王 慧，馮啟言，刁鑫鵬，孟 磊

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省老工業(yè)基地資源利用與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 徐州 221116; 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心,江蘇 徐州 221116)

土地利用是人類(lèi)為了達(dá)到一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)目的，利用和改造土地資源的活動(dòng)[1]。景觀格局是指景觀組成單元的類(lèi)型、數(shù)目，以及空間分布與配置[2]，反映了土地生態(tài)過(guò)程的作用結(jié)果[3]。煤炭資源的高強(qiáng)度開(kāi)采嚴(yán)重影響了礦區(qū)土地資源，易形成塌陷坑積水區(qū)[4]，引起土地利用的變化[5]，進(jìn)而引起景觀格局的變化[6]，導(dǎo)致景觀功能變化或衰退。近年來(lái)，如何定量分析景觀格局的變化特征得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[7-11]，而針對(duì)人類(lèi)采礦活動(dòng)下區(qū)域土地利用變化與景觀格局演變的研究較少[12-16]。本文利用多源遙感數(shù)據(jù)，針對(duì)煤炭資源蘊(yùn)藏豐富的淮南泥河流域，從土地利用幅度、速度和轉(zhuǎn)移方面分析流域土地利用動(dòng)態(tài)變化，從景觀斑塊類(lèi)型尺度和整體景觀格局尺度對(duì)流域景觀格局時(shí)空演變進(jìn)行分析,為今后合理配置其景觀格局和實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

泥河發(fā)源于安徽省鳳臺(tái)縣米集，地處116°37′E—117°5′E，32°41′N(xiāo)—32°56′N(xiāo)，屬淮河支流水系?；贏rcGIS 10.2地表水文分析工具模塊，提取出泥河流域邊界。泥河流域?qū)倩幢逼皆?，地形平坦。流域?nèi)已建成6個(gè)現(xiàn)代化礦井(如圖1所示)，按照投產(chǎn)時(shí)間分別為:潘一礦(1983年)、潘二礦(1989年)、潘三礦(1992年)、丁集礦(2007年)、潘北礦(2008年)和朱集礦(2010年)，其中潘一礦已于2018年9月停產(chǎn)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

利用7期多源遙感影像作為數(shù)據(jù)源，包括Landsat衛(wèi)星TM(1987、1994、2006、2009年)、ETM+(2000年)和OLI(2013、2017年)3種傳感器，多光譜波段空間分辨率為30 m，下載自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。在ENVI 5.1遙感處理平臺(tái)下，對(duì)圖像進(jìn)行幾何精校正、融合、裁剪、圖像增強(qiáng)等操作，完成圖像預(yù)處理。為了減少時(shí)間跨度大、坐標(biāo)系不統(tǒng)一帶來(lái)的誤差，將融合好的2000年的ETM+影像作為基準(zhǔn)影像，對(duì)TM影像、OLI影像進(jìn)行配準(zhǔn)，總殘差RMS誤差在0.3個(gè)像元以?xún)?nèi)。由于本文只用于圖像分類(lèi)，未進(jìn)行輻射校正不影響總體精度。

2.2 土地利用分類(lèi)

參考《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2017)，并結(jié)合泥河流域土地利用特征及煤炭開(kāi)采對(duì)當(dāng)?shù)鼐坝^產(chǎn)生的影響，采用監(jiān)督分類(lèi)中支持向量機(jī)(SVM)[17]分類(lèi)方法，結(jié)合紋理特征、光譜信息，將流域土地利用類(lèi)型劃分為耕地、建設(shè)用地、自然水體、林地、園地和塌陷水體6種類(lèi)型，最后對(duì)以上6種地類(lèi)各選取不與訓(xùn)練樣本重疊的點(diǎn)作為驗(yàn)證樣本進(jìn)行精度檢驗(yàn)，Kappa系數(shù)達(dá)到0.8以上。塌陷水體是根據(jù)分類(lèi)提取出的水體與礦井采場(chǎng)工作面進(jìn)行GIS空間疊加，并結(jié)合遙感影像的特征進(jìn)行識(shí)別。

