基于3S技術(shù)的采煤沉陷區(qū)土地利用變化分析——以淮北閘河礦區(qū)為例

宮傳剛，嚴(yán)家平，陳孝楊，徐良驥，劉 杰，喻懷君

（1．安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001；2．安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南232001；3．安徽淮北礦業(yè)集團(tuán)公司，安徽 淮北235006）

煤炭作為最重要的礦產(chǎn)資源之一，在我國能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位，然而，煤炭資源在開發(fā)過程中產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)效應(yīng)卻不容忽視［1］。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，我國對(duì)能源和原材料的需求急劇增加，隨之改變和破壞地球表面和巖石圈的自然平衡，產(chǎn)生采煤塌陷區(qū)等一系列人為引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題［2］。目前，3S技術(shù)不僅被廣泛應(yīng)用于土地適宜性評(píng)價(jià)［3］、水質(zhì) 監(jiān)測(cè)［4］、景觀格 局變化分析［5］、碳匯價(jià)值研究［6－8］等多方面，同時(shí)在礦區(qū)土地利用變化分析方面也表現(xiàn)突出［9］。

近年來，我國大部分礦區(qū)采用因地制宜的復(fù)墾辦法對(duì)采煤塌陷區(qū)進(jìn)行治理并取得了顯著的效果。對(duì)于我國這個(gè)土地資源相對(duì)貧乏的國家，這些措施有利于緩解人地矛盾 改善被破壞區(qū)的生態(tài)環(huán)境提高土地利用率等［10，11］。

1 研究區(qū)概況

淮北礦區(qū)已探明的煤炭儲(chǔ)量超過80億t，是我國重點(diǎn)建設(shè)的大型煤炭生產(chǎn)基地之一。多年來，淮北煤礦為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和能源安全做出重要貢獻(xiàn)，但由于煤炭的開采，礦區(qū)環(huán)境的改變和破壞也隨之產(chǎn)生。伴隨著礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的快速增長，對(duì)礦區(qū)塌陷區(qū)的土地復(fù)墾重新利用迫在眉睫［12，13］。

閘河礦區(qū)位于安徽省北部，總面積約200 k m2，屬于淮北市煤炭資源開發(fā)歷史最早的礦區(qū)之一。區(qū)內(nèi)包括楊莊礦、朱莊礦、張莊礦、岱河礦、石臺(tái)礦、朔里礦、袁莊礦、沈莊礦、孟莊礦和毛郢孜礦等多個(gè)煤礦，在煤炭資源開發(fā)之前，礦區(qū)的土地主要以農(nóng)業(yè)用地為主。自上世紀(jì)九十年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和礦區(qū)資源的持續(xù)開采，礦區(qū)內(nèi)土地利用情況發(fā)生顯著變化，其中塌陷塘和矸石山對(duì)土地的浪費(fèi)和破壞顯得尤為突出。為了研究閘河礦區(qū)內(nèi)本世紀(jì)以來土地利用的動(dòng)態(tài)變化情況，本文開展了以下一系列調(diào)查及研究。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2．1 數(shù)據(jù)來源

本次研究采用2000年6月、2006年5月的Landsat5 T M遙感數(shù)字影像和2013年5月的Landsat8 OLI遙感數(shù)字影像，條帶號(hào)均為（122，036）為數(shù)據(jù)源，云量均小于5%。輔助資料為研究區(qū)地形圖、礦區(qū)地面變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、礦區(qū)資源開發(fā)與利用現(xiàn)狀圖?，F(xiàn)場(chǎng)綜合調(diào)查包括地面塌陷區(qū)及塌陷水域分布、塌陷區(qū)土地復(fù)墾及利用情況、復(fù)墾植被類型、地表物質(zhì)組成、復(fù)墾年限等信息。其他信息包括研究區(qū)30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃圖及統(tǒng)計(jì)年鑒等。

