張明媚 薛永安 呂義清 喬清海

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024；2.山西能源學院地質測繪工程系，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

地下采礦擾動影響區(qū)是指地下采礦打破地質體應力平衡狀態(tài)，并可能引起地表變形和破壞及可能產生地質災害的區(qū)域。山西省作為我國煤炭生產的重要基地，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影響土地利用時空演變規(guī)律對西山礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導意義。目前，學者們多利用遙感分類技術進行采煤區(qū)的土地利用信息、植被覆蓋信息等多源信息提取，進而監(jiān)測其地表的時空變化，說明采煤活動對區(qū)域的影響。太原西山礦區(qū)杜兒坪煤礦南三盤區(qū)自1981年開始開采2#煤層和3#煤層，1994年2#煤層開采結束，1997年3#煤層開采結束，距今已有20余年，地表趨于穩(wěn)定，土地利用呈現多樣化。本文僅考慮地下采煤擾動影響，以杜兒坪煤礦南三盤區(qū)為中心并外擴取正后的范圍為研究區(qū)，總面積5.977 km2。以5期遙感影像為數據源，基于ERDAS采用最小距離分類法進行了研究區(qū)土地利用信息的提取，進而分析了研究區(qū)土地利用近40年的時空演變，以期為地下采煤擾動影響區(qū)土地利用時空演變研究進行方法上的探索。

2 數據與方法

2.1 數據源

遙感影像是進行土地利用信息提取的重要數據源，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據。目前，可用于礦區(qū)地表監(jiān)測領域的遙感數據很多，如：Landsat系列、Rapideye、ALOS、SPOT系列、IKONOS、QuickBird、GeoEye-1、Pleiades、WorldView系列、北京一號、國產資源三號、高分一號、高分二號等，同時，航空影像、低空無人機影像也是該領域重要的影像數據。

根據本次研究工作的時間段選定為杜兒坪煤礦南三盤區(qū)初采至今，確定遙感數據應滿足1980-2018年這個時間段，空間分辨率盡可能不低于2.5 m的高分辨率遙感數據。按照上述要求對遙感數據調研分析后，本研究確定采用多源多尺度遙感數據作為研究區(qū)土地利用數據獲取的基礎數據，使用的遙感數據見表1。

2.2 方法

參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2017)，根據本次研究目的、研究區(qū)的地類特征和選用的遙感數據源，研究區(qū)土地利用類型采用二級分類法，將不同的二級類型進行合理的歸并后，共分為10個土地利用類別：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)地下采煤擾動影響區(qū)土地利用時空演變遙感監(jiān)測分類指標。通過對比研究區(qū)已有研究資料和野外調查，該分類指標具有一定的實用性和普適性。

表1 遙感影像選用數據信息表

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、面向對象分類等，本次工作以ERDAS軟件為遙感信息提取平臺，以監(jiān)督分類法中的最小距離分類法進行研究區(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，首先由訓練組數據得出每一類別的均值向量和協方差矩陣，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。計算輸入圖像中各個像元距各類中心的距離，距哪一類中心距離最小，則該像元歸入哪一類。

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將空間分割為3個部分。

具體技術步驟如下：

(1)基礎資料收集，包括測繪資料、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據校正，參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2017)選定分類類別，在ERDAS平臺對統(tǒng)一基準后的影像數據分別采用最小距離分類法進行研究區(qū)土地利用分類；

(3)利用地形圖與土地利用資料，并結合野外驗證對分類結果進行修正與完善；

(4)利用Arc GIS平臺進行結果統(tǒng)計與分析，最后完成研究區(qū)地下采煤擾動影響土地利用時空演變分析與總結。

3 結果與討論

3.1 結果

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，并進行了野外驗證，部分野外驗證圖見圖2，同時輔以1979、1999年的1∶1萬地形圖、第二次全國土地調查結果修正解譯結果得到研究區(qū)5期土地利用圖，如圖3所示，土地利用面積統(tǒng)計結果見表2。最后，以1976年影像分類結果為基準，基于Arc GIS平臺得到其他時相數據相對于1976年數據的土地利用類型演變圖，如圖4所示。

圖2 部分野外驗證圖

圖3 研究區(qū)不同時相土地利用圖

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)在采煤活動未開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)內采煤活動的開展，土地利用結構逐漸發(fā)生變化，表現為其他草地的占比減小，出現了灌木林地、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向了灌木林地，表現為采煤沉陷區(qū)生態(tài)恢復治理中多種植檸條等灌木為主。

(3)研究區(qū)采煤活動結束于1997年，并于2003年進行了采煤沉陷區(qū)恢復治理工程，同時據太原市萬柏林區(qū)人民政府官方網站顯示，2008年以來，研究區(qū)內實施了以植樹造林為主的生態(tài)恢復工程，并修建了水泥道路，經過近10年的發(fā)展，研究區(qū)已形成生態(tài)旅游區(qū)。對照土地利用數據可以看出，研究區(qū)在2010年時新增了坑塘水面類型，而建筑用地、裸地和道路用地均出現增長態(tài)勢。其中，裸地增幅較大，這與區(qū)內進行生態(tài)恢復工程進行的工程建設密切關聯。

(4)2014年，山西省再次開啟了采煤沉陷區(qū)治理工程，截至2015年，研究區(qū)內新增園地類型，占比達到1.78%，有林地、其他草地、建筑用地、裸地和道路用地均出現增長，而其他林地面積減少，耕地面積出現了翻倍增長。同時，新增園地表現為區(qū)內開辟梯田大量種植桃樹，研究區(qū)內同時有幾處場地建設，表現為裸地面積在2015年出現大幅度的增長。

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，隨著采煤驅動力的影響，土地利用結構呈現明顯變化，主要表現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，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，但也呈現出逐漸增長的趨勢。

4 結論

研究區(qū)在煤炭開采之前基本處于林草覆蓋的原始狀態(tài)，而隨著煤炭開采，人類活動逐漸在區(qū)內顯現，進而地方政府所實施的采煤區(qū)生態(tài)恢復治理工程使得區(qū)內的其他林地替代了原有的其他草地，并出現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)進行了旅游區(qū)開發(fā)，顯示為2010年起人工地類的大幅度增長。顯然，土地利用類型的轉移過程與煤炭開采過程、采后沉陷穩(wěn)定及區(qū)域經濟發(fā)展過程相吻合，因此，本研究可作為揭示地下采煤擾動影響區(qū)土地利用時空演變特征的基礎方法，對推動資源型城市開展地下采煤擾動影響研究、國土空間規(guī)劃研究、土地再利用研究具有基礎意義。但是，本文所選研究區(qū)僅是太原西山地下采煤擾動影響區(qū)中的一個局部，應繼續(xù)開展全區(qū)的研究分析，并完善土地利用分類類型，為發(fā)展地下采煤擾動影響研究提供地表演變基礎數據源。