基于遙感的礦山環(huán)境變化分析研究的應(yīng)用
——以杭州閑湖城礦山為例

陳喜芬，吳文淵＊，鄭瑤瑤，傅顯浩，孫靜怡

（杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 311121）

在上個世紀(jì)90年代以前，杭州市閑林區(qū)內(nèi)礦山大部分為建筑石料等礦山，余杭區(qū)歷史上開采的礦坑有220個，不同程度地影響著地形地貌、植被、生態(tài)環(huán)境和土地資源。隨著余杭閑林地區(qū)城市建設(shè)的發(fā)展，廢棄后的礦山環(huán)境改善，最為典型的就是東海閑湖城研究區(qū)所在的礦山，得到了環(huán)境保護(hù)利用和開發(fā)。尤其近年來，礦山的分布面積縮小，礦區(qū)得到了重建，變成了樓盤及水體，土地資源得到了較好的開發(fā)和利用[1-5]。

遙感技術(shù)的快速發(fā)展使得“多點位”、“多波段”“多時相”“多高度”的獲取和“多次增強”遙感信息處理的特征，為礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究工作提供了可靠的技術(shù)支持。近年來，不少研究工作者以遙感影像為基礎(chǔ)，對礦山開展了監(jiān)測分析研究，對廢棄后的尾礦環(huán)境處理和治理建立了礦山環(huán)境遙感監(jiān)測的工作，為環(huán)境的治理保護(hù)和廢棄礦山土地資源的利用開發(fā)提供了較為重要的信息基礎(chǔ)[6-14]。

本文以杭州市余杭區(qū)閑湖城礦山研究區(qū)為研究區(qū)域，使用1964年的鎖眼衛(wèi)星Keyhole影像并結(jié)合1990年的Landsat TM影像、2000年的Landsat ETM+影像、2010年的Landsat TM影像和2018年的高分一號GF-1遙感影像，對54年來杭州閑林閑湖城礦山地區(qū)進(jìn)行礦山環(huán)境變化分析研究，提取了近60年來的土地利用類型變化情況，利用遙感技術(shù)對礦山環(huán)境開展了監(jiān)測研究，為礦山環(huán)境保護(hù)的監(jiān)測工作提供了應(yīng)用示例和方法。研究使用的美國鎖眼偵查衛(wèi)星（Keyhole）于20世紀(jì)60年代開始運行，具有成像時間早分辨率高的特點，較好地還原了局部地區(qū)礦山環(huán)境的歷史信息，為遙感監(jiān)測礦山環(huán)境提供了有力的歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況及遙感數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于余杭閑林鎮(zhèn)，地處浙江省東北部，礦山資源豐富，主要有大理石礦、鉬鐵礦、麥飯石礦、石灰和水泥石礦等，其中研究區(qū)中為鉬鐵礦礦坑，上個世紀(jì)末，余杭區(qū)閑林礦山大多廢棄了，礦山土地復(fù)墾和恢復(fù)治理等工作不容忽視。

本次研究針對礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測狀況和變化情況，通過5期遙感影像，選取了1964年的鎖眼衛(wèi)星Keyhole影像，1990年的Landsat TM影像、2000年的Landsat ETM+影像、2010年的Landsat TM影像，2018年的高分一號遙感影像（圖1），進(jìn)行礦山環(huán)境保護(hù)的監(jiān)測工作。

圖1 1964年～2018年遙感影像圖

圖2 1964年～2018年杭州閑湖城研究區(qū)地物類型分布圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文所用的主要數(shù)據(jù)為覆蓋閑林礦山區(qū)的5期遙感影像，對1964年的鎖眼衛(wèi)星影像做了正射校正、幾何精校正等預(yù)處理工作，對1990年11月9日、2000年10月11日、2010年5月24日的Landsat影像做了大氣校正、幾何精校正等預(yù)處理工作，對2018年5月3日的高分影像做了正射校正、幾何精校正等預(yù)處理工作。

2.2 礦區(qū)地物類型分類

為了更好的識別礦物地物變化和監(jiān)測礦區(qū)環(huán)境保護(hù)變化，工作中在研究區(qū)選取了城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地、林地、水體、礦山用地等五大地物類型，對五期影像進(jìn)行分類。

對1990年、2000年和2010年的Landsat TM影像結(jié)合輔助數(shù)據(jù)，包括NDVI植被指數(shù)、NDWI水體指數(shù)、NDBI城鎮(zhèn)指數(shù)等相應(yīng)指數(shù)影像，通過最大似然法的方法對地物進(jìn)行了分類，并利用實地采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行混淆矩陣的精度評估，3期遙感影像分類精度分別為90.67%，90.65%和93.98%。1964年的鎖眼衛(wèi)星采用監(jiān)督分類及目視解譯的方式，對影像進(jìn)行了地物分類。分類精度達(dá)到90.22%。GF-1遙感影像使用面向?qū)ο蠓诸惖姆绞剑诸惥冗_(dá)到93.59%。

2.3 礦區(qū)地物類型變化分析

工作中對分類后的地物類型數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換矩陣變化分析，得到了1964年～1990年礦區(qū)地物類型變化情況，1990年～2000年礦區(qū)地物類型變化情況，2000年～2010年礦區(qū)地物類型變化情況，2010年～2018年礦區(qū)地物類型變化情況，以及完成了1964年～2018年礦區(qū)地物類型變化的總情況研究。

表1 閑湖城研究區(qū)1964年～1990年地物類型變化矩陣

表2 閑湖城研究區(qū)1990年～2000年地物類型變化矩陣

表3 閑湖城研究區(qū)2000年～2010年地物類型變化矩陣

表4 閑湖城研究區(qū)2010年～2018年地物類型變化矩陣

表5 閑湖城研究區(qū)1964年～2018年地物類型變化矩陣

3 結(jié)果與討論

利用遙感分類和解譯的方法提取了1964年、1990年、2000年、2010年和2018年5期遙感影像的研究區(qū)的5種地物類型，得到了杭州閑湖城研究區(qū)地物類型分布圖（圖2）。

