基于遥感生态指数的福建紫金山矿区生态评估

林梦婧,汪小钦，肖爱芳，王 琳

(1.福州大学空间数据挖掘和信息共享教育部重点实验室，卫星空间信息技术综合应用国家地方联合工程研究中心，福建 福州 350108; 2.福州大学紫金矿业学院，福建 福州 350108; 3.福州大学环境与资源学院，福建 福州 350108)

0 引言

矿产资源是国家经济发展的重要物资资源，但其开发常常伴随周边生态环境的破坏.通常采用人力监测矿区及其周边的生态质量，但耗时耗力，信息化水平较低[1].后来，人们开始采用遥感技术来监测和评价矿区的生态质量.早期的遥感数据比较单一，只能反映矿区生态系统某一个方面特征.有学者尝试将遥感获取的土地利用、植被覆盖度等指标与地形地貌等参数结合开展综合评估，但是评价因子的选择及其权重的确定都较为主观.徐涵秋[2-4]提出一个完全基于遥感技术、没有人为权重设定且结果能被可视化的遥感生态指数(remote sensing based ecology index，RSEI)，可以快速、定量、客观地评价区域生态环境.RSEI提出后，被广泛应用不同区域的生态质量评价，目前也被应用于矿区[5-7]，但现有的应用一般只利用较少时期的遥感数据开展对比，并没有针对矿区开发建设重要阶段开展生态质量评价与变化原因分析，无法较全面反映矿山建设过程中生态质量的变化.

紫金山金铜矿作为我国少有的超大型矿床,开发以来一直备受关注，但是大部分学者关注的重点尚集中在紫金山矿区的经济价值以及矿石种类上，对其生态质量变化方面的研究较少.因此，客观评价矿区开发建设不同时期的生态状况，可以更好地发挥“绿色矿山”建设的示范作用，对协调矿山开发与生态保护具有重要的意义.本研究利用福建紫金山矿区开发建设不同阶段的多时相Landsat系列遥感数据，基于RSEI开展矿山不同开发发展阶段生态状况评估，以期发现紫金山矿区及其周边生态变化，更好地响应“既要金山银山，也要绿水青山”政策.

1 研究区及研究方法

1.1 研究区概况

紫金山矿区位于福建省龙岩市上杭县，平均海拔1 209 m，属于才溪乡和旧县乡管辖，主要交通方式为公路.紫金山矿山蕴藏着丰富的金铜矿，地质工作始于上个世纪60年代，1994年建成投产，1997年12月进行了千吨级揭顶定向掷抛大爆破，1998年金矿生产由坑采转为露采，从2005—2007年开始金铜矿联合开发.

1.2 遥感数据及预处理

根据紫金山矿山开发的关键时间节点，考虑相同季相且无云的数据，选用了7个时期10月份获取的Landsat遥感影像作为数据源.其中1992年的数据代表矿山开发建设前的生态状况，1996年代表建设初期，2001—2014年分别代表不同的建设时期，2017年代表近况.遥感数据均是从USGS官网(https://earthexplorer.usgs.gov/)上下载的Landsat的L1T产品数据，该系列产品经过了严格的几何校正、辐射定标等工作，不同传感器影像之间具有较好的一致性，为地表动态监测提供保障,并对影像进行了大气校正等处理.影像数据包括Landsat 5 TM 影像(1992年10月20日、1996年10月31日、2001年10月20日、2007年10月5日、2009年10月10日)和Landsat 8 OLI影像(2014年10月8日、2017年10月25日).

1.3 研究方法

RSEI指数集成4个重要的生态因子，即绿度、湿度、干度和热度，通过主成分变换获取的第一主分量具有绝对优势信息量的特点构造而成[2-4]，可以快速地对区域生态状况进行时空变化分析.RSEI结果以遥感像元为单元；同时利用主成分分析方法自动确定各指标权重，减少人为确定权重的干扰.引入RSEI开展紫金矿区生态质量评价.

1) 绿度指标.绿度指标[8]采用归一化植被指数NDVI，这是目前运用最广泛的植被指数，与各绿度分量都有关系，具有代表性.

2) 湿度分量.湿度指标采用缨帽变化中的湿度分量指标计算，对于Landsat8 OLI影像数据和Landsat5 TM数据，计算公式也有所区别[9-10].

3) 干度分量.代表干度的指标是建筑用地指标IBI，但由于研究区域中存在裸土，因此干度指标由建筑指数和土壤指数SI合成[2]:

4) 温度分量.利用地表比辐射率、植被覆盖度和NDVI[11-12]计算得出.

