鄧美容，蔡躍輝，龔 雨

（1.衡陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與旅游管理系，湖南 衡陽 421002；2.湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421008）

0 引 言

常寧市水口山地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，是國家著名的金屬礦區(qū)，享有“中國鉛都”的美譽(yù)，已有上百年的開采歷史。礦產(chǎn)開發(fā)和冶煉對用地需求很大，大量的廢渣、廢氣、廢水的處理和排放占用土地；同時(shí)廢氣、廢水又對周圍環(huán)境有著巨大影響，因此礦區(qū)土地利用狀態(tài)的變化效率相比其他地區(qū)要迅速且多樣［1］。特別是近年來，水口山地區(qū)成立了水口山工業(yè)園，大型金銅項(xiàng)目和物流倉儲(chǔ)中心正在建設(shè)，各級道路不斷拓寬，直接影響了水口山地區(qū)的土地利用狀況。

1 研究區(qū)概況

常寧市水口山礦區(qū)主要分布在松柏鎮(zhèn)內(nèi)，因此本文的研究以松柏鎮(zhèn)為研究區(qū)域。松柏鎮(zhèn)位于常寧市東北部，總面積78.6 km2，耕地1.6×103hm2，國家一級生態(tài)防護(hù)林2.7×103hm2，現(xiàn)有人口7.6萬，非農(nóng)業(yè)人口5.1萬。歷年來，松柏鎮(zhèn)憑借得天獨(dú)厚的地下礦產(chǎn)資源和辛勤勞動(dòng)，先后進(jìn)入全國村鎮(zhèn)建設(shè)先進(jìn)鎮(zhèn)、全國百強(qiáng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)行列，贏得了“湘南第一鎮(zhèn)”的美譽(yù)。但是隨著礦產(chǎn)開發(fā)和冶煉加工規(guī)模的擴(kuò)大，礦區(qū)環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，礦區(qū)土地利用方式發(fā)生了很大改變［2－3］。

該研究以松柏鎮(zhèn)為研究區(qū)域，通過多期遙感影像，同時(shí)輔助地形圖、文字資料和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料等，利用ENVI5.0進(jìn)行監(jiān)督分類和決策樹分類，對礦區(qū)土地利用信息進(jìn)行提取，通過對比分析區(qū)域內(nèi)土地利用變化情況，從而全面了解近年來礦區(qū)土地利用格局，便于更好的礦區(qū)土地利用方式進(jìn)行宏觀調(diào)控。研究區(qū)位置圖和影像圖如圖1、圖2。

圖1 松柏鎮(zhèn)在常寧市的位置

圖2 松柏鎮(zhèn)影像

2 數(shù)據(jù)來源與與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)源來自中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心（http：//ids.ceode.ac.cn/query.html）和地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），本研究一共選取了三個(gè)期數(shù)據(jù)，分別是1990年Landsat5 TM、1999年Landsat7 ETM＋和2013年Landsat8 OLI影像數(shù)據(jù)，軌道號(hào)123/042，云量小于10%，研究區(qū)云量為0，多光譜波段地面分辨率為30 m。圖像層次豐富，質(zhì)量良好，特別是Landsat8的影像為2013年10月份的，具有很好的時(shí)代性和可對比性。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于數(shù)據(jù)的影像坐標(biāo)系統(tǒng)不統(tǒng)一，且存在不同程度的幾何變形，因此首先需要對影像進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和幾何校正［4］。由于1990年和1999年的數(shù)據(jù)沒有投影信息，而2013年的影像采用的UTM投影，因此本次數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用UTM投影，橢球體為WGS84國際橢球。2013年的影像上是輻射能量值，故在進(jìn)行處理前需要先進(jìn)行輻射定標(biāo)與大氣校正，轉(zhuǎn)換為反射率圖像。具體處理處理過程如下：

（1）首先對1990年和1999年的影像進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與常寧市的影像進(jìn)行套合，發(fā)現(xiàn)明顯偏移。

（2）為了使幾何校正誤差盡量小，根據(jù)現(xiàn)有常寧市行政區(qū)劃圖范圍，首先對各幅影像進(jìn)行粗略裁剪，再對裁剪后的影像進(jìn)行控制點(diǎn)選取，這樣能將誤差控制在較小的范圍。每幅影像控制點(diǎn)選擇在15個(gè)左右，誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。

（3）利用松柏鎮(zhèn)行政區(qū)劃界線對3幅影像分別裁剪，得到3個(gè)時(shí)期的松柏鎮(zhèn)影像。

（4）為了更好的實(shí)現(xiàn)影像分類，在前面影像基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像增強(qiáng)，進(jìn)一步突出影像上不同地物之間的亮度差異，提高影像解譯精度。

