典型露天矿区生态环境遥感评价

刘 英，朱 蓉，岳 辉

(1.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 西部矿山生态环境修复研究院，陕西 西安 710054)

0 引 言

煤炭是社会与经济发展的重要物质基础，也是人们生产生活的主要能源[1]。露天煤矿是由地质变化沉积在地表或浅层的煤炭层，直接通过露天开采。发达国家露天开采的煤炭产量所占比重通常超过井下开采，是煤炭开采的主要形式[2]；近年来，我国露天煤矿建设与生产取得了快速发展，露天开采的煤炭产量比重呈逐年上升趋势[3]。由于露天开采占压和挖损土地，对地貌造成破坏，地表形态、生物种群以及浅部地层直接损毁，地表表层植被遭到破坏[4]，原本稳定的系统受到严重干扰，生态环境发生巨变。因此，对露天矿区生态环境变化进行监测与评价一直以来是研究的热点。遥感技术因其能够大范围快速高效的获取地表信息而被广泛应用于露天矿区的生态环境监测中。

20世纪60年代国外开始利用遥感技术对矿产资源开采状况进行监测[5]；在矿产资源开发过程中所造成的环境影响从最初主要集中在对矿区水的影响[6-8]、植被破坏[9]、土壤成分变化[10]以及土地利用类型变化[11]等方面，到逐渐深入研究矿区植被恢复[12]、土地复垦[13]以及基于生态环境综合指标的矿区生态环境监测[14]等方面。

土地复垦与植被恢复和矿区生态环境密切相关，利用遥感技术可以监测植被的生长状态并探究矿区生态恢复情况。相关研究分别利用遥感生态指数(remote sensing ecology index，RSEI)[15]或植被净初级生产力(net primary productivity，NPP)探讨矿区生态环境的变化，未考虑两者的综合影响。基于RSEI和NPP，利用线性加权分析法构建综合指数分析平朔矿区的生态环境演变状况，同时基于平朔矿区的土地利用数据分析平朔矿区1989—2019年复垦与采矿区域的面积变化和复垦区域生态恢复力受RSEI与NPP的影响程度，研究结果可为相关部门制定平朔矿区环境治理政策，有效实现为土地复垦提供科学支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

平朔矿区位于山西省北部朔州市境内，是中国规模最大、现代化程度最高的煤炭生产基地之一，区内主要有安太堡、安家岭、东露天矿三大矿区(图1)。安太堡、安家岭矿区地理坐标为东经112°19′20″～112°26′32″，北纬39°27′48″～39°31′13″；东露天矿地理坐标为东经112°26′30″～112°29′52″，北纬39°32′45″～39°34′15″。矿区属典型的北温带半干旱大陆性季风气候，气温年较差和日较差大。矿区为黄土丘陵地貌，地势北高南低，地形以山地、丘陵为主。

图1 平朔矿区地理位置及高程

1.2 数据来源与处理

采用1989—2019年的Landsat系列共四景遥感影像作为研究数据，影像均为9月份无云的清晰影像(表1)。原始数据经过辐射定标、大气校正和几何校正等预处理工作。根据平朔矿区的实际地物类型和《土地利用现状分类标准(GB/T 21010—2007)》，利用支持向量机分类结合目视解译的方法将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、建筑用地、露天采坑、剥离区、排土场和工业广场。本研究所用的气象数据来自中国气象数据网(http：//data.cma.cn/)，包括月降水量、月平均气温以及月总太阳辐射数据等。

表1 遥感影像数据来源

2 研究方法

2.1 遥感生态指数RSEI的计算

遥感生态指数(RSEI)将绿度分量(NDVI)、湿度分量(WET)、干度分量(NDSI)和热度分量(LST)4个遥感指数组合成新的指数影像后，进行主成分分析，获得初始的生态指数RSEI0，再对RSEI0进行正规化得到所构建的遥感生态指数RSEI。各遥感指数具体计算方法参见文献[16-20]。

2.2 基于CASA模型的NPP计算

本研究采用改进的CASA模型估算平朔矿区的NPP，所估算的NPP可以由植物吸收的光合有效辐射(absorbed photosynthetically active radiation,APAR)和实际光能利用率(ε)2个因子来表示，具体公式见文献[21-22]。

2.3 利用熵值法计算RSEI与NPP的权重

信息熵是表示不确定性的量度，不确定性越大，其无序性就越大，因此信息熵是无序性的一种度量。若某个因子的空间变化不大，则信息熵的不确定性就越小，信息熵越小，相应的权重就越小，如果空间变化较大，相应的权重就大，权重的计算方法参见文献[23]。

2.4 综合指数的构建

线性加权分析法是为每个指标分配不同的权重系数，通过建立线性关系来计算每个像元的综合指标值[24]。将RSEI和NPP指标的标准化值乘以相应的指标权重，构建综合指数Z。Z值越大，表明矿区生态恢复力越强。计算见式(1)。

(1)

