古交市矿区土地覆盖时空动态变化研究

2016-01-18李宏宏

山西焦煤科技 2015年1期

(E-mail)lihonghong26@163.com

古交市矿区土地覆盖时空动态变化研究

李宏宏

(山西焦煤集团投资有限公司资源地质部，山西太原030021)

摘要为了研究矿区土地覆盖的动态变化规律，以古交矿区为研究区,通过监督分类解译获取矿区1990年、2000年、2010年相同季节的土地覆盖类型图。运用转移矩阵和CA-Markov模型方法分别对研究区土地覆盖类型动态变化进行了研究和预测，结果表明：1) 1990—2010年林地的面积持续增加，年增长率达到了5.49%，耕地和草地的面积大幅度减少，尤其是草地的面积，此外城镇建设用地和水域轻微减少。2) 2010—2020年耕地和草地的面积进一步减少，城镇和工矿用地以及水域的面积小幅度增加，林地的面积继续大幅度增长，年增长率达到了2.18%。

关键词CA-MARKOV；时空变化；土地覆盖类型；古交矿区

收稿日期：2014-11-23

作者简介：李宏宏(1985—)，男，山西代县人，2010年毕业于山西农业大学，助理工程师，主要从事煤矿地质测量与防治水等相关工作

中图分类号：TD167

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)01-0046-05

AbstractIn order to study the dynamic change rule of land cover in mining area, takes Gujiao mining area as the study area. Through supervised classification and interpretation obtains the land cover type maps of mining area of the same season in 1990, 2000, 2010. By using the transfer matrix method and CA-Markov model to study and predict the dynamic change of land cover type, the results show that 1) from 1990 to 2010 the areas of forest land continue to increase, the annual growth rate is 5.49%, the areas of farmland and grassland reduce drastically, especially the grassland area, in addition, urban construction land and waters decrease slightly. 2) from 2010 to 2020, the areas of arable land and grassland decrease further. Towns, industrial and mining land and water areas increase small. Forest area continues to increase drastically, the annual growth rate reaches 2.18%.

近年来，因土地覆盖/土地覆盖变化 (LUCC) 导致的全球环境恶化的问题日益突出，目前已成为国内外相关组织和学者研究的首要内容[1-7]。针对矿区的主要研究成果有胡召玲等用转移矩阵对徐州煤矿区的土地覆盖变化进行的分析[8]，李琳等对平朔露天矿区土地覆盖/覆盖变化的分析研究等[9]。山西省作为全国最主要的煤矿基地, 煤矿资源十分丰富，但近年来在为我国经济发展的增长做出贡献的同时，由于过度开采导致了山西省整体土地资源结构不合理和生态环境状况的恶化, 造成了矿区人地关系的紧张。本文以TM遥感影像数据为基础, 采用转移矩阵定量分析的方法研究了古交矿区 1990—2010年土地覆盖的动态变化, 并通CA-Markov模型对矿区的土地覆盖动态变化进行预测，以期为古交市矿区的土地管理和生态环境的综合整治与恢复提供决策参考和数据支持, 实现研究区土地的长久可持续利用。

1 研究区概括

古交市作为全国最大的主焦煤生产基地，地处山西省太原市西北部，作为连接省城太原和山西省西北部的现代化工矿城市，已经发展成为吕梁山东麓的交通枢纽和商品集散地。古交市地处北纬37°40′6〃至38°8′9〃，东经111°43′8〃至112°21′5＂，东西宽50 km，南北长53 km，总面积1 551 km2. 全市辖10个乡镇和4个街道办事处，总人口21万。

矿区地形复杂，外围地形较高，多在1 500 m以上。东部庙前山标高1 865 m，西南部孤爷山标高2 202 m，区内标高一般多在1 000~1 350 m.矿区最低处寨上村汾河河谷，标高958.40 m.矿区属暖温带半干旱大陆性季风气候，雨量集中于7—9月，近年最大降雨量为632 mm.气温昼夜变化大，最高气温达40 ℃，最低为-20 ℃，自10月至翌年4月为结冰期，冻土深度为0.5~0.8 m.此外矿区交通发达,太(原)古(交)铁路从太原市汾河站至古交西曲站41 km，往西穿过矿区经镇城底至岚县，岚县经方山至吕梁段正在建设中。从太原市区通往矿区的盘山公路长56 km，古交至清徐也有公路相通。研究区概况见图1.

