基于Landsat TM/OLI影像的兖州矿区耕地与水域时空变化及驱动力分析*

胡 晓，明安远，李士玉，赵传华，段建国

(1.山东农业大学 资源与环境学院，山东 泰安 271018；2.山东农业大学 信息科学与工程学院，山东 泰安 271018)

兖州地处鲁西南平原的东北部，境内煤炭资源丰富，为全国八大煤炭生产基地之一，煤炭资源对兖州的经济发展起到了重要的作用[1-2]。然而在煤矿生产开采过程中也带来了许多负面影响，煤层采空引起地面沉降和塌陷是本地区最突出的地质灾害[3]。由于地下潜水位高，地面塌陷导致地下水位容易上升到地表标高以上，形成大面积的常年或季节性积水区，造成了水资源空间分布的紊乱[4-5]。此外兖州矿区的煤粮复合面积大，地面塌陷对耕地资源的利用和保护也产生了较大威胁。因此，客观分析兖州耕地和水域资源的时空变化情况，可为我国其它高潜水位煤矿区城市的耕地和水域资源的利用保护提供借鉴。

Landsat TM/OLI遥感影像因具有较好的时序连续性、数据获取免费等特点，被广泛地应用于耕地和水域信息的提取。在耕地提取方面，牛鲁燕等[6]以Landsat8 OLI为数据源对山东省的耕地进行了提取，与详查数据相比，精度达到了91.8%；满卫东等[7]为揭示1990～2013年东北地区的耕地变化规律，利用Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，提取东北地区1990年、2000年和2013年耕地信息，辅以气候、地形、社会经济等数据，分析耕地时空变化特征及其驱动因素；赵晓丽等[8]基于Landsat TM/ETM+、CBERS1/2和HJ-1等遥感影像，依靠全数字人机交互判读系统对中国1987～2010年的耕地变化进行了全面分析，揭示了中国近30年来耕地变化的时空特征，分析了其变化的主要原因；Zuo等[9]利用多时相Landsat TM/ETM+遥感数据分析了20世纪80年代末至2010年6个时期西北干旱和半干旱区耕地的时空演变特征；欧阳玲等[10]利用 2000年、2013年Landsat TM/ETM+/OLI遥感数据和2351个样点土壤实测数据，对吉林省中西部耕地分布的时空变化和特征进行了分析；Wang等[11]利用1999年和2011年Landsat TM/ETM+影像研究了延川县耕地转化时空格局对“退耕还林工程”的响应。在水域提取方面，李晶等[12]在比较改进归一化差异水体指数法、单波段阈值法、谱间关系法、K-T变换等4种水体提取方法的精度及优缺点基础上，采用基于阈值分割改进的归一化差异水体指数法，在Landsat TM/OLI影像上提取了兖州煤田1990～2014年的水体信息并分析了其时空变化特征；Lobo等[13]利用Landsat MSS/TM/OLI遥感影像分析了1973～2013年亚马逊水域受金矿开采活动影响的时空变化情况；Jain等[14]对比单波段密度分割法、归一化差异水体指数法、谱间关系法和非监督分类法对TM数据水体信息提取的精度。

通过前人研究可以发现，利用Landsat TM/OLI遥感影像开展耕地和水域时空变化的研究虽然较多，但是鲜有针对矿区城市耕地和水域时空变化的研究，多数研究针对耕地或者水域进行单一研究，将二者结合进行共同研究的还较少。此外，矿区城市耕地和水域的时空变化特点、二者变化关系、煤炭开采是否是二者变化的主要驱动力等问题还有待进一步研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

兖州隶属于山东省济宁市，地理坐标介于东经116°35′21″～116°53′36″，北纬35°23′31″～35°43′17″，总面积535 km2。境内气候属暖温东亚季风区大陆性气候，四季分明，降水较为充沛，呈春季干燥多风、夏季炎热多雨、秋季温和凉爽、冬季干冷等气候特点。土壤以褐土、潮土、砂姜黑土为主，农业发展历史悠久，主要的粮食作物包括小麦、玉米、花生、大豆等。境内有泗河、洸府河、白马河、南泉河水系，含一级支流14条，二级支流4条。煤炭是兖州最具优势的矿产资源，面积约占全区国土面积的37.06%，兖州是济宁市也是山东省重要的煤炭生产基地之一。