2.3 分類體系建立

根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，同時(shí)考慮到實(shí)際的分類精度，本研究利用土地利用一級分類方法，將研究區(qū)分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地、草地、礦產(chǎn)用地等6個(gè)類別，將礦產(chǎn)用地單獨(dú)列為一類，充分體現(xiàn)礦區(qū)土地利用研究的特殊性和代表性。一級類中的園地和交通運(yùn)輸用地分別并入林地和建設(shè)用地中。

3 常寧市松柏鎮(zhèn)土地利用動(dòng)態(tài)變化信息提取

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化信息提取

該研究利用ENVI5.0遙感影像處理軟件，對影像進(jìn)行5、4、3或者4、3、2波段R、G、B彩色合成，采用面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類方法進(jìn)行感興趣區(qū)域選取，每個(gè)樣本分別選取5～15個(gè)訓(xùn)練區(qū)，盡量保持所選訓(xùn)練區(qū)有較大的區(qū)分度，并通過可分離度檢驗(yàn)，保證樣本間的分離度達(dá)到1.8，對小于該值的樣本進(jìn)行重新選取，直到滿足條件為止。對各類方法比較，最終選取最大似然法對影像進(jìn)行分類，并結(jié)合人機(jī)交互方式進(jìn)行分類后處理。結(jié)果數(shù)據(jù)采用混淆矩陣進(jìn)行精度檢驗(yàn)，3個(gè)時(shí)期影像（1990年，1999年，2013年）分類精度kappa系數(shù)分別為86.04%，83.50%，85.67%。分類結(jié)果如下所示（見圖3、圖4、圖5）。由三個(gè)時(shí)期的土地利用分類結(jié)果影像明顯看出，1990年到1999年間，松柏鎮(zhèn)土地利用變化情況總體較慢，各類土地利用方式看不出明顯的變化，變化趨勢平緩；但1999年到2013年間，整個(gè)鎮(zhèn)區(qū)土地利用方式發(fā)生極大改變，建設(shè)用地、礦產(chǎn)用地大面積增加，林地和耕地大幅度減少，土地利用結(jié)構(gòu)明顯偏移。通過對三景分類結(jié)果影像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到三個(gè)時(shí)期的分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖3 1990年土地利用分類

圖4 1999年土地利用分類

圖5 2013年土地利用分類

表1 松柏鎮(zhèn)1990～2013年各類土地利用面積統(tǒng)計(jì) （單位：hm2）

圖6 1999年～2013年土地利用面積分布

3.2 土地利用數(shù)量變化分析

通過對三景分類結(jié)果影像進(jìn)行分析，可以得到三個(gè)時(shí)期的分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。對土地利用變化數(shù)量的分析主要從各類土地面積的總量上進(jìn)行分析，通過分析各類土地面積變化，可以全面了解研究時(shí)間段內(nèi)土地利用變化總的態(tài)勢以及土地利用結(jié)構(gòu)變化趨勢。同時(shí)，將不同時(shí)期的結(jié)果影像與原始影像進(jìn)行疊加，還可以發(fā)現(xiàn)各類土地利用的變化轉(zhuǎn)移方向。衡量土地利用變化的另一個(gè)量是土地利用變化幅度，它反映研究區(qū)一定時(shí)間內(nèi)土地變化量［5－7］。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中：為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的變化幅度，分別為初期和末期土地利用面積［8－9］。

衡量土地變化快慢的另一個(gè)量為變化率，數(shù)學(xué)公式為：

其中：R為研究時(shí)段內(nèi)每年土地利用類型的變化率，Ue、Us分別為初期和末期土地利用面積［8－9］。

據(jù)公式（1）、（2），對常寧市松柏鎮(zhèn)1990年、1999年、2013年三期數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得該區(qū)域土地利用面積變化、變化幅度和變化率表（表2）。

