山西省礦山開發新增損毀土地年度監測與分析

修曉龍

(福建省地質測繪院，福建 福州 350011)

隨著現代社會經濟的飛速發展，礦產資源的需求和消耗日益增加，礦產資源開發在帶來巨大經濟利益的同時，大范圍、高強度的礦業活動對礦山地質環境造成了嚴重破壞[1]。當前礦山開發占用和損毀土地資源已成為普遍性的地質環境問題，是礦業用地研究的焦點問題和熱點問題。隨著我國生態文明建設和生態環境保護工作的開展，建立資源消耗、環境損害、生態恢復的礦產資源開發全過程監測體系是實現礦山資源可持續發展的必然途徑[2]。

傳統礦山開發占地監測主要采用逐級統計上報的方式[3]，數據真實性、實時性相對較差，難以對礦業開采活動進行真實評估和有效管理。隨著遙感技術的發展，快速獲取的海量數據為礦產資源的全天候監測提供了新的技術與手段，同時，其高精度定位、可重復動態監測等特點彌補了傳統礦山監測方法的不足。目前，多源遙感數據的融合、人機交互解譯、室內解譯與野外實地調查結合的技術方法是礦山遙感監測的主要途徑。美國、加拿大、德國等礦業發展發達的國家最早對礦山監測進行了研究，如美國地質調查局(USGS)建設了美國國家廢棄礦山網，其空間數據庫系統包含全國地形圖、廢棄礦山分布圖、植被覆蓋等圖層[4]。 我國開展礦山監測研究起步較晚，但成果頗豐。 王曉紅等[5]運用QUICKBIRD衛星和SPOT-5衛星遙感數據監測植被較多山區的礦山開發現狀以及其對周邊環境的影響；梁暉等[6]運用4年不同時相、不同數據源的遙感影像進行礦產資源開發的動態監測，分析礦山開發引起的變化；李霄等[7]基于ArcPy提出了違法礦山分布圖的自動生成方法，解決了傳統的人工制作違法礦山分布圖中的問題。 上述研究多集中于監測礦山開發現狀與制圖研究，對年度礦山開發新增損毀土地的研究不足。

本文主要利用多源高分辨率遙感數據，結合2018年本底數據、采礦權、探礦權等綜合數據，對2018—2019年間山西省開展的年度新增礦山開發損毀土地情況進行調查，重點查明各礦山開發占地損毀圖斑的擴張部分，獲取當年新增的礦山開發損毀土地圖斑，并從擴展規模數量、空間分布以及圖斑擴展模式等方面進行分析研究，為山西省國土空間用途管制、礦山環境恢復治理等提供基礎數據和技術支撐。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

山西省共有11個地級市，117個縣(市、區)，國土面積約為15.68萬km2。在空間區位上，山西省位于黃河流域中游，西與陜西省為鄰，東同河北省、河南省接壤，南同湖北省、重慶市毗連，北與內蒙古自治區相鄰。山西省礦產資源豐富，各類礦種齊全，尤其是煤炭資源，截至2019年8月底，山西省共有采礦權4 870個，其中，涉及能源礦產1 372個，金屬礦產520個，非金屬礦產2 978個；探礦權292個，其中，涉及能源礦產128個，金屬礦產150個，非金屬礦產14個。顯著的礦產資源優勢，引來高強度的資源開發利用，因此土地資源的損毀情況備受關注。

1.2 數據源

為查明研究區礦山開發新增損毀土地變化情況，本次所采用的數據源主要包括2018年礦山地質環境本底數據庫、山西省2018—2019年土地利用年度變更遙感影像數據。遙感影像數據類型多樣，基本以國產衛星為主，主要有北京二號、高分一號、高分二號、資源三號、Pléiades-1以及高景一號等，影像的空間分辨率均優于2 m。收集的遙感影像經過質量及精度檢驗，色調清晰，紋理明顯，且礦山開采區域無云雪等覆蓋，可滿足人機交互解譯的需要。

2 研究方法

2.1 遙感信息提取

目視解譯是遙感信息提取的重要方法之一，根據先驗目標地物的特征統計分析，建立解譯標志，可通過人機交互的方式實現目標地物提取[8]。本文主要依據遙感影像本身特性，結合礦產資源開發在影像上的地物特征(紋理、結構、色調、幾何形態、大小等)進行室內解譯。

本文以ArcMap軟件作為礦山開發新增損毀信息提取平臺，基于2018年礦山地質環境本底數據，解譯出2018—2019年新增礦山地物類型(開采面、礦山建筑、固體廢棄物和中轉場地)的分布位置、面積等。針對初步的解譯結果，根據圖斑開展野外實地驗證，并將錄入監測成果信息服務系統。根據野外核實情況，對內業提取圖斑進行復核修正，保證數據的真實性，最終形成新增礦山開發損毀土地數據成果，研究路線如圖1所示。

