基于RS和GIS的邯郸矿区土地利用变化研究

摘要：本文以邯郸矿区为研究对象，利用遥感（RS）和地理信息系统（GIS）对矿区的土地利用变化特征做出了定量分析，通过对三个时相的LandsatTM(1990年、2000年、2010年)影像进行解译，利用的GIS的叠加分析功能，分析邯郸矿区近20年来的土地利用变化情况，为改善农业生产条件和人类生存环境，促进区域经济和生态环境协调发展，推进邯郸矿区的生态修复提供借鉴。

关键字：RS GIS 矿区 土地利用变化

1. 引言

采矿业的发展必然伴随着土地利用的不断变化，传统的土地利用调查方式已不能满足信息获取的要求，遥感技术具有覆盖面积大、现实性强、周期短以及数据精确、费用低、省时省力等特点，能直接监测土地利用动态变化，客观的掌握土地利用变化信息[1]。本文以Landsat5影像进行土地利用变化的分类解译，结合GIS技术进行土地利用动态监测，对邯郸矿区近20年来的土地利用幅度、土地利用动态度以及土地利用程度变化情况进行了定量分析。邯郸矿区矿产资源的开采过程，也是对矿区生态环境的破坏过程，其中土地破坏是最为明显的生态破坏，使本来就脆弱的生态环境系统承受着严峻的压力[2]。采矿造成了对土地资源的破坏，引发土地利用方式和土地利用结构的变化。利用RS、GIS技术研究矿区这一特殊地理区域土地利用演化规律，对矿区的生态恢复和土地资源优化利用具有重要的指导意义。

2. 研究区概况

邯郸矿区位于河北省南部，京广铁路西侧，太行山东麓。矿区地跨邯郸市所辖的峰峰矿区、邯郸县、武安市以及邢台市所辖的沙河市。矿区东至鼓山和京广铁路；西至九山；南至滏阳河、北至邑城河。东西宽约31.5km，南北长约33.4km，矿区规划面积957.09km2，现有生产矿井井田面积131.35km2。矿区地形总趋势为西高东低，海拔标高+100～+850m。西依太行山，东接华北平原，西部为陡峭的断块山地，向东逐渐过渡为丘陵、平原。矿区西部从南向北有中山、低中山和中低山组成，东部有鼓山、紫山、洪山等中低山，大部分为丘陵地带。本区地处中纬度地带，属半干旱暖温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，昼夜温差大。多年平均气温为13.4℃；多年月平均气温最高为26.9℃(7月份)，最低气温为-2.0℃(1月份)；极端最高气温为42.5℃，极端最低气温为-21.0℃，多年平均日照时数为2594h，多年平均无霜期202d，积雪最大厚度14.00 cm～16.00cm，最大冻土深度0.44m。年内风向多为南风和西北风，最大风速20m/s。年平均降水量为562.7mm。历年最大降水量为1575.3mm(1963年)，历年最小降水量为220.0mm(1986年)，降水年内分布也很不均匀，主要降水集中在夏季，汛期一般在6～9月份，降水量占全年总量的76%，春秋两季常出现少雨天气，往往造成严重干旱。

3. 研究方法

3.1数据来源

本次研究选择1990、2000和2010年的30米分辨率的TM遥感影像作为基础数据源，用于影像解译和景观格局信息的提取；辅以2010年的Spot5数据、2006年的1:5000的土地利用现状图数据、2000年1:50000地形图来增加人机交互解译的准确性并进行精度评价。选用遥感数据的参数如下：Landsat TM轨道号为124-35，3个时相的遥感图像接受日期分别为1990年6月21日；2000年6月24日；2010年6月28日，分辨率为25米。Spot5数据轨道号为278-276，接收与2010年4月13日，全色影像分辨率为2.5米，多光谱影像分辨率为10m。

