基于Landsat影像的礦區土地利用動態監測

閆超群，劉亞靜

(華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210)

礦產資源是我國的支柱產業，為我國國民經濟的高速發展提供有力的支持，是我國國防安全、社會和諧穩定以及經濟可持續發展的重要保證[1]。由于礦產資源的有限性、不均勻性以及不可再生性等特點，再加上長期的礦業開發活動、粗放的開采方式，引發了一系列礦區生態環境問題，如：土地被壓占、地面景觀破壞、地表水和地下水污染等生態環境問題[2]。

土地利用是改變礦區生態環境的重要原因之一，通過對土地利用信息的提取，研究其時空演變規律，從而實現對礦區生態環境的動態監測。張偉等通過SVM方法提取石英砂礦區的土地利用信息，對其土地利用方式和空間格局進行了研究，結果表明，礦區和建設用地面積呈現出正相關增加的關系[3]；鄭優男等通過對土地利用結構指數、空間指數等的計算研究淮南礦區的土地利用變化，結果表明，礦區的土地利用均處于發展期，耕地是主要的土地利用類型[4]；黃英男等采用RS技術手段，研究了趙樓礦區土地損毀情況及其時空變化特征，為生態環境保護提供輔助手段[5]。

基于前人的研究，利用Landsat系列影像，結合地理信息空間分析技術，對馬蘭莊鎮土地利用信息進行提取，研究其土地利用現狀、土地利用結構及土地利用轉移方向，分析2000～2019年間土地利用時空演變規律，從而為馬蘭莊鎮合理規劃土地利用方式、生態環境的恢復治理提供數據支持。

1研究區、數據源與研究方法

1.1 研究區概況

遷安鐵礦是我國四大鐵礦之一，該項目研究區域位于河北省唐山市遷安市西北部馬蘭莊鎮，圖1所示為研究區的地理位置，其位于遷安鐵礦內部，遷安市與遷西縣交界處，地理范圍為：40°4′23″N～40°10′11″N，118°31′45″E～118°37′45″E，面積約49.16 km2。處于京、津、唐、秦腹地，其東距秦皇島120 km，南距天津230 km，西距北京235 km，距離唐山市僅80 km，交通四通八達，運輸便利，地理位置優越。卑水鐵路、京秦高速穿境而過，北有大秦線，南有津山線、京哈高速。

圖1 研究區地理位置

1.2 數據源

采用的影像數據為多時相的中空間分辨率的Landsat遙感數據影像。共選擇了從2000～2019年間云量較少、數據質量較好的4個時間段的影像數據，分別為2000年、2008年、2015年和2019年，其時間季相相近，以避免物候狀態差異的影響。影像數據來源于地理空間數據云網站。其中2000年與2008年為Landsat 4-5 TM影像，2015年和2018年為Landsat 8 OLI影像。所用影像的具體信息見表1。

表1 2000～2019年遙感影像數據源介紹

其他輔助數據包括DEM圖像，矢量行政邊界、唐山市1：50 000的地形圖。其中，1：50 000的地形圖用于遙感影像的幾何校正，矢量行政邊界用于研究區域的裁剪，DEM圖像采用ASTER GDEM數據，空間分辨率為30 m，用于輔助分類提取研究以及地形特征的提取。

1.3 數據預處理

由于大氣層會影響遙感傳感器的成像，因此所得到的影像不能準確反映地表真實信息，會產生一系列的誤差，從而降低數據質量，影響影像解譯精度。為了消除各種擾動因素的影響，最大程度地放大有用信息，需要對影像進行如圖2所示的一系列預處理操作，包括輻射定標、大氣校正、幾何校正、圖像配準、影像融合、圖像裁剪[6]。

圖2 影像預處理流程

1.4 研究方法

1.4.1 CART決策樹分類

1984年，BreimanL提出了CART決策樹分類方法，其基本原理是基于目視解譯選取的樣本數據，通過所選擇的影像特征光譜的閾值節點，建立目標地物類型與樣本數據之間的二叉樹形式的決策樹結構[7]。其節點的確定選擇最小Gini系數值。Gini系數計算公式為：

(1)

Pi=Ci/S

(2)