圖1 研究路線圖Fig.1 Workflow of study

2.2 空間自相關分析

2.2.1 全局莫蘭指數

全局莫蘭指數是檢驗整個研究區內臨近位置的單元屬性值空間相關性的總體趨勢[9]，其計算公式見式(1)。

(1)

全局莫蘭指數結果范圍在-1到1之間，若結果接近1，則表明空間位置上相近的區域屬性值比位置上較遠的區域屬性值更相似，即具有相近屬性值的聚集在一起，呈正相關；若結果接近-1，則表明空間位置上相近的區域屬性值比位置上較遠的區域屬性更不相似，即具有相異的屬性值集聚在一起，呈負相關；若結果接近于0，則表示屬性值呈隨機分布，不存在空間自相關。

2.2.2 熱點分析

單一的全局莫蘭指數僅能從總體上反映數據整體分布狀態，不能在空間上直觀反映數據分布特征，因此本文通過冷熱點分析來進一步討論山西省礦山開發利用新增損毀土地圖斑的空間分布是聚集、分散的或是隨機的，目的是識別礦山新增損毀土地類型熱點與冷點的空間分布。

本研究選用局部空間熱點分析指數來分析，主要用來檢驗局部地區是否存在統計顯著的高值或者低值，其計算公式見式(2)。

(2)

對局部空間熱點分析指數進行標準化Z值檢驗，則公式見式(3)。

(3)

若Z(Gi*)為正且顯著，則表明位置i周圍的值相對較高，屬高值空間集聚，即熱點區；若Z(Gi*)為負且顯著，則表明位置i周圍的值相對較低，屬低值空間集聚，即冷點區。

2.3 基于空間拓撲關系的景觀擴張指數

研究礦山新增損毀土地景觀擴張狀況是研究空間分異的有效手段,從景觀擴張的角度定義礦山新增損毀土地擴張，可將其大致分為填充式、邊緣式和飛地式。從拓撲關系的角度表示礦山新增損毀土地斑塊之間的關系，可分為包含、相交與相離關系。本文采用錢敏等[11]提出的基于空間拓撲關系改進的景觀擴張指數法來研究山西省礦山開發利用新增損毀土地圖斑的擴展模式。

3 遙感監測結果分析

3.1 總體特征

根據遙感監測結果表明，2018—2019年山西省新增礦山開發損毀土地面積共計7 455.87 hm2，按照各類礦山占地類型劃分，固體廢棄物新增規模最大，面積為3 533.57 hm2，占全省新增礦山開發損毀土地面積的47.39%；其次為采場的擴展，新增面積為2 470.90 hm2，所占比例為33.14%。固體廢棄物和采場擴展的新增面積之和達到山西省新增礦山開發損毀土地面積的80.53%，由此可見，2018—2019年間山西省礦業活動開展所造成的新增礦山開發損毀土地，主要以礦產固廢壓占損毀土地為主，以露天開采面的挖掘擴展為輔，而礦山中轉場地與礦山建筑的開發建設所損毀土地面積為1 451.40 hm2，兩者面積之和所占比例為19.47%，具體見表1。

表1 新增礦山開發損毀土地面積Table 1 Newly damaged land by mine development

3.2 不同礦種新增損毀土地狀況

根據研究結果表明，2018—2019年山西省新增礦山開發損毀土地涉及到的礦種共計51類，其中，按照面積占比大小歸納出煤礦、鐵礦、鋁土礦、石灰巖、建筑石料用灰巖、磚瓦用黏土、建筑用砂、耐火黏土、水泥用灰巖等9類主要礦種的占損土地狀況，具體見表2。 由表2可知，能源礦產中煤礦新增開發損毀土地規模遠高于其他礦種，面積為3 757.27 hm2，占山西省新增礦山開發損毀土地面積的50.39%；其次為非金屬礦產石灰巖，面積為881.41 hm2，占山西省新增礦山開發損毀土地面積的11.82%；其余主要礦種新增開發損毀土地面積占比數值則均在10%以內。由此可見，2018—2019年山西省新增礦山開發損毀土地主要是由煤礦的開采活動造成的。

表2 不同礦產涉及主要礦種類型統計表Table 2 Statistics of different minerals and main mineral types

3.3 新增礦山開發損毀土地空間分布特征

為更好地反映山西省礦山開發占地新增損毀土地圖斑的空間分布特征，本文從圖斑規模以及圖斑數量兩個方面出發，將規模與數量賦值到對應區縣范圍內，作為分析單元和生產熱點分析圖。計算2018—2019年山西礦山開發利用新增損毀土地規模與數量分布的全局莫蘭指數(以圖斑規模計算全局莫蘭指數值為0.37，以圖斑數量計算全局莫蘭指數值為0.15)可知，空間自相關系數均大于0，說明無論是規模還是數量均呈現出正的空間自相關性，具有較顯著的空間集聚分布。

