劉 碩， 李小光， 宋建偉, 單 強， 魯明星

(1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院, 河北 石家莊 050000; 2.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護重點實驗室, 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)境污染問題。近年來國家對生態(tài)環(huán)境越來越重視，礦山生態(tài)修復(fù)由過去的“先破壞后治理的采后治理[5]”模式逐步走向了“邊開采—邊治理”的模式。傳統(tǒng)人工監(jiān)測礦山生態(tài)修復(fù)效果的方式，需要投入大量的人力、物力和財力，且監(jiān)測效果較差。利用遙感技術(shù)對露天礦山環(huán)境狀況進行動態(tài)監(jiān)測具有信息量大、成本低、精確度高等優(yōu)勢[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)，進行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。畢如田等[7]基于Landsat TM衛(wèi)星影像對安太堡大型露天煤礦土地利用覆被變化類型進行了監(jiān)測與分析。高文龍等[8]基于4期Landsat影像，對海流兔流域礦區(qū)多種土地分類方法進行對比，重點分析了不同地物類型與環(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態(tài)變化監(jiān)測，已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域土地利用類型精細識別。如劉小陽[10]基于Google Earth影像對以貴州省松桃縣后寨村為研究區(qū)，進行了土地開發(fā)項目的規(guī)劃設(shè)計。劉佳[11]以面積大約為13.02 km2的中國農(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影像對農(nóng)作物面積進行地面樣方調(diào)查。本文以長山溝露天礦集中開采區(qū)為研究對象，基于2003—2019年Google Earth高分辨率影像，對境內(nèi)17 a間土地利用覆被變化進行動態(tài)監(jiān)測，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)簡介、數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

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

1.2 數(shù)據(jù)來源

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分辨率的無人機正射影像作為參考影像，分別為對2003，2010，2015和2019年4期Google Earth影像進行幾何校正，使4期影像數(shù)據(jù)的幾何上誤差控制在0.5個像元之內(nèi)。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 面向?qū)ο蠓诸?/h3>

采用面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄟM行土地利用覆被初步分類[12-13]，在此基礎(chǔ)上通過人工判讀進行目視解譯。面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄊ菍⒂跋穹指畹玫酵|(zhì)對像，再根據(jù)地物類型的光譜、形狀、空間關(guān)系等特征建立規(guī)則，將對象分配到相應(yīng)的類中。其核心步驟是多尺度分割，分割的好壞直接影響到分類結(jié)果的精度。分割尺度對分類結(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)致分割對象過于破碎，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]。采用試錯法選擇最優(yōu)分割尺度，分割尺度以20為步長，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對研究區(qū)進行多尺度分割[15]。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分割尺度50時地類圖斑過于零碎，當(dāng)分割尺度150時地類圖斑合并嚴重，當(dāng)分割尺度分100時不同地物類型均得到較好的分割(圖1)?；诜指顚ο筮M行樣本選取，得到對象的光譜、紋理特征等多特征信息，進而利用對象的特征信息進行分類。

圖1 不同分割尺度的影像分割試驗

2.2 土地利用遙感分類

參照《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T210102017)》[16]和《礦山生態(tài)環(huán)境保護與恢復(fù)治理技術(shù)規(guī)范(HJ651-2013)》[17]，根據(jù)實地調(diào)查和遙感衛(wèi)星影像，基于面向?qū)ο蠓诸惙椒▽⒀芯繀^(qū)境內(nèi)地物劃分為7大類：耕地、交通用地、居民地、綠地(林地、果園和草地)、工業(yè)場地、祼地(裸土和裸巖)。其中工業(yè)場地是指露天開采礦山生產(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)施的場地。在基于面向?qū)ο蠓诸惤Y(jié)果基礎(chǔ)上，對居民地、工業(yè)場地等地物類型進行人工判讀，得到研究區(qū)各期土地利用分類結(jié)果?；谖髂喜恳?018年0.3 m分辨率的無人機正射影像數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)選取110個樣本點(圖2)，其他研究區(qū)基于外業(yè)實際調(diào)查選取120個樣本點。通過對驗證樣本和分類結(jié)果對比，得到土地利用分類混淆矩陣(表1)，總體分類精度92.17%，kappa系數(shù)0.90，精度較高。

圖2 研究區(qū)西南部樣本點分布

表1 研究區(qū)土地遙感分類混淆矩陣

3 土地利用時空變化分析

3.1 長山溝露天礦集中區(qū)土地利用變化分析

長山溝露天礦集中區(qū)4期土地利用空間分布如附圖1(見封2)所示。通過4期土地遙感分類結(jié)果對比發(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。長山溝露天礦集中區(qū)土地利用類型面積變化情況詳見表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?。痪G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年土地利用類型面積及比例統(tǒng)計

