基于RS和GIS的邯鄲礦區土地利用變化研究

楊宏兵 董霽紅 陳建清 王佳潔 鞠軍

摘要：本文以邯鄲礦區為研究對象，利用遙感（RS）和地理信息系統（GIS）對礦區的土地利用變化特征做出了定量分析，通過對三個時相的LandsatTM(1990年、2000年、2010年)影像進行解譯，利用的GIS的疊加分析功能，分析邯鄲礦區近20年來的土地利用變化情況，為改善農業生產條件和人類生存環境，促進區域經濟和生態環境協調發展，推進邯鄲礦區的生態修復提供借鑒。

關鍵字：RS GIS 礦區 土地利用變化

1. 引言

采礦業的發展必然伴隨著土地利用的不斷變化，傳統的土地利用調查方式已不能滿足信息獲取的要求，遙感技術具有覆蓋面積大、現實性強、周期短以及數據精確、費用低、省時省力等特點，能直接監測土地利用動態變化，客觀的掌握土地利用變化信息[1]。本文以Landsat5影像進行土地利用變化的分類解譯，結合GIS技術進行土地利用動態監測，對邯鄲礦區近20年來的土地利用幅度、土地利用動態度以及土地利用程度變化情況進行了定量分析。邯鄲礦區礦產資源的開采過程，也是對礦區生態環境的破壞過程，其中土地破壞是最為明顯的生態破壞，使本來就脆弱的生態環境系統承受著嚴峻的壓力[2]。采礦造成了對土地資源的破壞，引發土地利用方式和土地利用結構的變化。利用RS、GIS技術研究礦區這一特殊地理區域土地利用演化規律，對礦區的生態恢復和土地資源優化利用具有重要的指導意義。

2. 研究區概況

邯鄲礦區位于河北省南部，京廣鐵路西側，太行山東麓。礦區地跨邯鄲市所轄的峰峰礦區、邯鄲縣、武安市以及邢臺市所轄的沙河市。礦區東至鼓山和京廣鐵路；西至九山；南至滏陽河、北至邑城河。東西寬約31.5km，南北長約33.4km，礦區規劃面積957.09km2，現有生產礦井井田面積131.35km2。礦區地形總趨勢為西高東低，海拔標高+100～+850m。西依太行山，東接華北平原，西部為陡峭的斷塊山地，向東逐漸過渡為丘陵、平原。礦區西部從南向北有中山、低中山和中低山組成，東部有鼓山、紫山、洪山等中低山，大部分為丘陵地帶。本區地處中緯度地帶，屬半干旱暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期，晝夜溫差大。多年平均氣溫為13.4℃；多年月平均氣溫最高為26.9℃(7月份)，最低氣溫為-2.0℃(1月份)；極端最高氣溫為42.5℃，極端最低氣溫為-21.0℃，多年平均日照時數為2594h，多年平均無霜期202d，積雪最大厚度14.00 cm～16.00cm，最大凍土深度0.44m。年內風向多為南風和西北風，最大風速20m/s。年平均降水量為562.7mm。歷年最大降水量為1575.3mm(1963年)，歷年最小降水量為220.0mm(1986年)，降水年內分布也很不均勻，主要降水集中在夏季，汛期一般在6～9月份，降水量占全年總量的76%，春秋兩季常出現少雨天氣，往往造成嚴重干旱。

3. 研究方法

3.1數據來源

本次研究選擇1990、2000和2010年的30米分辨率的TM遙感影像作為基礎數據源，用于影像解譯和景觀格局信息的提取；輔以2010年的Spot5數據、2006年的1:5000的土地利用現狀圖數據、2000年1:50000地形圖來增加人機交互解譯的準確性并進行精度評價。選用遙感數據的參數如下：Landsat TM軌道號為124-35，3個時相的遙感圖像接受日期分別為1990年6月21日；2000年6月24日；2010年6月28日，分辨率為25米。Spot5數據軌道號為278-276，接收與2010年4月13日，全色影像分辨率為2.5米，多光譜影像分辨率為10m。

