遥感生态指数在矿山生态修复监测中的应用

陈森强

（广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

随着生态文明建设的不断推进，我国正在深入开展废弃矿山生态修复工作，主要目的是减少高污染矿山数量，力求实现发展质量和生态环境的统一协调可持续，尤其是历史遗留矿山生态环境修复工作迫在眉睫，加快推进废弃露天矿山生态保护修复进度监测和效益评价，对于流域区域生态环境治理和大保护目标具有重要意义[1,2]。矿山生态修复质量与人们生活密切相关，多角度、准确、迅速地监测区域生态环境质量是当前学术界研究的重点，如何全面概括区域生态环境的状况和发展趋势，并科学、系统地评价区域生态环境也是矿山修复领域研究的重点。

近年来，国内相关专家学者在矿山修复治理和遥感监测领域形成了大量研究成果，徐涵秋提出一种纯粹基于遥感传感器，以植被指数、湿度分量、地表温度和建筑指数等自然要素变量来评估城市生态健康状况[3]；张静等将气溶胶光学厚度（AOD）融合遥感生态指数进行改进型遥感生态指数（ARSEI）的构建，实现西安市过去二十年来的生态质量时序监测，基于Moran 指数对西安市生态环境质量的空间自相关联系进行分析[4]；孙娅琴等利用融合空天地一体化监测手段对长江沿线典型模式的废弃露天矿山进行生态修复情况的持续监测[5]。传统的生态修复成效评估方法以定性为主、定量为辅，因此需要建立量化评价模型对生态环境修复成效进行系统、量化监测[6-8]。

本研究基于RSEI 生态指数对佛山市西江锰矿区进行长时间序列、多指标的生态环境评价，对2017～2021 年间西江锰矿区修复区域的生态环境状况进行动态量化监测，有利于为佛山市西江锰矿区生态环境工程建设、监测和评价提供重要的参考依据。

1 监测区域和数据

1.1 监测区概况

西江锰矿位于广东省佛山市高明区，全区总面积938km2，矿区地势自西南向东北倾斜，属冲积平原区。气候类型为亚热带湿润季风气候，雨热同季，年平均气温27.6℃，平均年降水量为1270mm，平均海拔为228.3m。其中西江畔的锰矿是广东省内已探明储量最大的独立锰矿床，规模达超大型，监测区域2016 年获得探矿权和采矿权，从2019 年开始进行矿山关闭和生态修复治理，本文以该区域为研究区，基于RSEI 开展西江锰矿生态修复质量分析研究。

1.2 数据来源及预处理

1.2.1 锰矿区采矿权数据

从佛山市普通建筑材料用砂石土矿专项规划数据库中获取西江锰矿区采矿权数据，坐标系和几何校正后的影像保持一致。

1.2.2 卫星遥感影像

研究采用卫星遥感影像包括国产光学影像和美国地质调查局USGS Landsat-8 影像。其中国产光学影像满足覆盖矿区监测的特征波段（绿、红、红边、近红外波段等）。针对佛山市西江锰矿区属于多云雨气象地区，选择少云且空间分辨率及时间分辨率较高的影像。可供参考的（不限于）卫星数据如表1 所示。

表1 卫星数据清单

计算RSEI 指数所使用的Landsat-8 遥感影像出自美国陆地卫星计划，是NASA 和地质调查局USGS 联合开发的中分辨率卫星，在GEE 平台进行影像分析和云计算[9]。主要包括原始图像，经辐射校正的大气层顶表观反射率图像（Top of Atmosphere Reflectance，TOA Reflectance），经辐射校正和大气校正的地表反射率图像（Surface Reflectance，SR），均已完成几何精度校正。

1.2.3 矿区实测数据

矿区实测数据包括利用大疆无人机对矿区进行影像采集及矿区实地照片等。

2 研究方法

2.1 遥感生态指数（RSEI）构建

基于Google Earth Engine（GEE）平台，利用遥感生态指数（Remote Sensing Ecological Index，RSEI），含绿度（NDVI）、湿度（Wet）、干度（NDSI）、热度（LST）四个指标，对西江锰矿区生态环境修复质量进行时序量化评价[10]。首先开展主成分分析，对第一主成分进行归一化处理，得到研究区的时序RSEI 数据成果，并进行生态质量时空特征分析。