式中Z为每个像元的综合指标值;Xij为像元i中指标j的归一化值；Wj表示每个指标的权重系数，i=1，2，…，n，j=1，2。

3 实验结果与分析

3.1 平朔矿区RSEI变化分析

参照文献[25]的生态等级划分方法，将RSEI值按等间隔分成5个等级，即差(0～0.2]、较差(0.2～0.4]、中(0.4～0.6]、良(0.6～0.8]和优(0.8～1]，并制作遥感生态指数分级图(图2)，同时求取1989年、2002年、2009年和2019年9月(表2)各等级面积及其所占比例。经查文献资料[26]可知，平朔矿区迄今经历了4个阶段分别为创业阶段(1987—1991年)、发展阶段(1992—2003年)、跨越阶段(2004—2012年)以及转型阶段(2013年—至今)，因此，文中选取4个典型阶段的不同遥感影像作为数据源来研究平朔矿区的生态环境状况。

表2 平朔矿区遥感生态指数级别统计

从图2可知，生态质量为差的区域主要分布在采矿区，非采矿区的生态质量主要为良和中。安太堡、安家岭矿区随着开采面积的不断扩大，2009年东露天矿出现明显的开采范围，随着年份的推移，安太堡和安家岭矿区向东北方向扩展，2个矿区边界更加分明；东露天矿区以开采点为中心不断进行扩张。非采矿区相对于1989—2002年生态环境质量明显提高，中等及以上等级面积比重增加明显。分别统计1989，2002，2009，2019各年份5个级别面积以及所占研究区总面积比，见表3。平朔矿区1989—2019年的生态环境质量呈上升趋势，30 a年间平朔矿区RSEI等级分布主要以良为主，分别占总面积的26.20%，27.03%，28.81%，28.33%，虽然采矿面积逐年增加，但平朔矿区的生态环境质量整体呈优良趋势发展，差等级的区域面积从1989年的33.00 km2减少到2019年的16.75 km2，减少了6.13%；30 a年间中等级的区域面积保持稳定，平均面积为63.74 km2；2019年优和良等级的面积相比于1989年都有所增加，等级为优的面积增加了5.51 km2，等级为良的面积增加5.66 km2，相对于研究区总面积分别增加了2.13%和2.07%。

图2 平朔矿区RSEI等级分布

3.2 平朔矿区NPP变化分析

通过改进的CASA模型反演平朔矿区NPP，由图3可知，采矿区NPP值趋于0，非采区的NPP值接近于整个研究区的最高值，平朔矿区的NPP最大值呈递减趋势，从1989年月均13.734 gc/m2减少到2019年的月均7.640 gc/m2。从空间上来看，由于从1989—2019年，平朔矿区的采矿面积不断增加，采矿区较小NPP值的范围逐渐扩大，与此同时，矿区周边复垦区域较明显，NPP值有所增加。

图3 平朔矿区NPP空间分布

3.3 平朔矿区复垦区域生态环境

3.3.1 土地利用变化分析

文中参考国家土地利用分类标准(GB/T 21010—2007)，结合平朔矿区实际情况，通过目视解译为主、支持向量机分类为辅的方法将研究区划分为耕地、林地、草地、建筑用地、排土场、剥离区、露天采坑、工业广场等8大地物类型。混淆矩阵验证分类结果表明总体精度93.2%，Kappa系数在0.87以上，满足本研究对数据分类的精度要求。从表3可知，平朔矿区1989—2019年30 a间耕地、林地以及草地面积不断减少，其中，耕地面积从1989年的167.02 km2减少到2019年的162.19 km2，林地面积减少了45.03 km2，草地面积减少了5.36 km2。相反，随着采矿范围的不断扩大以及研究区城镇化水平的加快，露天采坑、剥离区、排土场、工业广场以及建筑用地均在增加，1989年上述5种地物类型的面积分别只有0.23，1.93，5.22，2.50，0.76 km2，2019年分别增加到18.34，11.25，8.18，15.18和12.88 km2，占总面积的24.83%。从土地利用现状分类数据来看(图4)，1989—2019年采矿区域范围不断扩大，安太堡和安家岭露天矿范围从西南向东北方向逐渐移动，东露天矿呈四周扩张趋势。

表3 土地利用变化统计

图4 平朔矿区土地利用现状

安太堡、安家岭和东露天矿分别于1985年、1998年和2006年投入生产[27]。由于平朔矿区主要复垦方向为耕地、林地、草地，故本研究中将各年期剥离区、建筑用地、排土场、工业广场以及露天采坑转为耕地、林地、草地的区域记为复垦区域；将各年期剥离区、建筑用地、排土场、工业广场以及露天采坑未转为耕地、林地、草地的区域记为未复垦区域。从图5(a)可知，1989—2019年土地复垦区域面积不断增加，其中复垦方向为耕地的区域从1989—2002年的0.24 km2增加到2009—2019年的12.92 km2，林地复垦面积30 a间相较于草地与耕地的复垦面积最少，复垦率为0.08 km2/a，草地复垦总面积1989—2019年达到16.58 km2，从复垦面积的变化来看，平朔矿区对矿区开采后的复垦规划得到有效实施，且效果显著；由图5(b)可知，随着采矿面积的不断增大以及城市化进程的加快，未复垦区域面积也有所增加，露天采坑2002年比1989年有1.28 km2未发生地物类型变化，根据土地利用分类数据(图4)可知，露天采坑的面积随着年份的增长呈增加趋势，排土场2009—2019年有5.00 km2未发生地物类型变化，剥离区、工业广场的未复垦区域30 a间总面积为4.75 km2和12.59 km2，随着城市化进程的加快，建筑用地的面积逐年增加，尤其是2009—2019年间，以建筑用地为类型的未复垦区域的面积达到9.17 km2。

