基于遥感影像的金属矿区土地利用动态变化分析——以常宁市松柏镇为例

邓美容，蔡跃辉，龚 雨

（1.衡阳师范学院 资源环境与旅游管理系，湖南 衡阳 421002；2.湖南省第一测绘院，湖南 衡阳 421008）

0 引 言

常宁市水口山地区矿产资源丰富，是国家著名的金属矿区，享有“中国铅都”的美誉，已有上百年的开采历史。矿产开发和冶炼对用地需求很大，大量的废渣、废气、废水的处理和排放占用土地；同时废气、废水又对周围环境有着巨大影响，因此矿区土地利用状态的变化效率相比其他地区要迅速且多样［1］。特别是近年来，水口山地区成立了水口山工业园，大型金铜项目和物流仓储中心正在建设，各级道路不断拓宽，直接影响了水口山地区的土地利用状况。

1 研究区概况

常宁市水口山矿区主要分布在松柏镇内，因此本文的研究以松柏镇为研究区域。松柏镇位于常宁市东北部，总面积78.6 km2，耕地1.6×103hm2，国家一级生态防护林2.7×103hm2，现有人口7.6万，非农业人口5.1万。历年来，松柏镇凭借得天独厚的地下矿产资源和辛勤劳动，先后进入全国村镇建设先进镇、全国百强乡镇行列，赢得了“湘南第一镇”的美誉。但是随着矿产开发和冶炼加工规模的扩大，矿区环境问题日益严峻，矿区土地利用方式发生了很大改变［2－3］。

该研究以松柏镇为研究区域，通过多期遥感影像，同时辅助地形图、文字资料和社会经济统计资料等，利用ENVI5.0进行监督分类和决策树分类，对矿区土地利用信息进行提取，通过对比分析区域内土地利用变化情况，从而全面了解近年来矿区土地利用格局，便于更好的矿区土地利用方式进行宏观调控。研究区位置图和影像图如图1、图2。

图1 松柏镇在常宁市的位置

图2 松柏镇影像

2 数据来源与与预处理

2.1 数据来源

遥感数据源来自中国科学院对地观测与数字地球科学中心（http：//ids.ceode.ac.cn/query.html）和地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），本研究一共选取了三个期数据，分别是1990年Landsat5 TM、1999年Landsat7 ETM＋和2013年Landsat8 OLI影像数据，轨道号123/042，云量小于10%，研究区云量为0，多光谱波段地面分辨率为30 m。图像层次丰富，质量良好，特别是Landsat8的影像为2013年10月份的，具有很好的时代性和可对比性。

2.2 数据预处理

由于数据的影像坐标系统不统一，且存在不同程度的几何变形，因此首先需要对影像进行投影转换和几何校正［4］。由于1990年和1999年的数据没有投影信息，而2013年的影像采用的UTM投影，因此本次数据统一采用UTM投影，椭球体为WGS84国际椭球。2013年的影像上是辐射能量值，故在进行处理前需要先进行辐射定标与大气校正，转换为反射率图像。具体处理处理过程如下：

（1）首先对1990年和1999年的影像进行投影转换。转换后的数据与常宁市的影像进行套合，发现明显偏移。

（2）为了使几何校正误差尽量小，根据现有常宁市行政区划图范围，首先对各幅影像进行粗略裁剪，再对裁剪后的影像进行控制点选取，这样能将误差控制在较小的范围。每幅影像控制点选择在15个左右，误差控制在0.5个像元内。

（3）利用松柏镇行政区划界线对3幅影像分别裁剪，得到3个时期的松柏镇影像。

（4）为了更好的实现影像分类，在前面影像基础上进行图像增强，进一步突出影像上不同地物之间的亮度差异，提高影像解译精度。

2.3 分类体系建立

根据《土地利用现状调查技术规程》，同时考虑到实际的分类精度，本研究利用土地利用一级分类方法，将研究区分为耕地、林地、水域、建设用地、草地、矿产用地等6个类别，将矿产用地单独列为一类，充分体现矿区土地利用研究的特殊性和代表性。一级类中的园地和交通运输用地分别并入林地和建设用地中。

3 常宁市松柏镇土地利用动态变化信息提取

3.1 土地利用动态变化信息提取

该研究利用ENVI5.0遥感影像处理软件，对影像进行5、4、3或者4、3、2波段R、G、B彩色合成，采用面向对象的监督分类方法进行感兴趣区域选取，每个样本分别选取5～15个训练区，尽量保持所选训练区有较大的区分度，并通过可分离度检验，保证样本间的分离度达到1.8，对小于该值的样本进行重新选取，直到满足条件为止。对各类方法比较，最终选取最大似然法对影像进行分类，并结合人机交互方式进行分类后处理。结果数据采用混淆矩阵进行精度检验，3个时期影像（1990年，1999年，2013年）分类精度kappa系数分别为86.04%，83.50%，85.67%。分类结果如下所示（见图3、图4、图5）。由三个时期的土地利用分类结果影像明显看出，1990年到1999年间，松柏镇土地利用变化情况总体较慢，各类土地利用方式看不出明显的变化，变化趋势平缓；但1999年到2013年间，整个镇区土地利用方式发生极大改变，建设用地、矿产用地大面积增加，林地和耕地大幅度减少，土地利用结构明显偏移。通过对三景分类结果影像进行统计分析，可以得到三个时期的分类结果统计数据。