2.3 土地利用變化指數(shù)

(1) 土地利用變化幅度：主要反映不同土地利用類(lèi)型面積總量上的變化，可以反映出該區(qū)域內(nèi)土地利用變化的總體趨勢(shì)及該時(shí)段人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地資源影響的強(qiáng)弱[18]。其表達(dá)式為

(2) 單一土地利用動(dòng)態(tài)度：景觀變化速率的區(qū)域差異情況可以用單一土地利用動(dòng)態(tài)度模型來(lái)反映[19]。其表達(dá)式如下

式中，K為一定時(shí)段內(nèi)某一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度；Ua和Ub分別為研究初期和研究末期某一土地利用類(lèi)型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長(zhǎng)。當(dāng)T設(shè)為年時(shí)，K表示該研究區(qū)域土地利用年變化率。

(3) 土地利用綜合動(dòng)態(tài)度：描述整個(gè)區(qū)域土地覆蓋變化的速度，綜合考慮了研究期內(nèi)土地覆蓋類(lèi)型間的轉(zhuǎn)移[20]。其模型為

式中，LUi為監(jiān)測(cè)起始時(shí)間第i類(lèi)土地利用類(lèi)型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)為非i類(lèi)土地利用類(lèi)型面積的絕對(duì)值；T為監(jiān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值即為該研究區(qū)土地利用年變化率。

2.4 泥河流域景觀格局指數(shù)選取

景觀格局反映了景觀斑塊在空間上的分布和排列情況。在SVM監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用Fragstats 4.2軟件得到景觀格局指數(shù)，從景觀類(lèi)型和景觀格局水平兩方面對(duì)泥河流域30年來(lái)景觀格局演變情況進(jìn)行分析。

選用6個(gè)景觀指標(biāo)分析各景觀類(lèi)型格局，分別為斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、面積加權(quán)平均形狀因子(SHAPE_AM)、面積加權(quán)分維數(shù)(FRAC_AM)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊類(lèi)型百分比(PLAND);選用8個(gè)指標(biāo)分析流域整體景觀格局，分別為NP、平均斑塊面積(AREA_MN)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度(CONTAG)、斑塊聚集度指數(shù)(AI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)[21]。

3 結(jié)果與分析

利用SVM對(duì)泥河流域多時(shí)相遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，得到泥河流域1987—2017年7期土地利用分類(lèi)結(jié)果，其中1987、2000、2006、2017年的土地利用變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，30年來(lái)在煤炭開(kāi)采影響下，塌陷水體范圍逐漸增大，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，泥河流域土地利用方式發(fā)生較大改變。在此基礎(chǔ)上分析泥河流域土地利用和景觀格局的演變情況。

3.1 流域土地利用變化特征

3.1.1 土地利用變化幅度與速度

根據(jù)公式計(jì)算得出泥河流域土地利用變化指數(shù)，見(jiàn)表1。

從表1可以看出，耕地在2000—2006年變化幅度最大，減小速度為2.13%；建設(shè)用地變化幅度一直為正，1987—1994年增幅最大，增速為8.84%；塌陷水體變化幅度也一直為正，1987—1994年增幅最大，增速達(dá)到了313.48%；自然水體、林地和園地的變化幅度較??；從綜合土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看，2006—2009年和2009—2013年土地利用轉(zhuǎn)化較劇烈，表明期間地類(lèi)轉(zhuǎn)化頻繁。綜合1987—2017年，土地利用增加速度和增幅最快的是塌陷水體，增速為949.25%；建設(shè)用地次之，增速為7.8%；林地和園地的增幅較小，增速較慢。土地利用減少幅度最大、速度最快的是自然水體，減小速度為1.25%；耕地次之，減小速度為0.85%。土地利用綜合動(dòng)態(tài)度較小，僅為0.56%。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移分析

在ArcGIS中把1987—2017年7期土地利用圖進(jìn)行兩兩疊加，并對(duì)1987和2017年兩期進(jìn)行疊加，得到1987—1994、1994—2000、2000—2006、2006—2009、2009—2013、2013—2017、1987—2017不同時(shí)期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，其中1987—2017年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表2，分析土地利用轉(zhuǎn)移情況。

