張明媚 薛永安 呂義清 喬清海

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.山西能源學(xué)院地質(zhì)測(cè)繪工程系，山西省晉中市，030600；3.太原市規(guī)劃和自然資源局，山西省太原市，030009)

1 引言

地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)是指地下采礦打破地質(zhì)體應(yīng)力平衡狀態(tài)，并可能引起地表變形和破壞及可能產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。山西省作為我國(guó)煤炭生產(chǎn)的重要基地，含煤地層面積約占全省總面積的40%。西山礦區(qū)位于山西省西山煤田，掌握受地下采煤擾動(dòng)影響土地利用時(shí)空演變規(guī)律對(duì)西山礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。目前，學(xué)者們多利用遙感分類技術(shù)進(jìn)行采煤區(qū)的土地利用信息、植被覆蓋信息等多源信息提取，進(jìn)而監(jiān)測(cè)其地表的時(shí)空變化，說(shuō)明采煤活動(dòng)對(duì)區(qū)域的影響。太原西山礦區(qū)杜兒坪煤礦南三盤區(qū)自1981年開(kāi)始開(kāi)采2#煤層和3#煤層，1994年2#煤層開(kāi)采結(jié)束，1997年3#煤層開(kāi)采結(jié)束，距今已有20余年，地表趨于穩(wěn)定，土地利用呈現(xiàn)多樣化。本文僅考慮地下采煤擾動(dòng)影響，以杜兒坪煤礦南三盤區(qū)為中心并外擴(kuò)取正后的范圍為研究區(qū)，總面積5.977 km2。以5期遙感影像為數(shù)據(jù)源，基于ERDAS采用最小距離分類法進(jìn)行了研究區(qū)土地利用信息的提取，進(jìn)而分析了研究區(qū)土地利用近40年的時(shí)空演變，以期為地下采煤擾動(dòng)影響區(qū)土地利用時(shí)空演變研究進(jìn)行方法上的探索。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

遙感影像是進(jìn)行土地利用信息提取的重要數(shù)據(jù)源，按照土地利用分類圖尺度的不同可以選用不同分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)。目前，可用于礦區(qū)地表監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的遙感數(shù)據(jù)很多，如：Landsat系列、Rapideye、ALOS、SPOT系列、IKONOS、QuickBird、GeoEye-1、Pleiades、WorldView系列、北京一號(hào)、國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)、高分一號(hào)、高分二號(hào)等，同時(shí)，航空影像、低空無(wú)人機(jī)影像也是該領(lǐng)域重要的影像數(shù)據(jù)。

根據(jù)本次研究工作的時(shí)間段選定為杜兒坪煤礦南三盤區(qū)初采至今，確定遙感數(shù)據(jù)應(yīng)滿足1980-2018年這個(gè)時(shí)間段，空間分辨率盡可能不低于2.5 m的高分辨率遙感數(shù)據(jù)。按照上述要求對(duì)遙感數(shù)據(jù)調(diào)研分析后，本研究確定采用多源多尺度遙感數(shù)據(jù)作為研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用的遙感數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2.2 方法

參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2017)，根據(jù)本次研究目的、研究區(qū)的地類特征和選用的遙感數(shù)據(jù)源，研究區(qū)土地利用類型采用二級(jí)分類法，將不同的二級(jí)類型進(jìn)行合理的歸并后，共分為10個(gè)土地利用類別：有林地、灌木林、其他林地、其他草地、耕地、園地、建筑用地、坑塘水面、裸地、道路，最終建立起研究區(qū)地下采煤擾動(dòng)影響區(qū)土地利用時(shí)空演變遙感監(jiān)測(cè)分類指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比研究區(qū)已有研究資料和野外調(diào)查，該分類指標(biāo)具有一定的實(shí)用性和普適性。

表1 遙感影像選用數(shù)據(jù)信息表

目前，遙感影像信息提取方法眾多，主要包括非監(jiān)督分類、監(jiān)督分類、面向?qū)ο蠓诸惖?，本次工作以ERDAS軟件為遙感信息提取平臺(tái)，以監(jiān)督分類法中的最小距離分類法進(jìn)行研究區(qū)土地利用信息提取，該法以特征空間中的距離作為像元分類的依據(jù)，首先由訓(xùn)練組數(shù)據(jù)得出每一類別的均值向量和協(xié)方差矩陣，然后以各類的均值向量作為該類在多維空間中的中心位置。計(jì)算輸入圖像中各個(gè)像元距各類中心的距離，距哪一類中心距離最小，則該像元?dú)w入哪一類。

最小距離分類法的通用判別形式為：如果在所有的比較類j=1,2,3,…，m中，有di(X)

圖1 最小距離分類法判別過(guò)程

由圖1可知，二維空間中待分向量X和類別A、B、C中心之間的距離dA、dB、dC進(jìn)行比較，由于dB最小，因而將待分向量X歸入B類。在二維空間中，A、B、C三類之間由分割線(圖1中用虛線表示)區(qū)分，即最小距離分類法的判別函數(shù)將空間分割為3個(gè)部分。

具體技術(shù)步驟如下：

(1)基礎(chǔ)資料收集，包括測(cè)繪資料、采礦資料、遙感影像資料、土地利用資料；

(2)利用地形圖完成遙感影像數(shù)據(jù)校正，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2017)選定分類類別，在ERDAS平臺(tái)對(duì)統(tǒng)一基準(zhǔn)后的影像數(shù)據(jù)分別采用最小距離分類法進(jìn)行研究區(qū)土地利用分類；