图5 1989—2019年复垦与未复垦区域面积变化

3.3.2 复垦/采矿区域植被NPP与RSEI研究

通常生态环境质量较好的区域，RSEI值也较大。从表4可知，1989—2002年，采矿区的生态环境基本维持不变，RSEI均值在0.2左右；2009—2019年，采矿区生态环境质量呈变好趋势，2009年的RSEI均值增加到0.264 9，2019年的RSEI比1989年增加了0.583；1989—2019年复垦区域的生态环境质量逐渐变好，RSEI均值由2002年的0.521增加到2019年的0.790。采矿区NPP月均值由1989年的2.307 gc/m2减少到2019年的1.083 gc/m2；复垦区域的生态环境得到改善，大多数采矿用地转变成林地、草地以及耕地，2002年和2009年土地复垦区域NPP月均值分别为4.922 gc/m2和4.813 gc/m2，2019年的土地复垦区域NPP月均值比1989年采矿区增加了0.468 gc/m2。从图6、图7可知，复垦区域的RSEI、NPP值均高于采矿区，这是由于采矿区缺乏植被生长且土壤质地脆弱，其所反应的植被生长状态以及生态环境质量就较差。随着矿区环境保护政策的实施，采矿区的生态环境质量逐渐有所好转，2019年生态环境质量达到多年来最优值。

图6 复垦区域各年份NPP/RSEI空间变化

图7 采矿区域各年份NPP/RSEI空间变化

表4 1989—2019年采矿和复垦区域RSEI、NPP均值对比

3.3.3 基于线性加权分析法的综合指数分析

根据熵值法分别计算RSEI与NPP的权重，利用线性加权分析法得到生态复垦区域基于NPP和RSEI的综合指标Z值。基于熵值法计算2002—2019年RSEI与NPP所占权重(表5)表明，NPP比RSEI起主导作用，除2009年两者所占权重相近外，2002年和2019年NPP权重值分别达到0.545和0.601。熵值法计算的RSEI和NPP的权重均为正值，则线性加权分析法得到的综合指标越大表明复垦区域的环境状况越好，矿区生态恢复力越强。Z值介于0～1之间，越接近于1表明复垦效果越好。从表6可知，2002年、2009年和2019年复垦区域生态恢复力均值分别为0.499，0.621和0.455，对应的标准差分别为0.235，0.239和0.223。在ArcGIS中根据自然间断法将研究区的综合指数Z分为4个等级(图8)，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，代表矿区复垦恢复力由低到高。

表5 各指标所占权重

表6 各年份综合指数均值及标准差

图8 各年份生态综合指数分级

从表7可知，复垦区域生态恢复力综合指标值与RSEI和NPP均通过了P<0.01的显著性检验，生态恢复力低的Ⅰ、Ⅱ区域主要受RSEI影响，其中2002年Ⅰ区的皮尔森相关系数达0.829，生态恢复力高的Ⅲ、Ⅳ区域主要受NPP的影响，其中2009年Ⅱ区的皮尔森相关系数达0.765。由图9可知，位于Ⅰ区的生态恢复力的面积比重由2002年20.46%下降到2019年的13.33%；位于Ⅱ区的面积比重由2002年的30.98%下降到2019年的17.72%，表明2002—2019年间，复垦区域生态恢复力弱的区域面积逐渐减少；Ⅲ区的面积处于先减少后增加的趋势，2019年面积比重达到23.79%，其均值为0.61；Ⅳ区的面积2002—2019年间持续增加，由2002年的16.46%增加到2019年的45.17%，说明2002—2019年间矿区生态恢复力高的面积逐渐增加。

图9 不同复垦级别生态恢复力均值及所占矿区复垦面积

表7 各年份各指标与生态恢复力综合指标相关性

4 结 论

1)平朔矿区的采矿区空间位置随着年份的推移发生改变，安太堡和安家岭矿区向东北方向移动，2个矿区边界更加分明；东露天矿区以开采点为中心不断扩张。

2)矿区采矿复垦面积均呈不断增加趋势，采矿面积从1989年的10.63 km2增加到2019年的65.84 km2；2019年的土地复垦面积相对于2002年增加了14.97 km2。

3)2019年平朔矿区生态环境质量为优和良等级的面积比1989年均有所增加，分别增加了5.51和5.66 km2。由于采矿区范围的增加，2019年采矿区NPP月均值相比于1989年减少了1.224 gc/m2，复垦区域比采矿区增加了0.468 gc/m2。

4)基于线性加权分析法构建的矿区复垦区的综合指标表明1989—2019年生态恢复力低的Ⅰ区面积呈下降趋势，生态恢复力高的Ⅳ区面积呈增加趋势，表明平朔矿区复垦效果显著。