基于遥感技术的轩岗矿区农村居民点时空格局变化研究

张 茹，何高波

(中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199)

农村居民点是农村人口居住与活动的空间单元[1]，其空间分布状况是一定自然、经济、社会发展环境下农村居民居住活动在其分布地区的反映[2-3]。研究农村居民点的空间分布格局，对于农村居民点整理规划和统筹城乡发展都具有重要的指导意义[4-5]。煤炭矿区农村居民点由于受到煤炭资源的开采而遭受破坏，使原本缺乏规划[6-8]的农村居民点内部废弃地增加[9]，有的甚至全部废弃。因此，研究煤矿矿区农村居民点的分布规律有利于矿区农村居民点的发展规划和土地复垦，有利于促进矿区的新农村建设，也可为采煤沉陷区的移民搬迁提供有益的参考。

在矿区农村居民点空间格局研究方面，我国的卢元清等以2009年土地利用现状图为基础，对山西平朔矿区的居民点进行研究，结果表明平朔矿区农村居民点零散分布在中部和东南部地区，并且主要分布在露天矿区[10]；杨冰利用2013年遥感影像研究平朔矿区居民点，得出的结论是平朔矿区农村居民点的的分布多与地形地貌有关，农村居民点的优选区位是高程1 300～1 500 m、坡度0～10°及坡向为S、SW和SE坡[11]；王晓辉等通过解译3期遥感影像对安徽淮南煤矿区土地利用变化进行分析，得出的结论是淮南矿区农村居民点面积呈先增加后减少趋势，且土地综合利用程度减少[12]。但是，这些研究的时间尺度都相对较短，不能充分说明农村居民点的空间格局与时间变化之间的关系。

本文以轩岗矿区1986～2015年30年间的7期遥感影像数据为基础，通过监督分类和人工目视解译相结合的方法，研究矿区农村居民点的时空变化规律和特征，以期为采煤沉陷区移民搬迁和矿山环境恢复治理等提供理论支撑与实践参考[13]。本研究中农村居民点的概念不仅包括已有的行政村，还包括由于煤炭资源开采活动而临时增加或减少的居民聚集点。

1 研究区概况

轩岗矿区位于山西省宁武煤田的中部，北面是朔南矿区，南面是岚县矿区，地理位置为东经112°9′～112°40′E，北纬38°44′～39°9′N，跨忻州市宁武县、原平市及神池县(图1)。矿区内赋存地层自上而下有第四系、新近系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系及奥陶系。矿区位于宁静向斜的北部，发育有大量的北东向正断层，将北部切割成零星断块，地质构造较为复杂，较大的断层有阳方口断层。

图1 轩岗矿区地理位置

矿区总面积约978 km2，煤炭资源总量约102亿t。在煤炭开采过程中，长期存在“多、小、散、乱”的开采格局，资源利用率较低，环境污染严重。2006年山西省政府发布《山西省煤炭资源整合和有偿使用办法》，煤炭资源整合在山西省全面实行。煤炭资源整合有利于优化煤炭产业布局、保护生态环境和促进行业安全生产[14]。但也存在一系列遗留问题，乡镇小煤矿是山西省煤炭资源整合的主体，它们的被整合对农村居民点变化产生很大影响。

轩岗矿区划分为3个井田，1个勘探区和3个资源整合区。矿区属于中温带大陆性季风气候，年均温为7.2℃，年均降水量为485 mm。矿区内铁路有北同蒲线及宁苛支线，公路主要有宁武至娄烦的宁白线(S215)、大同至忻州的大忻线(S206)、崞阳至五寨的崞五线(S305)三条干线，交通较为便利。矿区内城镇有宁武县、阳方口镇、余庄乡、薛家洼乡、段家堡乡、轩岗镇和长梁沟镇。

