山西省矿山开发新增损毁土地年度监测与分析

修晓龙

(福建省地质测绘院，福建 福州 350011)

随着现代社会经济的飞速发展，矿产资源的需求和消耗日益增加，矿产资源开发在带来巨大经济利益的同时，大范围、高强度的矿业活动对矿山地质环境造成了严重破坏[1]。当前矿山开发占用和损毁土地资源已成为普遍性的地质环境问题，是矿业用地研究的焦点问题和热点问题。随着我国生态文明建设和生态环境保护工作的开展，建立资源消耗、环境损害、生态恢复的矿产资源开发全过程监测体系是实现矿山资源可持续发展的必然途径[2]。

传统矿山开发占地监测主要采用逐级统计上报的方式[3]，数据真实性、实时性相对较差，难以对矿业开采活动进行真实评估和有效管理。随着遥感技术的发展，快速获取的海量数据为矿产资源的全天候监测提供了新的技术与手段，同时，其高精度定位、可重复动态监测等特点弥补了传统矿山监测方法的不足。目前，多源遥感数据的融合、人机交互解译、室内解译与野外实地调查结合的技术方法是矿山遥感监测的主要途径。美国、加拿大、德国等矿业发展发达的国家最早对矿山监测进行了研究，如美国地质调查局(USGS)建设了美国国家废弃矿山网，其空间数据库系统包含全国地形图、废弃矿山分布图、植被覆盖等图层[4]。 我国开展矿山监测研究起步较晚，但成果颇丰。 王晓红等[5]运用QUICKBIRD卫星和SPOT-5卫星遥感数据监测植被较多山区的矿山开发现状以及其对周边环境的影响；梁晖等[6]运用4年不同时相、不同数据源的遥感影像进行矿产资源开发的动态监测，分析矿山开发引起的变化；李霄等[7]基于ArcPy提出了违法矿山分布图的自动生成方法，解决了传统的人工制作违法矿山分布图中的问题。 上述研究多集中于监测矿山开发现状与制图研究，对年度矿山开发新增损毁土地的研究不足。

本文主要利用多源高分辨率遥感数据，结合2018年本底数据、采矿权、探矿权等综合数据，对2018—2019年间山西省开展的年度新增矿山开发损毁土地情况进行调查，重点查明各矿山开发占地损毁图斑的扩张部分，获取当年新增的矿山开发损毁土地图斑，并从扩展规模数量、空间分布以及图斑扩展模式等方面进行分析研究，为山西省国土空间用途管制、矿山环境恢复治理等提供基础数据和技术支撑。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

山西省共有11个地级市，117个县(市、区)，国土面积约为15.68万km2。在空间区位上，山西省位于黄河流域中游，西与陕西省为邻，东同河北省、河南省接壤，南同湖北省、重庆市毗连，北与内蒙古自治区相邻。山西省矿产资源丰富，各类矿种齐全，尤其是煤炭资源，截至2019年8月底，山西省共有采矿权4 870个，其中，涉及能源矿产1 372个，金属矿产520个，非金属矿产2 978个；探矿权292个，其中，涉及能源矿产128个，金属矿产150个，非金属矿产14个。显著的矿产资源优势，引来高强度的资源开发利用，因此土地资源的损毁情况备受关注。

1.2 数据源

为查明研究区矿山开发新增损毁土地变化情况，本次所采用的数据源主要包括2018年矿山地质环境本底数据库、山西省2018—2019年土地利用年度变更遥感影像数据。遥感影像数据类型多样，基本以国产卫星为主，主要有北京二号、高分一号、高分二号、资源三号、Pléiades-1以及高景一号等，影像的空间分辨率均优于2 m。收集的遥感影像经过质量及精度检验，色调清晰，纹理明显，且矿山开采区域无云雪等覆盖，可满足人机交互解译的需要。

2 研究方法

2.1 遥感信息提取

目视解译是遥感信息提取的重要方法之一，根据先验目标地物的特征统计分析，建立解译标志，可通过人机交互的方式实现目标地物提取[8]。本文主要依据遥感影像本身特性，结合矿产资源开发在影像上的地物特征(纹理、结构、色调、几何形态、大小等)进行室内解译。

本文以ArcMap软件作为矿山开发新增损毁信息提取平台，基于2018年矿山地质环境本底数据，解译出2018—2019年新增矿山地物类型(开采面、矿山建筑、固体废弃物和中转场地)的分布位置、面积等。针对初步的解译结果，根据图斑开展野外实地验证，并将录入监测成果信息服务系统。根据野外核实情况，对内业提取图斑进行复核修正，保证数据的真实性，最终形成新增矿山开发损毁土地数据成果，研究路线如图1所示。