3.2 遥感影像处理

首先利用ENVI对遥感影像进行预处理，包括几何校正、影像融合、影像配准、影像裁剪和影像增强处理几部分。几何校正和影像配准采用二次多项式纠正模型和三次卷积内插法进行纠正。同名点的数量不低于20个，总误差控制在0.5个像元之内。首先以2010年的spot5为基准，将2010年的TM与之进行精确配准。然后将相邻两期的遥感影像进行精确配准，即以2010年的TM为基准，将1990年和2000年两期的TM与之进行精确配准。经处理的1990、2000、2010年的遥感影像图见图1、图2和图3。

然后，采用监督分类法中的最大似然法对遥感影像进行分类，在每一次的最大似然监督分类中各地类的先验概率取相等。本研究还采用一些辅助数据来提高训练样本选择的精确性，包括高分辨率的Spot影像，土地利用现状图、地形图等资料。虽然利用最大似然分类法获得的分类图像分类结果较好，但是由于混合像元、同物异谱以及其他不确定因素影响，往往还需要对分类结果进行进一步的后处理。本次研究将影像结果矢量化，以Arcinfo9.3为平台，以TM影像为工作底图，利用影像数据与矢量数据相结合显示的功能，根据遥感影像的分类结果，通过目视解译的方法对遥感影像进行矢量化，得到各年份的土地利用类型图，见图4、图5和图6。

3.3土地利用类型划分

在土地利用分类中，要考虑到影像的实际可解译能力和矿区的土地利用特点，根据实际情况进行分类。在划分过程中要适当与土地利用分类系统靠近，以便于利用遥感技术对土地利用图进行动态更新[3]。

基于研究条件与研究目标要求，本次研究根据TM及Spot影像的实际可解译能力和邯郸矿区土地利用特点，参考第二次全国土地调查的分类标准，将邯郸矿区土地利用类别分为：耕地、林地、草地、工矿仓储用地、住宅用地、交通运输用地、水域及水利设施用地共7类。需要说明的是，林地包括有林地和灌木林地，工矿仓储用地包含工业用地、采矿用地和仓储用地。住宅用地包括农村宅基地和城镇住宅用地，水域及水利设施用地包括河流、湖泊、水库、坑塘水面，塌陷积水也包括在内。

4. 研究结果与分析

4.1邯郸矿区各土地利用类型面积的变化幅度

通过分析土地利用面积变化了解邯郸矿区土地利用结构的变化和生态演替的态势。通过对1990年、2000年、2010年三个时相的遥感影像处理结果分析、利用GIS统计工具可获得矿区的各土地利用类型面积，见表1。1990~2010三期土地利用类型变化趋势见图7。

由表1可知，2010年邯郸矿区的土地利用类型以耕地、草地、住宅用地为主，三者分别占总土地面积的47.66%、20.52%、19.55%。1990~2000年间，邯郸矿区耕地、工矿仓储用地、住宅用地、交通运输用地、水域面积有所增加，林地、草地、水域用地面积有所下降。其中，耕地面积增加最大，面积增加了59.87km2，幅度为6.25个百分点；工矿仓储用地面积增加了1.14km2，幅度为0.12个百分点；住宅用地面积增加了7.92km2，幅度为0.82个百分点，住宅用地的增加，主要是近年来人口增长的压力和城市化进程加快所致；交通运输用地面积增加了4.98km2，幅度为0.52个百分点；水域用地面积增加了0.18km2，幅度为0.02个百分点。研究表明，耕地的增加主要是本区农业大开发造成的，大量闲置土地被用来复垦为农业用地。林地、草地面积减少，主要是矿区进一步开采造成的。2000~2010年间，邯郸矿区耕地、工矿仓储用地、住宅用地、交通运输用地继续增加。其中，耕地增加了42.92km2，增加了4.49个百分点；工矿仓储用地面积增加了2.13km2，幅度为0.22个百分点；住宅用地面积增加了23.33km2，幅度为2.44个百分点；交通运输用地面积增加了8.09km2，幅度为0.85个百分点；水域用地面积增加了0.31km2，幅度为0.03个百分点。主要是近年来人口增长的压力和城市化进程加快所致。林地、草地继续保持减少的趋势。由图2可知，1990~2010年期间，邯郸矿区耕地、住宅用地、工矿仓储用地、交通运输用地、水域用地面积呈不断增加的趋势，林地、草地积呈不断减少的趋势。

