古交市礦區(qū)土地覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究

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古交市礦區(qū)土地覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究

李宏宏

(山西焦煤集團(tuán) 投資有限公司資源地質(zhì)部，山西太原030021)

摘要為了研究礦區(qū)土地覆蓋的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以古交礦區(qū)為研究區(qū),通過(guò)監(jiān)督分類(lèi)解譯獲取礦區(qū)1990年、2000年、2010年相同季節(jié)的土地覆蓋類(lèi)型圖。運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣和CA-Markov模型方法分別對(duì)研究區(qū)土地覆蓋類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究和預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：1) 1990—2010年林地的面積持續(xù)增加，年增長(zhǎng)率達(dá)到了5.49%，耕地和草地的面積大幅度減少，尤其是草地的面積，此外城鎮(zhèn)建設(shè)用地和水域輕微減少。2) 2010—2020年耕地和草地的面積進(jìn)一步減少，城鎮(zhèn)和工礦用地以及水域的面積小幅度增加，林地的面積繼續(xù)大幅度增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率達(dá)到了2.18%。

關(guān)鍵詞CA-MARKOV；時(shí)空變化；土地覆蓋類(lèi)型；古交礦區(qū)

收稿日期：2014-11-23

作者簡(jiǎn)介：李宏宏(1985—)，男，山西代縣人，2010年畢業(yè)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦地質(zhì)測(cè)量與防治水等相關(guān)工作

中圖分類(lèi)號(hào)：TD167

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)01-0046-05

AbstractIn order to study the dynamic change rule of land cover in mining area, takes Gujiao mining area as the study area. Through supervised classification and interpretation obtains the land cover type maps of mining area of the same season in 1990, 2000, 2010. By using the transfer matrix method and CA-Markov model to study and predict the dynamic change of land cover type, the results show that 1) from 1990 to 2010 the areas of forest land continue to increase, the annual growth rate is 5.49%, the areas of farmland and grassland reduce drastically, especially the grassland area, in addition, urban construction land and waters decrease slightly. 2) from 2010 to 2020, the areas of arable land and grassland decrease further. Towns, industrial and mining land and water areas increase small. Forest area continues to increase drastically, the annual growth rate reaches 2.18%.

近年來(lái)，因土地覆蓋/土地覆蓋變化 (LUCC) 導(dǎo)致的全球環(huán)境惡化的問(wèn)題日益突出，目前已成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)組織和學(xué)者研究的首要內(nèi)容[1-7]。針對(duì)礦區(qū)的主要研究成果有胡召玲等用轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)徐州煤礦區(qū)的土地覆蓋變化進(jìn)行的分析[8]，李琳等對(duì)平朔露天礦區(qū)土地覆蓋/覆蓋變化的分析研究等[9]。山西省作為全國(guó)最主要的煤礦基地, 煤礦資源十分豐富，但近年來(lái)在為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長(zhǎng)做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，由于過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致了山西省整體土地資源結(jié)構(gòu)不合理和生態(tài)環(huán)境狀況的惡化, 造成了礦區(qū)人地關(guān)系的緊張。本文以TM遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 采用轉(zhuǎn)移矩陣定量分析的方法研究了古交礦區(qū) 1990—2010年土地覆蓋的動(dòng)態(tài)變化, 并通CA-Markov模型對(duì)礦區(qū)的土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為古交市礦區(qū)的土地管理和生態(tài)環(huán)境的綜合整治與恢復(fù)提供決策參考和數(shù)據(jù)支持, 實(shí)現(xiàn)研究區(qū)土地的長(zhǎng)久可持續(xù)利用。

1 研究區(qū)概括

古交市作為全國(guó)最大的主焦煤生產(chǎn)基地，地處山西省太原市西北部，作為連接省城太原和山西省西北部的現(xiàn)代化工礦城市，已經(jīng)發(fā)展成為呂梁山東麓的交通樞紐和商品集散地。古交市地處北緯37°40′6〃至38°8′9〃，東經(jīng)111°43′8〃至112°21′5＂，東西寬50 km，南北長(zhǎng)53 km，總面積1 551 km2. 全市轄10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和4個(gè)街道辦事處，總?cè)丝?1萬(wàn)。

礦區(qū)地形復(fù)雜，外圍地形較高，多在1 500 m以上。東部廟前山標(biāo)高1 865 m，西南部孤?tīng)斏綐?biāo)高2 202 m，區(qū)內(nèi)標(biāo)高一般多在1 000~1 350 m.礦區(qū)最低處寨上村汾河河谷，標(biāo)高958.40 m.礦區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，雨量集中于7—9月，近年最大降雨量為632 mm.氣溫晝夜變化大，最高氣溫達(dá)40 ℃，最低為-20 ℃，自10月至翌年4月為結(jié)冰期，凍土深度為0.5~0.8 m.此外礦區(qū)交通發(fā)達(dá),太(原)古(交)鐵路從太原市汾河站至古交西曲站41 km，往西穿過(guò)礦區(qū)經(jīng)鎮(zhèn)城底至嵐縣，嵐縣經(jīng)方山至呂梁段正在建設(shè)中。從太原市區(qū)通往礦區(qū)的盤(pán)山公路長(zhǎng)56 km，古交至清徐也有公路相通。研究區(qū)概況見(jiàn)圖1.

