基于3S技术的采煤沉陷区土地利用变化分析——以淮北闸河矿区为例

宫传刚，严家平，陈孝杨，徐良骥，刘 杰，喻怀君

（1．安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001；2．安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南232001；3．安徽淮北矿业集团公司，安徽 淮北235006）

煤炭作为最重要的矿产资源之一，在我国能源结构中占有举足轻重的地位，然而，煤炭资源在开发过程中产生的环境负效应却不容忽视［1］。随着工业化进程的加快，我国对能源和原材料的需求急剧增加，随之改变和破坏地球表面和岩石圈的自然平衡，产生采煤塌陷区等一系列人为引发的地质环境问题［2］。目前，3S技术不仅被广泛应用于土地适宜性评价［3］、水质 监测［4］、景观格 局变化分析［5］、碳汇价值研究［6－8］等多方面，同时在矿区土地利用变化分析方面也表现突出［9］。

近年来，我国大部分矿区采用因地制宜的复垦办法对采煤塌陷区进行治理并取得了显著的效果。对于我国这个土地资源相对贫乏的国家，这些措施有利于缓解人地矛盾 改善被破坏区的生态环境提高土地利用率等［10，11］。

1 研究区概况

淮北矿区已探明的煤炭储量超过80亿t，是我国重点建设的大型煤炭生产基地之一。多年来，淮北煤矿为国家经济建设和能源安全做出重要贡献，但由于煤炭的开采，矿区环境的改变和破坏也随之产生。伴随着矿区经济的快速发展和人口的快速增长，对矿区塌陷区的土地复垦重新利用迫在眉睫［12，13］。

闸河矿区位于安徽省北部，总面积约200 k m2，属于淮北市煤炭资源开发历史最早的矿区之一。区内包括杨庄矿、朱庄矿、张庄矿、岱河矿、石台矿、朔里矿、袁庄矿、沈庄矿、孟庄矿和毛郢孜矿等多个煤矿，在煤炭资源开发之前，矿区的土地主要以农业用地为主。自上世纪九十年代以来，随着经济的发展和矿区资源的持续开采，矿区内土地利用情况发生显著变化，其中塌陷塘和矸石山对土地的浪费和破坏显得尤为突出。为了研究闸河矿区内本世纪以来土地利用的动态变化情况，本文开展了以下一系列调查及研究。

2 数据来源与研究方法

2．1 数据来源

本次研究采用2000年6月、2006年5月的Landsat5 T M遥感数字影像和2013年5月的Landsat8 OLI遥感数字影像，条带号均为（122，036）为数据源，云量均小于5%。辅助资料为研究区地形图、矿区地面变形监测数据、矿区资源开发与利用现状图。现场综合调查包括地面塌陷区及塌陷水域分布、塌陷区土地复垦及利用情况、复垦植被类型、地表物质组成、复垦年限等信息。其他信息包括研究区30 m分辨率的DEM数据、行政区划图及统计年鉴等。

2．2 研究方法

研究方法主要采用基于ENVI的遥感影像数据预处理、目视解译地面景观特征提取及其时空变化分析、研究区土地利用变化过程分析等3个方面［14，15］。

利用ENVI 4．8软件对影像进行几何精校正，校正的平均误差控制在0．5个像元内；采用“6S模型”进行大气辐射校正；采用傅立叶变换进行图像增强处理；根据研究区范围进行裁减。

将处理后的遥感影像导出，利用Arc GIS 10．1的空间分析模块处理 分析研究区空间数据信息结合遥感分类图、最新交通图、地形图及矿区CAD图进行矢量化，细化出每个矿的塌陷范围、塌陷水域范围、治理情况等［16］。

2．3 影像分类

在参考国内外的土地利用分类系统后，基于调查研究区的土地利用状况，建立研究区土地利用／土地覆盖分类体系，包括水域、建筑用地、林地、耕地、灌草、裸地六大类。通过目视解译［17］选取训练样本，并采用最大似然法对影像进行监督分类［18］。

