地下采煤扰动影响土地利用时空演变研究

张明媚 薛永安 吕义清 乔清海

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.山西能源学院地质测绘工程系，山西省晋中市，030600；3.太原市规划和自然资源局，山西省太原市，030009)

1 引言

地下采矿扰动影响区是指地下采矿打破地质体应力平衡状态，并可能引起地表变形和破坏及可能产生地质灾害的区域。山西省作为我国煤炭生产的重要基地，含煤地层面积约占全省总面积的40%。西山矿区位于山西省西山煤田，掌握受地下采煤扰动影响土地利用时空演变规律对西山矿区可持续发展具有重要的指导意义。目前，学者们多利用遥感分类技术进行采煤区的土地利用信息、植被覆盖信息等多源信息提取，进而监测其地表的时空变化，说明采煤活动对区域的影响。太原西山矿区杜儿坪煤矿南三盘区自1981年开始开采2#煤层和3#煤层，1994年2#煤层开采结束，1997年3#煤层开采结束，距今已有20余年，地表趋于稳定，土地利用呈现多样化。本文仅考虑地下采煤扰动影响，以杜儿坪煤矿南三盘区为中心并外扩取正后的范围为研究区，总面积5.977 km2。以5期遥感影像为数据源，基于ERDAS采用最小距离分类法进行了研究区土地利用信息的提取，进而分析了研究区土地利用近40年的时空演变，以期为地下采煤扰动影响区土地利用时空演变研究进行方法上的探索。

2 数据与方法

2.1 数据源

遥感影像是进行土地利用信息提取的重要数据源，按照土地利用分类图尺度的不同可以选用不同分辨率的遥感影像数据。目前，可用于矿区地表监测领域的遥感数据很多，如：Landsat系列、Rapideye、ALOS、SPOT系列、IKONOS、QuickBird、GeoEye-1、Pleiades、WorldView系列、北京一号、国产资源三号、高分一号、高分二号等，同时，航空影像、低空无人机影像也是该领域重要的影像数据。

根据本次研究工作的时间段选定为杜儿坪煤矿南三盘区初采至今，确定遥感数据应满足1980-2018年这个时间段，空间分辨率尽可能不低于2.5 m的高分辨率遥感数据。按照上述要求对遥感数据调研分析后，本研究确定采用多源多尺度遥感数据作为研究区土地利用数据获取的基础数据，使用的遥感数据见表1。

2.2 方法

参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)，根据本次研究目的、研究区的地类特征和选用的遥感数据源，研究区土地利用类型采用二级分类法，将不同的二级类型进行合理的归并后，共分为10个土地利用类别：有林地、灌木林、其他林地、其他草地、耕地、园地、建筑用地、坑塘水面、裸地、道路，最终建立起研究区地下采煤扰动影响区土地利用时空演变遥感监测分类指标。通过对比研究区已有研究资料和野外调查，该分类指标具有一定的实用性和普适性。

表1 遥感影像选用数据信息表

目前，遥感影像信息提取方法众多，主要包括非监督分类、监督分类、面向对象分类等，本次工作以ERDAS软件为遥感信息提取平台，以监督分类法中的最小距离分类法进行研究区土地利用信息提取，该法以特征空间中的距离作为像元分类的依据，首先由训练组数据得出每一类别的均值向量和协方差矩阵，然后以各类的均值向量作为该类在多维空间中的中心位置。计算输入图像中各个像元距各类中心的距离，距哪一类中心距离最小，则该像元归入哪一类。

最小距离分类法的通用判别形式为：如果在所有的比较类j=1,2,3,…，m中，有di(X)

图1 最小距离分类法判别过程

由图1可知，二维空间中待分向量X和类别A、B、C中心之间的距离dA、dB、dC进行比较，由于dB最小，因而将待分向量X归入B类。在二维空间中，A、B、C三类之间由分割线(图1中用虚线表示)区分，即最小距离分类法的判别函数将空间分割为3个部分。

具体技术步骤如下：

(1)基础资料收集，包括测绘资料、采矿资料、遥感影像资料、土地利用资料；

(2)利用地形图完成遥感影像数据校正，参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)选定分类类别，在ERDAS平台对统一基准后的影像数据分别采用最小距离分类法进行研究区土地利用分类；

(3)利用地形图与土地利用资料，并结合野外验证对分类结果进行修正与完善；

(4)利用Arc GIS平台进行结果统计与分析，最后完成研究区地下采煤扰动影响土地利用时空演变分析与总结。

3 结果与讨论

3.1 结果

采用前述方法完成了研究区1976-2018年之间5期土地利用图的解译制作，并进行了野外验证，部分野外验证图见图2，同时辅以1979、1999年的1∶1万地形图、第二次全国土地调查结果修正解译结果得到研究区5期土地利用图，如图3所示，土地利用面积统计结果见表2。最后，以1976年影像分类结果为基准，基于Arc GIS平台得到其他时相数据相对于1976年数据的土地利用类型演变图，如图4所示。