3.2 遙感影像處理

首先利用ENVI對遙感影像進行預處理，包括幾何校正、影像融合、影像配準、影像裁剪和影像增強處理幾部分。幾何校正和影像配準采用二次多項式糾正模型和三次卷積內插法進行糾正。同名點的數量不低于20個，總誤差控制在0.5個像元之內。首先以2010年的spot5為基準，將2010年的TM與之進行精確配準。然后將相鄰兩期的遙感影像進行精確配準，即以2010年的TM為基準，將1990年和2000年兩期的TM與之進行精確配準。經處理的1990、2000、2010年的遙感影像圖見圖1、圖2和圖3。

然后，采用監督分類法中的最大似然法對遙感影像進行分類，在每一次的最大似然監督分類中各地類的先驗概率取相等。本研究還采用一些輔助數據來提高訓練樣本選擇的精確性，包括高分辨率的Spot影像，土地利用現狀圖、地形圖等資料。雖然利用最大似然分類法獲得的分類圖像分類結果較好，但是由于混合像元、同物異譜以及其他不確定因素影響，往往還需要對分類結果進行進一步的后處理。本次研究將影像結果矢量化，以Arcinfo9.3為平臺，以TM影像為工作底圖，利用影像數據與矢量數據相結合顯示的功能，根據遙感影像的分類結果，通過目視解譯的方法對遙感影像進行矢量化，得到各年份的土地利用類型圖，見圖4、圖5和圖6。

3.3土地利用類型劃分

在土地利用分類中，要考慮到影像的實際可解譯能力和礦區的土地利用特點，根據實際情況進行分類。在劃分過程中要適當與土地利用分類系統靠近，以便于利用遙感技術對土地利用圖進行動態更新[3]。

基于研究條件與研究目標要求，本次研究根據TM及Spot影像的實際可解譯能力和邯鄲礦區土地利用特點，參考第二次全國土地調查的分類標準，將邯鄲礦區土地利用類別分為：耕地、林地、草地、工礦倉儲用地、住宅用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地共7類。需要說明的是，林地包括有林地和灌木林地，工礦倉儲用地包含工業用地、采礦用地和倉儲用地。住宅用地包括農村宅基地和城鎮住宅用地，水域及水利設施用地包括河流、湖泊、水庫、坑塘水面，塌陷積水也包括在內。

4. 研究結果與分析

4.1邯鄲礦區各土地利用類型面積的變化幅度

通過分析土地利用面積變化了解邯鄲礦區土地利用結構的變化和生態演替的態勢。通過對1990年、2000年、2010年三個時相的遙感影像處理結果分析、利用GIS統計工具可獲得礦區的各土地利用類型面積，見表1。1990~2010三期土地利用類型變化趨勢見圖7。

由表1可知，2010年邯鄲礦區的土地利用類型以耕地、草地、住宅用地為主，三者分別占總土地面積的47.66%、20.52%、19.55%。1990~2000年間，邯鄲礦區耕地、工礦倉儲用地、住宅用地、交通運輸用地、水域面積有所增加，林地、草地、水域用地面積有所下降。其中，耕地面積增加最大，面積增加了59.87km2，幅度為6.25個百分點；工礦倉儲用地面積增加了1.14km2，幅度為0.12個百分點；住宅用地面積增加了7.92km2，幅度為0.82個百分點，住宅用地的增加，主要是近年來人口增長的壓力和城市化進程加快所致；交通運輸用地面積增加了4.98km2，幅度為0.52個百分點；水域用地面積增加了0.18km2，幅度為0.02個百分點。研究表明，耕地的增加主要是本區農業大開發造成的，大量閑置土地被用來復墾為農業用地。林地、草地面積減少，主要是礦區進一步開采造成的。2000~2010年間，邯鄲礦區耕地、工礦倉儲用地、住宅用地、交通運輸用地繼續增加。其中，耕地增加了42.92km2，增加了4.49個百分點；工礦倉儲用地面積增加了2.13km2，幅度為0.22個百分點；住宅用地面積增加了23.33km2，幅度為2.44個百分點；交通運輸用地面積增加了8.09km2，幅度為0.85個百分點；水域用地面積增加了0.31km2，幅度為0.03個百分點。主要是近年來人口增長的壓力和城市化進程加快所致。林地、草地繼續保持減少的趨勢。由圖2可知，1990~2010年期間，邯鄲礦區耕地、住宅用地、工礦倉儲用地、交通運輸用地、水域用地面積呈不斷增加的趨勢，林地、草地積呈不斷減少的趨勢。