为了验证分类结果准确性，采用混合矩阵重采样的方法来检验分类结果［18－19］。Kappa系数均超过最低标准0．7，表明分类精度较高，见表1。统计分类后各土地利用类型像元个数，结合影像分辨率计算出各土地利用类型的面积及所占比例如表2所示。

表1 分类精度汇报表

表2 2000年、2006年、2013年各土地利用类型的面积及所占比例

3 土地利用变化分析

3．1 土地类型面积变化

对2000年、2006年、2013年分类后的图像进行比较，可以得出6种土地利用类型在不同时期的面积变化情况，见表1。研究区的主要土地利用类型为建筑用地和耕地。2000～2013年这13年间城市建筑面积明显增加，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，分别增加了113．52%和40．80%；耕地面积持续下降，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%水域面积有所下降，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、裸地所占面积很小，变化不大。

矿区各种土地利用类型在其土地总面积中所占的比例在不同的时期也有不同变化趋势。城市建筑比例变化最为明显，由2000年的18．86%增加到2006年的40．23%，再增加到2013年的56．66%。耕地面积下降最为明显，在2000年时占65．76%，2006年减小到48．76%，2013年又减小到35．21% 水域面积持续缓慢减小 林地 灌草 裸地面积所占比例很小，比例变化不大。

3．2 土地利用转移矩阵

基于ENVI4．8，通过对矿区不同时期的土地利用图进行空间叠加运算，求出各时期土地利用类型的转移矩阵，对其进一步分析土地利用变化过程。土地利用转移矩阵利用地图代数法求得，

式中：Ai为研究区土地利用类型转移代码；Bk为研究区前一时期的土地利用情况；Bk＋1为研究区后一时期的土地利用情况，如表3、表4所示。

表3 闸河矿区2000～2006年土地利用转移矩阵

表4 闸河矿区2006～2013年土地利用转移矩阵

通过分析土地利用转移矩阵可以得出，林地、灌草、裸地的总面积都很小，对土地利用变化影响不大。2000～2006年期间，城镇建筑面积的迅速增加主要来源于耕地，另一部分来源于水域的复垦，有27．14%的耕地（32．72 k m2）和34．85%的水域（7．35 k m2）转为城镇建筑用地；耕地面积迅速减少，有30．08%转为建筑用地，2．39%转为水域见表3。2006～2013年期间，有38．17%的耕地（33．68 k m2）和32．58%的水域（4．83 k m2）转为城镇建筑用地见表4。

3．3 矿区地面塌陷现状分析

研究区地下水水位较高，在塌陷区易形成常年积水区，且不同季节面积有所不同，冬季积水面积约为夏季85%。利用2013年5月的数字遥感影像，基于Arc GIS 10．1的分析、统计功能对研究区现状分类图进行分析，得出现阶段矿区各矿塌陷情况见表5。

表5 不同矿井分布范围 地面塌陷及塌陷积水水域分布

由表5可知，随着煤炭资源的开采，杨庄矿和朔里矿塌陷导致的水域面积较大，其中杨庄矿塌陷面积17．25 k m2，占杨庄矿总面积的53．69%，塌陷水域面积4．27 k m2，占矿区总面积的13．29%；朔里矿塌陷面积10．97 k m2，占矿区总面积64．75%，塌陷水域面积4．03公顷，占矿区总面积的23．79%。岱河矿、袁庄矿、沈庄矿、孟庄矿、毛郢孜矿等矿由于地势高、开采煤层薄等原因，使得塌陷水域面积较小，仅占矿区总面积2%左右。

近年来矿区开采强度大幅增加，但塌陷区水体面积却在缓慢减少，尤其体现在岱河矿、石台矿。分析其原因有下：①多煤层矿井，下部煤层的开采主要影响的是原始沉陷区的塌陷深度，对沉陷区面积增大影响不大 ②在沉陷幅度较小的区域 当地政府和集团多数采用充填和挖深垫浅的方式进行复垦。随着复垦力度的加大，老塌陷区水域面积逐渐变小。③岱河矿、石台矿等北部矿井煤炭资源分布区有煤层浅、可采煤层厚度小、地势高等特点，使得其开采区塌陷去水域面积较小。

