基于轉移矩陣的唐家會煤礦土地利用變化特征分析

常德喜，程愛民，白鐵兵，焦永進

(鄂爾多斯市華興能源有限責任公司唐家會煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 引言

土地利用變化是自然環(huán)境因子和其他人類生產活動環(huán)境因子之間綜合相互作用的必然結果，是影響全球土地氣候變化的重要形成動因，已發(fā)展成為當前的科學研究發(fā)展熱點[1,2]。目前，土地利用動態(tài)變化主要研究在于土地綜合利用與全球生態(tài)環(huán)境驅動效應關系分析[3,4]，驅動效應機制理論研究以及對當前全球氣候變化及其效應進行分析等[5]。土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測分析方法主要存在以下幾種，包括采用傳統(tǒng)的數理統(tǒng)計法、構造地理參數法、土地資源利用遙感轉移法的矩陣演算法以及大型景觀建筑格局動態(tài)特征圖的分析法[6]。本研究利用土地利用轉移矩陣對唐家會煤礦進行土地利用動態(tài)監(jiān)測分析，其方法不僅可以定量地準確表明不同類型土地利用類型之間轉化變動情況[7～9]，同時還可以定量揭示不同類型土地綜合利用轉移類型間的土地轉移變化速率，在我國土地綜合利用類型變化速率分析中非常具有重要指導作用，并可以得到較為廣泛的實際應用[10]。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

唐家會煤礦位于庫布齊沙漠東邊緣，準格爾旗東北方向，該煤田南北長65 km，東西寬26 km，面積1700 km2，標準海拔高度分別為1356.87 m(最高)和195.57 m(最低)，平均海拔高度1250 m左右。礦區(qū)地屬大陸性干旱氣候，四季分明，地表受地表季節(jié)性徑流侵蝕影響較大。

2.2 數據獲取

研究使用土地利用數據來源于2013、2015年Landsat 8 OLI的30 m×30 mRS數據，數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺，利用NDVI進行遙感解譯提取6中種土地利用類型，分別為水域、住宅用地、林地、草地、道路、裸地。運用 Excel 2019軟件對數據進行處理和統(tǒng)計分析。

2.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣，就是根據同一地區(qū)不同時相的土地覆蓋現狀的變化關系，求得一個二維矩陣，對系統(tǒng)狀態(tài)和狀態(tài)進行定量描述[11,12]，具體計算公式如下：

(1)

式(1)中：Pij為土地利用類型i轉換為土地利用類型j的轉換概率;Sij為土地利用類型i轉變?yōu)橥恋乩妙愋蚸的面積(km2)。

(2)

式(2)中：D為研究時段某一土地利用類型動態(tài)度；Aa為研究時期初某一土地利用類型的數量；Ab為研究期末某一土地利用類型的數量；T為設置研究時段長，當T的時段設定為年時，D值是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化的主導過程

由表1、2可知，2013～2015年內蒙古唐家會礦區(qū)土地利用面積總體變化不顯著。從唐家會礦區(qū)土地利用的年變化率可以看出，該區(qū)水域、道路和裸地的年變化率為正，分別為5.54%、4.75%、14.40%，表明這3種土地利用類型的面積都在增加。

表1 唐家會煤礦土地利用轉移矩陣

住宅用地、林地和草地的年變化率均為負值，分別為-6.70%、-3.32%、-0.14%，說明這三類土地利用類型的面積呈下降趨勢。2013～2015年末，礦區(qū)水域、道路及周邊裸地覆蓋面積明顯增加，林地及周邊草地覆蓋面積未明顯減少，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，水土流失嚴重。

表2 唐家會煤礦土地利用轉換概率矩陣

3.2 土地利用變化率分析

表3和圖1表示唐家會煤礦2013～2015年各類土地利用類型變化狀況，由圖1整體可以看出從2013～2015年水域、住宅用地以及林地的面積發(fā)生下降而道路和空白裸地的面積發(fā)生下降，結合表3，礦區(qū)土地總面積并未發(fā)生變化，因此可以推斷礦區(qū)2013～2015年份的土地利用面積在發(fā)生良性轉換，且由住宅以及林草地向道路和空白裸地變化的趨勢(水域面積過小，未在圖中展示)。

