56′—39°49′，东经108°58′—110°25′之间，南北长约80 km，东西宽约15～55 km，是我国典型的干旱、半干旱荒漠化矿区。矿区北部与东北部为黄土高原丘陵区，地形较为破碎。近年来，由于地下开采过于严重，导致矿区地下水位下降、土壤肥力下降、水资源污染、土壤水分蒸发强烈等一系列环境问题出现，使得原本脆弱的生态环境进一步恶化。

1.2 数据来源与处理

本文所用的数据为神东矿区(行列号127,33)1989—2016年的TM，ETM+和OLI遥感影像，通过“地理空间数据云”和“美国地质调查局USGS”(http:∥glovis.usgs.gov/)进行免费数据的获取。遥感影像时间基本集中在9—10月份，影像晴空无云，质量较好。数据预处理包括辐射定标、大气校正和影像配准等，使配准的均方根误差控制在0.5个像元以内。

2 研究方法

2.1 RSEI指数的构建

构建湿度、绿度、干度、热度总共4种指数组成的RSEI指标，利用主成分分析进一步的监测神东矿区的生态环境质量，即：

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

(1)

式中：FV，WET，LST，NDSI——绿度指标、湿度指标、热度指标和干度指标。

2.2 湿度指标

遥感缨帽变换的湿度、绿度、亮度分量已被大量应用于生态环境质量评价，其中湿度分量对土壤和植被的湿度有较好的反映。以Landsat 5TM为例，反射率数据的湿度指标计算公式为[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影像的蓝、绿、红、近红外、短波红外1和短波红外2波段的反射率数据。

2.3 绿度指标

归一化植被指数(NDVI)能够反映植物生物量、叶面积指数以及植被覆盖度，是使用最广泛的植被指数。因此选用NDVI来计算植被覆盖度Fv，并用其来代替绿度指标，具体表达式为[19]：

NDVI=(ρNIR-ρRed)/(ρNIR+ρRed)

(3)

式中：ρNIR，ρRed——TM和OLI近红外和红波段的反射率。

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

(4)

其中，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范围内的NDVI的最大和最小值。

2.4 热度指标

采用地表温度代表热度，先用Landsat用户手册的模型计算出亮温T，然后对其进行比辐射率校正，获得地表温度LST[20]：

Li=gain·DN+bias

(5)

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

(6)

式中：Li——TM/ETM+/OLI热红外波段的像元在传感器处的辐射值； DN——像元灰度值，gain，bias——热红外波段的增益值与偏置值，可以从影像的头文件获得；T——传感器处亮度温度值；K1，K2——定标参数。

经过公式(6)计算的温度T必须进行比辐射率纠正才能成为地表温度LST：

LST=T/〔1+(λ·T/ρ)lnε〕

(7)

式中：λ——TM/ETM+热红外波段的中心波长(λ=11.435 μm)，OLI热红外波段的中心波长(λ=10.9 μm)；ρ=1.438×10-2mK；ε——地面比辐射率。

2.5 干度指标

干度指标由裸土指数(SI)和建筑指数(IBI)合成，记为NDSI，其计算公式为[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蓝、绿、红、近红外、短波红外1波段的反射率。

2.6 RSEI指数的计算

由于各项指标的单位和数值范围存在差异，各项指标需进行标准化处理，计算公式为[22]：

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

(9)

式中：NI——标准化后的指标值；I——该指标的数值大小；Imax，Imin——该指标的最大和最小值。

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

(10)

式中：PCA——主成分分析。

对RSEI进行正规化，以便于指标的度量和比较，计算公式为：

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

(11)

RSEI为遥感生态指数，其值介于[0,1]之间。RSEI值越接近1，生态越好，反之，越差。

3 结果与分析

3.1 各指标因子分析

选取1989，1994，2005和2015年这4个典型年份完成专题图(图1—4)。

图1 神东矿区热度指标LST分级

图2 神东矿区绿度指标FV分级

图3 神东矿区湿度指标WET分级

图4 神东矿区干度指标NDSI分级

由图1—4可知，从1989—2015年，神东矿区的绿度指标(FV)存在有规律的变化，专题图颜色由深灰到浅灰，浅灰色越明显的区域，表示植被覆盖度高，反之，则表示植被覆盖度较低，从四年的专题图中的颜色变化来看，2005年的植被覆盖度最低，1989—2005年，植被覆盖度逐年降低，而在2005年之后，植被覆盖度先增加后减少。与NDVI作用相同的是，湿度指标WET同样对生态环境质量呈正相关，其是表示生态环境良好的一个特征。1989—2015年，WET指标均值接近于1所占区域总体面积范围逐渐增大，表明生态环境质量越来越好。LST与生态环境质量良好程度成负相关，神东矿区1989—2015年，明显的热度指标趋于优良化，进一步表明神东矿区的生态环境逐步变好。神东矿区1989—1994年，NDSI值接近于1的区域范围有所增加，尤其是1994年，其NDSI反映的生态质量差的区域达到了最大，而1994年之后，随着年份的增长，NDSI值接近于1的区域范围每年都比前一年有所减小，表明生态环境质量逐渐得到恢复。

3.2 神东矿区尺度生态环境分析

经过正规化后的RSEI数值范围在[0,1]之间，值越接近于1表示生态环境质量越好，反之生态质量则越差。根据值的范围，进一步将各年份的RSEI以0.2为间隔分成5级，分别代表差、较差、中等、良和优5个等级，对应的值的范围为[0，0.2)，[0.2，0.4)，[0.4，0.6)，[0.6，0.8)和[0.8，1][13]。由图5和表1可知，虽然中间个别年份之间有波动，但神东矿区总体生态环境质量呈上升趋势，由1989年的0.366增加到2015年的0.477(图5)。