4.2 邯鄲礦區土地利用變化的速度

土地利用的動態度可以定量描述區域土地利用變化的速度，它給比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有積極的作用[4]。

單一土地利用類型動態度表達的是區域一定時間范圍內某一種土地利用類型數量變化情況，即表示土地利用類型在監測初期至監測末期之間數量的年均變化速率。

式中， K—為研究時段內某一土地利用類型動態度，K值是該評價區某種土地利用類型年變化率；LUa,LUb,—分別為研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數量；T—為研究時段長，當的時段設定為年時。

區域綜合土地利用動態度可描述區域土地利用變化的速度，值是區域綜合土地利用動態度，主要用以反映某一研究時段內，評價區的各種地類動態變化的總體情況，其計算公式為：

式中，LUi—為監測起始時間第i類土地利用類型面積；—為監測時段內第類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值；T—監測時段長度。當T的時段設定為年時。

根據公式計算出邯鄲礦區7種土地利用類型的年變化率，具體見表2。從表2可以看出，1990年～2010年，評價區的土地利用/覆蓋變化的土地利用動態度，反映出評價區近20年的土地利用動態變化程度。從1990-2000年，評價區內的林地、草地、水域用地的土地利用動態度為負，表明這種土地利用類型的在這十年中總體上減少的趨勢，其中草地的動態度最小，表明其減少比例最強；耕地、住宅用地、工礦倉儲用地、交通運輸用地的動態度為正，表明這些土地利用類型在在這十年中總體上呈增加趨勢；其中交通運輸用地土地利用動態度最高，表明城市道路的面積增加比例最高。從2000-2010年，林地的動態度由之前十年的負值轉為正值，表明林地由上一個十年的減少趨勢轉變為增加趨勢；相比上一個十年，這十年草地土地利用類型的面積的減少比例加大，工礦倉儲用地面積大大增加。

由表3可知，評價區的2000-2010年的土地利用/覆蓋變化度高于1990-2000年，土地利用/覆蓋類型變化較為劇烈。這與土地開發利用與較大的關系，2000年以前占主要類型的耕地面積增加幅度較小，前一時段的土地利用/覆蓋變化度小。

4.3邯鄲礦區土地利用程度變化

土地利用程度研究方法是通過數量指標體系來表達。將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下自然平衡保持狀態分為4級，并分級賦予指數（表4.2-1），通過每級土地利用類型在研究區中所占的百分比乘以其分級指數，然后進行加權求和，得到土地利用程度。土地利用程度的定量表達如下：

利用賦予的分級指數，可以得到土地利用程度的定量化表達式:

式中，LD—是土地利用程度綜合指數；

Ai—為第i類土地利用程度分級指數；

Ci—為第i類土地面積占整個區域的面積比例。

1990、2000、2010年土地利用程度結果見表5。邯鄲礦區的土地利用程度均呈增加的趨勢，表明人類活動對各區的干擾強度越來越大。邯鄲礦區的土地利用程度從1990-2000年變化不大，2000年以后呈突然增加的趨勢。表明比起1990-2000的十年，在2000-2010的十年，邯鄲礦區受人類活動的影響較為強烈，主要原因是隨著社會經濟的持續發展，對土地的需求加大造成的。