遥感生态指数（RSEI）是一种基于传感器技术的区域生态环境状况的评价方法，将植被指数、湿度分量、地表温度和裸土指数等自然因子，分别对应植被绿度、地表湿度、热度和干度，能够对该区域生态环境质量进行量化评价[11,12]：

公式中，NDVI为归一化植被指数；NDSI为干度指数；WET为湿度指数；LST为热度指数。

（1）绿度指数

将NDVI指数作为量化表征植被密度和覆盖度的指标，来表示绿度指数：

公式中，ρnir和ρred分别为Landsat-8 影像的近红外波段和红光波段。

（2）干度指数

将NDSI指数来表征干度指数，具体由裸土指数（SI）和建筑指数（IBI）构成：

公式中，ρblue、ρgreen、ρswir1分别为Landsat-8 影像的蓝光波段、绿光波段以及中红外波段1。

（3）湿度指数

将湿度分量表征WET指数：

公式中，ρswir2为Landsat-8 影像的中红外波段2。

（4）热度指数

将遥感反演得到的地表温度来表征LST指数，具体如下：

公式中，LST表达地表实际温度（℃），k1、k2是定标参数，P（Ts）是黑体热辐射亮度值；ε为地表比辐射率；τ为大气在热红外波段的透过率；L↑为大气向上辐射亮度；；L↓为为大气向下辐射亮度。

首先根据主成分分析法（PCA）将分量指标进行降维处理，将累计贡献度超85%的特征值作为有效数据，若只将第一主成分来表征信息，则不能反映全部有效信息，因此本文融合第一主成分、第二主成分，计算初始生态指数RSEI0。为使RSEI0能最大程度体现研究区生态环境现状，利用1 减PC1综合值和PC2综合值：

为方便指标度量和对照分析，对RSEI0进行标准化处理，公式如下：

公式中，RSEImax为区域初始生态指数的最大值，RSEImin为区域初始生态指数的最小值。经过处理的RSEI值介于[0，1]之间，RSEI值越大代表该区域的生态环境质量越优。

2.2 矿区修复前后生态环境时空变化监测和评价

在GEE 云平台计算西江锰矿修复区的绿度、干度、湿度和热度，经过标准化处理及主成分分析，由于西江锰矿修复区2016 年获得矿产开发权，因此本文计算2015、2017 和2021 年各分量指标以及RSEI 影像，并进行时空变化分析，综合分析矿山修复区域的生态修复成效，西江锰矿区各分量指标统计如表2 所示。

表2 西江锰矿区各分量指标统计

2.2.1 绿度指标时空变化特征分析

研究结果表明，2015 年至2021 年期间，西江锰矿区NDVI 指数整体呈先下降后上升的总体变化趋势，具体数值体现为平均值从0.35 降至0.17 再升至0.25，说明修复区内植被呈先退化后复绿趋势。图1 为NDVI指数时空分布，由图可知，2015 年修复区内NDVI 指数呈现周边高、中心低的情况，随着距离矿坑越近，NDVI 指数下降越显著，植被覆盖度越低。2017 年矿坑位置从内到外演变，采坑面积不断扩大，NDVI 值不断降低。2021 年，西江锰矿区已开展生态修复工作，废弃矿坑已进行黄土回填和草植覆盖，区域整体NDVI 指数平稳上升。综上，监测区的植被指数已有明显提升，但仍低于该区域未开采前的生态环境状态。

图1 NDVI指数时空分布

2.2.2 干度指数时空变化特征分析

用NDSI 指数（含裸土指数SI 和建筑指数IBI）来体现研究区的土地干燥水平，数值越大说明该区域植被覆盖水平越差，地表裸露范围越大，NDSI 指数保持在[-1，1]区间。由表2 可知，矿区内平均NDSI 指数呈先下降后上升态势，2015 年至2021 年，NDSI 指数从-0.065 减少至-0.066，再增加至-0.044，整体波动不大。图2 为西江锰矿区NDSI 指数时空分布，由图可知，NDSI 指数总体呈现矿坑周边高、中心低的特征，矿坑边缘位置区域的NDSI 指数越低，说明人为破坏现象越少，处于土壤初始状态。2021 年经过生态修复治理，矿坑周边已经基本恢复成土场，矿区NDSI 指数平均水平相对下降。这表明生态环境质量在逐渐回升，初步完成生态修复任务。