2．2 研究方法

研究方法主要采用基于ENVI的遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、目視解譯地面景觀特征提取及其時(shí)空變化分析、研究區(qū)土地利用變化過程分析等3個(gè)方面［14，15］。

利用ENVI 4．8軟件對(duì)影像進(jìn)行幾何精校正，校正的平均誤差控制在0．5個(gè)像元內(nèi)；采用“6S模型”進(jìn)行大氣輻射校正；采用傅立葉變換進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理；根據(jù)研究區(qū)范圍進(jìn)行裁減。

將處理后的遙感影像導(dǎo)出，利用Arc GIS 10．1的空間分析模塊處理 分析研究區(qū)空間數(shù)據(jù)信息結(jié)合遙感分類圖、最新交通圖、地形圖及礦區(qū)CAD圖進(jìn)行矢量化，細(xì)化出每個(gè)礦的塌陷范圍、塌陷水域范圍、治理情況等［16］。

2．3 影像分類

在參考國內(nèi)外的土地利用分類系統(tǒng)后，基于調(diào)查研究區(qū)的土地利用狀況，建立研究區(qū)土地利用／土地覆蓋分類體系，包括水域、建筑用地、林地、耕地、灌草、裸地六大類。通過目視解譯［17］選取訓(xùn)練樣本，并采用最大似然法對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類［18］。

為了驗(yàn)證分類結(jié)果準(zhǔn)確性，采用混合矩陣重采樣的方法來檢驗(yàn)分類結(jié)果［18－19］。Kappa系數(shù)均超過最低標(biāo)準(zhǔn)0．7，表明分類精度較高，見表1。統(tǒng)計(jì)分類后各土地利用類型像元個(gè)數(shù)，結(jié)合影像分辨率計(jì)算出各土地利用類型的面積及所占比例如表2所示。

表1 分類精度匯報(bào)表

表2 2000年、2006年、2013年各土地利用類型的面積及所占比例

3 土地利用變化分析

3．1 土地類型面積變化

對(duì)2000年、2006年、2013年分類后的圖像進(jìn)行比較，可以得出6種土地利用類型在不同時(shí)期的面積變化情況，見表1。研究區(qū)的主要土地利用類型為建筑用地和耕地。2000～2013年這13年間城市建筑面積明顯增加，由2000年的34．10 k m2增加到2006年的72．81 k m2，再增加到2013年的102．52 k m2，分別增加了113．52%和40．80%；耕地面積持續(xù)下降，由2000年的118．91 k m2下降到2006年的88．24 k m2，再下降到2013年的63．71 k m依次降低了25．79%和27．80%水域面積有所下降，由2000年的21．47 k m2下降到2006年的14．82 k m2，再下降到2013年的13．81 k m2，依次降低了30．97%和6．82%；林地、灌草、裸地所占面積很小，變化不大。

礦區(qū)各種土地利用類型在其土地總面積中所占的比例在不同的時(shí)期也有不同變化趨勢(shì)。城市建筑比例變化最為明顯，由2000年的18．86%增加到2006年的40．23%，再增加到2013年的56．66%。耕地面積下降最為明顯，在2000年時(shí)占65．76%，2006年減小到48．76%，2013年又減小到35．21% 水域面積持續(xù)緩慢減小 林地 灌草 裸地面積所占比例很小，比例變化不大。

3．2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

基于ENVI4．8，通過對(duì)礦區(qū)不同時(shí)期的土地利用圖進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，求出各時(shí)期土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)其進(jìn)一步分析土地利用變化過程。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣?yán)玫貓D代數(shù)法求得，

式中：Ai為研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移代碼；Bk為研究區(qū)前一時(shí)期的土地利用情況；Bk＋1為研究區(qū)后一時(shí)期的土地利用情況，如表3、表4所示。

表3 閘河礦區(qū)2000～2006年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 閘河礦區(qū)2006～2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

