基于遙感信息的礦區生態擾動監測研究
——以遷安市為例

成少平 谷海紅，2，3，4 宋 文 艾艷君 張義璇 盧 賽

（1.華北理工大學礦業工程學院，河北唐山063210；2.河北省礦業工程開發與安全技術重點實驗室，河北唐山063210；3.唐山市資源與環境遙感重點實驗室，河北唐山063210；4.河北省礦區生態修復產業技術研究院，河北唐山063210）

隨著經濟全球化的發展，生態環境問題儼然成為全球性關注熱點。礦業是我國經濟支柱產業，其發展在一定程度上以破壞環境為代價，礦業在取得巨大成就的同時，也對生態環境造成了嚴重破壞。礦產開采不但破壞礦區自然植被，還會造成水污染、大氣污染、固體廢棄物污染、土壤污染等眾多環境問題，是當前環境管理的難點之一［1］。礦業開發自身屬性決定其會對生態環境造成持久性影響，快速、低成本地獲取礦區生態擾動信息是開展礦區環境保護工作的重要內容［2］。

礦區生態擾動監測是指運用各種探測技術，對礦業開發造成的生態環境破壞影響及規律進行有效地判斷與評價［3］。近年來，遙感技術憑借其大范圍、高時效等特點，在生態環境監測領域得以廣泛運用。礦產資源生態環境遙感監測工作也由早期的礦區景觀格局變化［4］、地表形變［5］、植被復墾［6］等單一礦區環境問題逐步演變為構建綜合性評價指標體系來評價礦區生態環境［7］。如劉虎等［8］構建了生態評價指數對采礦活動引起的環境問題、煤礦周邊湖區范圍的時空變化進行了分析；岳輝等［9］構建了遙感生態指數對神東礦區各個礦井的生態環境動態演變特征進行了分析；徐嘉興等［10］建立了RS、GIS和景觀生物學綜合指標，定量分析了土地復墾對嘉旺礦區生態環境系統的影響。目前針對礦區環境質量遙感監測多局限于礦區本身，對礦區周邊區域及礦區城市生態環境質量演變關注較少。現有研究表明，礦區城市生態環境破壞速度遠遠大于治理速度，廢棄礦區引起的環境問題嚴重影響了礦區城市可持續發展［11］。隨著我國環境治理理念的進步以及生態紅線、多規合一等政策的實施，針對礦區城市實施了多角度環境治理措施，例如構建主體功能區制度、健全礦產資源勘查開發環境影響評價制度、根據區域實際情況采取差異化策略等［12］。但礦區生態環境修復是一個長時間的過程，分析礦區生態修復效果及其對區域生態環境影響是政府制定環境治理政策和生態文明建設規劃的科學依據。

遙感生態指數（RSEI）是近年來興起的基于遙感信息的多指標綜合生態指數，可避免人為權重設定，且結果能被可視化，能夠快速、客觀并直觀地對區域生態環境進行監測。本研究利用遷安市2000—2018年的Landsat遙感影像數據，建立RSEI評價模型，分析礦區活動及礦區生態修復對該市整體生態環境擾動的影響，為礦區城市環境保護提供參考。

1 研究區概況

遷安市位于河北省唐山市東北部（圖1），總面積為1 208 km2［13］。遷安市境內主要礦區為鐵礦區（以下簡稱“礦區”），已探明鐵礦儲量達27.2億t，有“鐵遷安”之稱，是典型的資源型城市，其鐵精粉年產量連續14年居全國縣級地方鐵礦首位。市內駐有首鋼遷鋼、九江鋼鐵等大型鋼鐵企業，鐵礦開發歷史已有60余年，發展至今呈現出小型礦山比重大、大型礦區比重小的格局。其中大型礦山集中于遷安市西部，連綿成片形成礦業密集區，擁有較為完善的礦山采礦選礦體系；小型礦區星羅分布于遷安市各處，技術落后，產品結構單一且難以管理。多年來，鐵礦開采形成了大量采礦廢料、尾礦砂等，眾多尾礦庫、排土場不僅壓占大量土地，而且導致土壤沙化、荒漠化，存在形成滑坡、泥石流等地質災害隱患。

遷安市于2008年開始實施以人工復墾為主的生態修復工程，歷經2000—2008年礦區井噴發展、2008—2013年礦區修復低速發展、2013—2018年礦區生態修復高速發展3個時期。因此本研究選取遷安市為研究區，利用遙感生態指數研究2000—2018年該市礦區變化對生態環境擾動的影響。