计算以上4个分量后，为保证各指标的可比性，归一化到[0,1].然后利用主成分分析方法获取第一主成分(PC1)，进而获得RSEI指数后归一化至[0,1]，值越大表示生态质量越好.

2 结果分析

按照以上方法，分别计算不同时期影像的绿度、湿度、干度和热度4个分量并归一化后，通过主成分分析的PC1归一化到[0,1]，获得紫金山矿区1992—2017年的RSEI影像(如图1所示)，反映生态状况的综合情况.

图1 1992—2017年的RSEI影像Fig.1 RSEI image from 1992 to 2017

2.1 紫金山矿区生态空间变化分析

为更直观地反映生态环境的情况，依据文[4]以0.2为间隔将RSEI分为五级，由此可生成RSEI不同等级的空间分布(如图2所示)，各等级的面积统计如图3所示.

图2 紫金矿区生态环境等级分布图Fig.2 Distribution map of ecological environment level in Zijin mining area

结合图2和图3可知，从整体上看，紫金矿整体研究区生态质量在开发初期得到一定的改善.随后持续的开发影响了整体的生态环境，矿区内生态质量变差，而在矿区周围生态环境持续变好，整体而言生态分级占比最大的部分由中等向优过渡.1992年和1996年，生态环境等级位于中等的面积处于主导；2001—2014年，生态环境等级良的面积处于主导；到2017年，生态环境等级优的部分成为主导，占地面积82.42 km2，为49.0%.

图3 紫金矿区生态质量分类等级百分比Fig.3 Percentage of ecological environment classification in Zijin mining area

矿山开发初级，生态质量等级为优的面积基本上全部破坏，从2001年后面积开始逐渐扩大，到2017年，基本上占到一半.生态质量等级为良的面积经历上升和下降2个阶段，到2017年占比接近30%.生态质量等级为中等的面积总体上呈现下降趋势.生态质量等级为差的部分从1992年开始持续波动下降，说明生态质量整体变好，但生态质量等级为极差的面积也逐步扩大.其中生态质量等级为极差的变大部分主要集中在紫金矿重点开发区内，说明紫金矿区的开发对整体生态状况造成了影响.

1992—2007年和2014—2017年，生态环境等级变好面积大于变差面积，而2007—2014年，变差面积大于变好面积.但总体上，变差面积小于变好面积，整体生态质量等级趋于改善.

2.2 紫金山矿区生态环境时间变化特征

分别计算不同年份RSEI值在整个研究区域、紫金矿重点开发区的均值和标准差(如图4所示)和间隔年份的年变化幅度(如图5所示).

图4 1992—2017年7个年份RSEI平均值和标准差Fig.4 RSEI average and standard deviation from 1992 to 2017

图5 紫金矿区RSEI年均变化幅度Fig.5 RSEI annual average change

由图4和图5可知，整个研究区RSEI值虽然在2007—2014年有小幅度减小，但总体呈现上升趋势，1992—1996年和2009—2014年期间的变化幅度都较小，其他阶段的变化幅度均较大，特别是2014—2017年期间，变化幅度达1.8%，在1992—1996年处于缓慢增长，从1996—2007年处于稳步增长阶段，在2007—2014年出现RSEI平均值下降的趋势，但在2014—2017年平均值又有较大回升.从标准差看，整个研究区在1996年最小，而后增大，由遥感影像图与RSEI分布可知，是开发裸露区域变大与矿区植被覆盖变化双重作用的影响.

而在紫金矿重点开发区内，RSEI值不断下降，从1992年的0.418下降到2017年的0.319，其中2007—2009年和2009—2014年变化幅度较大，分别为-1.47%和-0.88%，其他阶段的变化幅度较小.表明紫金矿的开发使裸土面积增加，导致了生态系统遭受一定程度的破坏，同时可以看出，2007—2009年RSEI值年均下降趋势较大，说明2007—2009年间生态环境遭遇的破坏较为严重，但标准差一直都较高，说明位于矿山中间的紫金矿山公园的建设颇有成效.

整个研究区RSEI值一直都大于重点开发区，且两者的差异逐渐增加，矿区重点开发区周边的生态环境得到较大的改善.

2.3 紫金山矿区生态环境变化原因分析

从以上分析可知，紫金山矿区开发建设以来，整个区域的生态质量没有下降，反而提升了；而重点开发区生态质量虽然有所下降，但降低的幅度并不大.紫金山矿区生态质量的变化与矿山开发历程及企业和地方政府在生态环境保护方面的政策扶持和资金投入密不可分.