5結論與探討

邯鄲礦區在1990～2010年期間，土地利用發生了很大的變化。1990~2000年間，從邯鄲礦區土地利用變化的幅度來看，耕地、住宅用地、工礦倉儲用地、交通運輸用地、水域用地屬于擴展型，總面積逐年增長；其中，耕地有較大幅度的增加，共增加了59.87 km2；住宅用地面積也有大幅增加，10年內增加了7.92km2；而林地、草地屬于縮減型，即總面積逐漸減少，其中，草地面積大幅度減少，共減少了67.59km2。林地面積10年期間共減少了6.50km2；另一方面，從土地利用變化的速度來看，1990~2000年間，邯鄲礦區土地利用的年變化率為1.57%，其中交通運輸用地年變化率最大，達到了2.65%；耕地、住宅用地、工礦倉儲用地、水域用地分別以平均每年1.69%、0.64%、0.09%、0.16%的速度在增加。而林地和草地面積分別以年變化率0.90%、2.07%的速度減少。2000~2010年間，耕地、住宅用地、工礦倉儲用地、交通運輸用地、水域用地總面積逐年增長；其中，耕地有較大幅度的增加，共增加了42.92km2；住宅用地也有大幅增加，增加了23.33km2；工礦倉儲用地、交通運輸用地和水域用地分別增加了2.13、8.09、0.31km2。而林地、草地總面積仍繼續減少，其中林地10年期間共減少了14.68km2，草地總面積減少了62.10km2、水域用地面積減少為3.39km2。另一方面，從土地利用變化的速度來看，近10年邯鄲礦區土地利用的年變化率為1.68%，其中交通運輸用地年變化率最大，達到了3.40%；耕地、住宅用地、工礦倉儲用地、水域用地面積分別以平均每年1.04%、1.63%、1.72%、0.16%的速度在增加。而林地、草地面積不斷減少，其中：草地減少速度最快，以年變化率2.40%的速度減少，林地以年變化率2.23%的速度減少。

邯鄲礦區的土地利用程度均呈增加的趨勢，表明人類活動對各區的干擾強度越來越大。評價區的土地利用程度從1990-2000年變化不大，2000年以后呈突然增加的趨勢。表明比起1990-2000的十年，在2000-2010的十年，評價區受人類活動的影響較為強烈。

上述研究可以得出以下結論，對該區的生態修復具有借鑒意義：

（1）發展生態工業園，打造工業強區

從1990~2000年，邯鄲礦區建設用地有較大的增長。其中：工礦倉儲用地增加了0.12%、交通運輸用地增加了0.52%、住宅用地增加了1.03% 。工礦倉儲用地增加的原因主要是采礦業的進一步發展。從2000~2010年，隨著城市化水平的不斷提高，經濟的快速發展，建設用地面積迅速增加。工礦倉儲用地、交通運輸用地、住宅用地分別增加了0.22%、0.85%和2.82%。邯鄲礦區依托其在能源、礦產、土地、勞動力資源等方面的優勢和良好的產業基礎，以及便捷的交通網絡，發揮比較優勢和后發優勢，逐漸形成以機械、建材、巖金、食品產業為支柱，科技含量高和具有一定規模的工業經濟布局。因此，要對工業生態區進行修復，實現原材料的充分利用和工業廢棄物的再利用，減少工業污染對環境的影響，形成生態工業園。

（2）對塌陷積水區域進行生態修復

通過對各年度土地利用類型分析，水域是一個重要的組成部分。水域面積從1990年的2.02%上升到2010年的2.07%，面積增加了0.49km2，隨著礦區開采的進一步擴展，該區域水體面積將繼續增加。而污染的水體對礦區的生態環境影響較大，因此對水體進行生態修復勢在必行。進行生態修復時，要因地制宜，采用適當的生態修復措施對塌陷積水區進行修復。對于常年積水區、積水深、積水面積大的，可修復為濕地公園。積水面積小，采用水域生態修復技術，發展基塘生態農業或水產養殖業。季節性積水容易造成土壤潛育化和鹽漬化，可采取適當的土壤改良措施，并選擇合適的經濟作物品種種植。

參考文獻：

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