基于RS和GIS技術的鳳陽縣石英砂礦區用地動態變化監測

陶莉+陳紅+霍曉亮+張偉+劉吉凱

摘 要：監測礦區土地利用變化對礦區生態環境的改善有著重要意義。該文以1991—2015年25年間的6期Landsat衛星遙感影像為基礎，利用支持向量機對鳳陽縣石英砂礦區用地變化信息進行提取，為鳳陽縣礦產資源的可持續利用及生態恢復提供科學依據。結果表明：（1）1991—2015年間，礦區面積由6.84hm2增加到438.12hm2，凈增加431.28hm2，新增加的工礦用地主要由草地和林地轉化而來。（2）礦區生態系統質量朝著變差的方向發展，造成了水土流失和水質污染等環境問題。

關鍵詞：土地利用；石英砂礦區；遙感監測；生態恢復

中圖分類號 X826 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）08-0145-04

Abstract：The land use change of the mining area is of great significance to the improvement of the ecological environment of the mining area.Based on the Landsat satellite remote sensing image from 1995 to 2015，the support vector machine is used to extract the land change information of Fengyang county，county mineral resources sustainable use and ecological restoration to provide a scientific basis.The results show that：（1） From 1991 to 2015，the area of mining area is from 6.84hm2 to 438.12hm2，the net increase is 431.28hm2，and the main grassland and forest land of newly added mining land are transformed.（2） The quality of the ecosystem of the mining area is developing in the direction of deterioration，resulting in environmental problems such as soil erosion and water pollution.

Key words：Land use；Quartz sand mining area；Remote sensing monitoring；Ecological restoration

監測礦區開發過程中發生的土地利用變化是十分必要的，能為礦產資源的合理開發和土地資源的集約利用提供技術支撐[1]。遙感技術具有視野寬、信息量大、快速等特點，可以從宏觀上掌握研究對象的特征，在資源開發和環境監測等問題的研究中越來越受到關注[2]。隨著遙感技術的發展，運用遙感技術對礦區的土地利用情況開展監測已經成為必然趨勢[3]。

目前遙感監測礦山地表環境常用的方法主要為：采用圖像目視判讀、人機交互分類與計算機自動分類相結合的方法，通過提取礦區開采區域的信息，分析礦山開采對植被、土地，水域以及人們生活的影響乃至礦產資源開發對整個礦區生態環境的影響[4]。馬紅花[5]采用多時相遙感圖像，對不同波段的圖像分類與處理，得到了較高精度的結果圖并分析，得出了礦區生態環境的變化特征。本文以鳳陽縣石英砂礦區為例，根據鳳陽縣石英砂礦區開采區域分布及發展情況，通過對1991—2015年25年間的Landsat衛星遙感影像處理分析，實現了對礦山地表環境的動態變化監測，實時掌握了礦區地表環境的變化特征，為礦區生態環境治理恢復提供科學依據。

1 數據源與研究方法

1.1 研究區域概況 鳳陽縣地處淮河中游，位于北緯32°37′～33°03′、東經117°19′～117°57′，氣候呈北亞熱帶向南溫帶漸變的過渡特征，氣候溫和，四季分明，光照充足。鳳陽縣礦產資源豐富，礦區覆蓋面積達80km2，境內已探明的礦種達26種，遠景儲量在100億～120億t，儲量、品位和潛在經濟利用價值均居全國之首，是“中國優質石英砂原料基地”和“中國日用玻璃產業基地”。

1.2 數據源 數據源主要有：（1）研究區1991—2015年25年間的6期Landsat衛星遙感影像，其中Landsat 數據空間分辨率為30m，軌道號為121-37，產品級別L1T，時間分辨率為16d。（2）研究區2015年的 Google Earth高分數據，空間分辨率為4m。（3）輔助數據有1∶5萬土地利用圖、地形圖和行政區劃圖，野外實地調查資料，縣內主要的水系和道路以及數字高程模型（DEM）等。對遙感影像進行預處理，主要包括：去條帶處理、輻射校正、幾何校正、影像裁剪等，預處理后得到石英砂礦區Landsat時序影像。

1.3 研究方法 SVM（Support Vector Machine Classification，SVM）是一種建立在統計學習理論（Statistical Learning Theory，SLT）基礎上的機器學習方法，通過自動尋找對分類有較大區分能力的支持向量，由此構造出分類器，將類于類之間的間隔最大化，提高分類精準。土地利用動態度描述區域土地利用變化的速度，可直觀反映類型變化的幅度與速度；轉移矩陣可全面描述區域土地利用變化的結構、特征和各用地類型變化的方向，以刻畫土地利用結構內在的變化規律。

2 基于Landsat時序影像的石英砂礦區用地信息提取

運用SVM和初分類后人機交互修補相結合的方法進行鳳陽縣1991—2015年25年間的礦區土地利用遙感影像進行分類。根據研究區域遙感圖像能夠直接反映和判別地物信息的影像特征[7]，結合鳳陽石英礦區的土地利用現狀，借鑒查東平[8]、尚慧[6]等對礦區土地系統的劃分，通過野外實地調查、驗證，對鳳陽石英礦區土地分類體系劃分為工礦用地、建筑用地、水域、林地、草地和耕地6類。