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間內(nèi)各地類的流向及數(shù)量，轉(zhuǎn)移矩陣的公式可表示為[19-20]：

(1)

式中：Rij為地類i轉(zhuǎn)換為地類j的面積;n為地類數(shù)量。基于長山溝露天礦集中區(qū)4期土地利用分類結(jié)果獲取2003—2010，2010—2015，2010—2015年和2003—2019年長山溝片區(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年地類轉(zhuǎn)移面積從高到低為：裸地>綠地>耕地>工業(yè)場地>交通用地>居民地>水體。期間祼地共增加了140.68 hm2，主要來源于綠地、工業(yè)場地、耕地；綠地面積共減少了117.44 hm2，主要轉(zhuǎn)為祼地、工業(yè)場地、耕地；耕地減少了56.20 hm2，主要轉(zhuǎn)為工業(yè)場地、祼地、綠地。工業(yè)場地增加了19.75 hm2，主要來源于綠地、祼地、耕地。表明期間露天礦采場的無序擴大，占用了大量的綠地、耕地。由表4可得，研究區(qū)2010—2015年地類轉(zhuǎn)移面積從高到低為：綠地>裸地>工業(yè)場地>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)場地；工業(yè)場地增加了44.74 hm2，主要來源于綠地、祼地。表明期間露天石礦開采繼續(xù)擴大，占用了大量的綠地，同時部分裸地由于生態(tài)修復(fù)恢復(fù)為綠地。由表5可得，研究區(qū)2015—2019年主要地類轉(zhuǎn)移面積從高到低為：綠地>工業(yè)場地>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)場地、耕地；工業(yè)場地面積增加43.91 hm2，主要來源為：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)場地、裸地之間的相互轉(zhuǎn)換較大。表明近幾年加強了礦山生態(tài)修復(fù)，露天礦開采的同時，也進行了生態(tài)修復(fù)，整個研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)向好的方向發(fā)展，“邊開采，邊治理”模式得到了體現(xiàn)。由表6可得，研究區(qū)2003—2019年地類轉(zhuǎn)移面積從高到低為：綠地>裸地>耕地>工業(yè)場地>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)場地、耕地；裸地面積增加199.21 hm2，主要來源于綠地、工業(yè)場地、耕地。耕地共減少105.77 hm2，主要轉(zhuǎn)向了綠地、工業(yè)場地、裸地。表明期間露天礦開采對環(huán)境的破壞帶來的嚴重后果：綠地大量減少，祼地、工業(yè)場地面積增加。

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)露天開采破壞程度、生態(tài)修復(fù)程度、集中開采程度及地形情況可以細分為3個集中開采區(qū)長山區(qū)、巍山區(qū)、高山區(qū)。長山區(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 長山區(qū)地類變化驅(qū)動力分析 長山區(qū)、巍山區(qū)露天開采破壞、修復(fù)情況相似，以長山區(qū)為例進行分析。由圖3可知，2003年生態(tài)環(huán)境良好，地表植被沒有被破壞，到2015年，由于露天采嚴重破壞了生態(tài)壞境，地表植被破壞嚴重。2003—2015年采礦用地(工業(yè)場地、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，開發(fā)歷史悠久，是典型的重工業(yè)城市。由于受經(jīng)濟利益的驅(qū)使，長山區(qū)露天開采持續(xù)加強，使用生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，礦山生態(tài)環(huán)境亟需修復(fù)。

圖3 長山區(qū)2003-2015年地表景觀影像對比

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

3.3.2 高山區(qū)地類變化驅(qū)動力分析 通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以高山區(qū)露天開采區(qū)在2015年以前礦山生態(tài)修復(fù)效果不明顯，露天開采嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境。近年來在習(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)工作有序進行。從2014年開始河北省政府通過關(guān)閉、治理、提升等一系列措施開展了礦山環(huán)境治理攻堅行動。近三年河北省開展了無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)過程中注重礦山生態(tài)修復(fù)工作，經(jīng)過幾年的努力，礦山生態(tài)修取得了一定的效果。圖4表明從露天開采破壞的地表植被得到了有序修復(fù)，開采平臺植了樹，坡面進行了綠化，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)治理正在進行削坡、清理浮石等工作，說明“邊開采—邊治理”的模式正在落實。

圖4 高山區(qū)2003-2015年地表景觀影像對比

圖5 高山區(qū)2020年無人機拍攝景觀影像

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采工業(yè)場地的增加，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)場地增加43.90 hm2，裸地增加14.47 hm2其他地類面積變化不大。但由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知，綠地、裸地、工業(yè)場地間的相互轉(zhuǎn)變面積較大，結(jié)合2020年實際調(diào)研可知，2015年以后唐山市加強了礦山生態(tài)修復(fù)，并取得了顯著成效，“邊開采，邊治理”模式的作用初步得到了體現(xiàn)。