图1 研究路线图Fig.1 Workflow of study

2.2 空间自相关分析

2.2.1 全局莫兰指数

全局莫兰指数是检验整个研究区内临近位置的单元属性值空间相关性的总体趋势[9]，其计算公式见式(1)。

(1)

全局莫兰指数结果范围在-1到1之间，若结果接近1，则表明空间位置上相近的区域属性值比位置上较远的区域属性值更相似，即具有相近属性值的聚集在一起，呈正相关；若结果接近-1，则表明空间位置上相近的区域属性值比位置上较远的区域属性更不相似，即具有相异的属性值集聚在一起，呈负相关；若结果接近于0，则表示属性值呈随机分布，不存在空间自相关。

2.2.2 热点分析

单一的全局莫兰指数仅能从总体上反映数据整体分布状态，不能在空间上直观反映数据分布特征，因此本文通过冷热点分析来进一步讨论山西省矿山开发利用新增损毁土地图斑的空间分布是聚集、分散的或是随机的，目的是识别矿山新增损毁土地类型热点与冷点的空间分布。

本研究选用局部空间热点分析指数来分析，主要用来检验局部地区是否存在统计显著的高值或者低值，其计算公式见式(2)。

(2)

对局部空间热点分析指数进行标准化Z值检验，则公式见式(3)。

(3)

若Z(Gi*)为正且显著，则表明位置i周围的值相对较高，属高值空间集聚，即热点区；若Z(Gi*)为负且显著，则表明位置i周围的值相对较低，属低值空间集聚，即冷点区。

2.3 基于空间拓扑关系的景观扩张指数

研究矿山新增损毁土地景观扩张状况是研究空间分异的有效手段,从景观扩张的角度定义矿山新增损毁土地扩张，可将其大致分为填充式、边缘式和飞地式。从拓扑关系的角度表示矿山新增损毁土地斑块之间的关系，可分为包含、相交与相离关系。本文采用钱敏等[11]提出的基于空间拓扑关系改进的景观扩张指数法来研究山西省矿山开发利用新增损毁土地图斑的扩展模式。

3 遥感监测结果分析

3.1 总体特征

根据遥感监测结果表明，2018—2019年山西省新增矿山开发损毁土地面积共计7 455.87 hm2，按照各类矿山占地类型划分，固体废弃物新增规模最大，面积为3 533.57 hm2，占全省新增矿山开发损毁土地面积的47.39%；其次为采场的扩展，新增面积为2 470.90 hm2，所占比例为33.14%。固体废弃物和采场扩展的新增面积之和达到山西省新增矿山开发损毁土地面积的80.53%，由此可见，2018—2019年间山西省矿业活动开展所造成的新增矿山开发损毁土地，主要以矿产固废压占损毁土地为主，以露天开采面的挖掘扩展为辅，而矿山中转场地与矿山建筑的开发建设所损毁土地面积为1 451.40 hm2，两者面积之和所占比例为19.47%，具体见表1。

表1 新增矿山开发损毁土地面积Table 1 Newly damaged land by mine development

3.2 不同矿种新增损毁土地状况

根据研究结果表明，2018—2019年山西省新增矿山开发损毁土地涉及到的矿种共计51类，其中，按照面积占比大小归纳出煤矿、铁矿、铝土矿、石灰岩、建筑石料用灰岩、砖瓦用黏土、建筑用砂、耐火黏土、水泥用灰岩等9类主要矿种的占损土地状况，具体见表2。 由表2可知，能源矿产中煤矿新增开发损毁土地规模远高于其他矿种，面积为3 757.27 hm2，占山西省新增矿山开发损毁土地面积的50.39%；其次为非金属矿产石灰岩，面积为881.41 hm2，占山西省新增矿山开发损毁土地面积的11.82%；其余主要矿种新增开发损毁土地面积占比数值则均在10%以内。由此可见，2018—2019年山西省新增矿山开发损毁土地主要是由煤矿的开采活动造成的。

表2 不同矿产涉及主要矿种类型统计表Table 2 Statistics of different minerals and main mineral types

3.3 新增矿山开发损毁土地空间分布特征

为更好地反映山西省矿山开发占地新增损毁土地图斑的空间分布特征，本文从图斑规模以及图斑数量两个方面出发，将规模与数量赋值到对应区县范围内，作为分析单元和生产热点分析图。计算2018—2019年山西矿山开发利用新增损毁土地规模与数量分布的全局莫兰指数(以图斑规模计算全局莫兰指数值为0.37，以图斑数量计算全局莫兰指数值为0.15)可知，空间自相关系数均大于0，说明无论是规模还是数量均呈现出正的空间自相关性，具有较显著的空间集聚分布。