图3 1990年土地利用分类

图4 1999年土地利用分类

图5 2013年土地利用分类

表1 松柏镇1990～2013年各类土地利用面积统计 （单位：hm2）

图6 1999年～2013年土地利用面积分布

3.2 土地利用数量变化分析

通过对三景分类结果影像进行分析，可以得到三个时期的分类结果统计数据。对土地利用变化数量的分析主要从各类土地面积的总量上进行分析，通过分析各类土地面积变化，可以全面了解研究时间段内土地利用变化总的态势以及土地利用结构变化趋势。同时，将不同时期的结果影像与原始影像进行叠加，还可以发现各类土地利用的变化转移方向。衡量土地利用变化的另一个量是土地利用变化幅度，它反映研究区一定时间内土地变化量［5－7］。数学表达式为：

其中：为研究时段内某一土地利用类型的变化幅度，分别为初期和末期土地利用面积［8－9］。

衡量土地变化快慢的另一个量为变化率，数学公式为：

其中：R为研究时段内每年土地利用类型的变化率，Ue、Us分别为初期和末期土地利用面积［8－9］。

据公式（1）、（2），对常宁市松柏镇1990年、1999年、2013年三期数据进行统计分析，得该区域土地利用面积变化、变化幅度和变化率表（表2）。

结果表明：（1）松柏镇土地利用整体较为均衡，林地、耕地、草地分布分布较广，占全镇面积的百分之七十多；建设用地、水域、矿产用地占将近百分之三十，土地利用整体格局合理。（2）从土地利用变化情况分析，1990—1999年间土地利用变化较为缓慢，由于建设用地占用和耕地开垦等减少285.1 hm2，耕地由于部分地区进行耕地开荒，大部分农村居民以在乡务农为主，耕地面积增加113.9 hm2，其他地类面积增加均较少。（3）1999—2013年土地利用格局变化很大，各类土地面积均有较大变化。其中较显著的是矿产用地大幅度增加，增加160.1 hm2，增幅达到57.54%，年变化率高达4.1%，大量采矿相关企业新建，矿产开采范围进一步扩大；建设用地和草地面积增加较多，分别增加286.2 hm2和 334.8 hm2，增 幅 分 别 达 到 38.2% 和36.88%，耕地和林地面积分别减少488.7 hm2和341.1 hm2。这主要是由于这一时期经济快速发展，大量农民进城务工，造成部分耕地荒废；同时，矿产用地增多，废水、废气等也使部分耕地荒废，不适合耕种而形成荒废。建设用地的增多主要是因为这一时期是中国经济的大发展时期，农村收入增多，对住房需求增加，农村大量新建楼房；同时政府也大力引进多个大型企业，镇域面积扩大，新建工业园和各级道路，这些都使得建设用地增加较多，而对林地占用造成林地面积减少341.1 hm2。

表2 1990～2013年松柏镇矿区土地利用分类面积变化及比例变化（hm2，%）

4 结论与讨论

本文以常宁市松柏镇遥感影像为数据基础，同时辅助于土地利用图、行政区划图等资料，采用ENVI5.0对松柏镇23年来土地利用变化进行定量分析。主要结论如下：

（1）1990年、1999年和2013年松柏镇各地类所占的面积比重依次为林地、耕地、草地、建设用地、水域、采矿用地；研究区土地利用结构变化总体上表现为耕地、林地呈下降趋势，建设用地、采矿用地呈持续增加趋势；从1990—1999年和1999—2013年两个时间段来看，耕地呈现先增加后减少的发展趋势；林地持续减少，而草地持续增加的趋势；由于研究区内有著名的湘江河流且近年来新建了近尾洲发电站，使得区域内的水域不但没有减少，反而有明显的增加。

（2）从整个时间段来看，矿产用地的年增长率是最高的，为3.19%，其次是建设用地和草地，分别为2.19%和2.01%，这些土地利用格局的变化直接体现了近年来松柏镇经济发展转型的特点和发展速度。而林地和耕地由于基数较大，虽然减少绝对数量较大，但变化率均低于1%，属于城镇发展过程中的正常状态。

但是我们也看到，在矿产用地持续增长的趋势下，如何有效控制采矿工业对农村环境的污染影响已变得十分迫切；松柏镇镇区矿产冶炼厂分布广泛，大量的废渣、废水、废气严重影响着农村耕地和居民的健康。在土地利用合理开发的大环境下，对环境进行保护与治理，已经成为金属矿区迫在眉睫的任务。

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