基于3S技術的采煤沉陷區土地利用變化分析——以淮北閘河礦區為例

宮傳剛，嚴家平，陳孝楊，徐良驥，劉 杰，喻懷君

（1．安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001；2．安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南232001；3．安徽淮北礦業集團公司，安徽 淮北235006）

煤炭作為最重要的礦產資源之一，在我國能源結構中占有舉足輕重的地位，然而，煤炭資源在開發過程中產生的環境負效應卻不容忽視［1］。隨著工業化進程的加快，我國對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，產生采煤塌陷區等一系列人為引發的地質環境問題［2］。目前，3S技術不僅被廣泛應用于土地適宜性評價［3］、水質 監測［4］、景觀格 局變化分析［5］、碳匯價值研究［6－8］等多方面，同時在礦區土地利用變化分析方面也表現突出［9］。

近年來，我國大部分礦區采用因地制宜的復墾辦法對采煤塌陷區進行治理并取得了顯著的效果。對于我國這個土地資源相對貧乏的國家，這些措施有利于緩解人地矛盾 改善被破壞區的生態環境提高土地利用率等［10，11］。

1 研究區概況

淮北礦區已探明的煤炭儲量超過80億t，是我國重點建設的大型煤炭生產基地之一。多年來，淮北煤礦為國家經濟建設和能源安全做出重要貢獻，但由于煤炭的開采，礦區環境的改變和破壞也隨之產生。伴隨著礦區經濟的快速發展和人口的快速增長，對礦區塌陷區的土地復墾重新利用迫在眉睫［12，13］。

閘河礦區位于安徽省北部，總面積約200 k m2，屬于淮北市煤炭資源開發歷史最早的礦區之一。區內包括楊莊礦、朱莊礦、張莊礦、岱河礦、石臺礦、朔里礦、袁莊礦、沈莊礦、孟莊礦和毛郢孜礦等多個煤礦，在煤炭資源開發之前，礦區的土地主要以農業用地為主。自上世紀九十年代以來，隨著經濟的發展和礦區資源的持續開采，礦區內土地利用情況發生顯著變化，其中塌陷塘和矸石山對土地的浪費和破壞顯得尤為突出。為了研究閘河礦區內本世紀以來土地利用的動態變化情況，本文開展了以下一系列調查及研究。

2 數據來源與研究方法

2．1 數據來源

本次研究采用2000年6月、2006年5月的Landsat5 T M遙感數字影像和2013年5月的Landsat8 OLI遙感數字影像，條帶號均為（122，036）為數據源，云量均小于5%。輔助資料為研究區地形圖、礦區地面變形監測數據、礦區資源開發與利用現狀圖?，F場綜合調查包括地面塌陷區及塌陷水域分布、塌陷區土地復墾及利用情況、復墾植被類型、地表物質組成、復墾年限等信息。其他信息包括研究區30 m分辨率的DEM數據、行政區劃圖及統計年鑒等。

2．2 研究方法

研究方法主要采用基于ENVI的遙感影像數據預處理、目視解譯地面景觀特征提取及其時空變化分析、研究區土地利用變化過程分析等3個方面［14，15］。

利用ENVI 4．8軟件對影像進行幾何精校正，校正的平均誤差控制在0．5個像元內；采用“6S模型”進行大氣輻射校正；采用傅立葉變換進行圖像增強處理；根據研究區范圍進行裁減。

將處理后的遙感影像導出，利用Arc GIS 10．1的空間分析模塊處理 分析研究區空間數據信息結合遙感分類圖、最新交通圖、地形圖及礦區CAD圖進行矢量化，細化出每個礦的塌陷范圍、塌陷水域范圍、治理情況等［16］。

2．3 影像分類

在參考國內外的土地利用分類系統后，基于調查研究區的土地利用狀況，建立研究區土地利用／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］選取訓練樣本，并采用最大似然法對影像進行監督分類［18］。

為了驗證分類結果準確性，采用混合矩陣重采樣的方法來檢驗分類結果［18－19］。Kappa系數均超過最低標準0．7，表明分類精度較高，見表1。統計分類后各土地利用類型像元個數，結合影像分辨率計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2000年、2006年、2013年分類后的圖像進行比較，可以得出6種土地利用類型在不同時期的面積變化情況，見表1。研究區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期也有不同變化趨勢。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年時占65．76%，2006年減小到48．76%，2013年又減小到35．21% 水域面積持續緩慢減小 林地 灌草 裸地面積所占比例很小，比例變化不大。

3．2 土地利用轉移矩陣

基于ENVI4．8，通過對礦區不同時期的土地利用圖進行空間疊加運算，求出各時期土地利用類型的轉移矩陣，對其進一步分析土地利用變化過程。土地利用轉移矩陣利用地圖代數法求得，

式中：Ai為研究區土地利用類型轉移代碼；Bk為研究區前一時期的土地利用情況；Bk＋1為研究區后一時期的土地利用情況，如表3、表4所示。

表3 閘河礦區2000～2006年土地利用轉移矩陣

表4 閘河礦區2006～2013年土地利用轉移矩陣

通過分析土地利用轉移矩陣可以得出，林地、灌草、裸地的總面積都很小，對土地利用變化影響不大。2000～2006年期間，城鎮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墾，有27．14%的耕地（32．72 k m2）和34．85%的水域（7．35 k m2）轉為城鎮建筑用地；耕地面積迅速減少，有30．08%轉為建筑用地，2．39%轉為水域見表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）轉為城鎮建筑用地見表4。

