基于遥感生态指数的平朔露天矿生态环境评价

尹建平

（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006）

随着社会经济及基本物质条件的快速发展，以及自然资源、空间环境的不断改变，导致土壤退化、水土流失、生物多样性减少等一系列环境问题，给生态文明建设和社会可持续发展带来严重挑战。如何准确快速地评估区域内生态环境状况，成为当今迫切需要解决的问题。传统的生态环境质量评价方法包括模糊评价法[1]、层次分析法[2]、PSR 模型[3]等，这些方法受主观因素影响较大，评价结果往往偏离区域内实际状况；主成分分析法[4]、人工神经网络法[5]的出现解决了主观权重赋值的问题，使评估更具科学性。2006 年环境保护部发布的《生态环境状况评价技术规范（试行）》为生态环境状况评价提供了标准，生态环境状况指数EI 得到广泛应用，但其指标权重需要人为设定，且存在评价结果无法空间可视化的问题。近年来，众多专家学者利用遥感与地理信息技术对城市、沙漠、黄土流失区和自然保护区等不同区域进行生态环境评价[6-7]。

平朔目前已经成为我国规模最大，现代化程度最高的煤炭基地之一。随着煤炭的开采，对环境的破坏也是日益严重。1985 年平朔矿区开始进行初级的复垦工作，随着国家对生态文明建设工作的重视和人们环保意识的不断增强，平朔矿区开始实行更高级的生态重建工作，实行“采，运，排，复”一体化工艺，“地貌重塑、土壤重构，植被重建，水土保持，植被配置模式，堆状排弃工艺”等生态环境重构的综合技术，对我国黄土高原区生态恢复治理工作起到了积极的示范作用。

目前，对于平朔露天矿的研究主要集中在植被恢复与土壤因子的关系、地表覆被变化及土地利用结构变化和景观格局等领域，鲜见针对矿区进行生态环境状况评估的研究。为此，基于遥感生态指数RSEI，集成绿度、湿度、热度和干度4 项指标，利用主成分分析法建立评估模型，综合分析1989—2018年矿区涉及生态环境状况的指标变化，着重分析近30 年的生态环境变化程度，评估平朔露天矿的生态环境状况，揭示平朔露天矿开始复垦工作后其生态环境恢复情况，以期为矿区生态环境治理提供科学依据和理论支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

矿区位于山西省朔州市平鲁区宁武煤田北端（N39°23′，E112°30′），矿区南北长23 km，东西宽22 km，总面积为380 km2，已探明地质储量127.5 亿t。现包括安太堡露天矿、安家岭露天矿、东露天矿、井工一矿、井工二矿（已停产）、井工三矿6 个煤矿及其配套选煤厂。该区属黄土丘陵地貌，温带半干旱大陆性气候，海拔在1 250～1 350 m 水平，年均气温4.8～7.5℃，年均降水量428.2～449 mm，矿区土壤主要为栗褐土，其土壤结构差，水土严重流失。

1.2 数据源及研究方法

在中国地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn/）获取了1989 年6 月20 日、1998 年7 月11 日、2007 年6 月18 日的Landsat5 TM 数据，2018年7 月1 日的Landsat 8 OLI 数据影像资料及矢量边界数据和Google Earth 影像数据。云层覆盖面积小于10%，空间分辨率15 m/30 m，研究主要使用ENVI Classic 软件来处理图像并且结合使用ENVI5.3和ArcGIS 10.2 空间处理软件。

选取易获取的归一化植被指数、湿度分量、干度指数和地表温度代表绿度NDVI、湿度WET、干度NDSI 和热度LST，对各项指标进行标准化处理，利用ArcGIS 软件的主成分分析工具将遥感生态指数RSEI 表示为4 项指标合成的函数。

1.2.1 评价因子标准化处理

RSEI 各分量指标绿度、湿度、干度以及热度，它们的量纲不同，没法进行相互比较，故需要进行标准化处理。

式中：X、Y 分别为指数原值和标准化值；Xmax为指数的最大值；Xmin为指数的最小值。

1.2.2 遥感生态指数计算

首先将经过标准化处理的4 个评价因子利用ENVI 5.3 软件Layer Stacking 工具进行波段合成，然后再利用软件中主成分分析模块进行主成分分析，将主成分1（PCA1）作为初始遥感生态指数RSEI0：

