劉 碩， 李小光， 宋建偉, 單 強(qiáng)， 魯明星

(1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院, 河北 石家莊 050000; 2.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050000； 3.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 河北 唐山 063210;4.防災(zāi)科技學(xué)院 應(yīng)急管理學(xué)院, 河北 廊坊 065201; 5.河北省礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 河北 唐山 063210)

露天開(kāi)采方式破壞了礦區(qū)和周邊區(qū)域的生態(tài)平衡和地質(zhì)穩(wěn)定性[1]，出現(xiàn)了一系列的滑坡、崩塌[2]、土壤流失[3]、大氣污染、原有地貌景觀破壞等[4]地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境污染問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境越來(lái)越重視，礦山生態(tài)修復(fù)由過(guò)去的“先破壞后治理的采后治理[5]”模式逐步走向了“邊開(kāi)采—邊治理”的模式。傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)礦山生態(tài)修復(fù)效果的方式，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，且監(jiān)測(cè)效果較差。利用遙感技術(shù)對(duì)露天礦山環(huán)境狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有信息量大、成本低、精確度高等優(yōu)勢(shì)[6]。目前學(xué)者大多采用空間分辨率為30 m的Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。畢如田等[7]基于Landsat TM衛(wèi)星影像對(duì)安太堡大型露天煤礦土地利用覆被變化類(lèi)型進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。高文龍等[8]基于4期Landsat影像，對(duì)海流兔流域礦區(qū)多種土地分類(lèi)方法進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)分析了不同地物類(lèi)型與環(huán)境惡化間的關(guān)系。由于礦區(qū)范圍一般較小，利用中低空間分辨率的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確性和精度方面均比較受限。谷歌地球[9](Google Earth， GE)是一款由Google公司開(kāi)發(fā)的虛擬地球儀軟件，其集成的遙感影像具有較高的空間分辨率，適用于小尺度范圍的空間動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域土地利用類(lèi)型精細(xì)識(shí)別。如劉小陽(yáng)[10]基于Google Earth影像對(duì)以貴州省松桃縣后寨村為研究區(qū)，進(jìn)行了土地開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)。劉佳[11]以面積大約為13.02 km2的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)為研究區(qū)基于Google Earth影像對(duì)農(nóng)作物面積進(jìn)行地面樣方調(diào)查。本文以長(zhǎng)山溝露天礦集中開(kāi)采區(qū)為研究對(duì)象，基于2003—2019年Google Earth高分辨率影像，對(duì)境內(nèi)17 a間土地利用覆被變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為露天礦山生態(tài)修復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)簡(jiǎn)介、數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)山溝露天開(kāi)采區(qū)位于河北省唐山市古治區(qū)西北部、開(kāi)平區(qū)東北部以及陡河水庫(kù)東部山區(qū)，面積約20 km2。境內(nèi)主要為露天礦開(kāi)采方式，且分布較為集中。礦區(qū)位于燕山南麓、開(kāi)平盆地北緣，屬低山丘陵區(qū)，海拔標(biāo)高從23～273 m，地形起伏變化大，地貌單元類(lèi)型較多。開(kāi)采主要礦種為建筑石料用灰?guī)r、生產(chǎn)水泥用石灰石礦。露天開(kāi)采前研究區(qū)野生植物豐富，主要有喬木、灌木和草類(lèi)等，種類(lèi)豐富多樣，主要有酸棗、荊條、爬山虎等，人工栽植樹(shù)種多為楊樹(shù)、旱垂柳、松樹(shù)等。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取2003，2010，2015和2019年4期覆蓋研究區(qū)的夏季Google Earth影像，空間分辨率為0.92 m，投影坐標(biāo)為WGS84_WEB墨卡托投影[11]。以研究區(qū)西南部的2018年12月的0.3 m分辨率的無(wú)人機(jī)正射影像作為參考影像，分別為對(duì)2003，2010，2015和2019年4期Google Earth影像進(jìn)行幾何校正，使4期影像數(shù)據(jù)的幾何上誤差控制在0.5個(gè)像元之內(nèi)。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 面向?qū)ο蠓诸?lèi)

