基于RS和GIS的邯鄲礦區(qū)土地利用變化研究

楊宏兵 董霽紅 陳建清 王佳潔 鞠軍

摘要：本文以邯鄲礦區(qū)為研究對(duì)象，利用遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）對(duì)礦區(qū)的土地利用變化特征做出了定量分析，通過對(duì)三個(gè)時(shí)相的LandsatTM(1990年、2000年、2010年)影像進(jìn)行解譯，利用的GIS的疊加分析功能，分析邯鄲礦區(qū)近20年來的土地利用變化情況，為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和人類生存環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，推進(jìn)邯鄲礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)提供借鑒。

關(guān)鍵字：RS GIS 礦區(qū) 土地利用變化

1. 引言

采礦業(yè)的發(fā)展必然伴隨著土地利用的不斷變化，傳統(tǒng)的土地利用調(diào)查方式已不能滿足信息獲取的要求，遙感技術(shù)具有覆蓋面積大、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)、周期短以及數(shù)據(jù)精確、費(fèi)用低、省時(shí)省力等特點(diǎn)，能直接監(jiān)測土地利用動(dòng)態(tài)變化，客觀的掌握土地利用變化信息[1]。本文以Landsat5影像進(jìn)行土地利用變化的分類解譯，結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對(duì)邯鄲礦區(qū)近20年來的土地利用幅度、土地利用動(dòng)態(tài)度以及土地利用程度變化情況進(jìn)行了定量分析。邯鄲礦區(qū)礦產(chǎn)資源的開采過程，也是對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞過程，其中土地破壞是最為明顯的生態(tài)破壞，使本來就脆弱的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)承受著嚴(yán)峻的壓力[2]。采礦造成了對(duì)土地資源的破壞，引發(fā)土地利用方式和土地利用結(jié)構(gòu)的變化。利用RS、GIS技術(shù)研究礦區(qū)這一特殊地理區(qū)域土地利用演化規(guī)律，對(duì)礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和土地資源優(yōu)化利用具有重要的指導(dǎo)意義。

2. 研究區(qū)概況

邯鄲礦區(qū)位于河北省南部，京廣鐵路西側(cè)，太行山東麓。礦區(qū)地跨邯鄲市所轄的峰峰礦區(qū)、邯鄲縣、武安市以及邢臺(tái)市所轄的沙河市。礦區(qū)東至鼓山和京廣鐵路；西至九山；南至滏陽河、北至邑城河。東西寬約31.5km，南北長約33.4km，礦區(qū)規(guī)劃面積957.09km2，現(xiàn)有生產(chǎn)礦井井田面積131.35km2。礦區(qū)地形總趨勢為西高東低，海拔標(biāo)高+100～+850m。西依太行山，東接華北平原，西部為陡峭的斷塊山地，向東逐漸過渡為丘陵、平原。礦區(qū)西部從南向北有中山、低中山和中低山組成，東部有鼓山、紫山、洪山等中低山，大部分為丘陵地帶。本區(qū)地處中緯度地帶，屬半干旱暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，晝夜溫差大。多年平均氣溫為13.4℃；多年月平均氣溫最高為26.9℃(7月份)，最低氣溫為-2.0℃(1月份)；極端最高氣溫為42.5℃，極端最低氣溫為-21.0℃，多年平均日照時(shí)數(shù)為2594h，多年平均無霜期202d，積雪最大厚度14.00 cm～16.00cm，最大凍土深度0.44m。年內(nèi)風(fēng)向多為南風(fēng)和西北風(fēng)，最大風(fēng)速20m/s。年平均降水量為562.7mm。歷年最大降水量為1575.3mm(1963年)，歷年最小降水量為220.0mm(1986年)，降水年內(nèi)分布也很不均勻，主要降水集中在夏季，汛期一般在6～9月份，降水量占全年總量的76%，春秋兩季常出現(xiàn)少雨天氣，往往造成嚴(yán)重干旱。