分類后的影像數(shù)據(jù)通過地物類型變化分析，得到了1964年～1990年、1990年～2000年、2000年～2010年、2010年～2018年以及1964年～2018年礦區(qū)地物類型變化結(jié)果（詳見表1～5）。

1964年～1990年（表1）礦區(qū)面積擴(kuò)張，總增幅達(dá)23.793%，礦區(qū)面積的增長主要從1964年的林地、草地及居民地轉(zhuǎn)化而來；說明1964年～1990年間，閑湖城的礦山開礦擴(kuò)張，不少林地、草地及居民地被開發(fā)成了礦山，同時城鎮(zhèn)建設(shè)用地和水體面積也有明顯增長幅度，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地增幅達(dá)85.632%，水體面積增長達(dá)167.91%，主要是由1964年的草地和林地變成了城鎮(zhèn)用地和水體，人為因素及生產(chǎn)建設(shè)對生態(tài)環(huán)境有一定的影響。

1990年～2000年（表2），林地較大幅度減少，減少總幅為24.641%；水體也在減少，從1964年～1990年其面積的占比減少63.415%，林地和水體均轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地和草地。礦區(qū)的1.316%轉(zhuǎn)化未來城鎮(zhèn)建設(shè)用地。草地面積增長8.451%，其中50.372%由林地轉(zhuǎn)化而來。閑林這個時期內(nèi)礦區(qū)整改的相關(guān)條例有一定的成效，體現(xiàn)在礦區(qū)面積增加較少，同時草地的面積較1990年有所增加，草地面積增加但是林地和河流、湖泊的面積減少。

2000年～2010年（表3），水體的面積增加明顯，增加了421.951%，其中由城鎮(zhèn)建筑用地轉(zhuǎn)化為水域面積的比例最大，占總變化量的57.243%，其次林地面積增幅為76.99%，平均每年增加7.69%，居民地面積持續(xù)增長。從2000年開始，杭州市余杭區(qū)開始土地整改，截至2010年底，全區(qū)除正在開采的7家礦山外，還有260多家已關(guān)停的露采廢棄礦山。研究中根據(jù)多個時段土地類型變化分析研究表明，杭州市閑林的礦上周圍環(huán)境變化主要驅(qū)動力為城市擴(kuò)展的社會因素，礦區(qū)和草地、林地均轉(zhuǎn)換為居民地，城市土地利用類型的規(guī)劃方案及相關(guān)政策直接影響了礦山環(huán)境變化。

2010年～2018年（表4）林地和水體面積增長明顯，其中林地面積的增長9.818%，水體增長10.124%，居民地面積總增長1.899%；草地面積減少21.287%。從2011年浙江余杭區(qū)人民政府提出的《杭州市余杭區(qū)礦產(chǎn)資源規(guī)劃》中提出礦山自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)：加強停采露天礦山，尤其是在城市周邊、交通要道、主要旅游景區(qū)的礦上治理，采取邊坡復(fù)綠方法，消除視覺污染和地質(zhì)災(zāi)害隱患，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境；以資源轉(zhuǎn)換為手段，將開采后的礦山資源向建設(shè)土地、旅游用地等資源轉(zhuǎn)換，提高礦地綜合利用率和利用價值。及采取的另外一系列措施進(jìn)行礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用與保護(hù)，通過調(diào)整礦山布局、有效保護(hù)和利用礦產(chǎn)資源、提高礦地綜合利用水平，促進(jìn)“環(huán)境立區(qū)”戰(zhàn)略發(fā)展。以杭州閑林閑湖城研究區(qū)為例，從10年開始林地的覆蓋面積及水體的覆蓋面積都保持著增長的趨勢，8年來分別增加9.818%和10.241%。

1964年～2018年（表5）增加最明顯的是水體增長288.051%，居民地增加81.306%，林地的面積增加76.931%，草地的面積減少幅度巨大為63.771%。水體面積的增加主要由草地、礦區(qū)和城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化而來，由草地轉(zhuǎn)化而來的占總變化面積的占50.174%，礦區(qū)土地轉(zhuǎn)化而來的占總變化面積的33.523%，城鎮(zhèn)建設(shè)土地類型轉(zhuǎn)化而來的占11.506%。城鎮(zhèn)建設(shè)用地主要由草地、礦區(qū)和林地轉(zhuǎn)化而來，草地轉(zhuǎn)化量占總變化量的75.285%，由礦區(qū)轉(zhuǎn)化而來的為10.2%，林地轉(zhuǎn)化量占總變化量的9.036%。

4 總結(jié)

本文使用1964年的鎖眼衛(wèi)星影像、1990年、2000年、2010年的4期landsat TM、ETM+影像和2018年的高分衛(wèi)星影像，研究了50多年來杭州余杭閑林地區(qū)的土地利用類型情況，土地利用類型分類精度達(dá)到90%以上。通過地物類型的轉(zhuǎn)移矩陣，分析不同時期內(nèi)礦山的分布情況及礦山環(huán)境的變化情況，分析了1964年～2018年間杭州閑林閑湖城礦山研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化情況，礦區(qū)面積逐年減少，最終消失，成為了居民地、水域、草地和林地。90年代以前礦山的開發(fā)擴(kuò)張，但2000年以后，隨著生態(tài)意識的提高，資源的綜合利用力度加大，研究區(qū)礦山廢棄，同時環(huán)境得到了較好的整治和改善。