图2 矿区NDSI指数时空分布

2.2.3 湿度指数时空变化特征分析

WET 指数与地表水分直接关联，数值大小体现植被周边环境中的水分含量。采用湿度分量WET 指数反映土壤湿度，指数保持在[-1，1]区间。由表2 可知，2015 年至2021 年，矿区整体平均WET 指数呈现先升后降的趋势，整体变化趋向平缓，保持在[-0.02，0.02]之间。图3 为西江锰矿区WET 指数时空分布，从三期影像变化来看，整体波动不大，由此可以看出，修复区整体土壤含水量基本持平，WET 指数已基本恢复，修复效果较好。

图3 矿区WET指数时空分布

2.2.4 热度指数时空变化特征分析

本文基于遥感影像地表温度反演得到的实际地表温度来表示LST 指数，数值越高，地表温度越高，直接影响区域内动植物生存状态。由表2 可知，2015 年至2021 年，西江锰矿区夏季平均地表温度呈现逐步上升趋势，2015 年地表平均温度约为15.93℃，2017 年升高至20.04℃，2022 年升至21.40℃。结果表明，LST 指数与NDVI 指数呈负相关关系，植被的热辐射能力小于裸露地面，植被生长越茂盛，降低地表温度的效果越明显。图4 为西江锰矿区LST 指数时空分布图，由图可知，矿区温度升高较为明显，从地表温度的变化范围可以看出，该区域经过生态修复，未恢复至未开采前的自然状态与温度有很大关系。

图4 矿区LST指数时空分布

2.2.5 遥感生态指数时空变化特征分析

对上述指数进行主成分分析，并计算矿区RSEI 指数，具体分析结果如表3 所示。由表3 可知，各年份PC1 的主成分贡献度均小于84%，PC1 和PC2 的累计贡献度都超过了90%，说明选取PC1 作为单一指标对于全部信息的表征效果不如PC1 和PC2 的累计贡献度，必须将贡献率作为权重计算PC1 和PC2 构建综合指标初始RSEI0，才能更好地反映该地区的生态环境修复状况。

表3 各分量指标主成分分析结果

计算各指标之间的Pearson 相关系数，在99%置信水平P 值均为0.000，均通过显著性检验。相关性计算结果如表4 所示，结果表明，RSEI 与各分量的相关性均大于0.6，RSEI 与各分指标的相关系数中，NDVI、WET 与RSEI 呈正相关，NDSI、LST 与RSEI 呈负相关，说明RSEI 值越大质量越好。

表4 各指标相关性矩阵

通过计算和标准化处理得到西江锰矿区2015 年、2017 年、2021 年的RSEI 指数影像。为更直观地观察生态环境的变化情况，将矿区各年份RSEI指数按照0.2的间隔区间分为5 个等级，由图5 可知，矿坑中心所在位置RSEI 指数平均值最低，距离矿坑中心位置越远，RSEI 指数平均值随之升高，说明受开采影响越小，该区域生态环境质量越好。

图5 西江锰矿区RSEI指数时空分布

由于西江锰矿区内矿坑面积不断扩大，裸土面积增多，导致矿区内生态质量差的土地面积增加，开采完区域的生态环境则是逐渐变好、良性发展，尤其是已经进行系统恢复的区域，生态环境状况已经达到开采前水平，生态修复效果良好。由于生态质量转好的相关区域面积比生态治理转坏的区域少，说明目前矿区整体生态环境还未达到开采前状态。

3 总结

遥感生态指数（RSEI）可在生态修复效果监测评估中较好地反映矿区生态环境变化情况。从RSEI 指数各分量指标及综合指标的空间分布来看，由于西江锰矿区矿坑面积不断扩大，导致矿区生态质量差的土地面积增加，开采完成区域的生态环境则是逐渐变好，尤其是已经进行系统恢复的区域，生态环境状况达到未开采前水平，生态修复效果良好。由于变好的区域面积略少于变坏的区域面积，目前矿区整体生态环境还未达到未开采前水平，还需要持续开展生态修复，实现边开采边修复，在最大程度上保护矿区及周边区域的生态环境良性发展。