根據礦區土地分類體系劃分結果，結合野外調查資料和數據，利用SVM方法對石英砂礦區土地利用類型信息進行初分類，然后參考鳳陽縣土地利用現狀圖，通過人機交會的方式完成對1991—2015年影像人工修正，通過修改、編輯和完善，并結合ArcGIS空間統計與分析，最終得出研究區各個時期土地利用現狀動態變化圖（圖1）。

3 石英砂礦區用地動態變化分析

3.1 用地變化分析 根據土地利用/覆蓋遙感分類結果，利用GIS空間分析功能統計各時期土地利用現狀、變化動態度與轉移矩陣，統計結果見表1、2。

由表1可知，1991—2015年鳳陽縣石英砂礦區土地利用發生了很大變化：25年間變化總面積為3 932.64hm2，占研究區總面積的33.23%。其中工礦用地面積變化最為劇烈，由1991年的礦區面積6.84hm2增加到2015年的礦區面積438.12hm2，凈增加431.28hm2，動態度高達252.21%。由表2可知，增加的工礦用地主要從草地和林地轉化而來，轉化量分別為356.31hm2與75.87hm2。荒廢的礦區土地主要轉化成了草地和林地，但變化量遠遠小于增加量，因此對廢棄礦區的生態恢復要予以重視。

1991—2015年，鳳陽縣建筑用地面積增加，增量691.29hm2，主要通過侵占耕地、草地和水域而來，變化動態度達95.71%。耕地減少了665.46hm2，減少了5.35%，減少的耕地主要轉化為建筑用地、草地和水域；草地減少了1 076.85hm2，減少了8.91%，是所有土地利用類型中總變化量和年變化量最大的，主要轉化為林地、耕地和工礦用地；耕地和草地盡管變化速度不大，但面積基數大，應予以重視。

1991—2015年，水域面積變化主要體現在河流面積的減少與地勢塌陷導致積水面積增加的矛盾。在實際調查時，研究區多處河流兩側興建廠房、住宅，導致部分河流段的寬度不足10m，在枯水期常發生斷流現象，原本在影像上（2000年以前）清晰可見的河流，到現在卻不復存在（2010年以后）；與此同時，由于多年石英砂礦業的開采，使得河底及周圍覆蓋一層細細的石英砂粉末，阻塞水流，流域環境問題嚴重，急待解決。

總的來說，25年間，工礦用地和建筑用地面積迅速增加，其代價是對草地、耕地和水域的過度侵占，同時對林地和耕地的保護力度不夠，導致礦區土地生態系統質量朝著變差的方向發展，今后應當給予足夠的重視。

3.2 礦區土地可持續利用對策及措施 針對鳳陽縣石英砂礦區土地生態系統質量逐漸下降的現實，從礦區環境恢復和改善的角度出發，提出以下幾點建議：

（1）加強水土保持，改善生態環境加強水土保持工作，注重廢棄礦區的還林還草，積極實施封山育林、植樹種草等生態措施，改良生態環境。

（2）使用物理技術和化學技術對礦區進行處理，例如挖松緊實的土壤、整理土壤表面物質。當廢棄地存在 pH值太低的問題時，可以適當的向土壤中添加堿性物質以調整土壤的pH值。

（3）積極推進礦區開采整治制度改革。隨著礦產資源開發整合的不斷推進，許多礦山不斷關閉，采礦廢棄地增加，因此政府和企業應該加大投資力度，積極開展工礦廢棄地復墾和礦業存量土地整合利用，實行誰整治，誰投資的方式來恢復和治理礦區環境破壞問題。

（4）加強執法力度，完善礦山土地管理制度。縣政府各部門要高度重視礦山土地恢復與整治問題，明確礦山管理責任，加大宣傳、巡查、監管及處罰力度，并且建立礦山開采違法案件督查制度，依法查處違法采礦行為。

4 結論

本文利用Landsat系列影像，基于SVM和分類后修正相結合的方式提取了研究區25年間的土地利用類型變化結果，監測結果表明：礦區的地表環境在近25年間發生了較大變化，耕地和草地面積減小，工礦用地及建筑用地面積急劇增加，礦區生態環境朝著差的方向發展。

鳳陽縣石英砂礦區土地生態系統質量逐漸下降，礦區環境恢復和改善任重而道遠，在后續的礦山地質環境治理過程中建議對石英砂的開采加強整治，完善管理制度，同時積極實施封山育林、植樹種草等生態措施，有計劃逐步恢復采礦區被破壞的植被和壓占的農田、恢復河流功能等。

參考文獻

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[3]丁艷梅.三峽庫區土地利用/植被覆蓋變化的遙感監測[D].青島：山東科技大學，2006.

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[6]尚慧，倪萬魁.石嘴山礦區地表環境動態變化遙感監測[J].國土資源遙感，2013，25（2）：113-120.

[7]查東平，申展，劉足根，等.基于TM影像的德興銅礦區生態環境變化[J].國土資源遙感，2015，27（4）：109-114.

[8]楊清華，齊建偉，孫永軍.高分辨率衛星遙感數據在土地利用動態監測中的應用研究[J].國土資源遙感，2001，13（4）：20-27.

（責編：張宏民）