2數(shù)據(jù)源和土地覆蓋類(lèi)型提取

本研究從地理空間數(shù)據(jù)云上獲取了 1990年、2000年和 2010 年3期landsat4-5的多光譜遙感影像，在ENVI5.0下將3期TM遙感影像以不同波段組合，并按照古交市的行政界線對(duì)TM影像進(jìn)行圖像裁剪；同時(shí)進(jìn)行幾何精校正、輻射定標(biāo)、大氣糾正等處理；最后進(jìn)行圖像拉伸處理，以增強(qiáng)影像判讀，利用監(jiān)督分類(lèi)的最大似然法，結(jié)合 GoogleEarth 工具進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯，獲取研究區(qū)1990年、2000年和 2010 年3期的礦區(qū)土地覆蓋圖，見(jiàn)圖2，kappa系數(shù)達(dá)到了0.8以上，分類(lèi)精度超過(guò)了85%，參照研究區(qū)第二次土地調(diào)查圖，表明解譯結(jié)果精度良好。

圖1　研究區(qū)概況圖

圖2　1990年、2000年和 2010 年礦區(qū)土地覆蓋類(lèi)型圖

3研究方法

為了對(duì)研究區(qū)的土地覆蓋類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，本研究以各地類(lèi)的面積為研究對(duì)象，進(jìn)而綜合反映區(qū)域土地覆蓋變化。面積變化能夠直觀地反應(yīng)不同土地覆蓋類(lèi)型的總量變化，進(jìn)而可掌握土地覆蓋變化總的規(guī)律和土地覆蓋結(jié)構(gòu)的變化態(tài)勢(shì)。首先根據(jù)1990年、2010年兩期土地覆蓋類(lèi)型圖，在ArcGis 10.0中運(yùn)用GIS的空間分析功能獲取研究區(qū)的轉(zhuǎn)移矩陣，并以此來(lái)分析研究區(qū)土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化，獲取動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，然后利用CA-Markov模型對(duì)研究區(qū)的土地利用類(lèi)型進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲取2020年研究區(qū)土地利用類(lèi)型。

馬爾科夫(Markov)模型俗稱(chēng)空間概率轉(zhuǎn)換模型，它是以馬爾科夫鏈為基礎(chǔ)，研究某一事物或者類(lèi)型的狀態(tài)以及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移規(guī)律的一種隨機(jī)過(guò)程，其主要原理是通過(guò)對(duì)事件某一時(shí)刻T不同狀態(tài)的初始概率以及與T時(shí)刻狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系來(lái)確定T時(shí)刻狀態(tài)變化趨勢(shì)的方法[10]。元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata)，一般簡(jiǎn)稱(chēng)CA是一種具有時(shí)空計(jì)算特征的動(dòng)力學(xué)模型，它是由單元、狀態(tài)、領(lǐng)域及轉(zhuǎn)換4部分組成，主要的特點(diǎn)是時(shí)間、空間、狀態(tài)都非常離散。分布在規(guī)則格網(wǎng)中的任何一個(gè)單元均取有限空間的離散狀態(tài)，遵循同樣的作用規(guī)則，并依據(jù)確定的局部規(guī)則來(lái)做出同步的更新。由于CA模型的狀態(tài)變量是由空間的位置緊密相連，因此，能夠彌補(bǔ)Markov的預(yù)測(cè)，不包括空間分布的缺點(diǎn)，通過(guò)Idrisi軟件中的Markov模塊和CA-Markov模塊將兩者結(jié)合起來(lái)對(duì)土地覆蓋類(lèi)型的變化過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體操作步驟如下：

1) 將研究區(qū)土地覆蓋類(lèi)型圖在ArcGis中轉(zhuǎn)換為ASCII柵格圖，然后在Idrisi中導(dǎo)入，并基于Markov模塊，獲取不同時(shí)間段內(nèi)的土地覆蓋類(lèi)型的轉(zhuǎn)移矩陣。2) 其次確定土地轉(zhuǎn)變適宜性圖集和CA濾波器。土地轉(zhuǎn)變適宜性圖集是約束土地覆蓋的影響因子，選擇地形坡度和道路作為影響耕地、林地和居民地的影響因子，在MCE中獲取土地轉(zhuǎn)變適宜性圖集。CA濾波器的作用是用于產(chǎn)生具有顯著空間特征的權(quán)重因子，本文采用5×5即150 m×150 m范圍內(nèi)的濾波器。3) 最后確定起始時(shí)刻和CA循環(huán)次數(shù)。研究起始時(shí)間是2010年古交市土地覆蓋類(lèi)型分布，設(shè)置CA循環(huán)次數(shù)為10，模擬2020年古交市土地覆蓋類(lèi)型分布狀況。

