基于遙感影像的金屬礦區土地利用動態變化分析——以常寧市松柏鎮為例

鄧美容，蔡躍輝，龔 雨

（1.衡陽師范學院 資源環境與旅游管理系，湖南 衡陽 421002；2.湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421008）

0 引 言

常寧市水口山地區礦產資源豐富，是國家著名的金屬礦區，享有“中國鉛都”的美譽，已有上百年的開采歷史。礦產開發和冶煉對用地需求很大，大量的廢渣、廢氣、廢水的處理和排放占用土地；同時廢氣、廢水又對周圍環境有著巨大影響，因此礦區土地利用狀態的變化效率相比其他地區要迅速且多樣［1］。特別是近年來，水口山地區成立了水口山工業園，大型金銅項目和物流倉儲中心正在建設，各級道路不斷拓寬，直接影響了水口山地區的土地利用狀況。

1 研究區概況

常寧市水口山礦區主要分布在松柏鎮內，因此本文的研究以松柏鎮為研究區域。松柏鎮位于常寧市東北部，總面積78.6 km2，耕地1.6×103hm2，國家一級生態防護林2.7×103hm2，現有人口7.6萬，非農業人口5.1萬。歷年來，松柏鎮憑借得天獨厚的地下礦產資源和辛勤勞動，先后進入全國村鎮建設先進鎮、全國百強鄉鎮行列，贏得了“湘南第一鎮”的美譽。但是隨著礦產開發和冶煉加工規模的擴大，礦區環境問題日益嚴峻，礦區土地利用方式發生了很大改變［2－3］。

該研究以松柏鎮為研究區域，通過多期遙感影像，同時輔助地形圖、文字資料和社會經濟統計資料等，利用ENVI5.0進行監督分類和決策樹分類，對礦區土地利用信息進行提取，通過對比分析區域內土地利用變化情況，從而全面了解近年來礦區土地利用格局，便于更好的礦區土地利用方式進行宏觀調控。研究區位置圖和影像圖如圖1、圖2。

圖1 松柏鎮在常寧市的位置

圖2 松柏鎮影像

2 數據來源與與預處理

2.1 數據來源

遙感數據源來自中國科學院對地觀測與數字地球科學中心（http：//ids.ceode.ac.cn/query.html）和地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），本研究一共選取了三個期數據，分別是1990年Landsat5 TM、1999年Landsat7 ETM＋和2013年Landsat8 OLI影像數據，軌道號123/042，云量小于10%，研究區云量為0，多光譜波段地面分辨率為30 m。圖像層次豐富，質量良好，特別是Landsat8的影像為2013年10月份的，具有很好的時代性和可對比性。

2.2 數據預處理

由于數據的影像坐標系統不統一，且存在不同程度的幾何變形，因此首先需要對影像進行投影轉換和幾何校正［4］。由于1990年和1999年的數據沒有投影信息，而2013年的影像采用的UTM投影，因此本次數據統一采用UTM投影，橢球體為WGS84國際橢球。2013年的影像上是輻射能量值，故在進行處理前需要先進行輻射定標與大氣校正，轉換為反射率圖像。具體處理處理過程如下：

（1）首先對1990年和1999年的影像進行投影轉換。轉換后的數據與常寧市的影像進行套合，發現明顯偏移。

（2）為了使幾何校正誤差盡量小，根據現有常寧市行政區劃圖范圍，首先對各幅影像進行粗略裁剪，再對裁剪后的影像進行控制點選取，這樣能將誤差控制在較小的范圍。每幅影像控制點選擇在15個左右，誤差控制在0.5個像元內。

（3）利用松柏鎮行政區劃界線對3幅影像分別裁剪，得到3個時期的松柏鎮影像。

（4）為了更好的實現影像分類，在前面影像基礎上進行圖像增強，進一步突出影像上不同地物之間的亮度差異，提高影像解譯精度。

2.3 分類體系建立

根據《土地利用現狀調查技術規程》，同時考慮到實際的分類精度，本研究利用土地利用一級分類方法，將研究區分為耕地、林地、水域、建設用地、草地、礦產用地等6個類別，將礦產用地單獨列為一類，充分體現礦區土地利用研究的特殊性和代表性。一級類中的園地和交通運輸用地分別并入林地和建設用地中。

3 常寧市松柏鎮土地利用動態變化信息提取

3.1 土地利用動態變化信息提取

該研究利用ENVI5.0遙感影像處理軟件，對影像進行5、4、3或者4、3、2波段R、G、B彩色合成，采用面向對象的監督分類方法進行感興趣區域選取，每個樣本分別選取5～15個訓練區，盡量保持所選訓練區有較大的區分度，并通過可分離度檢驗，保證樣本間的分離度達到1.8，對小于該值的樣本進行重新選取，直到滿足條件為止。對各類方法比較，最終選取最大似然法對影像進行分類，并結合人機交互方式進行分類后處理。結果數據采用混淆矩陣進行精度檢驗，3個時期影像（1990年，1999年，2013年）分類精度kappa系數分別為86.04%，83.50%，85.67%。分類結果如下所示（見圖3、圖4、圖5）。由三個時期的土地利用分類結果影像明顯看出，1990年到1999年間，松柏鎮土地利用變化情況總體較慢，各類土地利用方式看不出明顯的變化，變化趨勢平緩；但1999年到2013年間，整個鎮區土地利用方式發生極大改變，建設用地、礦產用地大面積增加，林地和耕地大幅度減少，土地利用結構明顯偏移。通過對三景分類結果影像進行統計分析，可以得到三個時期的分類結果統計數據。