由新增图斑规模热点分布图(图2)可知，冷热点区分布呈现中部高南北两端低的分布特征，热点区与次热点区呈近似环状围绕太原市，并且东部与西部两个高热点集中趋势明显，主要分布于吕梁市孝义市、交口县、中阳县、灵石县、介休市、昔阳县、寿阳县、忻州市、原平市、代县、定襄县以及阳泉市盂县、平定县；次热点区主要依附热点区周边，空间上分布于山西省的忻州市、阳泉市以及吕梁市；冷点地区集中在山西省中部太原市、南部长治市、临汾市、运城市、晋城市等地市以及北部的大同地区。

图2 新增图斑规模热点分析图Fig.2 Hot spot analysis of new map spot scale

由新增图斑数量热点分布图(图3)可知，冷热点区分布呈现更明显中部高南北两端低的分布特征，高热点区更集中分布在东部的阳泉市和吕梁市南部，呈现两个高扩展中心，涉及吕梁市孝义市、交口县、中阳县、晋中市灵石县、介休市、忻州市定襄县、阳泉市郊区、盂县、平定县以及晋中市昔阳县、寿阳县；次热点区大部分分布于山西省忻州市以及吕梁市。冷点区与次冷点区主要分布在长治市、临汾市、运城市、晋城市和北部的大同市等地区。

图3 新增图斑数量热点分析图Fig.3 Hot spot analysis of new map spot quantity

山西省作为我国矿产资源的供应大省，整体煤矿资源的开发利用力度较高，根据研究结果发现，2018—2019年忻州市、吕梁市、晋中市和阳泉市等地区煤矿开发强度较高，规模较大且分布集中，是当年矿山开发新增损毁土地的热点区域，占损土地的方式主要是露天采面的扩张以及煤矿开发过程中固体废弃物的堆放。近年来，随着山西省的交通、水利、市政工程、城市改造等基础设施的发展，对砂岩、灰岩、花岗岩以及黏土等非金属矿产需求量增大，2018—2019年度从图斑数量上非金属矿产高于能源矿产，导致在热点图上出现部分区县虽然在扩展规模不高呈现出冷点或次冷点的状态，但在新增损毁图斑数量上呈现较高值，这些区域今后将是监测及生态恢复的重点区域。

3.4 新增矿山开发损毁土地空间扩展模式特征

本文分别计算不同新增矿山占地类型扩展模式的图斑数量与面积情况，见表3。由表3可知，新增矿山占地类型扩展模式以边缘式扩展为主，其图斑数量与规模均占总数的90%左右，其次为飞地式扩展，填充式扩展的图斑最少。从新增矿山占地类型来看，采场、固体废弃物、矿山建筑与中转场地图斑的扩展模式以边缘式扩展为主，由此可见，新增损毁图斑基本沿原有的矿山占地本底边缘向外扩展；其次在飞地式扩展模中固体废弃物与采场的图斑数量与规模较高，而新采面产生与矿山固体废弃物的排放将形成新的矿山损毁土地增长点，长期看对生态环境的影响将逐渐较大。

表3 不同新增矿山占地类型扩展模式统计表Table 3 Statistics of different expansion mode of newly damaged land

4 结 论

本文分析了2018—2019年山西省矿山开发新增损毁土地的规模、类型、空间分异特征及其扩张模式，得出结论如下所述。

1) 2018—2019年山西省新增矿山开发损毁土地面积共计7 455.87 hm2，其中以固体废弃物和矿山采场为主。

2) 2018—2019年山西省新增矿山开发损毁土地涉及到的矿种共计51类，其中，能源矿产中的煤矿新增开发损毁土地规模远高于其他矿种，其次为非金属矿产石灰岩，2018—2019年山西省新增矿山开发损毁土地主要是由煤矿的开采活动造成的。

3) 2018—2019年山西省从新增损毁土地规模和数量冷热点分析，可以看出忻州市、阳泉市和吕梁市在规模和数量上均表现高值的聚集，是矿山开发新增损毁土地的热点区域，该区域是今后生态恢复的重点治理区域，而晋南的长治市、临汾市、运城市、晋城市和晋北的大同市等地区是主要扩展冷点区域。

4) 2018—2019年山西省矿山开发新增损毁土地类型扩展模式以边缘式扩展为主、其次为飞地式，填充式扩展的图斑数量与规模最少。