4結(jié)果與分析

4.1土地利用動(dòng)態(tài)變化特征

根據(jù)1990年和2010年古交市的土地覆蓋評(píng)價(jià)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)20多年來(lái)古交市不同土地覆蓋類(lèi)型的土地覆蓋面積，進(jìn)而反映區(qū)域土地覆蓋變化。面積變化首先反映在不同土地覆蓋類(lèi)型的總量變化上，通過(guò)研究分析土地覆蓋類(lèi)型的總量變化，可了解土地覆蓋變化的總體態(tài)勢(shì)和土地覆蓋類(lèi)型結(jié)構(gòu)的改變。根據(jù)1990年、2010年兩期土地覆蓋類(lèi)型圖，在ArcGIS10中運(yùn)用Spatial Analysis的功能，獲取古交市20多年來(lái)的土地覆蓋類(lèi)型面積轉(zhuǎn)移矩陣，見(jiàn)表1.

為便于更好地研究土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的主導(dǎo)因素，本研究在土地覆蓋面積轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上，建立土地覆蓋轉(zhuǎn)換模型，獲取土地覆蓋轉(zhuǎn)移的概率矩陣，不僅可以從定量的角度來(lái)描述古交市礦區(qū)土地覆蓋變化的速度，還能比較土地覆蓋變化的區(qū)域性差異，

表11990—2010年土地覆蓋狀況轉(zhuǎn)移面積表km2

并以此作為基礎(chǔ)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)土地覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)。具體公式如下：

(1)

式中：

S—土地覆蓋類(lèi)型；

i—轉(zhuǎn)變?yōu)橥恋馗采w類(lèi)型j的轉(zhuǎn)換概率；

Lij—土地覆蓋類(lèi)型i轉(zhuǎn)變?yōu)橥恋馗采w類(lèi)型j的面積。

根據(jù)式(1)計(jì)算出土地覆蓋轉(zhuǎn)換概率矩陣，見(jiàn)表2.

表21990—2010年土地覆蓋轉(zhuǎn)換概率矩陣表%

為了更好地了解土地覆蓋的年變化規(guī)律，引入單一土地覆蓋類(lèi)型動(dòng)態(tài)度，其表達(dá)式為：

(2)

式中：

M—單一土地覆蓋類(lèi)型動(dòng)態(tài)度；

T—某一研究時(shí)段；

Aa—研究期初的某一種土地覆蓋類(lèi)型面積；

Ab—研究期末的某一種土地覆蓋類(lèi)型面積。

根據(jù)公式(2)計(jì)算出古交市土地覆蓋類(lèi)型的年變化率表,見(jiàn)表3.

表31990年、2010年土地覆蓋類(lèi)型年變化率表

由表1，表2，表3可以看出，古交市近20多年來(lái)的土地利用變化過(guò)程，只有林地的面積大幅度增加，草地面積大幅度減少，此外耕地、城鎮(zhèn)及工礦用地和水域面積是逐漸減少的。其中草地的年均減少率為1.98%，面積由1990年的366.95 km2減少到206.82 km2，凈減少160.13 km2，減少幅度為43.64%.草地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾土值?，轉(zhuǎn)移概率為28.79%和30.71%，轉(zhuǎn)移面積105.66 km2和112.70 km2，主要原因是土地整理等政策所致。耕地年變化率0.91%，整體而言耕地的面積變化不大，凈減少了151.93 km2.從轉(zhuǎn)移矩陣類(lèi)型來(lái)看，耕地主要轉(zhuǎn)出類(lèi)型為林地，轉(zhuǎn)移概率為30.21%，主要原因是由于國(guó)家倡導(dǎo)的退耕還林和土地整治，礦區(qū)復(fù)墾等政策的影響。城鎮(zhèn)建設(shè)用地和水域變化不大。城鎮(zhèn)建設(shè)用地年變化率-0.30%，凈減少了5.54 km2，主要是受?chē)?guó)家政策土地整治和礦區(qū)恢復(fù)治理等政策的引導(dǎo)，轉(zhuǎn)換為了耕地。水域減少了6.87 km2，年減少率為0.74%，主要轉(zhuǎn)換為了耕地。林地的面積受到國(guó)家退耕還林和草地開(kāi)荒，水土保持等政策的引導(dǎo)，近20多年來(lái)增加了325.47 km2，年增長(zhǎng)率達(dá)到了5.49%，主要的來(lái)源是草地和耕地，轉(zhuǎn)換率達(dá)到了30.21%和30.71%，轉(zhuǎn)換了228.66 km2和112.70 km2.以上變化表明，古交市20多年來(lái)的土地利用變化主要是林地面積的增加及城鎮(zhèn)建設(shè)用地和水域輕微減少，此外是草地和耕地的大量減少。