式中：

e—需要分類的類別；

Pi—樣本集S屬于類別i的概率；

Ci—樣本集S中屬于類別i的樣本數；

S—選擇的樣本總數。

1.4.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣代表的是馬蘭莊鎮土地利用類型變化的方向，即在一定的時間段內，各用地類型轉入和轉出的具體轉移情況，當以馬蘭莊鎮土地利用類型的面積為轉移矩陣中的元素時，其表示形式如下[8]：

(3)

式中，Sij為第i類土地利用類型轉換為第j類土地利用類型的面積。

2基于Landsat影像的礦區土地利用分類

2.1 礦區土地分類體系的確立

土地利用分類能夠反映土地的植被覆蓋、土壤狀況、人類活動對土地的利用程度等[9]。2017年11月1日，國土資源部發布了國家標準《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2017),是我國目前現行的土地利用現狀分類體系，共分為12個一級地類，73個二級地類。參照此分類標準，并通過對馬蘭莊土地利用情況的了解，綜合Landsat影像數據的解譯精度和馬蘭莊鎮土地特征，將整個研究區域的土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、礦區、建設用地六大地類。

2.2 影像解譯標志構建及其特征提取

遙感解譯標志是可以用來幫助進行遙感地物信息的識別，從而獲得較為準確的地物提取結果。遙感影像中的地物類型復雜多樣，通過先驗知識、收集資料并結合馬蘭莊實際情況，加之以谷歌高清影像的輔助，建立馬蘭莊鎮的土地利用類型遙感解譯標志，可以直接反映目標地物的亮度、色調、形狀、大小、紋理、位置等。

根據馬蘭莊鎮土地利用類型，除選取影像亮度、各波段的光譜平均值、形狀指數和DEM、坡度等指標作為影像分類特征之外，結合常用的遙感影像指數，構建以下影像特征規則[10]：

(1)改進的歸一化水體指數

MNDWI=(ρgreen-ρswir1)/(ρgreen+ρswir1)

(4)

(2)歸一化建筑指數

NDBI=(ρswir1-ρnir)/(ρswir1+ρnir)

(5)

(3)鐵礦指數

iron=ρred/ρblue

(6)

(4)歸一化植被指數

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(7)

2.3 土地利用信息提取

根據先驗知識所確定的影像解譯標志，對于每個類別選取一定數量的樣本文件，作為訓練樣本，同時建立影像特征，對于馬蘭莊鎮，選取了NDVI、MNDWI、NDBI、iron、DEM、slope以及各波段的光譜均值、影像亮度、形狀指數用于決策樹的計算，從而建立起面向對象的決策樹結構分類。并利用Majority/Minority分析、聚類分析等進行分類處理，最終得到馬蘭莊鎮2000年、2008年、2015年及2019年的土地利用現狀分布圖。如圖3所示。

圖3 2000～2019年馬蘭莊土地利用類型分類結果

2.4 精度評價

針對提取的馬蘭莊鎮土地利用現狀結果，為了定量分析其在2000～2019年間的土地利用演變情況，結合馬蘭莊鎮的相關資料并借助谷歌歷史高清影像，隨機均勻選取數量足夠的樣本點，采用混淆矩陣的方法，對2019年的分類結果進行精度評價，計算結果如下表2所示。

表2 2019年馬蘭莊土地利用分類結果精度評價

結果表明，2019年土地利用分類結果總精度為91.8%，Kappa系數為0.897。礦區和建設用地的生產者精度都達到了90%以上，水體、草地、林地的生產者精度達到了85%以上，耕地的生產者精度最低，在84%左右；對于用戶精度，礦區和水體都在90%以上，林地和建設用地均在85%以上，草地和耕地較低，但也達到了80%以上。

基于同樣的思路和方法，對其他3個年份土地利用分類結果進行驗證可得下表3。其中馬蘭莊鎮2000年、2008年、2015年分類精度分別是91.2%、95.2%、87.4%，Kappa系數分別為0.891、0.933、0.832，結果精度均較高，滿足研究要求。

表3 馬蘭莊土地利用類型分類結果精度評價

3馬蘭莊鎮土地利用時空演變分析

3.1 歷年土地利用情況

通過最終得到的馬蘭莊鎮歷年土地利用類型圖，對其面積及所占百分比進行統計得表4。

表4 馬蘭莊土地利用類型面積統計

2000年，礦區面積為16.82 km2，占比34.50%，是面積最大的土地利用類型；其次是草地，面積為11.01 km2，所占比例為22.57%；耕地居于第3位，面積為8.57 km2，占比17.58%；林地面積55.39 km2，占比11.36%；建設用地面積為43.15 km2，所占比例為8.85%；面積最小的是水體面積，為25.02 km2，占比5.13%。