2 研究基础和技术方法

2.1 基础数据和资料

本研究收集采用了7期存档的Landsat TM/OLI遥感影像，轨道号为126-33，成像时间分别为1986年6月8日、1990年8月22日、1994年5月29日、2000年7月1日、2006年6月15日、2010年7月12日和2015年6月8日，影像云量覆盖小，成像质量好，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，图幅号分别为LT51260331986159BJC00、LT51260331990234BJC00、LT51260331994149BJC00、LT51260332000182BJC00、LT51260332006166BJC00、LT51260332010193IKR00和LC81260332015159LGN00。TM/OLI遥感影像的空间分辨率为30 m，地图投影为UTM-WGS84，地球椭球为WGS_1984。还收集到了一些其他辅助数据，包括矿区矢量图、矿区煤炭开发利用现状图、2000年土地利用图等。

2.2 技术路径与方法

首先，对收集的遥感影像进行预处理。因为TM/OLI遥感影像是L1T数据产品，已经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，且已利用DEM进行了地形校正[15]。所以，本研究对遥感影像的预处理只有大气校正和研究区域提取。采用ENVI5.1软件中的FLAASH大气校正模块进行大气校正，该模块广泛适用于多光谱和高光谱数据的大气校正中。再用轩岗矿区矢量图分别裁剪经过大气校正的7期遥感影像，提取研究区影像。

然后，利用ArcMap10.2软件首先对2015年遥感影像进行监督分类，然后去除过大或过小斑块以提高分类精度[16]，人工检查并修改漏分错分斑块，完成2015年土地利用分类图，再从中提取2015年农村居民点，生成矿区农村居民点矢量图[17-18]。以此为基础，人工解译其余影像农村居民点。统计每个居民点在7期遥感影像中的面积，利用SigmaPlot软件下Dynamic Fit Wizard命令中的线性函数进行显著性分析。若P<0.05，说明该居民点面积变化显著，反之，不显著。若拟合函数自变量系数a>0，说明居民点面积呈增加趋势，反之，呈减少趋势。

最后，利用2000年土地利用图和实地调查的方法，对提取出的2000年农村居民点进行精度验证。精度验证包括点位精度验证和面积精度验证两方面[19-20]。点位精度验证时，从2000年土地利用图上均匀选取50个农村居民点进行检验，其中有8个居民点没有提取出来。进一步从提取出的2000年农村居民点中选取50个居民点进行实地调查，经调查发现有3个居民点为误提居民点，可以得到点位精度为78%。面积精度验证时，对上述从土地利用图上选取的50个居民点面积进行统计，与提取出的农村居民点相应面积进行对比，得到面积精度为83%。

3 数据分析与特征研究

3.1 农村居民点数量变化情况分析

由图2可以看出，1986～2000年轩岗矿区农村居民点的数量呈缓慢增加趋势。2000～2010年居民点数量没有增减，保持不变。而2010～2015年居民点数量快速减少。

图2 1986～2015年轩岗矿区农村居民点数量变化

在整个研究期间都存在的农村居民点共135个。不同研究时段农村居民点数量的变化情况如表1、图3所示。1986～1900年增加3个居民点，结合图3可知，其中两个居民点分别邻近刘家梁煤矿和长梁沟煤矿，另一个居民点在马家湾村东边工矿建筑物周围。分析其原因，主要是由于煤矿建成初期，需要大量劳动人员，煤矿为此修建矿工宿舍或矿工小区，在一定程度上促进居民点数量的增加。1990～1994年没有发生居民点增加或减少。1994～2000年增加3个居民点，分别邻近宁白线、崞五线和大忻线。其原因主要是交通道路的改善带动沿线地区的发展，使一些居民点自发聚集在此。2000～2006年没有发生居民点增加或减少。2006～2010年增加了1个居民点，位置邻近同轩金海煤矿。此间，减少1个居民点，邻近焦家寨煤矿。焦家寨煤矿开采较早，煤炭的大量开采使地表出现裂缝、塌陷等地质灾害，对周边居民点造成破坏。2010～2015年增加1个居民点，位于神达花沟煤矿西700 m处，减少10个居民点。减少的居民点主要为丁家梁村、前石湖村、染峪村和黄草坡村，分别邻近程坑煤矿、老窑沟煤矿、榆树坡煤矿和长梁沟煤矿，西地村和西红河村位于煤矿密集区。这些地区随着煤炭资源的大量开采，采空区面积逐年扩大，不利于矿区农村居民点的发展。