4 土地利用变化驱动力分析

驱动力是指导致土地利用方式和土地利用类型发生改变的主要因素。影响土地利用类型面积变化的因素主要有自然和社会经济两个方面。在短时间尺度内，气候、土壤、水文等驱动力对耕地面积变化的影响较小不予考虑［20］。在本研究中，城镇建设用地面积持续增加，且有增幅变大的趋势。城镇建设用地扩张的驱动力主要体现在经济发展、城镇化水平和人口等方面［21－22］。以1999～2013年的为例，分析研究区城镇迅速扩张的主要驱动力。

4．1 经济发展

近年来，淮北市的经济建设得到持续快速的发展，见表6。2013年，全市生产总值703．7亿元，较1999年的96亿元增长了633．02%；全市人均生产总值由5 104元增长到32 996元，增加了546．47%；1999年，全市城镇居民可支配收入2 190元、农民人居纯收入2 000元，2013年，全市城镇居民可支配收入22 460元、农民人均纯收入8 240元，与1999年相比分别上涨了332．76%和312%，城乡居民收入迅速增加，人民生活水平得到大幅提高。

表6 1999年、2005年及2013年淮北市各项指标情况

其中，第一产业增加42．50亿元，增长了193．21%；第 二 产 业 增 加472．89亿 元，增 长 了948．06%；第 三 产 业 增 加173．81亿 元，增 长 了377．72%。煤炭行业是淮北市的主要工业，原煤开采量由1999年的2 335万t增长到2013年的5 356．7万t，增长了129．41%，煤矿的建设与发展对城市的经济发展起到了巨大的推动作用。

4．2 人口因素

人口因素是地区城市化进程的最主要因素。1999年淮北市总人口数为186．58万人，其中农业人口114．38万人，非农业人口72．2万人；到2013年，人口总数增加到214．50万人，增加了14．96%，其中农业人口122．3万人，非农业人口92．2万人，分别增长了6．96%和27．70%，到2013年末淮北城镇化率达到58．5%。地区人口的增长，尤其是非农业人口的增长加剧了城市化的速度，淮北两大煤炭集团员工总数约14万人，占淮北市非农业人口的15．2%。煤炭产业的建设与发展为提高城市人口城镇化起到重要作用

4．3 城市化水平

一个城市的产业结构可以在一定程度上反映城市化水平。1999年第一产业在全市国民经济中的比重为15．1%，到了2013年变为8．1%，下降了近5成；第二产业比重由47．0%上升到67．2%，增长了42．98%，其中原煤产量由1999年的2 335万t增长到2013年的5 356．7万t，增产129．41%；第三产业比重由1999年的37．9%下降为2013年的24．7%。淮北市依然是以煤炭为主的煤炭型产业城市，近年来以煤为经济主体的产业结构不会动摇。

5 结 论

1）随着煤炭工业的迅速发展，闸河矿区不仅加快了城市化进程，矿区的土地利用结构发生了巨大变化。利用3S技术可以快速、准确、便捷地获取土地利用及覆盖的动态变化。

2）通过采取合理的城乡规划和土地环境整治工程，矿区的土地仍然得到高效利用。矿区的土地利用类型从煤炭开采前的以耕地为主变为开采后以建筑用地和耕地两种类型为主。农用地呈逐年下降趋势，13年来共减少了55．20 k m2，占2000年的一半以上，建筑用地从2000年到2013年面积翻倍。复垦后的土地约33%转变为城市建设用地。通过对部分塌陷水域实施充填复垦工程，塌陷区地表水域也出现减少趋势。林地、灌草、裸地面积变化不大。煤炭资源开发虽然造成土地资源的毁损，但煤矿企业和当地政府根据该区的煤炭资源赋存与矿山环境地质条件的特点，通过科学的规划与设计，对采煤沉陷区进行合理整治，取得了该区土地资源高效利用的效果。

3）综合分析造成闸河矿区土地利用变化的驱动力，起主导因素是煤炭的开采直接导致土地利用的类型发生变化，同时矿业经济的快速发展和地区人口的增长对城镇建设用地的需求量剧增，使得农田和复垦后的土地变为建设用地。

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