采用面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法進(jìn)行土地利用覆被初步分類(lèi)[12-13]，在此基礎(chǔ)上通過(guò)人工判讀進(jìn)行目視解譯。面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法是將影像分割得到同質(zhì)對(duì)像，再根據(jù)地物類(lèi)型的光譜、形狀、空間關(guān)系等特征建立規(guī)則，將對(duì)象分配到相應(yīng)的類(lèi)中。其核心步驟是多尺度分割，分割的好壞直接影響到分類(lèi)結(jié)果的精度。分割尺度對(duì)分類(lèi)結(jié)果的影響最為明顯，尺度設(shè)置的越大，像元合并的面積就越大，獲得的對(duì)象越少，越容易造成像元混淆的現(xiàn)象，反之則導(dǎo)致分割對(duì)象過(guò)于破碎，大大增加工作量；光滑度和緊湊度、形狀因子和光譜因子的取值范圍均為0.1～0.9，參數(shù)的和均是1[14]。采用試錯(cuò)法選擇最優(yōu)分割尺度，分割尺度以20為步長(zhǎng)，從60到200，不斷改變分割尺度、形狀和緊密度的權(quán)重，得到不同尺度的分割結(jié)果。選取形狀因子為0.6，緊湊度為0.5，分割尺度分別為50，100，150對(duì)研究區(qū)進(jìn)行多尺度分割[15]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分割尺度50時(shí)地類(lèi)圖斑過(guò)于零碎，當(dāng)分割尺度150時(shí)地類(lèi)圖斑合并嚴(yán)重，當(dāng)分割尺度分100時(shí)不同地物類(lèi)型均得到較好的分割(圖1)?；诜指顚?duì)象進(jìn)行樣本選取，得到對(duì)象的光譜、紋理特征等多特征信息，進(jìn)而利用對(duì)象的特征信息進(jìn)行分類(lèi)。

圖1 不同分割尺度的影像分割試驗(yàn)

2.2 土地利用遙感分類(lèi)

參照《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)(GB/T210102017)》[16]和《礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理技術(shù)規(guī)范(HJ651-2013)》[17]，根據(jù)實(shí)地調(diào)查和遙感衛(wèi)星影像，基于面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法將研究區(qū)境內(nèi)地物劃分為7大類(lèi)：耕地、交通用地、居民地、綠地(林地、果園和草地)、工業(yè)場(chǎng)地、祼地(裸土和裸巖)。其中工業(yè)場(chǎng)地是指露天開(kāi)采礦山生產(chǎn)系統(tǒng)和輔助生產(chǎn)系統(tǒng)服務(wù)的地面建筑物、構(gòu)筑物以及有關(guān)設(shè)施的場(chǎng)地。在基于面向?qū)ο蠓诸?lèi)結(jié)果基礎(chǔ)上，對(duì)居民地、工業(yè)場(chǎng)地等地物類(lèi)型進(jìn)行人工判讀，得到研究區(qū)各期土地利用分類(lèi)結(jié)果?；谖髂喜恳?018年0.3 m分辨率的無(wú)人機(jī)正射影像數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)選取110個(gè)樣本點(diǎn)(圖2)，其他研究區(qū)基于外業(yè)實(shí)際調(diào)查選取120個(gè)樣本點(diǎn)。通過(guò)對(duì)驗(yàn)證樣本和分類(lèi)結(jié)果對(duì)比，得到土地利用分類(lèi)混淆矩陣(表1)，總體分類(lèi)精度92.17%，kappa系數(shù)0.90，精度較高。

圖2 研究區(qū)西南部樣本點(diǎn)分布

表1 研究區(qū)土地遙感分類(lèi)混淆矩陣

3 土地利用時(shí)空變化分析

3.1 長(zhǎng)山溝露天礦集中區(qū)土地利用變化分析

長(zhǎng)山溝露天礦集中區(qū)4期土地利用空間分布如附圖1(見(jiàn)封2)所示。通過(guò)4期土地遙感分類(lèi)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)前期綠地表面明顯減少，耕地有所減少，裸地較大幅度增加；后期綠地面積、裸地面積變化較小。長(zhǎng)山溝露天礦集中區(qū)土地利用類(lèi)型面積變化情況詳見(jiàn)表2。2003—2019年，耕地面積大幅度下降，減少了104.85 hm2；2003—2019年，耕地所占研究區(qū)面積的比例由2003年的15.49%降低到2019年的11.56%，但減少面積逐漸降低。從2003—2019年期間工業(yè)場(chǎng)地面積逐年增加，面積占比增加了3.88%。從2003—2010年交通用地面積增加較快，2010—2019年，增加幅度較小。2003—2019年，居民地面積逐年增加，增加幅度較小，占比增加了1.40%；裸地逐年增加，后期增加幅度??；綠地逐年減少，前期減少幅度大，后期減少幅度?。凰w面積，保持在7.00 hm2，變化幅度較小。

表2 研究區(qū)2003-2019年土地利用類(lèi)型面積及比例統(tǒng)計(jì)