由新增圖斑規模熱點分布圖(圖2)可知，冷熱點區分布呈現中部高南北兩端低的分布特征，熱點區與次熱點區呈近似環狀圍繞太原市，并且東部與西部兩個高熱點集中趨勢明顯，主要分布于呂梁市孝義市、交口縣、中陽縣、靈石縣、介休市、昔陽縣、壽陽縣、忻州市、原平市、代縣、定襄縣以及陽泉市盂縣、平定縣；次熱點區主要依附熱點區周邊，空間上分布于山西省的忻州市、陽泉市以及呂梁市；冷點地區集中在山西省中部太原市、南部長治市、臨汾市、運城市、晉城市等地市以及北部的大同地區。

圖2 新增圖斑規模熱點分析圖Fig.2 Hot spot analysis of new map spot scale

由新增圖斑數量熱點分布圖(圖3)可知，冷熱點區分布呈現更明顯中部高南北兩端低的分布特征，高熱點區更集中分布在東部的陽泉市和呂梁市南部，呈現兩個高擴展中心，涉及呂梁市孝義市、交口縣、中陽縣、晉中市靈石縣、介休市、忻州市定襄縣、陽泉市郊區、盂縣、平定縣以及晉中市昔陽縣、壽陽縣；次熱點區大部分分布于山西省忻州市以及呂梁市。冷點區與次冷點區主要分布在長治市、臨汾市、運城市、晉城市和北部的大同市等地區。

圖3 新增圖斑數量熱點分析圖Fig.3 Hot spot analysis of new map spot quantity

山西省作為我國礦產資源的供應大省，整體煤礦資源的開發利用力度較高，根據研究結果發現，2018—2019年忻州市、呂梁市、晉中市和陽泉市等地區煤礦開發強度較高，規模較大且分布集中，是當年礦山開發新增損毀土地的熱點區域，占損土地的方式主要是露天采面的擴張以及煤礦開發過程中固體廢棄物的堆放。近年來，隨著山西省的交通、水利、市政工程、城市改造等基礎設施的發展，對砂巖、灰巖、花崗巖以及黏土等非金屬礦產需求量增大，2018—2019年度從圖斑數量上非金屬礦產高于能源礦產，導致在熱點圖上出現部分區縣雖然在擴展規模不高呈現出冷點或次冷點的狀態，但在新增損毀圖斑數量上呈現較高值，這些區域今后將是監測及生態恢復的重點區域。

3.4 新增礦山開發損毀土地空間擴展模式特征

本文分別計算不同新增礦山占地類型擴展模式的圖斑數量與面積情況，見表3。由表3可知，新增礦山占地類型擴展模式以邊緣式擴展為主，其圖斑數量與規模均占總數的90%左右，其次為飛地式擴展，填充式擴展的圖斑最少。從新增礦山占地類型來看，采場、固體廢棄物、礦山建筑與中轉場地圖斑的擴展模式以邊緣式擴展為主，由此可見，新增損毀圖斑基本沿原有的礦山占地本底邊緣向外擴展；其次在飛地式擴展模中固體廢棄物與采場的圖斑數量與規模較高，而新采面產生與礦山固體廢棄物的排放將形成新的礦山損毀土地增長點，長期看對生態環境的影響將逐漸較大。

表3 不同新增礦山占地類型擴展模式統計表Table 3 Statistics of different expansion mode of newly damaged land

4 結 論

本文分析了2018—2019年山西省礦山開發新增損毀土地的規模、類型、空間分異特征及其擴張模式，得出結論如下所述。

1) 2018—2019年山西省新增礦山開發損毀土地面積共計7 455.87 hm2，其中以固體廢棄物和礦山采場為主。

2) 2018—2019年山西省新增礦山開發損毀土地涉及到的礦種共計51類，其中，能源礦產中的煤礦新增開發損毀土地規模遠高于其他礦種，其次為非金屬礦產石灰巖，2018—2019年山西省新增礦山開發損毀土地主要是由煤礦的開采活動造成的。

3) 2018—2019年山西省從新增損毀土地規模和數量冷熱點分析，可以看出忻州市、陽泉市和呂梁市在規模和數量上均表現高值的聚集，是礦山開發新增損毀土地的熱點區域，該區域是今后生態恢復的重點治理區域，而晉南的長治市、臨汾市、運城市、晉城市和晉北的大同市等地區是主要擴展冷點區域。

4) 2018—2019年山西省礦山開發新增損毀土地類型擴展模式以邊緣式擴展為主、其次為飛地式，填充式擴展的圖斑數量與規模最少。