4.2基于CA-Markov土地覆蓋動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

4.2.1模擬精度檢驗(yàn)

以古交市1990年、2000年兩年的土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用CA-Markov模型獲取2010年土地覆蓋類(lèi)型預(yù)測(cè)圖，與實(shí)際解譯的2010年土地覆蓋類(lèi)型分布圖進(jìn)行面積對(duì)比，獲取誤差對(duì)比表見(jiàn)表4.由表4可以看出，面積誤差最大為11.81%，最小為0.16%，精度接近90%.因此，可以用CA-Markov模型來(lái)預(yù)測(cè)古交市土地利用類(lèi)型變化。

表42010年土地覆蓋類(lèi)型模擬精度評(píng)價(jià)表

4.2.2研究區(qū)2020年土地覆蓋類(lèi)型模擬結(jié)果

根據(jù)上述的研究，在IDRISI 軟件中的 CA-Markov模塊下，依次輸入2010年古交市土地覆蓋類(lèi)型分布圖、2000—2010年古交市土地覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)移面積矩陣，以及2010年土地轉(zhuǎn)變適宜性圖集，對(duì)古交市2020年的土地覆蓋類(lèi)型狀況進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)圖3和表5.

圖3　古交市礦區(qū)2020年土地覆蓋類(lèi)型圖

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，到2020年受到國(guó)家政策的影響，礦區(qū)耕地和草地的面積進(jìn)一步大幅度減少，年減少率為1.74%和2.27%，凈減少面積115.74 km2和51.76 km2. 林地面積繼續(xù)增加，年增長(zhǎng)率達(dá)到了2.18%，凈增長(zhǎng)面積是142.45 km2，主要是由于退耕還林等政策的影響，轉(zhuǎn)入的類(lèi)型主要是耕地和草地。城鎮(zhèn)和工礦用地以及水域，從1990年到2020年的30多年內(nèi)呈現(xiàn)了一種先減少后增加的趨勢(shì)，其中城鎮(zhèn)增長(zhǎng)幅度最大，達(dá)到了2.67%，凈增長(zhǎng)面積是23.37 km2，主要增長(zhǎng)區(qū)域位于礦區(qū)的西南部；水域變化不大，增長(zhǎng)率僅為0.38%.

表52010年和2020年礦區(qū)土地覆蓋變化狀況表

5結(jié)論

1) 以古交市礦區(qū)為例，通過(guò)監(jiān)督分類(lèi)獲取1990年、2000年、2010年3期土地覆蓋類(lèi)型圖，通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣和CA-Markov模型分別從研究區(qū)的面積、速度和空間分布3方面對(duì)土地覆蓋類(lèi)型的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析；同時(shí)通過(guò)預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證獲取CA-Markov模型面積，精度接近90%，表明CA-Markov模型可以反應(yīng)研究區(qū)土地覆蓋類(lèi)型的動(dòng)態(tài)變化狀況，預(yù)測(cè)結(jié)果可為礦區(qū)土地覆蓋類(lèi)型整治及相關(guān)規(guī)劃的編制提供依據(jù)。

2) 在上述基礎(chǔ)上，利用動(dòng)態(tài)模型對(duì)研究區(qū)1990—2010年的土地覆蓋類(lèi)型進(jìn)行分析，結(jié)果表明：受到國(guó)家退耕還林和土地整理等政策的影響，林地的面積逐年增加，年增長(zhǎng)率達(dá)到了5.49%，主要的轉(zhuǎn)入類(lèi)型為耕地和草地，受此影響耕地和草地的面積大幅度減少，尤其是草地的面積，此外城鎮(zhèn)建設(shè)用地和水域輕微減少。

3) 利用CA-Markov模型對(duì)研究區(qū)2020年的土地覆蓋類(lèi)型進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明耕地和草地的面積進(jìn)一步減少，年減少率為1.74%和2.27%.城鎮(zhèn)和工礦用地以及水域的面積小幅度增加，林地的面積繼續(xù)大幅度增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率達(dá)到了2.18%，凈增長(zhǎng)面積是142.45 km2.

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Research on Space-time Dynamic Change of

Land Coverage in Gujiao Mining Area

LI Honghong

Key words CA-MARKOV; Temporal and Spatial variation; Land cover types; Gujiao mining area