通过统计不同等级面积所占总矿区面积的百分比可知，1989—2005年神东矿区的生态环境质量有所改善，1989年生态环境质量为“差”和“较差”的面积分别占整个研究区域的33.8%和30.7%，两者之和几乎占整个神东矿区总面积的4/5，而2005年分别为23.0%和26.3%；“中等”以下生态环境质量2005年46.3%，2015年减少到40.8%，呈现逐渐下降的趋势；2005—2015年神东矿区的生态环境质量总体趋于稳定并保持继续向生态环境质量好的方向发展，“中等”及以上等级之和2005年为50.7%，2015年为59.2%，呈现逐渐上升趋势，表明神东矿区2005—2015年的生态环境质量逐渐在改善并趋于稳定。

图5 神东矿区遥感综合生态指数RSEI分级

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 神东矿区矿井尺度生态环境质量分析

神东矿区中所包含的矿井有：布尔台、金烽寸草塔、柳塔、乌兰木伦、寸草塔、石圪台、哈拉沟、尔林兔、补连塔、上湾、大柳塔、活鸡兔、榆家梁和锦界煤矿，共计14个，本文主要讨论其中的9个矿区生态环境质量变化趋势。根据矿井开采时间和影像时间，分为1998年之前采区和非采区，2000年之前采区和非采区等不同开采时间段(详见表2)。

由表2可知，补连塔矿井2000—2011年采区和非采区RSEI均值的变化情况，从时间分布来看，采区RSEI均值2000年为0.476，2006年减少为0.371，到2011年又增加到0.539，总体RSEI均值呈先减少后增加的趋势；非采区从2000年的RSEI均值0.419逐渐增加到2011年的0.532，总体呈增加趋势。大柳塔矿井1998—2011年采区和非采区的RSEI均值均在增加，分别从1998年的0.414，0.466增加到2011年的0.599，0.612，非采区每年的RSEI均值均大于采区的RSEI。活鸡兔矿井的采区2008年的RSEI均值相较于2000年有所增加，2009年的RSEI均值相较于2000年和2008年均增加，非采区的RSEI均值随年份增加而增加，时间序列RSEI均值特征表明活鸡兔矿井的生态环境质量逐渐提升。榆家梁矿井的采区和非采区2008年的RSEI均值相较于2003年有所增加，而2011年的RSEI均值相较于2008年有所减少，这表明榆家梁矿井的生态环境质量存在变差的趋势。哈拉沟矿井采区和非采区RSEI均值变化，总体来看不论是采区和非采区，RSEI值均在增加，且1998—2002年非采区的RSEI值均大于采区的RSEI值，2007年两区域的生态环境处于较平衡状态。乌兰木伦矿井的整体生态环境质量较差，其1998年采区的RSEI值仅为0.157，到2002年质量有所提升，之后又逐渐减小，非采区的生态环境处于一个均衡状态，随着年份的增加RSEI值0.364围绕上下浮动。造成这种问题的可能原因是其位于毛乌素沙漠边缘，干旱少雨，植被覆盖度较低。石圪台矿井采区和非采区的RSEI均值均在逐渐增大，分别从2007年0.302，0.416逐渐增加到2011年的0.487，0.480，非采区的RSEI均值大于采区的RSEI均值，而2011年，采区和非采区的RSEI处于平衡状态。锦界矿井2007年和2011年两年采区和非采区RSEI结果显示，2007年和2011年采区的RSEI均值均大于非采区的RSEI均值，表明采区的生态环境质量优于非采区的生态环境质量。上湾2007年和2011年两年采区和非采区RSEI均值结果表明，前后两年采区和非采区的RSEI均值逐渐增加，分别从2007年的0.452，0.482增大到2011年的0.567，0.498。从空间范围来看，2007年非采区的生态环境优于采区，而2011年采区的生态环境质量优于采区。

表2 神东矿区各矿井采区和非采区RSEI均值变化

4 结 论

神东矿区地处西北内陆，其脆弱的生态环境是制约煤炭绿色开采的关键要素。当今以传统开采方式导致矿区生态环境破坏严重，主要体现在地表植被的破坏，地表水和地下水的污染，开采导致的土地沉陷，以及水土流失加剧的荒漠化趋势等[23-25]。当前，对生态环境的分析主要集中在单一环境要素中，比如地表植被、地表温度、土壤湿度、植被净初级生产力等，而集多种环境要素进行综合分析的研究较少。RSEI指数是基于湿度，绿度，热度和干度指标构建的基于遥感信息的综合指数，RSEI指数不是各个分指数的人为加权求和，而是依赖于客观自然和环境信息的客观指数，RSEI能够客观地耦合湿度，绿度，热度和干度各个分指标，能够合理反映区域生态环境质量现状。

(1) 矿区尺度上，神东矿区的生态环境质量整体呈上升趋势，2015年的“中等”及其以上等级所占面积为59.2%，比1989年同等级面积增长了23.7%。

(2) 矿井尺度上，不同矿井的生态环境质量存在差异，采区和非采区之间又有差别，榆家梁矿井整体生态环境质量最优，乌兰木伦矿井的采区和锦界的非采区生态环境质量最差。

(3) 综合矿区和矿井尺度而言，矿区RSEI均值总体呈增加趋势，表明矿区生态环境质量逐渐改善。