4.2 邯郸矿区土地利用变化的速度

土地利用的动态度可以定量描述区域土地利用变化的速度，它给比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势具有积极的作用[4]。

单一土地利用类型动态度表达的是区域一定时间范围内某一种土地利用类型数量变化情况，即表示土地利用类型在监测初期至监测末期之间数量的年均变化速率。

式中， K―为研究时段内某一土地利用类型动态度，K值是该评价区某种土地利用类型年变化率；LUa,LUb,―分别为研究初期及研究末期某一种土地利用类型的数量；T―为研究时段长，当的时段设定为年时。

区域综合土地利用动态度可描述区域土地利用变化的速度，值是区域综合土地利用动态度，主要用以反映某一研究时段内，评价区的各种地类动态变化的总体情况，其计算公式为：

式中，LUi―为监测起始时间第i类土地利用类型面积； ―为监测时段内第类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值；T―监测时段长度。当T的时段设定为年时。

根据公式计算出邯郸矿区7种土地利用类型的年变化率，具体见表2。从表2可以看出，1990年～2010年，评价区的土地利用/覆盖变化的土地利用动态度，反映出评价区近20年的土地利用动态变化程度。从1990-2000年，评价区内的林地、草地、水域用地的土地利用动态度为负，表明这种土地利用类型的在这十年中总体上减少的趋势，其中草地的动态度最小，表明其减少比例最强；耕地、住宅用地、工矿仓储用地、交通运输用地的动态度为正，表明这些土地利用类型在在这十年中总体上呈增加趋势；其中交通运输用地土地利用动态度最高，表明城市道路的面积增加比例最高。从2000-2010年，林地的动态度由之前十年的负值转为正值，表明林地由上一个十年的减少趋势转变为增加趋势；相比上一个十年，这十年草地土地利用类型的面积的减少比例加大，工矿仓储用地面积大大增加。

由表3可知，评价区的2000-2010年的土地利用/覆盖变化度高于1990-2000年，土地利用/覆盖类型变化较为剧烈。这与土地开发利用与较大的关系，2000年以前占主要类型的耕地面积增加幅度较小，前一时段的土地利用/覆盖变化度小。

4.3邯郸矿区土地利用程度变化

土地利用程度研究方法是通过数量指标体系来表达。将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下自然平衡保持状态分为4级，并分级赋予指数（表4.2-1），通过每级土地利用类型在研究区中所占的百分比乘以其分级指数，然后进行加权求和，得到土地利用程度。土地利用程度的定量表达如下：

利用赋予的分级指数，可以得到土地利用程度的定量化表达式:

式中，LD―是土地利用程度综合指数；

Ai―为第i类土地利用程度分级指数；

Ci―为第i类土地面积占整个区域的面积比例。

1990、2000、2010年土地利用程度结果见表5。邯郸矿区的土地利用程度均呈增加的趋势，表明人类活动对各区的干扰强度越来越大。邯郸矿区的土地利用程度从1990-2000年变化不大，2000年以后呈突然增加的趋势。表明比起1990-2000的十年，在2000-2010的十年，邯郸矿区受人类活动的影响较为强烈，主要原因是随着社会经济的持续发展，对土地的需求加大造成的。