3. 研究方法

3.1數(shù)據(jù)來源

本次研究選擇1990、2000和2010年的30米分辨率的TM遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，用于影像解譯和景觀格局信息的提?。惠o以2010年的Spot5數(shù)據(jù)、2006年的1:5000的土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)據(jù)、2000年1:50000地形圖來增加人機(jī)交互解譯的準(zhǔn)確性并進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。選用遙感數(shù)據(jù)的參數(shù)如下：Landsat TM軌道號(hào)為124-35，3個(gè)時(shí)相的遙感圖像接受日期分別為1990年6月21日；2000年6月24日；2010年6月28日，分辨率為25米。Spot5數(shù)據(jù)軌道號(hào)為278-276，接收與2010年4月13日，全色影像分辨率為2.5米，多光譜影像分辨率為10m。

3.2 遙感影像處理

首先利用ENVI對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，包括幾何校正、影像融合、影像配準(zhǔn)、影像裁剪和影像增強(qiáng)處理幾部分。幾何校正和影像配準(zhǔn)采用二次多項(xiàng)式糾正模型和三次卷積內(nèi)插法進(jìn)行糾正。同名點(diǎn)的數(shù)量不低于20個(gè)，總誤差控制在0.5個(gè)像元之內(nèi)。首先以2010年的spot5為基準(zhǔn)，將2010年的TM與之進(jìn)行精確配準(zhǔn)。然后將相鄰兩期的遙感影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，即以2010年的TM為基準(zhǔn)，將1990年和2000年兩期的TM與之進(jìn)行精確配準(zhǔn)。經(jīng)處理的1990、2000、2010年的遙感影像圖見圖1、圖2和圖3。

然后，采用監(jiān)督分類法中的最大似然法對(duì)遙感影像進(jìn)行分類，在每一次的最大似然監(jiān)督分類中各地類的先驗(yàn)概率取相等。本研究還采用一些輔助數(shù)據(jù)來提高訓(xùn)練樣本選擇的精確性，包括高分辨率的Spot影像，土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖等資料。雖然利用最大似然分類法獲得的分類圖像分類結(jié)果較好，但是由于混合像元、同物異譜以及其他不確定因素影響，往往還需要對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的后處理。本次研究將影像結(jié)果矢量化，以Arcinfo9.3為平臺(tái)，以TM影像為工作底圖，利用影像數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)相結(jié)合顯示的功能，根據(jù)遙感影像的分類結(jié)果，通過目視解譯的方法對(duì)遙感影像進(jìn)行矢量化，得到各年份的土地利用類型圖，見圖4、圖5和圖6。

3.3土地利用類型劃分

在土地利用分類中，要考慮到影像的實(shí)際可解譯能力和礦區(qū)的土地利用特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分類。在劃分過程中要適當(dāng)與土地利用分類系統(tǒng)靠近，以便于利用遙感技術(shù)對(duì)土地利用圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新[3]。

基于研究條件與研究目標(biāo)要求，本次研究根據(jù)TM及Spot影像的實(shí)際可解譯能力和邯鄲礦區(qū)土地利用特點(diǎn)，參考第二次全國土地調(diào)查的分類標(biāo)準(zhǔn)，將邯鄲礦區(qū)土地利用類別分為：耕地、林地、草地、工礦倉儲(chǔ)用地、住宅用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地共7類。需要說明的是，林地包括有林地和灌木林地，工礦倉儲(chǔ)用地包含工業(yè)用地、采礦用地和倉儲(chǔ)用地。住宅用地包括農(nóng)村宅基地和城鎮(zhèn)住宅用地，水域及水利設(shè)施用地包括河流、湖泊、水庫、坑塘水面，塌陷積水也包括在內(nèi)。

4. 研究結(jié)果與分析

4.1邯鄲礦區(qū)各土地利用類型面積的變化幅度

通過分析土地利用面積變化了解邯鄲礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的變化和生態(tài)演替的態(tài)勢。通過對(duì)1990年、2000年、2010年三個(gè)時(shí)相的遙感影像處理結(jié)果分析、利用GIS統(tǒng)計(jì)工具可獲得礦區(qū)的各土地利用類型面積，見表1。1990~2010三期土地利用類型變化趨勢見圖7。