图2 部分野外验证图

图3 研究区不同时相土地利用图

年份研究区有林地灌木林其他林地其他草地耕地1976面积/m22371382.48-258122.683347590.03-比例/%39.67-4.3256.01-1990面积/m22361817.041700761.71254955.571524368.61-比例/%39.5128.454.2725.50-2000面积/m22361817.041700761.71254955.571495958.31-比例/%39.5128.454.2725.03-2010面积/m22398472.412620422.19254955.57470894.75-比例/%40.1343.844.277.88-2015面积/m22473688.962441752.78341870.60397915.5724807.17比例/%41.3940.855.726.660.42年份研究区园地建筑用地坑塘水面裸地道路1976面积/m2-----比例/%-----1990面积/m2-6280.06-97937.3730974.84比例/%-0.11-1.640.522000面积/m2-6280.06-126347.6630974.84比例/%-0.11-2.110.522010面积/m2-13972.181805.21158221.8558351.04比例/%-0.230.032.650.982015面积/m2106286.8124602.871805.2169624.1994741.04比例/%1.780.410.031.161.59

图4 研究区土地利用类型演变图

3.2 讨论

(1)研究区在采煤活动未开展前主要地类为其他草地、其他林地和有林地3种，其中，其他林地仅占极小部分比重，面积百分比为4.32%。

(2)随着研究区内采煤活动的开展，土地利用结构逐渐发生变化，表现为其他草地的占比减小，出现了灌木林地、建筑用地、裸地和道路用地等类型，其他草地的减少部分主要转向了灌木林地，表现为采煤沉陷区生态恢复治理中多种植柠条等灌木为主。

(3)研究区采煤活动结束于1997年，并于2003年进行了采煤沉陷区恢复治理工程，同时据太原市万柏林区人民政府官方网站显示，2008年以来，研究区内实施了以植树造林为主的生态恢复工程，并修建了水泥道路，经过近10年的发展，研究区已形成生态旅游区。对照土地利用数据可以看出，研究区在2010年时新增了坑塘水面类型，而建筑用地、裸地和道路用地均出现增长态势。其中，裸地增幅较大，这与区内进行生态恢复工程进行的工程建设密切关联。

(4)2014年，山西省再次开启了采煤沉陷区治理工程，截至2015年，研究区内新增园地类型，占比达到1.78%，有林地、其他草地、建筑用地、裸地和道路用地均出现增长，而其他林地面积减少，耕地面积出现了翻倍增长。同时，新增园地表现为区内开辟梯田大量种植桃树，研究区内同时有几处场地建设，表现为裸地面积在2015年出现大幅度的增长。

综上，在1976-2015年期间，林地、草地是研究区的主要土地利用类型，基本占该区域的90%以上，随着采煤驱动力的影响，土地利用结构呈现明显变化，主要表现为草地的减少和林地的增加，以及建筑用地、裸地、道路、园地等地类的增加。其中，草地呈逐年减少的趋势，从1976年的约3.35 km2变为2015年的约0.39 km2，所占比例由56.01%减少为6.66%；而灌木林地面积从0增加到2.44 km2，所占比例由0%增加到40.85%；建筑用地、裸地、道路、园地、耕地等地类所占比例均较少，但也呈现出逐渐增长的趋势。

4 结论

研究区在煤炭开采之前基本处于林草覆盖的原始状态，而随着煤炭开采，人类活动逐渐在区内显现，进而地方政府所实施的采煤区生态恢复治理工程使得区内的其他林地替代了原有的其他草地，并出现了土地利用的多元化发展，人造地类逐渐增多。研究区的地表沉陷逐渐趋于稳定，采煤沉陷区治理工程在该区进行了旅游区开发，显示为2010年起人工地类的大幅度增长。显然，土地利用类型的转移过程与煤炭开采过程、采后沉陷稳定及区域经济发展过程相吻合，因此，本研究可作为揭示地下采煤扰动影响区土地利用时空演变特征的基础方法，对推动资源型城市开展地下采煤扰动影响研究、国土空间规划研究、土地再利用研究具有基础意义。但是，本文所选研究区仅是太原西山地下采煤扰动影响区中的一个局部，应继续开展全区的研究分析，并完善土地利用分类类型，为发展地下采煤扰动影响研究提供地表演变基础数据源。