通過分析土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以得出，林地、灌草、裸地的總面積都很小，對(duì)土地利用變化影響不大。2000～2006年期間，城鎮(zhèn)建筑面積的迅速增加主要來源于耕地，另一部分來源于水域的復(fù)墾，有27．14%的耕地（32．72 k m2）和34．85%的水域（7．35 k m2）轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建筑用地；耕地面積迅速減少，有30．08%轉(zhuǎn)為建筑用地，2．39%轉(zhuǎn)為水域見表3。2006～2013年期間，有38．17%的耕地（33．68 k m2）和32．58%的水域（4．83 k m2）轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建筑用地見表4。

3．3 礦區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀分析

研究區(qū)地下水水位較高，在塌陷區(qū)易形成常年積水區(qū)，且不同季節(jié)面積有所不同，冬季積水面積約為夏季85%。利用2013年5月的數(shù)字遙感影像，基于Arc GIS 10．1的分析、統(tǒng)計(jì)功能對(duì)研究區(qū)現(xiàn)狀分類圖進(jìn)行分析，得出現(xiàn)階段礦區(qū)各礦塌陷情況見表5。

表5 不同礦井分布范圍 地面塌陷及塌陷積水水域分布

由表5可知，隨著煤炭資源的開采，楊莊礦和朔里礦塌陷導(dǎo)致的水域面積較大，其中楊莊礦塌陷面積17．25 k m2，占楊莊礦總面積的53．69%，塌陷水域面積4．27 k m2，占礦區(qū)總面積的13．29%；朔里礦塌陷面積10．97 k m2，占礦區(qū)總面積64．75%，塌陷水域面積4．03公頃，占礦區(qū)總面積的23．79%。岱河礦、袁莊礦、沈莊礦、孟莊礦、毛郢孜礦等礦由于地勢(shì)高、開采煤層薄等原因，使得塌陷水域面積較小，僅占礦區(qū)總面積2%左右。

近年來礦區(qū)開采強(qiáng)度大幅增加，但塌陷區(qū)水體面積卻在緩慢減少，尤其體現(xiàn)在岱河礦、石臺(tái)礦。分析其原因有下：①多煤層礦井，下部煤層的開采主要影響的是原始沉陷區(qū)的塌陷深度，對(duì)沉陷區(qū)面積增大影響不大 ②在沉陷幅度較小的區(qū)域 當(dāng)?shù)卣图瘓F(tuán)多數(shù)采用充填和挖深墊淺的方式進(jìn)行復(fù)墾。隨著復(fù)墾力度的加大，老塌陷區(qū)水域面積逐漸變小。③岱河礦、石臺(tái)礦等北部礦井煤炭資源分布區(qū)有煤層淺、可采煤層厚度小、地勢(shì)高等特點(diǎn)，使得其開采區(qū)塌陷去水域面積較小。

4 土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析

驅(qū)動(dòng)力是指導(dǎo)致土地利用方式和土地利用類型發(fā)生改變的主要因素。影響土地利用類型面積變化的因素主要有自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面。在短時(shí)間尺度內(nèi)，氣候、土壤、水文等驅(qū)動(dòng)力對(duì)耕地面積變化的影響較小不予考慮［20］。在本研究中，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積持續(xù)增加，且有增幅變大的趨勢(shì)。城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化水平和人口等方面［21－22］。以1999～2013年的為例，分析研究區(qū)城鎮(zhèn)迅速擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)力。

4．1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展

近年來，淮北市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到持續(xù)快速的發(fā)展，見表6。2013年，全市生產(chǎn)總值703．7億元，較1999年的96億元增長了633．02%；全市人均生產(chǎn)總值由5 104元增長到32 996元，增加了546．47%；1999年，全市城鎮(zhèn)居民可支配收入2 190元、農(nóng)民人居純收入2 000元，2013年，全市城鎮(zhèn)居民可支配收入22 460元、農(nóng)民人均純收入8 240元，與1999年相比分別上漲了332．76%和312%，城鄉(xiāng)居民收入迅速增加，人民生活水平得到大幅提高。