2002年制定并落实紫金山生态规划和《2002年紫金山金矿矿区植被恢复实施方案》[13]，因此在矿山开发初期，RSEI上升；2004年紫金矿业生态旅游区开始建设；2006年，紫金矿业集团股份有限公司拨出试验经费2.2万元，探索在金铜矿弃渣场及高陡边坡等水土流失侵蚀劣地植被的恢复与重建途径，加快其水土流失治理和生态恢复步伐[14].2007年后，紫金矿业集团更加注重生态环境保护，积极开展植树造林，2011年底紫金山国家矿山公园正式开园.因此，在矿山公园建设初期的RSEI有一定降低，但随着建设成效逐渐显现，RSEI逐渐增加，2014年开始整个区域的RSEI值有较大增长.矿山公园按三期规划建设，预计将于2020年全部建成[15].全部建成后，随着植被的生长，绿化面积进一步扩大，届时矿区生态会越来越好.截至2016年底，紫金山金铜矿累计投入植被恢复资金10 045万元，实施绿化作业面积15 712亩(相当于10.475 km2)[16]，到2017年12月止，矿山已治理废弃地面积达11.179 3 km2[17].2017年的文献显示，上杭县投入1.3亿元，实施紫金公园、北江滨公园等生态项目建设，获评“省级园林城市”[18].正因为企业和地方政府在生态环境方面的大量投入，整个区域的RSEI在矿山开发建设过程中总体上一直处于增长趋势，生态质量逐步提升.

从不同时期的遥感影像图可以看出，紫金矿重点开发区内，矿区开发面积持续增大，但不同时期的开发面积增长幅度不同.1992—1996年紫金矿业刚刚起步开发，开发面积很小，生态系统质量略有下降；1996—2001年间，紫金矿经历了“揭顶大爆破”，开发建设面积大幅增长，2001年矿区已初具规模，此期间裸土面积增加，RSEI年均下降幅度扩大；2007和2009年的面积扩张与铜价上涨关系较大，查阅文献以及伦敦金属交易所的数据可知，铜价在2003—2006年不断上涨[19]，由于加大开采力度，裸土面积增加，干度贡献率持续加强，RSEI年均下降幅度达到最大；2014—2017年的开发面积也有较明显的扩张，由世界黄金委员会提供的黄金价格来看与黄金价格有关，但是重点开发区整体的RSEI并没有明显降低，这与紫金集团从开发中期更加重视生态建设有关，2007年投入大量资金开展植被恢复和建造紫金矿区生态园后，RSEI年均下降幅度逐渐变小，即便2014—2017年紫金矿再次扩张，RSEI年均下降幅度大大减小，说明生态工程成效显著.

以上不同时期生态工程建设和植被恢复投入使得紫金矿区及周边整体生态大幅度变好，说明紫金矿业集团的“绿色矿山”建设卓有成效，值得推广.

3 结语

基于多时期Landsat TM/OLI 遥感影像数据，利用RSEI对紫金矿区不同建设阶段的生态环境进行遥感评估，得出以下结论：

1) RSEI可以较好地反映矿区生态质量状况.从空间分布上看，在紫金矿重点开发区内裸土面积不断扩大，开发区内生态质量差的面积增加.紫金矿整体研究区RSEI等级主导地位由中等转为良再转为优，RSEI等级较差部分主要集中在重点开发区内，外围区域逐渐变好，变好的面积总体大于变差的面积.

2) 从RSEI来看，紫金矿整体研究区生态状况呈现波动增长；在紫金矿重点开发区内，RSEI持续下降.从年均变化幅度来看，在整体研究区内，生态变化幅度较小，且整体处于变好的趋势，而紫金矿重点开发区内，在2007—2014年内，RSEI年均下降幅度较大.

3) 地方政府和紫金矿业集团对生态环境保护的重视和大量经费的投入是研究区RSEI总体增长的主要原因；矿山开发面积变化与矿山开发技术提升及金铜矿价格上涨较大相关，从而使重点开发区RSEI持续下降，但由于开发过程中相应的生态治理经费投入持续增长，RSEI并没有出现大幅度的降低，为“绿色矿山”建设起到了示范作用.

在未来的开发中，紫金矿业集团应该继续重视对生态环境的保护，加强矿区开采后的生态修复，努力践行“既要金山银山，也要绿水青山”.