由表1可知，2010年邯鄲礦區(qū)的土地利用類型以耕地、草地、住宅用地為主，三者分別占總土地面積的47.66%、20.52%、19.55%。1990~2000年間，邯鄲礦區(qū)耕地、工礦倉儲(chǔ)用地、住宅用地、交通運(yùn)輸用地、水域面積有所增加，林地、草地、水域用地面積有所下降。其中，耕地面積增加最大，面積增加了59.87km2，幅度為6.25個(gè)百分點(diǎn)；工礦倉儲(chǔ)用地面積增加了1.14km2，幅度為0.12個(gè)百分點(diǎn)；住宅用地面積增加了7.92km2，幅度為0.82個(gè)百分點(diǎn)，住宅用地的增加，主要是近年來人口增長的壓力和城市化進(jìn)程加快所致；交通運(yùn)輸用地面積增加了4.98km2，幅度為0.52個(gè)百分點(diǎn)；水域用地面積增加了0.18km2，幅度為0.02個(gè)百分點(diǎn)。研究表明，耕地的增加主要是本區(qū)農(nóng)業(yè)大開發(fā)造成的，大量閑置土地被用來復(fù)墾為農(nóng)業(yè)用地。林地、草地面積減少，主要是礦區(qū)進(jìn)一步開采造成的。2000~2010年間，邯鄲礦區(qū)耕地、工礦倉儲(chǔ)用地、住宅用地、交通運(yùn)輸用地繼續(xù)增加。其中，耕地增加了42.92km2，增加了4.49個(gè)百分點(diǎn)；工礦倉儲(chǔ)用地面積增加了2.13km2，幅度為0.22個(gè)百分點(diǎn)；住宅用地面積增加了23.33km2，幅度為2.44個(gè)百分點(diǎn)；交通運(yùn)輸用地面積增加了8.09km2，幅度為0.85個(gè)百分點(diǎn)；水域用地面積增加了0.31km2，幅度為0.03個(gè)百分點(diǎn)。主要是近年來人口增長的壓力和城市化進(jìn)程加快所致。林地、草地繼續(xù)保持減少的趨勢。由圖2可知，1990~2010年期間，邯鄲礦區(qū)耕地、住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地、水域用地面積呈不斷增加的趨勢，林地、草地積呈不斷減少的趨勢。

4.2 邯鄲礦區(qū)土地利用變化的速度

土地利用的動(dòng)態(tài)度可以定量描述區(qū)域土地利用變化的速度，它給比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測未來土地利用變化趨勢具有積極的作用[4]。

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度表達(dá)的是區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某一種土地利用類型數(shù)量變化情況，即表示土地利用類型在監(jiān)測初期至監(jiān)測末期之間數(shù)量的年均變化速率。

式中， K—為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度，K值是該評(píng)價(jià)區(qū)某種土地利用類型年變化率；LUa,LUb,—分別為研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數(shù)量；T—為研究時(shí)段長，當(dāng)?shù)臅r(shí)段設(shè)定為年時(shí)。

區(qū)域綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可描述區(qū)域土地利用變化的速度，值是區(qū)域綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，主要用以反映某一研究時(shí)段內(nèi)，評(píng)價(jià)區(qū)的各種地類動(dòng)態(tài)變化的總體情況，其計(jì)算公式為：

式中，LUi—為監(jiān)測起始時(shí)間第i類土地利用類型面積；—為監(jiān)測時(shí)段內(nèi)第類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值；T—監(jiān)測時(shí)段長度。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)。