1.2 数据来源及预处理

影像数据：本文所使用的Landsat TM/OLI遥感影像是从美国地质调查局(USGS)下载的经LEDAPS(The Landsat Ecosystem Disturbance Adaptive Processing System)程序处理的地表反射率数据，影像列号122，行号035，空间分辨率为30 m。数据选择时尽量选择降水量、气温、月份相近，云量及阴影较少的影像，本研究均选取了5月份的影像,如表1所示。因上述数据已经过系统的辐射校正、几何校正等相关预处理，本文对遥感影像所做的预处理工作包括影像的波段合成、影像裁剪等。

表1 遥感影像基本信息

其它数据：土地利用现状图来源于兖州国土资源局，比例尺为1: 50 000，时间为2000年、2006年、2013年和2018年；济宁市采煤塌陷地现状图来源于济宁市采煤塌陷地治理中心；降水量数据来源于“中国气象数据网”(http://data.cma.cn/)的中国地面降水月值0.5°×0.5°格点数据集(V2.0)；煤炭开采量数据来源于兖州煤业股份有限公司(http://www.yanzhoucoal.com.cn)的年度报告以及部分调查数据。

1.3 耕地提取

在耕地提取方面，最常用的方法主要是监督分类[15-16]，本文使用ENVI 5.3软件对4期影像中的耕地进行提取。首先根据土地利用现状图，将兖州的土地类型分成六类：耕地、林地、草地、水域、建筑用地、未利用地[17]；其次定义各土地类型的训练样本，样本的可分离性均大于1.9，属于合格样本；最后采用最大似然进行分类提取。

为评价耕地提取结果，在研究区内随机选取了200个验证样本点，其中，耕地样本点100个，非耕地样本点100个，利用随机样本对两种方法分别提取的4期影像耕地精度进行评价。

1.4 水域提取

改进的归一化差异水体指数(MNDWI)是在归一化差异水体指数(NDWI)模型的基础上，利用短波红外波段代替NDWI中的近红外波段创建的新型水体指数[18]，计算公式见式(1)和(2)。它增强了水体和建筑物的反差，提高了水域信息的提取精度，不仅适用于城市范围，也同样适用于矿区[19]。

(1)

(2)

1.5 变化检测

利用ArcGIS 10.6中的统计分析工具分别计算各期影像的耕地和水域面积，通过将4期影像的面积做差值运算等，得到年际间耕地和水域面积时间变化及变化速率；将各期提取影像进行叠置分析，得到年际间耕地和水域的空间变化，并应用SPSS等软件分析其变化特征与煤炭开采、降水量因素的关系，以揭示兖州耕地和水域变化的驱动机制。

2 结果与分析

2.1 耕地提取与时空变化分析

2.1.1 提取结果

采用监督分类提取的兖州耕地信息如图1所示，提取精度如表2所示。

表2 耕地提取精度

图1 监督分类法提取耕地结果

2.1.2 耕地时空变化分析

统计4期影像提取的耕地面积及变化率如表3所示。

将提取耕地面积做差值运算并叠加，得到了兖州年际间耕地空间变化，如图2所示。时间变化方面，兖州的耕地面积从2000年的480.19 km2减少至2018年的412.43 km2，减少了67.76 km2，年均减少3.76 km2，年减少率为0.84%。其中，2006～2013年耕地减少较大，年均减少率1.05%；2003～2018年耕地年均减速相对最大为1.15%。

表3 各观测年耕地面积及变化率

空间变化方面，从2000～2006年，耕地减少的区域主要集中在东部主城区周围、东南部的兴隆庄、大统、杨村、鲍店、田庄等矿区以及西南部的许厂矿区，兖州北部和西部区域耕地面积呈现增加趋势，如图2(a)所示；而从2006～2013年，耕地减少的范围进一步扩大，并延伸到了西部新驿矿区，增加的耕地主要集中在东南部矿区，如图2(b)所示；2013～2018年，伴随着土地复垦、塌陷地治理等工作的全面开展，兖州境内几大煤矿区的耕地面积呈现小幅增加，如图2(c)所示。

图2 年际间耕地空间变化

2.2 水域提取与时空变化分析

2.2.1 水域提取结果

采用MNDWI水体指数提取的兖州水域如图3所示，并利用随机建立的10个水域感兴趣区域(ROI)对提取精度进行评定，由于水体在影像上容易识别，而且数量较少，经过统计总体分类精度都高于90.00%，Kappa系数均高于0.9，这表明水体的提取较为准确。