結合表3和圖1可以看出，2013～2015年林地面積呈減少趨勢，面積由16.2846 km2降低至14.6619 km2，減少了1.6227 km2，其變化率為-3.32%；草地面積也是呈現出減少的趨勢，面積由25.8966 km2降低到了24.8058 km2，比林地面積的變化率要小，其變化率為-0.14%，這是由于草地面積本底值較大，2013年礦區(qū)土地利用狀況占比為25.9%，雖下降幅度較小，但草地減少面積依然達到1.09 km2。因此可以看出無論是在煤礦開采過程中形成的大量松散廢土、煤矸石等固體廢物的堆積產生的土壤污染或者是在發(fā)生暴雨徑流時的泥沙沖刷，污染擴散，強烈的人為活動已經對礦區(qū)環(huán)境產生了一定壓力，礦區(qū)的綠植面積已經減少了2.7127 km2，如果不對礦區(qū)環(huán)境問題予以重視其結果必定是土地退化、生物生產量降低、可利用土地資源喪失及生態(tài)環(huán)境惡化，將會嚴重干擾人類的正常生活與經濟活動。

表3 唐家會煤礦土地利用年變化率

雖然林地和草地之間的轉換率較高，分別為96.68%和99.86%，但是由于他們之間的相互轉換，使得該區(qū)域植被的覆蓋度發(fā)生變化，由表3可以看出植被覆蓋度的變化主要表現在裸地面積增加的幅度較大，其土地利用的年變化率為14.40%。住宅用地在2013～2015年的年變化率最大為-6.7%，大部分轉換成了裸地和道路，由此可以看出礦區(qū)對于生態(tài)環(huán)境存在保護意識，沒有一味的擴張用地，但是道路增多的同時也使得礦區(qū)植被覆蓋度減少，增加了礦區(qū)生態(tài)保護的難度，因此如何將裸地合理資源化，逆轉換為綠植，是礦區(qū)下一步需要關注的要點。

圖1 唐家會煤礦土地利用變化狀況

此外礦區(qū)的水域面積發(fā)生了上升，雖然上升幅度較小，僅上升了5.54%，但由于唐家會煤礦屬于準格爾煤田，為黃河流域的多沙粗沙產區(qū)、風蝕水蝕交錯區(qū)；自然條件十分惡劣：干旱少雨、植被稀疏、受風沙危害影響巨大，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，其水域本底值較小，為防止生態(tài)環(huán)境由于風蝕、水蝕進一步惡化，因此保護水域，對于防止水土流失、土壤沙化，維護礦區(qū)環(huán)境，實現礦區(qū)合理資源化利用、可持續(xù)長期發(fā)展具有很大意義。

4 結論

(1)2013～2015年間，唐家會礦區(qū)土地利用面積總體變化不顯著，該區(qū)道路和裸地的年變化率為正，分別為4.75%、14.40%；住宅用地、林地和草地的年變化率均為負值，分別為-6.70%、-3.32%、-0.14%。礦區(qū)水域、道路及周邊裸地覆蓋面積明顯增加，林地及周邊草地覆蓋面積未明顯減少，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，水土流失嚴重。

(2)植被覆蓋度的變化主要表現在裸地面積增加的幅度較大，其土地利用的年變化率為14.40%。住宅用地變化率為-6.7%，大部分轉換成了裸地和道路。礦區(qū)對于生態(tài)環(huán)境存在保護意識，但是存在土壤侵蝕與水土流失，增加了礦區(qū)生態(tài)保護的難度。

(3)由于研究區(qū)地處多沙粗沙產區(qū)、風蝕水蝕交錯區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，因此對于水域的保護對于防止風蝕、水蝕，維護礦區(qū)環(huán)境具有很大意義。礦區(qū)2013～2015年水域面積增加0.0675 km2，土地利用年變化率為5.54%。