3.2 研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

3.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用方面的應(yīng)用，可以用矩陣的形式定量的表示研究時(shí)間內(nèi)各地類(lèi)的流向及數(shù)量，轉(zhuǎn)移矩陣的公式可表示為[19-20]：

(1)

式中：Rij為地類(lèi)i轉(zhuǎn)換為地類(lèi)j的面積;n為地類(lèi)數(shù)量?；陂L(zhǎng)山溝露天礦集中區(qū)4期土地利用分類(lèi)結(jié)果獲取2003—2010，2010—2015，2010—2015年和2003—2019年長(zhǎng)山溝片區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3—6)。

3.2.2 研究區(qū)各階段土地利用結(jié)構(gòu)分析 由表3可得，研究區(qū)2003—2010年地類(lèi)轉(zhuǎn)移面積從高到低為：裸地>綠地>耕地>工業(yè)場(chǎng)地>交通用地>居民地>水體。期間祼地共增加了140.68 hm2，主要來(lái)源于綠地、工業(yè)場(chǎng)地、耕地；綠地面積共減少了117.44 hm2，主要轉(zhuǎn)為祼地、工業(yè)場(chǎng)地、耕地；耕地減少了56.20 hm2，主要轉(zhuǎn)為工業(yè)場(chǎng)地、祼地、綠地。工業(yè)場(chǎng)地增加了19.75 hm2，主要來(lái)源于綠地、祼地、耕地。表明期間露天礦采場(chǎng)的無(wú)序擴(kuò)大，占用了大量的綠地、耕地。由表4可得，研究區(qū)2010—2015年地類(lèi)轉(zhuǎn)移面積從高到低為：綠地>裸地>工業(yè)場(chǎng)地>耕地>居民地>交通用地>水體。期間綠地共減少了52.17 hm2，主要轉(zhuǎn)為裸地、工業(yè)場(chǎng)地、耕地；裸地面積共減少了44.05 hm2，主要轉(zhuǎn)為綠地、工業(yè)場(chǎng)地；工業(yè)場(chǎng)地增加了44.74 hm2，主要來(lái)源于綠地、祼地。表明期間露天石礦開(kāi)采繼續(xù)擴(kuò)大，占用了大量的綠地，同時(shí)部分裸地由于生態(tài)修復(fù)恢復(fù)為綠地。由表5可得，研究區(qū)2015—2019年主要地類(lèi)轉(zhuǎn)移面積從高到低為：綠地>工業(yè)場(chǎng)地>裸地>居民地>耕地。期間綠地共減少了61.05 hm2，主要轉(zhuǎn)為裸地、工業(yè)場(chǎng)地、耕地；工業(yè)場(chǎng)地面積增加43.91 hm2，主要來(lái)源為：綠地、裸地。裸地、居民地、耕地總體數(shù)量變化不大，但綠地、工業(yè)場(chǎng)地、裸地之間的相互轉(zhuǎn)換較大。表明近幾年加強(qiáng)了礦山生態(tài)修復(fù)，露天礦開(kāi)采的同時(shí)，也進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)，整個(gè)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)向好的方向發(fā)展，“邊開(kāi)采，邊治理”模式得到了體現(xiàn)。由表6可得，研究區(qū)2003—2019年地類(lèi)轉(zhuǎn)移面積從高到低為：綠地>裸地>耕地>工業(yè)場(chǎng)地>居民地>交通用地>水體。期間綠地共減少了230.66 hm2，主要轉(zhuǎn)為裸地、工業(yè)場(chǎng)地、耕地；裸地面積增加199.21 hm2，主要來(lái)源于綠地、工業(yè)場(chǎng)地、耕地。耕地共減少105.77 hm2，主要轉(zhuǎn)向了綠地、工業(yè)場(chǎng)地、裸地。表明期間露天礦開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞帶來(lái)的嚴(yán)重后果：綠地大量減少，祼地、工業(yè)場(chǎng)地面積增加。

表3 研究區(qū)2003-2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表4 研究區(qū)2010-2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表5 研究區(qū)2015-2019年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表6 研究區(qū)2003-2019年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

3.3 研究區(qū)分區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

研究區(qū)根據(jù)露天開(kāi)采破壞程度、生態(tài)修復(fù)程度、集中開(kāi)采程度及地形情況可以細(xì)分為3個(gè)集中開(kāi)采區(qū)長(zhǎng)山區(qū)、巍山區(qū)、高山區(qū)。長(zhǎng)山區(qū)位于研究區(qū)的東部，巍山區(qū)位于研究區(qū)的西北部即山脊的北側(cè)，高山區(qū)位于研究區(qū)西南部即山脊的南側(cè)。