表6 1999年、2005年及2013年淮北市各項(xiàng)指標(biāo)情況

其中，第一產(chǎn)業(yè)增加42．50億元，增長了193．21%；第 二 產(chǎn) 業(yè) 增 加472．89億 元，增 長 了948．06%；第 三 產(chǎn) 業(yè) 增 加173．81億 元，增 長 了377．72%。煤炭行業(yè)是淮北市的主要工業(yè)，原煤開采量由1999年的2 335萬t增長到2013年的5 356．7萬t，增長了129．41%，煤礦的建設(shè)與發(fā)展對(duì)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。

4．2 人口因素

人口因素是地區(qū)城市化進(jìn)程的最主要因素。1999年淮北市總?cè)丝跀?shù)為186．58萬人，其中農(nóng)業(yè)人口114．38萬人，非農(nóng)業(yè)人口72．2萬人；到2013年，人口總數(shù)增加到214．50萬人，增加了14．96%，其中農(nóng)業(yè)人口122．3萬人，非農(nóng)業(yè)人口92．2萬人，分別增長了6．96%和27．70%，到2013年末淮北城鎮(zhèn)化率達(dá)到58．5%。地區(qū)人口的增長，尤其是非農(nóng)業(yè)人口的增長加劇了城市化的速度，淮北兩大煤炭集團(tuán)員工總數(shù)約14萬人，占淮北市非農(nóng)業(yè)人口的15．2%。煤炭產(chǎn)業(yè)的建設(shè)與發(fā)展為提高城市人口城鎮(zhèn)化起到重要作用

4．3 城市化水平

一個(gè)城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上反映城市化水平。1999年第一產(chǎn)業(yè)在全市國民經(jīng)濟(jì)中的比重為15．1%，到了2013年變?yōu)?．1%，下降了近5成；第二產(chǎn)業(yè)比重由47．0%上升到67．2%，增長了42．98%，其中原煤產(chǎn)量由1999年的2 335萬t增長到2013年的5 356．7萬t，增產(chǎn)129．41%；第三產(chǎn)業(yè)比重由1999年的37．9%下降為2013年的24．7%。淮北市依然是以煤炭為主的煤炭型產(chǎn)業(yè)城市，近年來以煤為經(jīng)濟(jì)主體的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不會(huì)動(dòng)搖。

5 結(jié) 論

1）隨著煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，閘河礦區(qū)不僅加快了城市化進(jìn)程，礦區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化。利用3S技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確、便捷地獲取土地利用及覆蓋的動(dòng)態(tài)變化。

2）通過采取合理的城鄉(xiāng)規(guī)劃和土地環(huán)境整治工程，礦區(qū)的土地仍然得到高效利用。礦區(qū)的土地利用類型從煤炭開采前的以耕地為主變?yōu)殚_采后以建筑用地和耕地兩種類型為主。農(nóng)用地呈逐年下降趨勢(shì)，13年來共減少了55．20 k m2，占2000年的一半以上，建筑用地從2000年到2013年面積翻倍。復(fù)墾后的土地約33%轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地。通過對(duì)部分塌陷水域?qū)嵤┏涮顝?fù)墾工程，塌陷區(qū)地表水域也出現(xiàn)減少趨勢(shì)。林地、灌草、裸地面積變化不大。煤炭資源開發(fā)雖然造成土地資源的毀損，但煤礦企業(yè)和當(dāng)?shù)卣鶕?jù)該區(qū)的煤炭資源賦存與礦山環(huán)境地質(zhì)條件的特點(diǎn)，通過科學(xué)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行合理整治，取得了該區(qū)土地資源高效利用的效果。

3）綜合分析造成閘河礦區(qū)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力，起主導(dǎo)因素是煤炭的開采直接導(dǎo)致土地利用的類型發(fā)生變化，同時(shí)礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和地區(qū)人口的增長對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的需求量劇增，使得農(nóng)田和復(fù)墾后的土地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

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