(3)利用地形圖與土地利用資料，并結(jié)合野外驗(yàn)證對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行修正與完善；

(4)利用Arc GIS平臺(tái)進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析，最后完成研究區(qū)地下采煤擾動(dòng)影響土地利用時(shí)空演變分析與總結(jié)。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

采用前述方法完成了研究區(qū)1976-2018年之間5期土地利用圖的解譯制作，并進(jìn)行了野外驗(yàn)證，部分野外驗(yàn)證圖見(jiàn)圖2，同時(shí)輔以1979、1999年的1∶1萬(wàn)地形圖、第二次全國(guó)土地調(diào)查結(jié)果修正解譯結(jié)果得到研究區(qū)5期土地利用圖，如圖3所示，土地利用面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。最后，以1976年影像分類結(jié)果為基準(zhǔn)，基于Arc GIS平臺(tái)得到其他時(shí)相數(shù)據(jù)相對(duì)于1976年數(shù)據(jù)的土地利用類型演變圖，如圖4所示。

圖2 部分野外驗(yàn)證圖

圖3 研究區(qū)不同時(shí)相土地利用圖

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

圖4 研究區(qū)土地利用類型演變圖

3.2 討論

(1)研究區(qū)在采煤活動(dòng)未開(kāi)展前主要地類為其他草地、其他林地和有林地3種，其中，其他林地僅占極小部分比重，面積百分比為4.32%。

(2)隨著研究區(qū)內(nèi)采煤活動(dòng)的開(kāi)展，土地利用結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化，表現(xiàn)為其他草地的占比減小，出現(xiàn)了灌木林地、建筑用地、裸地和道路用地等類型，其他草地的減少部分主要轉(zhuǎn)向了灌木林地，表現(xiàn)為采煤沉陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理中多種植檸條等灌木為主。

(3)研究區(qū)采煤活動(dòng)結(jié)束于1997年，并于2003年進(jìn)行了采煤沉陷區(qū)恢復(fù)治理工程，同時(shí)據(jù)太原市萬(wàn)柏林區(qū)人民政府官方網(wǎng)站顯示，2008年以來(lái)，研究區(qū)內(nèi)實(shí)施了以植樹(shù)造林為主的生態(tài)恢復(fù)工程，并修建了水泥道路，經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展，研究區(qū)已形成生態(tài)旅游區(qū)。對(duì)照土地利用數(shù)據(jù)可以看出，研究區(qū)在2010年時(shí)新增了坑塘水面類型，而建筑用地、裸地和道路用地均出現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。其中，裸地增幅較大，這與區(qū)內(nèi)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)工程進(jìn)行的工程建設(shè)密切關(guān)聯(lián)。

(4)2014年，山西省再次開(kāi)啟了采煤沉陷區(qū)治理工程，截至2015年，研究區(qū)內(nèi)新增園地類型，占比達(dá)到1.78%，有林地、其他草地、建筑用地、裸地和道路用地均出現(xiàn)增長(zhǎng)，而其他林地面積減少，耕地面積出現(xiàn)了翻倍增長(zhǎng)。同時(shí)，新增園地表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)開(kāi)辟梯田大量種植桃樹(shù)，研究區(qū)內(nèi)同時(shí)有幾處場(chǎng)地建設(shè)，表現(xiàn)為裸地面積在2015年出現(xiàn)大幅度的增長(zhǎng)。

綜上，在1976-2015年期間，林地、草地是研究區(qū)的主要土地利用類型，基本占該區(qū)域的90%以上，隨著采煤驅(qū)動(dòng)力的影響，土地利用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯變化，主要表現(xiàn)為草地的減少和林地的增加，以及建筑用地、裸地、道路、園地等地類的增加。其中，草地呈逐年減少的趨勢(shì)，從1976年的約3.35 km2變?yōu)?015年的約0.39 km2，所占比例由56.01%減少為6.66%；而灌木林地面積從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、園地、耕地等地類所占比例均較少，但也呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

研究區(qū)在煤炭開(kāi)采之前基本處于林草覆蓋的原始狀態(tài)，而隨著煤炭開(kāi)采，人類活動(dòng)逐漸在區(qū)內(nèi)顯現(xiàn)，進(jìn)而地方政府所實(shí)施的采煤區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理工程使得區(qū)內(nèi)的其他林地替代了原有的其他草地，并出現(xiàn)了土地利用的多元化發(fā)展，人造地類逐漸增多。研究區(qū)的地表沉陷逐漸趨于穩(wěn)定，采煤沉陷區(qū)治理工程在該區(qū)進(jìn)行了旅游區(qū)開(kāi)發(fā)，顯示為2010年起人工地類的大幅度增長(zhǎng)。顯然，土地利用類型的轉(zhuǎn)移過(guò)程與煤炭開(kāi)采過(guò)程、采后沉陷穩(wěn)定及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程相吻合，因此，本研究可作為揭示地下采煤擾動(dòng)影響區(qū)土地利用時(shí)空演變特征的基礎(chǔ)方法，對(duì)推動(dòng)資源型城市開(kāi)展地下采煤擾動(dòng)影響研究、國(guó)土空間規(guī)劃研究、土地再利用研究具有基礎(chǔ)意義。但是，本文所選研究區(qū)僅是太原西山地下采煤擾動(dòng)影響區(qū)中的一個(gè)局部，應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展全區(qū)的研究分析，并完善土地利用分類類型，為發(fā)展地下采煤擾動(dòng)影響研究提供地表演變基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。