5结论与探讨

邯郸矿区在1990～2010年期间，土地利用发生了很大的变化。1990~2000年间，从邯郸矿区土地利用变化的幅度来看，耕地、住宅用地、工矿仓储用地、交通运输用地、水域用地属于扩展型，总面积逐年增长；其中，耕地有较大幅度的增加，共增加了59.87 km2；住宅用地面积也有大幅增加，10年内增加了7.92km2；而林地、草地属于缩减型，即总面积逐渐减少，其中，草地面积大幅度减少，共减少了67.59km2。林地面积10年期间共减少了6.50km2；另一方面，从土地利用变化的速度来看，1990~2000年间，邯郸矿区土地利用的年变化率为1.57%，其中交通运输用地年变化率最大，达到了2.65%；耕地、住宅用地、工矿仓储用地、水域用地分别以平均每年1.69%、0.64%、0.09%、0.16%的速度在增加。而林地和草地面积分别以年变化率0.90%、2.07%的速度减少。2000~2010年间，耕地、住宅用地、工矿仓储用地、交通运输用地、水域用地总面积逐年增长；其中，耕地有较大幅度的增加，共增加了42.92km2；住宅用地也有大幅增加，增加了23.33km2；工矿仓储用地、交通运输用地和水域用地分别增加了2.13、8.09、0.31km2。而林地、草地总面积仍继续减少，其中林地10年期间共减少了14.68km2，草地总面积减少了62.10km2、水域用地面积减少为3.39km2。另一方面，从土地利用变化的速度来看，近10年邯郸矿区土地利用的年变化率为1.68%，其中交通运输用地年变化率最大，达到了3.40%；耕地、住宅用地、工矿仓储用地、水域用地面积分别以平均每年1.04%、1.63%、1.72%、0.16%的速度在增加。而林地、草地面积不断减少，其中：草地减少速度最快，以年变化率2.40%的速度减少，林地以年变化率2.23%的速度减少。

邯郸矿区的土地利用程度均呈增加的趋势，表明人类活动对各区的干扰强度越来越大。评价区的土地利用程度从1990-2000年变化不大，2000年以后呈突然增加的趋势。表明比起1990-2000的十年，在2000-2010的十年，评价区受人类活动的影响较为强烈。

上述研究可以得出以下结论，对该区的生态修复具有借鉴意义：

（1）发展生态工业园，打造工业强区

从1990~2000年，邯郸矿区建设用地有较大的增长。其中：工矿仓储用地增加了0.12%、交通运输用地增加了0.52%、住宅用地增加了1.03% 。工矿仓储用地增加的原因主要是采矿业的进一步发展。从2000~2010年，随着城市化水平的不断提高，经济的快速发展，建设用地面积迅速增加。工矿仓储用地、交通运输用地、住宅用地分别增加了0.22%、0.85%和2.82%。邯郸矿区依托其在能源、矿产、土地、劳动力资源等方面的优势和良好的产业基础，以及便捷的交通网络，发挥比较优势和后发优势，逐渐形成以机械、建材、岩金、食品产业为支柱，科技含量高和具有一定规模的工业经济布局。因此，要对工业生态区进行修复，实现原材料的充分利用和工业废弃物的再利用，减少工业污染对环境的影响，形成生态工业园。

（2）对塌陷积水区域进行生态修复

通过对各年度土地利用类型分析，水域是一个重要的组成部分。水域面积从1990年的2.02%上升到2010年的2.07%，面积增加了0.49km2，随着矿区开采的进一步扩展，该区域水体面积将继续增加。而污染的水体对矿区的生态环境影响较大，因此对水体进行生态修复势在必行。进行生态修复时，要因地制宜，采用适当的生态修复措施对塌陷积水区进行修复。对于常年积水区、积水深、积水面积大的，可修复为湿地公园。积水面积小，采用水域生态修复技术，发展基塘生态农业或水产养殖业。季节性积水容易造成土壤潜育化和盐渍化，可采取适当的土壤改良措施，并选择合适的经济作物品种种植。

参考文献：

［1］ 刘纪元.中国资源环境遥感宏观调查与动态研究［M］.北京：中国科学技术出版社，1996．

［2］ 武强.矿山环境研究理论研究与实践［M］.北京：地质出版社，2005.

［3］ 陈菁.基于遥感和GIS的莆田市土地利用变化分析［J］.西南师范大学学报：自然科学版，2008，30(1)：184－187．

［4］ 张帆.玉溪市中心城区土地利用布局及其优化研究［J］.云南环境科学：2000，19(8)：67－79．