表1 泥河流域1987—2017年土地利用變化指數(shù)統(tǒng)計(jì) (%)

表2 1987—2017年泥河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

由表2可以看出，耕地主要向建設(shè)用地、塌陷水體和自然水體轉(zhuǎn)移，主要轉(zhuǎn)入源有建設(shè)用地和自然水體，分別占耕地轉(zhuǎn)入面積的56.83%和42.41%；建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積為16 965.81 hm2，有92%的轉(zhuǎn)入來(lái)自耕地；自然水體分別有27.36%和24.63%轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地；塌陷水體主要由耕地轉(zhuǎn)入，凈增加面積為2 281.05 hm2。林地和園地的保有率較低，不超過(guò)0.1%，主要是因?yàn)榱值嘏c園地自身面積小，轉(zhuǎn)出率又高。綜合1987—2017年，泥河流域主要的土地利用轉(zhuǎn)變類(lèi)型為耕地和建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)變及耕地向塌陷水體的轉(zhuǎn)變。

3.2 流域景觀格局演變

3.2.1 流域各景觀類(lèi)型格局演變

基于Fragstats 4.2軟件計(jì)算結(jié)果，得出流域各景觀類(lèi)型指數(shù)變化(如圖3所示)，從表征景觀破碎度的指數(shù)(NP、PD)、表征景觀形狀的指數(shù)(SHAPE_AM、FRAC_AM)和表征景觀優(yōu)勢(shì)度的指數(shù)(PLAND、LPI)3方面對(duì)泥河流域30年間各景觀類(lèi)型演變特征進(jìn)行分析。

(1) 破碎度分析。由圖3可知，1987—2017年，建設(shè)用地斑塊數(shù)量和斑塊密度呈先上升后下降趨勢(shì)，2000年達(dá)到最大值；耕地和塌陷水體的斑塊數(shù)量和斑塊密度先上升后下降，2006年達(dá)到最大值，2013年又有上升趨勢(shì)。這說(shuō)明建設(shè)用地、耕地和塌陷水體經(jīng)歷了不斷破碎化到景觀逐漸完善的過(guò)程，主要是因?yàn)榍捌诔鞘谢ㄔO(shè)的加快占用了大片耕地，破壞了原有的景觀結(jié)構(gòu)，將大面積的連續(xù)生境分割成面積較小的斑塊，并且隨著礦井開(kāi)采數(shù)量的增加，所形成的塌陷水體斑塊數(shù)量也在增大。2006年之后，塌陷地周?chē)匀淮灏徇w形成了集中的城市化新鄉(xiāng)鎮(zhèn)，礦區(qū)修復(fù)治理工作也在進(jìn)行，使得礦區(qū)的景觀逐漸完善。林地、園地的斑塊數(shù)量和斑塊密度始終較小，呈小幅度上下擺動(dòng)，自然水體波動(dòng)較大。

(2) 形狀指數(shù)分析。由圖3可知,耕地、建設(shè)用地和自然水體的分維數(shù)較高，說(shuō)明其斑塊形狀較為復(fù)雜，主要是因?yàn)楦卦谌藶榛顒?dòng)下形狀變得不規(guī)則，建設(shè)用地和自然水體多呈條帶狀，相互滲透交錯(cuò)，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜。林地、園地和塌陷水體分維數(shù)較低，說(shuō)明其形狀規(guī)則，受人為干擾較大，由于采煤導(dǎo)致地面塌陷形成的水體，多呈圓形、橢圓形的坑狀分布，形狀較為簡(jiǎn)單。1987—2017年間，建設(shè)用地面積加權(quán)平均形狀因子處于上升趨勢(shì)，由1987年的5.424 6上升到2017年的22.010 3，說(shuō)明建設(shè)用地的邊緣效應(yīng)增大，隨著礦井的相繼投入生產(chǎn)，工礦用地增加，建設(shè)用地呈現(xiàn)形狀的多樣化。耕地、園地面積加權(quán)平均形狀因子先上升后下降，說(shuō)明其形狀經(jīng)歷了由趨于復(fù)雜到趨于簡(jiǎn)單的變化，主要是因?yàn)榈V區(qū)復(fù)墾使耕地集中規(guī)劃，許多小斑塊連接在一起，形狀由不規(guī)則慢慢向規(guī)則化轉(zhuǎn)變。其他3類(lèi)面積加權(quán)平均形狀因子隨時(shí)間上下波動(dòng)，自然水體和塌陷水體于2006年達(dá)到最大值，分別為8.814 7和4.605 2，林地波動(dòng)較小，2006年達(dá)到最小值1.273 6。