2数据源和土地覆盖类型提取

本研究从地理空间数据云上获取了 1990年、2000年和 2010 年3期landsat4-5的多光谱遥感影像，在ENVI5.0下将3期TM遥感影像以不同波段组合，并按照古交市的行政界线对TM影像进行图像裁剪；同时进行几何精校正、辐射定标、大气纠正等处理；最后进行图像拉伸处理，以增强影像判读，利用监督分类的最大似然法，结合 GoogleEarth 工具进行人机交互目视解译，获取研究区1990年、2000年和 2010 年3期的矿区土地覆盖图，见图2，kappa系数达到了0.8以上，分类精度超过了85%，参照研究区第二次土地调查图，表明解译结果精度良好。

图1　研究区概况图

图2　1990年、2000年和 2010 年矿区土地覆盖类型图

3研究方法

为了对研究区的土地覆盖类型动态变化进行研究，本研究以各地类的面积为研究对象，进而综合反映区域土地覆盖变化。面积变化能够直观地反应不同土地覆盖类型的总量变化，进而可掌握土地覆盖变化总的规律和土地覆盖结构的变化态势。首先根据1990年、2010年两期土地覆盖类型图，在ArcGis 10.0中运用GIS的空间分析功能获取研究区的转移矩阵，并以此来分析研究区土地利用类型动态变化，获取动态变化趋势，然后利用CA-Markov模型对研究区的土地利用类型进行预测，获取2020年研究区土地利用类型。

马尔科夫(Markov)模型俗称空间概率转换模型，它是以马尔科夫链为基础，研究某一事物或者类型的状态以及状态之间转移规律的一种随机过程，其主要原理是通过对事件某一时刻T不同状态的初始概率以及与T时刻状态之间的转移关系来确定T时刻状态变化趋势的方法[10]。元胞自动机(Cellular Automata)，一般简称CA是一种具有时空计算特征的动力学模型，它是由单元、状态、领域及转换4部分组成，主要的特点是时间、空间、状态都非常离散。分布在规则格网中的任何一个单元均取有限空间的离散状态，遵循同样的作用规则，并依据确定的局部规则来做出同步的更新。由于CA模型的状态变量是由空间的位置紧密相连，因此，能够弥补Markov的预测，不包括空间分布的缺点，通过Idrisi软件中的Markov模块和CA-Markov模块将两者结合起来对土地覆盖类型的变化过程进行预测，具体操作步骤如下：

1) 将研究区土地覆盖类型图在ArcGis中转换为ASCII栅格图，然后在Idrisi中导入，并基于Markov模块，获取不同时间段内的土地覆盖类型的转移矩阵。2) 其次确定土地转变适宜性图集和CA滤波器。土地转变适宜性图集是约束土地覆盖的影响因子，选择地形坡度和道路作为影响耕地、林地和居民地的影响因子，在MCE中获取土地转变适宜性图集。CA滤波器的作用是用于产生具有显著空间特征的权重因子，本文采用5×5即150 m×150 m范围内的滤波器。3) 最后确定起始时刻和CA循环次数。研究起始时间是2010年古交市土地覆盖类型分布，设置CA循环次数为10，模拟2020年古交市土地覆盖类型分布状况。

4结果与分析

4.1土地利用动态变化特征

根据1990年和2010年古交市的土地覆盖评价结果，统计20多年来古交市不同土地覆盖类型的土地覆盖面积，进而反映区域土地覆盖变化。面积变化首先反映在不同土地覆盖类型的总量变化上，通过研究分析土地覆盖类型的总量变化，可了解土地覆盖变化的总体态势和土地覆盖类型结构的改变。根据1990年、2010年两期土地覆盖类型图，在ArcGIS10中运用Spatial Analysis的功能，获取古交市20多年来的土地覆盖类型面积转移矩阵，见表1.

为便于更好地研究土地覆盖动态变化过程的主导因素，本研究在土地覆盖面积转移矩阵的基础上，建立土地覆盖转换模型，获取土地覆盖转移的概率矩阵，不仅可以从定量的角度来描述古交市矿区土地覆盖变化的速度，还能比较土地覆盖变化的区域性差异，

表11990—2010年土地覆盖状况转移面积表km2

并以此作为基础来预测未来土地覆盖时空动态变化的趋势。具体公式如下：

(1)

式中：

S—土地覆盖类型；

i—转变为土地覆盖类型j的转换概率；

Lij—土地覆盖类型i转变为土地覆盖类型j的面积。

根据式(1)计算出土地覆盖转换概率矩阵，见表2.

表21990—2010年土地覆盖转换概率矩阵表%

为了更好地了解土地覆盖的年变化规律，引入单一土地覆盖类型动态度，其表达式为：

(2)

式中：

M—单一土地覆盖类型动态度；

T—某一研究时段；

Aa—研究期初的某一种土地覆盖类型面积；

Ab—研究期末的某一种土地覆盖类型面积。

根据公式(2)计算出古交市土地覆盖类型的年变化率表,见表3.