根據(jù)公式計(jì)算出邯鄲礦區(qū)7種土地利用類型的年變化率，具體見表2。從表2可以看出，1990年～2010年，評(píng)價(jià)區(qū)的土地利用/覆蓋變化的土地利用動(dòng)態(tài)度，反映出評(píng)價(jià)區(qū)近20年的土地利用動(dòng)態(tài)變化程度。從1990-2000年，評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)的林地、草地、水域用地的土地利用動(dòng)態(tài)度為負(fù)，表明這種土地利用類型的在這十年中總體上減少的趨勢，其中草地的動(dòng)態(tài)度最小，表明其減少比例最強(qiáng)；耕地、住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地的動(dòng)態(tài)度為正，表明這些土地利用類型在在這十年中總體上呈增加趨勢；其中交通運(yùn)輸用地土地利用動(dòng)態(tài)度最高，表明城市道路的面積增加比例最高。從2000-2010年，林地的動(dòng)態(tài)度由之前十年的負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，表明林地由上一個(gè)十年的減少趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾于厔荩幌啾壬弦粋€(gè)十年，這十年草地土地利用類型的面積的減少比例加大，工礦倉儲(chǔ)用地面積大大增加。

由表3可知，評(píng)價(jià)區(qū)的2000-2010年的土地利用/覆蓋變化度高于1990-2000年，土地利用/覆蓋類型變化較為劇烈。這與土地開發(fā)利用與較大的關(guān)系，2000年以前占主要類型的耕地面積增加幅度較小，前一時(shí)段的土地利用/覆蓋變化度小。

4.3邯鄲礦區(qū)土地利用程度變化

土地利用程度研究方法是通過數(shù)量指標(biāo)體系來表達(dá)。將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下自然平衡保持狀態(tài)分為4級(jí)，并分級(jí)賦予指數(shù)（表4.2-1），通過每級(jí)土地利用類型在研究區(qū)中所占的百分比乘以其分級(jí)指數(shù)，然后進(jìn)行加權(quán)求和，得到土地利用程度。土地利用程度的定量表達(dá)如下：

利用賦予的分級(jí)指數(shù)，可以得到土地利用程度的定量化表達(dá)式:

式中，LD—是土地利用程度綜合指數(shù)；

Ai—為第i類土地利用程度分級(jí)指數(shù)；

Ci—為第i類土地面積占整個(gè)區(qū)域的面積比例。

1990、2000、2010年土地利用程度結(jié)果見表5。邯鄲礦區(qū)的土地利用程度均呈增加的趨勢，表明人類活動(dòng)對(duì)各區(qū)的干擾強(qiáng)度越來越大。邯鄲礦區(qū)的土地利用程度從1990-2000年變化不大，2000年以后呈突然增加的趨勢。表明比起1990-2000的十年，在2000-2010的十年，邯鄲礦區(qū)受人類活動(dòng)的影響較為強(qiáng)烈，主要原因是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)土地的需求加大造成的。

5結(jié)論與探討

邯鄲礦區(qū)在1990～2010年期間，土地利用發(fā)生了很大的變化。1990~2000年間，從邯鄲礦區(qū)土地利用變化的幅度來看，耕地、住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地、水域用地屬于擴(kuò)展型，總面積逐年增長；其中，耕地有較大幅度的增加，共增加了59.87 km2；住宅用地面積也有大幅增加，10年內(nèi)增加了7.92km2；而林地、草地屬于縮減型，即總面積逐漸減少，其中，草地面積大幅度減少，共減少了67.59km2。林地面積10年期間共減少了6.50km2；另一方面，從土地利用變化的速度來看，1990~2000年間，邯鄲礦區(qū)土地利用的年變化率為1.57%，其中交通運(yùn)輸用地年變化率最大，達(dá)到了2.65%；耕地、住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地、水域用地分別以平均每年1.69%、0.64%、0.09%、0.16%的速度在增加。而林地和草地面積分別以年變化率0.90%、2.07%的速度減少。2000~2010年間，耕地、住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地、水域用地總面積逐年增長；其中，耕地有較大幅度的增加，共增加了42.92km2；住宅用地也有大幅增加，增加了23.33km2；工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地和水域用地分別增加了2.13、8.09、0.31km2。而林地、草地總面積仍繼續(xù)減少，其中林地10年期間共減少了14.68km2，草地總面積減少了62.10km2、水域用地面積減少為3.39km2。另一方面，從土地利用變化的速度來看，近10年邯鄲礦區(qū)土地利用的年變化率為1.68%，其中交通運(yùn)輸用地年變化率最大，達(dá)到了3.40%；耕地、住宅用地、工礦倉儲(chǔ)用地、水域用地面積分別以平均每年1.04%、1.63%、1.72%、0.16%的速度在增加。而林地、草地面積不斷減少，其中：草地減少速度最快，以年變化率2.40%的速度減少，林地以年變化率2.23%的速度減少。