2 數據源及研究方法

2.1 數據來源與預處理

本研究采用4期Landsat系列衛星遙感數據影像（http://www.gscloud.cn）進行分析，時間分別為2000年6月18日、2008年7月16日、2013年7月24日、2018年7月16日。4景遙感影像分辨率均為30 m，行帶號（122，32），時相相近且云量均少于5%，均經過輻射定標及大氣校正、幾何校正預處理，以消除不同時相、大氣、地形、光照影響，并依據遷安市行政邊界對影像進行了裁剪。幾何校正采用二次多項式，其均方根誤差控制在0.5個像元以內。

2.2 礦區提取方法

隨機森林（Random Forest，RF）分類方法是一種決策樹分類器的綜合模型，可以通過對大量樣本的訓練學習來形成不同的分類規則，提升分類系統多樣性，有較高精度及較好的穩定性［14］。因此，本研究采用RF分類方法進行礦區提取研究，

為保證分類結果更加精準可靠，本研究在2000年遙感數據分類訓練樣本的基礎上進行了2008、2013、2018年訓練樣本選取，以保證每期數據都有重疊的樣本。礦區分類結果使用聚類處理（CLUMP）進行分類后處理，對錯分、誤分區域進行分類后修改，使用谷歌地圖隨機選點進行了分類精度評價。分類精度均高于86%，Kappa系數均在0.80以上，表明RF分類方法可實現遷安市礦區信息準確提取。

2.3 RSEI評價指標構建

RSEI耦合了綠度指標（NDVI）、濕度指標（WET）、干度指標（NDBSI）和熱度指標（LST），將其合成進行主成分分析降維處理來綜合反映區域生態環境，具有客觀性、多指標、大范圍等優點［15-16］，可得到生態環境質量可視化空間分布與動態變化。

式中，NDVI、WET、NDBSI、LST分別為綠度指標、濕度指標、干度指標、熱度指標。

（1）綠度指標。歸一化植被指數能夠反映各種植物生物量及區域植被的覆蓋度，在生態環境變化監測和植被生態學分類中是最常用的植被指數［17］。該指標可定義為

式中，ρR、ρNIR分別為紅波段、近紅外波段。

（2）濕度指標。該指標可利用纓帽變換的濕度分量獲得，已被廣泛使用于生態環境評價中，對土壤與植被中的濕度有較好反映［18］。

式中，ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別代表藍波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、熱紅外波段1、熱紅外波段 2；對于 TM 數據，c1=0.031 5、c2=0.202 1、c3=0.310 2、c4=0.159 4、c5=0.680 6、c6=0.610 9，對于OLI數據，c1=0.151 1、c2=0.197 3、c3=0.328 3、c4=0.340 7、c5=0.071 1、c6=0.455 9。

（3）干度指標。由裸土指數（SI）和建筑指數（IBI）合成，是土壤干度的量化表現［19］。

（4）熱度指標。利用陸地地表溫度代表熱度指數，首先利用NDVI計算出植被覆蓋度，根據Landsat數據中的熱紅外波段先計算亮度溫度T，再進行比輻射率ε校正求得溫度LST，根據Landsat手冊提供的參數計算［20］

式中，DN為像元灰度值；λ為TM數據第6波段中心波長（11.5 um）與OLI數據第10波段中心波長（10.9 um）；ε為地表比輻射率；L為TM、OIL的熱紅外波段在傳感器處的輻射值；K1、k2為輻射定標參數；gain和bias為波段的增益值和偏置值；ρ=1.438×10-2(m ?k)。

2.4 RSEI評價模型構建

對以上各項遙感生態指標進行歸一化處理，消除量綱之間的差異，使其4個指標值統一到0～1范圍內，以便進行主成分分析［21］。為便于對比，將初始生態指數RSEI0進行了標準化處理得到遙感生態指數RSEI。其計算公式為

式中，BIi為標準化后的某一像素點指標值；Ii為該指標在像元i的值；bmax為該指標的最大值；bmin為該指標的最小值。

根據前人研究，本研究將遙感生態指數以0.2為界限劃分為優、良、中、較差、差 5 個等級［22］，結果見表1。

3 結果與分析

3.1 遷安市2000—2018年礦區演變分析

基于隨機森林（RF）分類方法對遷安市2000、2008、2013、2018年礦區進行了提取分析，繪制了該市2000—2018年礦區演變圖（圖2）。

由圖2可知：2000年礦區范圍明顯小于其他年份，主要分布于遷安市西北部、西南部及東南3個區域；2000—2008年期間，礦區范圍增幅較大，并于2008年達到最大值，表明此階段遷安市礦區大量增加，礦業飛速發展；2008—2013年，3個區域礦區范圍均有不同程度縮小，礦業發展受到限制；2013—2018年，礦業發展趨于穩定，未發現新開發的采礦作業區，而且少數礦區消失，其變化符合2000—2008年、2008—2013年、2013—2018年3個時期發展規律。