表31990年、2010年土地覆盖类型年变化率表

由表1，表2，表3可以看出，古交市近20多年来的土地利用变化过程，只有林地的面积大幅度增加，草地面积大幅度减少，此外耕地、城镇及工矿用地和水域面积是逐渐减少的。其中草地的年均减少率为1.98%，面积由1990年的366.95 km2减少到206.82 km2，净减少160.13 km2，减少幅度为43.64%.草地主要转变为耕地和林地，转移概率为28.79%和30.71%，转移面积105.66 km2和112.70 km2，主要原因是土地整理等政策所致。耕地年变化率0.91%，整体而言耕地的面积变化不大，净减少了151.93 km2.从转移矩阵类型来看，耕地主要转出类型为林地，转移概率为30.21%，主要原因是由于国家倡导的退耕还林和土地整治，矿区复垦等政策的影响。城镇建设用地和水域变化不大。城镇建设用地年变化率-0.30%，净减少了5.54 km2，主要是受国家政策土地整治和矿区恢复治理等政策的引导，转换为了耕地。水域减少了6.87 km2，年减少率为0.74%，主要转换为了耕地。林地的面积受到国家退耕还林和草地开荒，水土保持等政策的引导，近20多年来增加了325.47 km2，年增长率达到了5.49%，主要的来源是草地和耕地，转换率达到了30.21%和30.71%，转换了228.66 km2和112.70 km2.以上变化表明，古交市20多年来的土地利用变化主要是林地面积的增加及城镇建设用地和水域轻微减少，此外是草地和耕地的大量减少。

4.2基于CA-Markov土地覆盖动态预测

4.2.1模拟精度检验

以古交市1990年、2000年两年的土地覆盖类型数据为基础，运用CA-Markov模型获取2010年土地覆盖类型预测图，与实际解译的2010年土地覆盖类型分布图进行面积对比，获取误差对比表见表4.由表4可以看出，面积误差最大为11.81%，最小为0.16%，精度接近90%.因此，可以用CA-Markov模型来预测古交市土地利用类型变化。

表42010年土地覆盖类型模拟精度评价表

4.2.2研究区2020年土地覆盖类型模拟结果

根据上述的研究，在IDRISI 软件中的 CA-Markov模块下，依次输入2010年古交市土地覆盖类型分布图、2000—2010年古交市土地覆盖类型转移面积矩阵，以及2010年土地转变适宜性图集，对古交市2020年的土地覆盖类型状况进行模拟，结果见图3和表5.

图3　古交市矿区2020年土地覆盖类型图

根据预测结果可以看出，到2020年受到国家政策的影响，矿区耕地和草地的面积进一步大幅度减少，年减少率为1.74%和2.27%，净减少面积115.74 km2和51.76 km2. 林地面积继续增加，年增长率达到了2.18%，净增长面积是142.45 km2，主要是由于退耕还林等政策的影响，转入的类型主要是耕地和草地。城镇和工矿用地以及水域，从1990年到2020年的30多年内呈现了一种先减少后增加的趋势，其中城镇增长幅度最大，达到了2.67%，净增长面积是23.37 km2，主要增长区域位于矿区的西南部；水域变化不大，增长率仅为0.38%.

表52010年和2020年矿区土地覆盖变化状况表

5结论

1) 以古交市矿区为例，通过监督分类获取1990年、2000年、2010年3期土地覆盖类型图，通过转移矩阵和CA-Markov模型分别从研究区的面积、速度和空间分布3方面对土地覆盖类型的时空变化特征进行分析；同时通过预测精度验证获取CA-Markov模型面积，精度接近90%，表明CA-Markov模型可以反应研究区土地覆盖类型的动态变化状况，预测结果可为矿区土地覆盖类型整治及相关规划的编制提供依据。

2) 在上述基础上，利用动态模型对研究区1990—2010年的土地覆盖类型进行分析，结果表明：受到国家退耕还林和土地整理等政策的影响，林地的面积逐年增加，年增长率达到了5.49%，主要的转入类型为耕地和草地，受此影响耕地和草地的面积大幅度减少，尤其是草地的面积，此外城镇建设用地和水域轻微减少。

3) 利用CA-Markov模型对研究区2020年的土地覆盖类型进行预测，结果表明耕地和草地的面积进一步减少，年减少率为1.74%和2.27%.城镇和工矿用地以及水域的面积小幅度增加，林地的面积继续大幅度增长，年增长率达到了2.18%，净增长面积是142.45 km2.

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