RSEI0=PCA[（fNDVI，WET，NDBSI，LSTI）]

为了方便各时期遥感生态指数之间进行比较，同样对RSEI0进行标准化处理，按照如下公式进行：

式中：RSEI为对应各期经过标准化的生态遥感指数，值域[0，1]；RSEI0－min为原始遥感生态指数中最小值；RSEI0-max为原始遥感生态指数中最大值。

RSEI 值越大表示生态环境状况越好，反之则代表生态环境状况越差。

2 结果与分析

2.1 平朔露天矿区生态环境状况分析

1989—2018 年4 个指标的主成分分析结果见表1（已筛选第1 主成分）。

表1 1989—2018 年4 个指标的主成分分析结果（CP1 值）

由计算结果可知1989—2018 年绿度、湿度、干度和热度的值，其中绿度和湿度与生态环境状况呈正相关关系，共同对矿区的生态环境状况起正面的促进作用。干度和热度与生态环境状况呈负相关关系，两者共同起负面作用。由表1 可知各年度4 项指标第1 主成分的贡献率均大于65%，贡献较好，表明第1 主成分已经集成4 个指标的大部分特征。由各指标的第1 主成分载荷可知，与该区域生态环境状况呈正相关关系的湿度、绿度中，两者的贡献率较低甚至有的年份为负值，表明植被生长及分布情况是矿区生态环境状况的直接影响因素。

2.2 平朔矿区生态环境状况变化

1989—2018 年平朔矿区遥感生态指数RSEI 见表2。

表2 1989—2018 年平朔矿区遥感生态指数RSEI

由表2 及空间分布（图略）来看，1989 年生态环境状况为优的区域零性散落在整个矿区内，1994 年生态状况为优的区域主要位于矿区南部，整体看来生态环境质量比1989 年有所好转。东部地区生态环境质量下降明显，这是因为采矿初期东部地区是采矿的重心位置，建设用地面积增多，植被稀疏，覆盖度低，生态破坏较为严重，而北部地区由于采矿活动较少，对植被、耕地等保护措施较好，植被茂盛，也与该时期林地面积增加有关。但是在1994—2007年，由于采矿活动重心位置的北移，矿区生态环境仍处于下降阶段，在该段时期内，矿区草地、耕地持续减少，采矿用地、裸地持续增加是导致生态环境质量下降的主要原因，在图上我们可以明显的看到矿区北部及南部区域生态质量明显恶化。

2007 年之后矿区逐步开展复垦工作，复垦范围主要集中在矿区南部安家岭、安太堡露天矿周围，由图2 实例可以看出10 年间生态环境质量明显变好。2018 年RSEI 上升0.018，随着复垦工作的进行，矿区生态质量持续变好，林地、耕地面积增加，建设用地、裸地面积减少。复垦工作进行至2018 年RSEI 值已基本与1989 年建矿初期时的RSEI 值接近，说明矿区在扩大采矿的同时兼顾到了矿区生态环境的维护治理，近10 年来的复垦工作颇有成效。

3 结论

1）平朔露天矿1989、1994、1998、2003、2007、2013、2018 年的遥感生态指数值分别为0.564、0.592、0.547、0.527、0.512、0.558、0.576，数据表明RSEI 值呈先升高后降低再升高的变化过程，结合空间分布图整体来看，矿区生态环境状况为良性发展趋势。

2）绿度和湿度对矿区生态环境状况起显著的正向作用，主要是因为研究区植被覆盖度随复垦年限的增加而增加，而干度和热度指标对矿区生态环境状况起负向作用。

3）通过分析遥感数据及空间分布情况可实现快速地对平朔露天矿大面积区域进行生态环境状况评估，同时运用主成分分析法可有效避免评价模型主观因素的影响，提高了评估结果的客观性，对于其他矿区进行相关方面的研究有一定的指导意义。