3.2 主成分分析結果統計分析

根據主成分分析結果（表2）可知，4個指標在第一主成分的貢獻率分別為78.76%、76.94%、81.52%、79.14%，均高于75%，表明第一主成分分量PC1已集中了4個分量主要信息。對四大分量荷載值進行對比發現綠度指標與濕度指標呈正值，表明兩者對生態環境起到正向促進作用；干度指標與熱度指標呈負值，表明兩者對生態環境起到負面消極作用，結果與實際情況相符。綠度、濕度代表植被覆蓋度及土壤植被含水量，兩者均起到改善生態質量的作用，干度、熱度代表地表裸土干化程度和地表溫度，兩者都是生態環境惡化的典型標志。

2000—2018年，遷安市2000、2008、2013、2018年RSEI均值計算結果分別為0.644、0.546、0.594、0.573，表該市2000—2018年間生態環境質量呈現波動下降趨勢，且變化與研究區礦業活動具有高度相關性。受礦業生態修復活動影響，2008年可視為遷安市生態環境質量的轉折點，2000—2008年期間RSEI指數下降了0.098，降幅15.21%；2008—2013年期間RSEI指數由0.546上升至0.594，漲幅8.79%；2013—2018年期間，RSEI指數降至0.573，但較2008年上升0.026，漲幅4.94%。說明2000—2008年間遷安市生態環境出現惡化，2008—2018年生態環境總體得到改善。綠度、濕度兩個正向指標也符合這一變化，2008年NDVI均值與WET均值最低分別為0.587、0.534，植被覆蓋度和土壤含水率較2000年下降嚴重，其中NDVI降幅達20.1%，WET降幅達12.32%。2008年之后綠度、濕度指標值有所上升，至2018年分別上漲了6.81%和7.49%；熱度4期均值為0.45，各期變化（±0.017）較為穩定，干度指標變化較大，是造成研究區生態環境質量下降的主要原因。

3.3 遷安市生態環境時空變化分析

遷安市根據資源稟賦、生態條件和產業基礎，將全市1 208 km2區域作為一個整體，劃分為產業聚集區、生活服務區、生態涵養區三大主體功能區，不同功能分區實行不同的要素配置和考核評價機制。本研究根據RSEI空間分布圖（圖3）對研究區礦區生態擾動進行了可視化動態分析，結果表明：2000年為遷安市生態環境質量最優時間節點，整體生態環境質量等級主要為優、良等級，生態質量差、較差集中于西部采礦密集區與中部人口密集區；2008年，遷安市生態環境質量發生明顯變化，生態環境質量降低區域大面積增加，并且隨小型礦山開發呈現散布式發展；2013年，生態環境質量變化更為集中，呈現出一定層次化發展趨勢，環境惡化中心區變化明顯，但周邊地區得到有效改善，且向人口密集區發展；2018年西部采礦密集區、中部人口密集區生態質量上升明顯，但存在周邊地區生態質量再次惡化趨勢。

根據遷安市2000—2018年RSEI統計數據（表3）可以看出，2000年遷安市生態環境質量優、良等級面積占比分別為40.92%和26.04%，生態質量差、較差等級僅為4.44%和10.71%。2008年RSEI各等級指標浮動較大，其中質量優等級較2000年減少了11.96%，生態質量中、較差等級分別增加了11.95%和11.25%。2013年較2008年生態環境質量優、較差等級分別下降了5.90%和2.24%，其他等級區域小幅變化。2018年生態環境質量優等級變化最為明顯，較2013增加了6.53%，差等級減少了3.96%，為近年來最低，但總體環境質量不如2013年。

3.4 遷安市生態環境質量動態監測

為分析遷安市不同年份生態環境質量的時空變化，在RSEI5個生態等級的基礎上，對研究區2000—2018年生態環境質量數據進行了紅綠法差值分析［23］，得出了每個區間的變化面積及區域（圖4）。

結合圖4統計分析表明（表4），遷安市2000—2008年間生態環境質量改善面積為247.2 km2，占比20.18%，生態環境變差地區總面積為420.2km2，占總面積34.31%；2008—2018年間生態環境質量改善面積為528.1 km2占比43.12%，生態環境變差地區總面積為371.4km2，占比30.33%。

4 討論

本研究利用RSEI耦合綠度、濕度、干度、熱度4個自然因素指標對遷安市礦區生態擾動進行了研究，并利用隨機森林分類方法對該市2000—2018年礦區信息進行了提取分析。從時空尺度來看，遷安市生態環境質量變化受礦區變化擾動明顯。生態環境質量變化與礦業活動具有很強的相關性，根據RSEI指數變化可分為3個階段：