邯鄲礦區(qū)的土地利用程度均呈增加的趨勢，表明人類活動(dòng)對(duì)各區(qū)的干擾強(qiáng)度越來越大。評(píng)價(jià)區(qū)的土地利用程度從1990-2000年變化不大，2000年以后呈突然增加的趨勢。表明比起1990-2000的十年，在2000-2010的十年，評(píng)價(jià)區(qū)受人類活動(dòng)的影響較為強(qiáng)烈。

上述研究可以得出以下結(jié)論，對(duì)該區(qū)的生態(tài)修復(fù)具有借鑒意義：

（1）發(fā)展生態(tài)工業(yè)園，打造工業(yè)強(qiáng)區(qū)

從1990~2000年，邯鄲礦區(qū)建設(shè)用地有較大的增長。其中：工礦倉儲(chǔ)用地增加了0.12%、交通運(yùn)輸用地增加了0.52%、住宅用地增加了1.03% 。工礦倉儲(chǔ)用地增加的原因主要是采礦業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。從2000~2010年，隨著城市化水平的不斷提高，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建設(shè)用地面積迅速增加。工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地、住宅用地分別增加了0.22%、0.85%和2.82%。邯鄲礦區(qū)依托其在能源、礦產(chǎn)、土地、勞動(dòng)力資源等方面的優(yōu)勢和良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，以及便捷的交通網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮比較優(yōu)勢和后發(fā)優(yōu)勢，逐漸形成以機(jī)械、建材、巖金、食品產(chǎn)業(yè)為支柱，科技含量高和具有一定規(guī)模的工業(yè)經(jīng)濟(jì)布局。因此，要對(duì)工業(yè)生態(tài)區(qū)進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)原材料的充分利用和工業(yè)廢棄物的再利用，減少工業(yè)污染對(duì)環(huán)境的影響，形成生態(tài)工業(yè)園。

（2）對(duì)塌陷積水區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)

通過對(duì)各年度土地利用類型分析，水域是一個(gè)重要的組成部分。水域面積從1990年的2.02%上升到2010年的2.07%，面積增加了0.49km2，隨著礦區(qū)開采的進(jìn)一步擴(kuò)展，該區(qū)域水體面積將繼續(xù)增加。而污染的水體對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境影響較大，因此對(duì)水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)勢在必行。進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)，要因地制宜，采用適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)修復(fù)措施對(duì)塌陷積水區(qū)進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于常年積水區(qū)、積水深、積水面積大的，可修復(fù)為濕地公園。積水面積小，采用水域生態(tài)修復(fù)技術(shù)，發(fā)展基塘生態(tài)農(nóng)業(yè)或水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。季節(jié)性積水容易造成土壤潛育化和鹽漬化，可采取適當(dāng)?shù)耐寥栏牧即胧?，并選擇合適的經(jīng)濟(jì)作物品種種植。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉紀(jì)元.中國資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動(dòng)態(tài)研究［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1996．

［2］ 武強(qiáng).礦山環(huán)境研究理論研究與實(shí)踐［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005.

［3］ 陳菁.基于遙感和GIS的莆田市土地利用變化分析［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，30(1)：184－187．

［4］ 張帆.玉溪市中心城區(qū)土地利用布局及其優(yōu)化研究［J］.云南環(huán)境科學(xué)：2000，19(8)：67－79．