結(jié)果表明：（1）松柏鎮(zhèn)土地利用整體較為均衡，林地、耕地、草地分布分布較廣，占全鎮(zhèn)面積的百分之七十多；建設(shè)用地、水域、礦產(chǎn)用地占將近百分之三十，土地利用整體格局合理。（2）從土地利用變化情況分析，1990—1999年間土地利用變化較為緩慢，由于建設(shè)用地占用和耕地開墾等減少285.1 hm2，耕地由于部分地區(qū)進(jìn)行耕地開荒，大部分農(nóng)村居民以在鄉(xiāng)務(wù)農(nóng)為主，耕地面積增加113.9 hm2，其他地類面積增加均較少。（3）1999—2013年土地利用格局變化很大，各類土地面積均有較大變化。其中較顯著的是礦產(chǎn)用地大幅度增加，增加160.1 hm2，增幅達(dá)到57.54%，年變化率高達(dá)4.1%，大量采礦相關(guān)企業(yè)新建，礦產(chǎn)開采范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；建設(shè)用地和草地面積增加較多，分別增加286.2 hm2和 334.8 hm2，增 幅 分 別 達(dá) 到 38.2% 和36.88%，耕地和林地面積分別減少488.7 hm2和341.1 hm2。這主要是由于這一時(shí)期經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量農(nóng)民進(jìn)城務(wù)工，造成部分耕地荒廢；同時(shí)，礦產(chǎn)用地增多，廢水、廢氣等也使部分耕地荒廢，不適合耕種而形成荒廢。建設(shè)用地的增多主要是因?yàn)檫@一時(shí)期是中國經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展時(shí)期，農(nóng)村收入增多，對住房需求增加，農(nóng)村大量新建樓房；同時(shí)政府也大力引進(jìn)多個(gè)大型企業(yè)，鎮(zhèn)域面積擴(kuò)大，新建工業(yè)園和各級道路，這些都使得建設(shè)用地增加較多，而對林地占用造成林地面積減少341.1 hm2。

表2 1990～2013年松柏鎮(zhèn)礦區(qū)土地利用分類面積變化及比例變化（hm2，%）

4 結(jié)論與討論

本文以常寧市松柏鎮(zhèn)遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)輔助于土地利用圖、行政區(qū)劃圖等資料，采用ENVI5.0對松柏鎮(zhèn)23年來土地利用變化進(jìn)行定量分析。主要結(jié)論如下：

（1）1990年、1999年和2013年松柏鎮(zhèn)各地類所占的面積比重依次為林地、耕地、草地、建設(shè)用地、水域、采礦用地；研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化總體上表現(xiàn)為耕地、林地呈下降趨勢，建設(shè)用地、采礦用地呈持續(xù)增加趨勢；從1990—1999年和1999—2013年兩個(gè)時(shí)間段來看，耕地呈現(xiàn)先增加后減少的發(fā)展趨勢；林地持續(xù)減少，而草地持續(xù)增加的趨勢；由于研究區(qū)內(nèi)有著名的湘江河流且近年來新建了近尾洲發(fā)電站，使得區(qū)域內(nèi)的水域不但沒有減少，反而有明顯的增加。

（2）從整個(gè)時(shí)間段來看，礦產(chǎn)用地的年增長率是最高的，為3.19%，其次是建設(shè)用地和草地，分別為2.19%和2.01%，這些土地利用格局的變化直接體現(xiàn)了近年來松柏鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型的特點(diǎn)和發(fā)展速度。而林地和耕地由于基數(shù)較大，雖然減少絕對數(shù)量較大，但變化率均低于1%，屬于城鎮(zhèn)發(fā)展過程中的正常狀態(tài)。

但是我們也看到，在礦產(chǎn)用地持續(xù)增長的趨勢下，如何有效控制采礦工業(yè)對農(nóng)村環(huán)境的污染影響已變得十分迫切；松柏鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)礦產(chǎn)冶煉廠分布廣泛，大量的廢渣、廢水、廢氣嚴(yán)重影響著農(nóng)村耕地和居民的健康。在土地利用合理開發(fā)的大環(huán)境下，對環(huán)境進(jìn)行保護(hù)與治理，已經(jīng)成為金屬礦區(qū)迫在眉睫的任務(wù)。

［1］馮異星 .遙感與GIS支持下的土地利用動(dòng)態(tài)變化研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2008.

［2］陳晉，何春陽，卓莉.基于變化向量分析（CVA）的土地利用/覆蓋變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測：變化類型的確定方法［J］.遙感學(xué)報(bào)，2001（9）：346－352.

［3］崔偉宏，史文中，李小娟.基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究及在土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.測繪學(xué)報(bào)，2004（2）：138－145.

［4］黃成毅，鄧良基，方從剛.城市用地遙感監(jiān)測與動(dòng)態(tài)變化分析：以成都市土地利用為例［J］.地理信息科學(xué)，2007，9（2）：118－123.

［5］潘耀忠，陳志軍，聶娟，等.基于多源遙感的土地利用動(dòng)態(tài)變化信息綜合檢測方法研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2002，2（17）：182－187.

［6］史培軍，宮鵬，李曉兵，等.土地利用/覆被變化研究的方法與實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2000：47－51.

［7］閆正龍，黃強(qiáng)，暢建霞，等.塔里木河干流土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測遙感分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（3）：119－123.

［8］彭文甫，周介銘，楊存建，等.基于RS與GIS的縣級土地利用變化分析：以四川省成都市雙流縣為例［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23（1）：24－30.

［9］李秀彬.全球環(huán)境變化的核心領(lǐng)域：土地利用/覆被變化的國際研究動(dòng)向［J］.地理學(xué)報(bào)，1996，51（6）：553－556.