图3 各观测年兖州地表水域分布

2.2.2 水域时空变化分析

统计4期影像提取的水域面积及变化率如表4所示，并将提取水域面积做差值运算并叠加，得到了兖州年际间水域空间变化，如图4所示。

表4 各观测年水域面积及变化率

时间变化方面，兖州的水域面积从2000年的2.77 km2增加至2018年的7.24 km2，增加了6.37 km2，年均增加0.35 km2，年增加率为0.07%。其中，2000～2006年增加了4.47 km2，水域面积增加较大，年均增加率0.75%，年均增速相对最大；2006～2013年增加了0.78 km2，2003～2018年水域面积增加了1.12 km2，年均增加率降低至0.03%。

空间变化方面，从图4可以看出兖州天然水体较少，2000～2018年间增加的水体主要集中在兖州东南部，为兴隆庄、杨村、鲍店、田庄等大中型煤矿区所在地。2000～2006年兖州东南部水域出现大面积增加，如图4(a)所示，这说明煤炭长时间、大面积的开采引发地面塌陷，致使潜水位升高，形成了积水塌陷地，伴随着开采活动的剧烈，积水区的面积和深度进一步增大[20-21]。2006～2013年水域面积有所减少，如图4(b)所示，而水域面积的增加速率从0.17%降低至0.03%。2013～2018年兖州新增积水面积较少，这说明塌陷后主要增加的是原水体的深度。

图4 年际间水域空间变化

2.3 耕地、水域变化驱动力分析

本文从煤炭开采和降水量两个方面分析其对耕地和水域变化的贡献度。本文中降水量，指影像获取时间相应年的年降水量，分别为529.9 mm，766.2 mm，580.3 mm，686.7 mm；煤炭累计开采量为同一观测期几年内主要煤矿的煤炭累积开采量，分别为2 746万t、5 605万t、7 380万t、10 590万t。

兖州年降水量和水域面积之间的相关系数为r=0.602，显著性P>0.4，相关程度不明显，这说明降水量不是兖州水域面积增加的主要原因。相比较而言，观测期兖州煤炭开采量与水域面积的相关系数r=0.922，显著性P<0.07，呈显著正相关，如图5(a)所示，即煤炭开采量的增加，导致塌陷积水区面积增加，是影响兖州水域面积变化的主要原因。

图5 累计开采量与面积的相关性

观测期兖州煤炭开采量与耕地面积的相关系数为r=-0.967，显著性P<0.03，呈显著负相关，如图5(b)所示，即煤炭开采量的增加，是导致兖州耕地减少的主要因素。究其原因，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，地面坡度发生变化，改变了地表原有的形态，引起了高低、坡度及水平位置的变化，逐渐形成一个比采空区大的多的塌陷盆地。特别是在高潜水位地区，地表下沉后抬高潜水位，使地下水埋深下降，在华东地区地表一般下沉1 m左右，盆地内部就可形成季节性积水或常年积水，被水淹的土壤逐渐丧失了其耕种功能，而且受积水影响，周边地区土壤的沼泽化和盐渍化现象加剧，致使农作物枯死和减产、绝产，耕地面积大量减少。

3 结 论

本文以东部高潜水位煤矿区城市—兖州为例，利用Landsat TM/OLI遥感影像提取了兖州2000、2006、2013、2018年的耕地和水域信息，分析了2000～2018年间的耕地和水域时空变化信息。从2000～2018年，兖州耕地总体呈减少趋势，减少了67.76 km2，主要集中在煤矿区；而兖州的水域面积则从2000年的2.77 km2增加至2018年的7.24 km2，增加了6.37 km2，主要集中在兖州东南部兴隆庄、鲍店、杨村等矿区。兖州4个观测期的水域面积和年降水量之间相关程度不明显；而煤炭开采量与耕地面积的相关系数为-0.967，与水域面积相关系数为0.922，结果表明煤炭开采是研究区耕地面积减少、水域面积增加的主要驱动力。

本研究客观分析了2000年以来兖州矿区的耕地和水域变化，并证实了煤炭开采是二者变化的主要驱动力。但是由于2012年的遥感影像无法获取，导致定性分析的年份间隔不一致，加之受限于遥感影像空间分辨率、缺乏持续观测数据等因素的制约，本研究仍存在一些不足。以后研究应尽量使用高分辨率的遥感影像，采用面向对象的方法开展相关研究。