2008年，礦區面積猛增，高達24.78 km2，所占比例為50.84%；建設用地的面積也有所增加，為5.24 km2，增加了0.93 km2，占比為10.75%，超過了林地，排在第4位；耕地、草地、林地、水體的面積均出現下降，草地面積為8.39 km2，減少了2.61 km2，占比17.21%，耕地面積為7.09 km2，減少了1.48 km2，占比14.55%，林地面積為1.95 km2，減少了3.59 km2，目前僅占比3.99%，是除了礦區之外，面積變化最大的地類，水體面積為1.30 km2，所占比例為2.66%。

2015年，礦區面積為20.99 km2，占比43.07%，相比于2008年有所下降，但也依然是面積最大的土地利用類型；排在第2位的依然是草地，面積為11.25 km2，占比23.08%，其面積相比于2008年，甚至于2000年都有所增加；耕地和建設用地的面積對比于2008年均有小幅度的減少，耕地面積為6.82 km2，占比14.00%，建設用地面積為4.95 km2，占比10.15%，依次仍舊位居第3位第4位；林地和水體的面積均有所增加，其中林地增加到3.25 km2，占比6.67%，水體增加到1.48 km2。所占比例為3.03%，依然是面積最小的土地利用類型。

2019年，馬蘭莊鎮土地利用類型的面積大小排序依然是礦區，草地、耕地、建設用地、林地、水體，這與2015年和2008年的順序一致，但各類土地的面積大小和所占比例有所調整，礦區面積減少到了19.04 km2，所占比例減少到了39.06%，而草地、林地、耕地、建設用地、水體的面積均表現為增加。

3.2 土地利用類型結構的變化分析

根據馬蘭莊鎮歷年土地利用類型圖，對其土地利用結構進行統計得圖4。馬蘭莊鎮區域面積不大，但卻分布有50余家礦山企業，所以，礦區占地面積一直高居不下。馬蘭莊鎮最主要的土地利用類型是礦區，從2000～2019年，礦區面積呈現出先增加后持續減少的趨勢，但是其面積一直大于其他地類的面積；草地是一直位居第二的土地利用類型，呈現出先減少后持續增加的趨勢；排名第三的一直是耕地，其變化趨勢與草地相同，表現為先減少后持續增加；建設用地的變化趨勢為"增-減-增"，在2008年面積超過林地，成為馬蘭莊鎮面積排名第四的土地利用類型；林地和水體的變化趨勢是先減少后持續增加，其生態恢復的方向是改善的，但是仍舊沒能恢復到之前的水平，還得需要繼續的堅持。

圖4 2000～2019年馬蘭莊土地利用結構變化

綜上所述，馬蘭莊鎮土地曾在2000～2008年間遭到極大的破壞，大量的草地、林地、耕地被占用，礦區面積劇增，建設用地也有所增加，但隨著對生態環境越來越重視，草地、林地、耕地、水體的面積均開始改善，其中草地恢復的最好，2019年其面積比2000年所占比例都大。

3.3 土地利用類型轉移

土地利用轉移矩陣在土地利用的變化檢測中有著很重要的作用，通過土地利用轉移矩陣可以得出各地類之間的轉換關系，有利于促進土地利用類型的資源整合，從而規劃其向更加合理的方向發展。通過對馬蘭莊鎮4個年份3個時間段的土地利用類型進行面積轉移分析，得出下面的面積轉化圖以及土地利用轉移矩陣。表5所示為2000～2008年的土地利用轉移矩陣，圖5所示為2000～2008年的土地利用面積轉化圖。