圖3 1990年土地利用分類

圖4 1999年土地利用分類

圖5 2013年土地利用分類

表1 松柏鎮1990～2013年各類土地利用面積統計 （單位：hm2）

圖6 1999年～2013年土地利用面積分布

3.2 土地利用數量變化分析

通過對三景分類結果影像進行分析，可以得到三個時期的分類結果統計數據。對土地利用變化數量的分析主要從各類土地面積的總量上進行分析，通過分析各類土地面積變化，可以全面了解研究時間段內土地利用變化總的態勢以及土地利用結構變化趨勢。同時，將不同時期的結果影像與原始影像進行疊加，還可以發現各類土地利用的變化轉移方向。衡量土地利用變化的另一個量是土地利用變化幅度，它反映研究區一定時間內土地變化量［5－7］。數學表達式為：

其中：為研究時段內某一土地利用類型的變化幅度，分別為初期和末期土地利用面積［8－9］。

衡量土地變化快慢的另一個量為變化率，數學公式為：

其中：R為研究時段內每年土地利用類型的變化率，Ue、Us分別為初期和末期土地利用面積［8－9］。

據公式（1）、（2），對常寧市松柏鎮1990年、1999年、2013年三期數據進行統計分析，得該區域土地利用面積變化、變化幅度和變化率表（表2）。

結果表明：（1）松柏鎮土地利用整體較為均衡，林地、耕地、草地分布分布較廣，占全鎮面積的百分之七十多；建設用地、水域、礦產用地占將近百分之三十，土地利用整體格局合理。（2）從土地利用變化情況分析，1990—1999年間土地利用變化較為緩慢，由于建設用地占用和耕地開墾等減少285.1 hm2，耕地由于部分地區進行耕地開荒，大部分農村居民以在鄉務農為主，耕地面積增加113.9 hm2，其他地類面積增加均較少。（3）1999—2013年土地利用格局變化很大，各類土地面積均有較大變化。其中較顯著的是礦產用地大幅度增加，增加160.1 hm2，增幅達到57.54%，年變化率高達4.1%，大量采礦相關企業新建，礦產開采范圍進一步擴大；建設用地和草地面積增加較多，分別增加286.2 hm2和 334.8 hm2，增 幅 分 別 達 到 38.2% 和36.88%，耕地和林地面積分別減少488.7 hm2和341.1 hm2。這主要是由于這一時期經濟快速發展，大量農民進城務工，造成部分耕地荒廢；同時，礦產用地增多，廢水、廢氣等也使部分耕地荒廢，不適合耕種而形成荒廢。建設用地的增多主要是因為這一時期是中國經濟的大發展時期，農村收入增多，對住房需求增加，農村大量新建樓房；同時政府也大力引進多個大型企業，鎮域面積擴大，新建工業園和各級道路，這些都使得建設用地增加較多，而對林地占用造成林地面積減少341.1 hm2。

表2 1990～2013年松柏鎮礦區土地利用分類面積變化及比例變化（hm2，%）

4 結論與討論

本文以常寧市松柏鎮遙感影像為數據基礎，同時輔助于土地利用圖、行政區劃圖等資料，采用ENVI5.0對松柏鎮23年來土地利用變化進行定量分析。主要結論如下：

（1）1990年、1999年和2013年松柏鎮各地類所占的面積比重依次為林地、耕地、草地、建設用地、水域、采礦用地；研究區土地利用結構變化總體上表現為耕地、林地呈下降趨勢，建設用地、采礦用地呈持續增加趨勢；從1990—1999年和1999—2013年兩個時間段來看，耕地呈現先增加后減少的發展趨勢；林地持續減少，而草地持續增加的趨勢；由于研究區內有著名的湘江河流且近年來新建了近尾洲發電站，使得區域內的水域不但沒有減少，反而有明顯的增加。

（2）從整個時間段來看，礦產用地的年增長率是最高的，為3.19%，其次是建設用地和草地，分別為2.19%和2.01%，這些土地利用格局的變化直接體現了近年來松柏鎮經濟發展轉型的特點和發展速度。而林地和耕地由于基數較大，雖然減少絕對數量較大，但變化率均低于1%，屬于城鎮發展過程中的正常狀態。

但是我們也看到，在礦產用地持續增長的趨勢下，如何有效控制采礦工業對農村環境的污染影響已變得十分迫切；松柏鎮鎮區礦產冶煉廠分布廣泛，大量的廢渣、廢水、廢氣嚴重影響著農村耕地和居民的健康。在土地利用合理開發的大環境下，對環境進行保護與治理，已經成為金屬礦區迫在眉睫的任務。

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