3.3.1 長(zhǎng)山區(qū)地類(lèi)變化驅(qū)動(dòng)力分析 長(zhǎng)山區(qū)、巍山區(qū)露天開(kāi)采破壞、修復(fù)情況相似，以長(zhǎng)山區(qū)為例進(jìn)行分析。由圖3可知，2003年生態(tài)環(huán)境良好，地表植被沒(méi)有被破壞，到2015年，由于露天采嚴(yán)重破壞了生態(tài)壞境，地表植被破壞嚴(yán)重。2003—2015年采礦用地(工業(yè)場(chǎng)地、裸地)面積大幅度增加，綠地面積大幅度減少，采礦用地增加量與綠地減少量基本相當(dāng)(表7)。唐山市礦業(yè)資源豐富，開(kāi)發(fā)歷史悠久，是典型的重工業(yè)城市。由于受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，長(zhǎng)山區(qū)露天開(kāi)采持續(xù)加強(qiáng)，使用生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，礦山生態(tài)環(huán)境亟需修復(fù)。

圖3 長(zhǎng)山區(qū)2003-2015年地表景觀影像對(duì)比

表7 研究區(qū)2003-2015年土地利用類(lèi)型面積及比例統(tǒng)計(jì) hm2

3.3.2 高山區(qū)地類(lèi)變化驅(qū)動(dòng)力分析 通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以高山區(qū)露天開(kāi)采區(qū)在2015年以前礦山生態(tài)修復(fù)效果不明顯，露天開(kāi)采嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。近年來(lái)在習(xí)近平主席的“綠水青山就是金山銀山”理論指導(dǎo)下，礦山生態(tài)修復(fù)工作有序進(jìn)行。從2014年開(kāi)始河北省政府通過(guò)關(guān)閉、治理、提升等一系列措施開(kāi)展了礦山環(huán)境治理攻堅(jiān)行動(dòng)。近三年河北省開(kāi)展了無(wú)主露天礦山的全面生態(tài)修復(fù)治理工作。高山區(qū)為某一大型石灰石礦，在生產(chǎn)過(guò)程中注重礦山生態(tài)修復(fù)工作，經(jīng)過(guò)幾年的努力，礦山生態(tài)修取得了一定的效果。圖4表明從露天開(kāi)采破壞的地表植被得到了有序修復(fù)，開(kāi)采平臺(tái)植了樹(shù)，坡面進(jìn)行了綠化，植被覆蓋率明顯提高。圖5拍攝于2020年夏季，礦山生態(tài)修復(fù)治理正在進(jìn)行削坡、清理浮石等工作，說(shuō)明“邊開(kāi)采—邊治理”的模式正在落實(shí)。

圖4 高山區(qū)2003-2015年地表景觀影像對(duì)比

圖5 高山區(qū)2020年無(wú)人機(jī)拍攝景觀影像

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)2003—2019年綠地面積由1 314.57 hm2，減少到1 083.91 hm2，減少了230.66 hm2；工業(yè)場(chǎng)地面積由282.72 hm2，增加到了387.08 hm2，增加了104.36 hm2；裸地由462.46 hm2，增加到了661.66 hm2，增加了199.20 hm2。綠地減少的主要原因是露天開(kāi)采工業(yè)場(chǎng)地的增加，地表植被被破壞裸地面積大幅度增加。

(2) 研究區(qū)2003—2015年，綠地面積由1 314.57 hm2減少到1 144.96 hm2，減少了169.61 hm2；裸地由462.46 hm2，增加到了647.19 hm2，增加了184.73 hm2；工業(yè)場(chǎng)地面積由282.72 hm2增加到了343.18 hm2，增加了60.46 hm2，綠地減少，工業(yè)場(chǎng)地增加，裸地面積增加主要集中在本期。

(3) 研究區(qū)2015—2019年，期間綠地共減少了61.05 hm2，工業(yè)場(chǎng)地增加43.90 hm2，裸地增加14.47 hm2其他地類(lèi)面積變化不大。但由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知，綠地、裸地、工業(yè)場(chǎng)地間的相互轉(zhuǎn)變面積較大，結(jié)合2020年實(shí)際調(diào)研可知，2015年以后唐山市加強(qiáng)了礦山生態(tài)修復(fù)，并取得了顯著成效，“邊開(kāi)采，邊治理”模式的作用初步得到了體現(xiàn)。