3．3 礦區地面塌陷現狀分析

研究區地下水水位較高，在塌陷區易形成常年積水區，且不同季節面積有所不同，冬季積水面積約為夏季85%。利用2013年5月的數字遙感影像，基于Arc GIS 10．1的分析、統計功能對研究區現狀分類圖進行分析，得出現階段礦區各礦塌陷情況見表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，占礦區總面積的13．29%；朔里礦塌陷面積10．97 k m2，占礦區總面積64．75%，塌陷水域面積4．03公頃，占礦區總面積的23．79%。岱河礦、袁莊礦、沈莊礦、孟莊礦、毛郢孜礦等礦由于地勢高、開采煤層薄等原因，使得塌陷水域面積較小，僅占礦區總面積2%左右。

近年來礦區開采強度大幅增加，但塌陷區水體面積卻在緩慢減少，尤其體現在岱河礦、石臺礦。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的塌陷深度，對沉陷區面積增大影響不大 ②在沉陷幅度較小的區域 當地政府和集團多數采用充填和挖深墊淺的方式進行復墾。隨著復墾力度的加大，老塌陷區水域面積逐漸變小。③岱河礦、石臺礦等北部礦井煤炭資源分布區有煤層淺、可采煤層厚度小、地勢高等特點，使得其開采區塌陷去水域面積較小。

4 土地利用變化驅動力分析

驅動力是指導致土地利用方式和土地利用類型發生改變的主要因素。影響土地利用類型面積變化的因素主要有自然和社會經濟兩個方面。在短時間尺度內，氣候、土壤、水文等驅動力對耕地面積變化的影響較小不予考慮［20］。在本研究中，城鎮建設用地面積持續增加，且有增幅變大的趨勢。城鎮建設用地擴張的驅動力主要體現在經濟發展、城鎮化水平和人口等方面［21－22］。以1999～2013年的為例，分析研究區城鎮迅速擴張的主要驅動力。

4．1 經濟發展

近年來，淮北市的經濟建設得到持續快速的發展，見表6。2013年，全市生產總值703．7億元，較1999年的96億元增長了633．02%；全市人均生產總值由5 104元增長到32 996元，增加了546．47%；1999年，全市城鎮居民可支配收入2 190元、農民人居純收入2 000元，2013年，全市城鎮居民可支配收入22 460元、農民人均純收入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年淮北市各項指標情況

其中，第一產業增加42．50億元，增長了193．21%；第 二 產 業 增 加472．89億 元，增 長 了948．06%；第 三 產 業 增 加173．81億 元，增 長 了377．72%。煤炭行業是淮北市的主要工業，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%，煤礦的建設與發展對城市的經濟發展起到了巨大的推動作用。

4．2 人口因素

人口因素是地區城市化進程的最主要因素。1999年淮北市總人口數為186．58萬人，其中農業人口114．38萬人，非農業人口72．2萬人；到2013年，人口總數增加到214．50萬人，增加了14．96%，其中農業人口122．3萬人，非農業人口92．2萬人，分別增長了6．96%和27．70%，到2013年末淮北城鎮化率達到58．5%。地區人口的增長，尤其是非農業人口的增長加劇了城市化的速度，淮北兩大煤炭集團員工總數約14萬人，占淮北市非農業人口的15．2%。煤炭產業的建設與發展為提高城市人口城鎮化起到重要作用

4．3 城市化水平

一個城市的產業結構可以在一定程度上反映城市化水平。1999年第一產業在全市國民經濟中的比重為15．1%，到了2013年變為8．1%，下降了近5成；第二產業比重由47．0%上升到67．2%，增長了42．98%，其中原煤產量由1999年的2 335萬t增長到2013年的5 356．7萬t，增產129．41%；第三產業比重由1999年的37．9%下降為2013年的24．7%?；幢笔幸廊皇且悦禾繛橹鞯拿禾啃彤a業城市，近年來以煤為經濟主體的產業結構不會動搖。

5 結 論

1）隨著煤炭工業的迅速發展，閘河礦區不僅加快了城市化進程，礦區的土地利用結構發生了巨大變化。利用3S技術可以快速、準確、便捷地獲取土地利用及覆蓋的動態變化。

2）通過采取合理的城鄉規劃和土地環境整治工程，礦區的土地仍然得到高效利用。礦區的土地利用類型從煤炭開采前的以耕地為主變為開采后以建筑用地和耕地兩種類型為主。農用地呈逐年下降趨勢，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。復墾后的土地約33%轉變為城市建設用地。通過對部分塌陷水域實施充填復墾工程，塌陷區地表水域也出現減少趨勢。林地、灌草、裸地面積變化不大。煤炭資源開發雖然造成土地資源的毀損，但煤礦企業和當地政府根據該區的煤炭資源賦存與礦山環境地質條件的特點，通過科學的規劃與設計，對采煤沉陷區進行合理整治，取得了該區土地資源高效利用的效果。

3）綜合分析造成閘河礦區土地利用變化的驅動力，起主導因素是煤炭的開采直接導致土地利用的類型發生變化，同時礦業經濟的快速發展和地區人口的增長對城鎮建設用地的需求量劇增，使得農田和復墾后的土地變為建設用地。

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