(3) 優(yōu)勢(shì)度分析。由圖3可知,景觀百分比和最大斑塊指數(shù)可以近似表征某類(lèi)景觀的優(yōu)勢(shì)度。30年來(lái)，耕地一直處于優(yōu)勢(shì)地位，但處于不斷減小的狀態(tài)。與此同時(shí)，建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)與百分比呈上升趨勢(shì)。1987—2017年，耕地最大斑塊指數(shù)由79.706 0降為38.745 5，建設(shè)用地由0.854 0上升為13.420 4，說(shuō)明流域耕地的優(yōu)勢(shì)性在減弱，建設(shè)用地的優(yōu)勢(shì)性在增強(qiáng)。這是因?yàn)槌擎?zhèn)化進(jìn)程不斷加快，加上煤炭開(kāi)采力度加強(qiáng)及工業(yè)廣場(chǎng)的擴(kuò)建，耕地被大量占用。自然水體的最大斑塊指數(shù)和百分比總體在減小，表明其優(yōu)勢(shì)性減弱。塌陷水體最大斑塊指數(shù)一直上升，前期上升緩慢，2009年之后上升速度加快。林地和園地最大斑塊指數(shù)和百分比較小，且變化也較小。

3.2.2 流域整體景觀演變特征

基于Fragstats 4.2軟件計(jì)算得出景觀格局指數(shù)變化，從景觀破碎化(NP、AREA_MN)、景觀邊緣效應(yīng)(ED、LSI)、景觀異質(zhì)化(SHDI、SHEI)和景觀連通性(AI、CONTAG)4個(gè)方面對(duì)泥河流域30年間整體景觀格局演變特征進(jìn)行分析。

(1) 景觀破碎化分析。從表征破碎化的斑塊數(shù)量(NP)和平均斑塊面積(AREA_MN)(如圖4所示)來(lái)看，1987—2000年，斑塊數(shù)量逐年增加，由14 684上升到20 567，平均斑塊面積逐年減小，說(shuō)明期間景觀破碎化加??；2000—2017年，斑塊數(shù)量呈下降趨勢(shì)，由20 567減小到6699，平均斑塊面積則呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明期間景觀破碎化程度減緩。綜合來(lái)看，泥河流域景觀格局前期破碎化，2006年之后由于礦區(qū)修復(fù)工作的進(jìn)行，景觀逐漸完善，連續(xù)性增強(qiáng)。

(2) 景觀邊緣效應(yīng)演變分析。從表征景觀邊緣效應(yīng)的邊緣密度(ED)和景觀形狀指數(shù)(LSI)(如圖5所示)來(lái)看，1987—2006年ED和LSI逐漸升高，表明邊緣形狀越來(lái)越復(fù)雜，2006年以后ED和LSI呈下降趨勢(shì)，景觀形狀趨于規(guī)則。這主要是因?yàn)榍捌诿旱V開(kāi)采新增了工礦用地并形成一定數(shù)量的塌陷水體，使景觀形狀趨于復(fù)雜，之后由于自然村莊統(tǒng)一搬遷使居民用地更加集中，使得邊緣形狀趨于規(guī)則。