（1）2000—2008年期間，RSEI指數下降幅度較大，且下降區域分布較為分散，說明2000—2008年間遷安市生態環境質量整體下降。該階段為研究區礦業發展期，遷安市自2000年始，小型礦山數量井噴式增加，至2005年全市已散布選礦廠205余座，礦區密集鄉鎮8個，集中于馬蘭莊鎮、菜店子鎮等西部區域［24］。小型礦山環保意識淡薄，采礦選礦設備落后，礦區生態環境被極大破壞。并且小型礦山相對分散，難于管理，礦山開采規模與礦區的資源儲量不相適應，小礦大開、一礦多開等問題嚴重，造成該市2000—2008年生態環境質量整體下降。

（2）2008—2013年期間，RSEI指標上升，表明遷安市2008—2013年間生態環境得到改善。該階段唐山市響應國家生態文明建設號召，于2008年積極開展了礦山生態環境修復治理工作，建立了完善的礦山地質環境保護與恢復治理責任機制［25］。對老排土場進行永久治理，嚴格實行“誰破壞、誰治理”的原則，對新排土場及礦坑采取“保護中開發、開發中保護”措施，力求最大限度降低礦業活動對礦區及周邊地質環境和生態環境的影響和破壞。加強了對礦山地質環境保護的監督管理、地質環境調查與監測。但由于礦區復墾修復植株具有一定的生長期，至2013年，遷安市礦山修復僅取得了初步效果，大量廢棄礦山得到了初步治理，此為遷安市生態修復第1階段。

（3）2013—2018年間為生態修復第2階段，礦區生態修復與土地復墾相結合的修復方式取得了良好效果，礦區廢棄地復墾綠化面積達到16 km2，馬蘭莊鐵礦、匯利采石場、塔山鐵礦等綠化率均達到90%以上，多處極端破壞礦區植被得到了有效修復［26］，礦區及周邊生態環境得到了極大改善。但該階段RSEI指標表現為下降，綜合遷安市近年來發展，RSEI變化與礦業活動差異主要受到遷安市城鎮化建設影響［27］。2013年，遷安市推進新型城市化建設［28］，此階段整個區域生態環境呈現兩極分化，主礦區與城鎮區生態環境等級主要屬于差、較差，其他區域生態質量等級為中等、良，證明城市化發展同樣會影響區域環境［29］，與柯銳鵬等［30］得出的“低質量城市化會對生態環境表現為負面影響”的研究結論相符。至2018年，遷安市城市化建設愈加完善，城市綠植面積大大增加，中部等人口密集區生態環境質量上升，但隨著城市化建設加快，新農村建設使大面積區域生態環境質量等級由優轉向良，以至于2013—2018RSEI指數有所下降，也證明城市化發展對生態環境好的區域影響更大［29］。

5 結 論

礦業活動對區域生態環境具有顯著影響。本研究以遷安市為例，通過分析該市2000—2018年礦區演變特征，并構建了遙感生態指數模型，對該市礦區生態擾動進行了研究，得到以下結論：

（1）2000—2018年，遷安市生態環境質量可分為兩個階段，其中2000—2008年屬于生態環境質量下降階段，期間RSEI指數下降0.098，降幅達15.22%，其中34.31%的區域生態環境質量變差，表現為生態環境質量等級由良、優向中、較差轉變；2008—2018年生態環境質量整體有所上升，受到礦業活動與城鎮化建設綜合影響呈現先上升后下降趨勢，RSEI指數上升0.027，漲幅達4.95%，期間43.12%區域生態環境質量得到改善。

（2）礦區變化對遷安市生態環境質量影響明顯。遷安市自2000年礦業井噴式發展，2008年開始進行生態修復至今，其變動軌跡與RSEI變化大體相符，證明礦業活動是遷安市環境質量變化的主要驅動力。2013—2018年RSEI變化與礦業活動有所差異，表明城鎮化建設也是遷安市生態環境變化的驅動力之一。

（3）RSEI中NDVI占比最大，說明植被覆蓋度是影響遷安市生態環境質量的主要因素，提高植被覆蓋度是改善礦區及區域環境質量的有效措施；其中NDBSI作為逆向指標變化較大，表明干度是遷安市近年來生態環境惡化的主要原因。

綜上分析，礦業活動及礦區生態修復是影響礦區城市生態環境質量的重要因素。在未來發展中，調整礦產資源開發空間布局，構建礦產資源開發空間治理體系，并改進礦山開采技術及工藝，完善礦區生態修復政策，實現礦區生態環境終端治理向源頭治理轉變，將成為開展礦區城市生態文明建設和實現礦業可持續發展的重要保障。本研究對區域性礦業生態擾動進行了分析，但受遙感數據分辨率限制，大量小型礦區信息未能進行精細提取，后續工作中，將進一步結合高分辨率遙感影像進行相關分析，提高信息的提取精度。