图3 1986～2015年不同时间段轩岗矿区

表1 1986～2015年不同时间段轩岗矿区农村居民点数量变化

3.2 农村居民点面积变化分析

如图4所示，1986～2015年轩岗矿区农村居民点总面积呈现先增加后减少的变化特征。1986～2000年居民点总面积呈增加态势，年均增加0.122 km2。2000～2015年居民点总面积显著减小，年均减少0.089 km2。

图4 1986～2015年轩岗矿区农村居民点总面积变化

对整个研究期间都存在的农村居民点面积变化进行分析，其中发生显著变化的居民点如图5所示。其中，面积显著增加的居民点主要分布在矿区西部北辛窑井田和勘查区。马圈村、瓦窑村和冯家墕村邻近东南-西北走向的崞五线，苗庄村、暖水湾村和阳方村邻近南-北走向的宁白线，这说明农村地区交通基础设施建设的不断加快，对沿线农村居民点的发展有巨大的推动作用。庄子上村、半沟村和刘家园村紧临宁武县，袁家窑村位于阳方口镇东200 m处，这表明城镇的快速发展对周边居民点有较好的带动作用。城镇化的发展使大量劳动力聚集到该地区，从而不断加大对城镇周围住房的需求，使城镇周围农村居民点用地规模也逐渐扩大。

图5 1986～2015年轩岗矿区显著增加农村居民点或显著减少农村居民点空间分布

面积显著减小的居民点主要集中在矿区北部二号资源整合区和中南部刘家梁井田、焦家寨井田。矿区北部二号资源整合区是煤矿密集区，除煤炭开采沉陷对农村居民点的不利影响外，煤炭资源整合也是一个影响因素。乡镇小煤矿的被整合一方面使原来煤矿为农村公益事业和公共基础设施建设提供的资金出现缺口，另一方面使当地一批村民失去在煤矿工作的机会，加剧村民外出务工数量，不利于矿区农村居民点的发展。

4 研究结论

本研究基于轩岗矿区1986～2015年30年间7期遥感影像数据，通过监督分类和人工目视解译相结合的方法提取农村居民点，并对农村居民点的数量和面积的时序和空间发展变化进行显著性分析，研究矿区农村居民点的时序空间分布规律和影响变化的主要因素。通过研究分析得出以下几点结论：

(1)1986～2000年轩岗矿区农村居民点数量呈缓慢增加趋势，2000～2010年居民点数量保持不变，2010～2015年居民点数量显著减少。其中，1986～1900年增加3个居民点；1990～1994年没有发生居民点增加或减少；1994-2000年增加3个居民点；2000～2006 年没有发生居民点增加或减少；2006～2010年增加1个居民点，减少1个居民点；2010～2015年增加1个居民点，减少10个居民点。

(2)1986～2015年轩岗矿区农村居民点总面积呈先增加后减少的趋势。1986～2000年呈增加态势，2000～2015年呈减小态势。面积显著增加12个居民点，主要分布在矿区西部北辛窑井田和勘查区；面积显著减小25个居民点，主要集中在矿区北部二号资源整合区和中南部刘家梁井田、焦家寨井田。

(3)煤炭开采的不利影响造成的自然减少、区域的交通发展带来的自然增加和政府的移民搬迁政策和行动是影响矿区居民点时空格局变化的主要因素。城镇和交通的快速发展对周边居民点有较好的带动作用，而煤炭资源的大力开采在促进经济发展的同时，对矿区居民点产生一些不利影响。煤炭采空区面积的逐年增大，造成大量居民住宅受损；煤炭资源整合加剧村民外出务工，减少农村基础建设资金来源，这些都不利于当地居民点的发展。

本研究尚存在一些不足之处。一方面是所采用的遥感影像空间分辨率为30 m，对一些较小农村居民点的解译存在困难，在测算居民点数量和面积时可能存在较大误差；另一方面是，研究中对造成居民点增加或减少的因素可能存在片面性，因为农村人口迁徙和居民点的变化影响因素很多。