表5 2000～2008年土地利用轉移矩陣/km2

結合表5和圖5得出以下幾點，2000～2008年間，礦區的轉入面積是10.66 km2，轉出面積是2.69 km2，是面積變化最大的土地利用類型，其中主要是由草地轉入，為5.51 km2，占比51.75%，超過一半以上，其次是由林地轉入2.97 km2，占比27.88%，耕地有1.20 km2轉入，占比11.29%；位居第2位的是林地，轉出面積是4.26 km2，主要是轉出到礦區，占比69.81%，轉入面積僅有0.66 km2，主要是草地轉化為林地；草地的面積變化排在第3位，其轉入面積485.01公頃，轉出面積7.46 km2，轉出面積高于轉入面積，其中主要是轉出為礦區，占草地轉出面積的73.87%；耕地和水體與林地和草地的面積轉移方向一致，轉出面積大于轉入面積；建設用地的面積轉入面積2.54 km2，轉出面積1.61 km2，主要是耕地面積的轉入，占其總轉入面積的52.29%。

圖5 2000～2008年馬蘭莊土地利用類型轉移

以上結果表明，在這個時間段內土地利用的轉移以草地和林地轉化為礦區為主，造成這個變化的原因主要是鐵礦石需求量增加，礦山開采活動力度加大，從而使得其他類型的土地資源被占用，礦區面積擴增，以滿足社會需求。表6所示為2008～2015年的土地利用轉移矩陣，圖6所示為2008～2015年的土地利用面積轉化圖。

表6 2008～2015年土地利用轉移矩陣/km2

結合表6和圖6可以得出，在2008～2015年，馬蘭莊鎮土地利用類型變化最大的依然是礦區，其轉入面積3.16 km2，轉出面積6.94 km2，大部分轉出為草地，占其轉出總面積的63.14%，其次是轉出為林地和建設用地，所占比例分別為15.26%和16.51%；面積變化排第2的是草地，其轉入面積為6.92 km2，轉出面積4.05 km2；林地的面積變化排在第3，轉入面積2.05 km2，轉出面積0.75 km2；草地和林地的轉入面積均大于轉出面積，且其主要轉入來源于礦區，分別為63.38%和51.61%；耕地和建設用地的轉出面積均大于其轉入面積，且二者轉出的主要對象都是草地；水體的轉入面積為0.55 km2，轉出面積為0.37 km2，水體面積有小幅度的增加。

圖6 2008～2015年馬蘭莊土地利用類型轉移

以上結果表明，在這個時間段內礦區擴張的趨勢開始轉變，其轉出面積大于轉入面積，經過查閱資料發現，這是由于礦區的生態修復工作開始進行，再加上惡劣的環境已經嚴重影響到了人們的生活質量，人們保護生態環境的意識開始加強，所以礦區面積開始出現減少的趨勢，草地、林地的面積開始增加。表7所示為2015～2019年的土地利用轉移矩陣，圖7所示為2015～2019年的土地利用面積轉化圖。

結合表7和圖7可以得出，在2015～2019年，各類土地利用類型面積變化大小排序依次為礦區、建設用地、林地、草地、耕地、水體。其中，除了礦區為轉出面積大于轉入面積之外，其他地類均為轉入面積大于轉出面積。礦區的主要轉出地類依舊是草地，轉出面積為2.48 km2，所占比例為54.34%；其次為建設用地，轉出面積為1.17 km2，占比25.60%，建設用地在這個時間段面積增加。

圖7 2015～2019年馬蘭莊土地利用類型轉移

以上結果表明，在這個時間段內，礦區的面積繼續減少，耕地、林地、草地的面積均在增加，經過一段時間的恢復治理，土地利用現狀開始向好的方向發展，對于建設用地的再次增加，可能是由于城鎮化趨勢所致。

4結論

(1)2000～2019年，對于馬蘭莊鎮的土地利用類型，礦區是每年面積占比最大的土地利用類型，其次是草地，排在第3位的是耕地，水體的面積一直都是最小的。

(2)礦區面積經過一個驟然增加的時期過后，雖然其面積依然很大，但是在一個減少的過程中，同時耕地、林地、草地、水體的面積是在增加的過程中，說明馬蘭莊鎮的土地利用在向著好的方向慢慢改善，隨著城鎮化的發展，建設用地的面積處于"增-減-增"的波動之中。

(3)對于土地利用類型的轉移，在2000～2008年期間，主要是其它各類土地向礦區的轉移，2008年以后的2個階段，主要是礦區向其他類別的轉移，其中主要的轉出對象是草地和林地。馬蘭莊鎮生態環境的恢復治理工作需要繼續有計劃的推進，從而實現礦區的可持續發展，推進綠色礦山生態建設。