(3) 景觀異質(zhì)化演變分析。從表征景觀異質(zhì)化程度的香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)(如圖6所示)來(lái)看，1987—2006年，SHDI和SHEI呈快速上升趨勢(shì)，SHDI由0.570 5上升至0.881 5，說(shuō)明在此期間流域可能受到人為活動(dòng)特別是采煤的干擾，增加了景觀的多樣性，各斑塊均勻分布。2006—2017年，兩者在2009年小幅下降后又呈緩慢上升趨勢(shì)。綜合1987—2017年，多樣性指數(shù)由0.570 5上升到0.922 2，均勻度指數(shù)由0.318 4上升到0.514 7，說(shuō)明研究區(qū)各景觀類(lèi)型異質(zhì)化程度在降低，趨于均衡化。

(4) 景觀連通性分析。從描述景觀斑塊凝聚程度的指數(shù)斑塊聚集度指數(shù)(AI)和蔓延度(CONTAG)(如圖7所示)來(lái)看，1987—2006年，CONTAG和AI呈下降趨勢(shì)，表明研究區(qū)這一時(shí)期斑塊分布逐漸離散，景觀內(nèi)斑塊之間連通性較差。2006—2017年，前期蔓延度和斑塊聚集度逐年升高，說(shuō)明這一時(shí)期隨著礦區(qū)復(fù)墾工作及城鎮(zhèn)建設(shè)的集中，使得斑塊聚集度升高，連通性也升高。2013—2017年有小幅度下降，斑塊聚集度有所降低。綜合1987—2017年來(lái)看，蔓延度和斑塊聚集度都呈先降低后增加的趨勢(shì)，說(shuō)明流域經(jīng)歷了由逐漸離散到逐漸集中的過(guò)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用Landsat遙感影像，分別從土地利用幅度、速度、轉(zhuǎn)移情況、景觀類(lèi)型和整體景觀尺度對(duì)采煤影響下淮南泥河小流域土地利用與景觀格局演變規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：煤炭開(kāi)采影響下，塌陷水體范圍逐漸增大，耕地被大量占用，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，30年間塌陷水體和建設(shè)用地分別增加了2 281.05、14 741.73 hm2，耕地減少了15 044.67 hm2。泥河流域主要的土地利用轉(zhuǎn)變類(lèi)型為耕地和建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)變及耕地向塌陷水體的轉(zhuǎn)變。采煤驅(qū)動(dòng)下近30年來(lái)，建設(shè)用地、耕地和塌陷水體經(jīng)歷了不斷破碎化到景觀逐漸完善的過(guò)程。建設(shè)用地的邊緣效應(yīng)增大，林地形狀規(guī)則，園地、耕地斑塊形狀經(jīng)歷了由復(fù)雜到簡(jiǎn)單的變化。耕地一直處于優(yōu)勢(shì)地位，塌陷水體和建設(shè)用地的優(yōu)勢(shì)性在增強(qiáng)，自然水體優(yōu)勢(shì)性減弱。流域整體景觀格局以2006年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，前期呈現(xiàn)破碎化、不規(guī)則化、異質(zhì)化和低連通性變化的特征，后期呈現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)則化、均衡化及高連通性變化的特征。這主要是因?yàn)殡S著礦井相繼投產(chǎn)，煤炭開(kāi)采力度加強(qiáng)，工礦用地占用了耕地，景觀被阻隔，并且形成大量塌陷水體，使得景觀破碎，形狀多樣化；2006年之后隨著礦區(qū)塌陷地附近自然村莊搬遷至集中的城鎮(zhèn)化新村鎮(zhèn)及礦區(qū)治理工作的進(jìn)行，使得礦區(qū)生態(tài)有所恢復(fù)，朝著景觀連續(xù)化方向發(fā)展。

隨著礦區(qū)煤炭資源的不斷開(kāi)采，區(qū)域土地利用方式會(huì)繼續(xù)改變，塌陷水體面積還會(huì)持續(xù)擴(kuò)大。筆者認(rèn)為可以通過(guò)發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖或建成人工濕地公園、平原水庫(kù)對(duì)塌陷水體進(jìn)行治理，進(jìn)一步合理規(guī)劃景觀空間布局，優(yōu)化礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。