王 慧，馮啟言，刁鑫鵬，孟 磊

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省老工業(yè)基地資源利用與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 徐州 221116; 2. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 3. 中國礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心,江蘇 徐州 221116)

土地利用是人類為了達(dá)到一定的社會經(jīng)濟(jì)目的，利用和改造土地資源的活動[1]。景觀格局是指景觀組成單元的類型、數(shù)目，以及空間分布與配置[2]，反映了土地生態(tài)過程的作用結(jié)果[3]。煤炭資源的高強(qiáng)度開采嚴(yán)重影響了礦區(qū)土地資源，易形成塌陷坑積水區(qū)[4]，引起土地利用的變化[5]，進(jìn)而引起景觀格局的變化[6]，導(dǎo)致景觀功能變化或衰退。近年來，如何定量分析景觀格局的變化特征得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[7-11]，而針對人類采礦活動下區(qū)域土地利用變化與景觀格局演變的研究較少[12-16]。本文利用多源遙感數(shù)據(jù)，針對煤炭資源蘊(yùn)藏豐富的淮南泥河流域，從土地利用幅度、速度和轉(zhuǎn)移方面分析流域土地利用動態(tài)變化，從景觀斑塊類型尺度和整體景觀格局尺度對流域景觀格局時空演變進(jìn)行分析,為今后合理配置其景觀格局和實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

泥河發(fā)源于安徽省鳳臺縣米集，地處116°37′E—117°5′E，32°41′N—32°56′N，屬淮河支流水系。基于ArcGIS 10.2地表水文分析工具模塊，提取出泥河流域邊界。泥河流域?qū)倩幢逼皆?，地形平坦。流域?nèi)已建成6個現(xiàn)代化礦井(如圖1所示)，按照投產(chǎn)時間分別為:潘一礦(1983年)、潘二礦(1989年)、潘三礦(1992年)、丁集礦(2007年)、潘北礦(2008年)和朱集礦(2010年)，其中潘一礦已于2018年9月停產(chǎn)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

利用7期多源遙感影像作為數(shù)據(jù)源，包括Landsat衛(wèi)星TM(1987、1994、2006、2009年)、ETM+(2000年)和OLI(2013、2017年)3種傳感器，多光譜波段空間分辨率為30 m，下載自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。在ENVI 5.1遙感處理平臺下，對圖像進(jìn)行幾何精校正、融合、裁剪、圖像增強(qiáng)等操作，完成圖像預(yù)處理。為了減少時間跨度大、坐標(biāo)系不統(tǒng)一帶來的誤差，將融合好的2000年的ETM+影像作為基準(zhǔn)影像，對TM影像、OLI影像進(jìn)行配準(zhǔn)，總殘差RMS誤差在0.3個像元以內(nèi)。由于本文只用于圖像分類，未進(jìn)行輻射校正不影響總體精度。

2.2 土地利用分類

參考《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2017)，并結(jié)合泥河流域土地利用特征及煤炭開采對當(dāng)?shù)鼐坝^產(chǎn)生的影響，采用監(jiān)督分類中支持向量機(jī)(SVM)[17]分類方法，結(jié)合紋理特征、光譜信息，將流域土地利用類型劃分為耕地、建設(shè)用地、自然水體、林地、園地和塌陷水體6種類型，最后對以上6種地類各選取不與訓(xùn)練樣本重疊的點(diǎn)作為驗證樣本進(jìn)行精度檢驗，Kappa系數(shù)達(dá)到0.8以上。塌陷水體是根據(jù)分類提取出的水體與礦井采場工作面進(jìn)行GIS空間疊加，并結(jié)合遙感影像的特征進(jìn)行識別。

2.3 土地利用變化指數(shù)

(1) 土地利用變化幅度：主要反映不同土地利用類型面積總量上的變化，可以反映出該區(qū)域內(nèi)土地利用變化的總體趨勢及該時段人類活動對土地資源影響的強(qiáng)弱[18]。其表達(dá)式為

(2) 單一土地利用動態(tài)度：景觀變化速率的區(qū)域差異情況可以用單一土地利用動態(tài)度模型來反映[19]。其表達(dá)式如下

式中，K為一定時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；Ua和Ub分別為研究初期和研究末期某一土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段長。當(dāng)T設(shè)為年時，K表示該研究區(qū)域土地利用年變化率。

(3) 土地利用綜合動態(tài)度：描述整個區(qū)域土地覆蓋變化的速度，綜合考慮了研究期內(nèi)土地覆蓋類型間的轉(zhuǎn)移[20]。其模型為

式中，LUi為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為監(jiān)測時段長度。當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，LC的值即為該研究區(qū)土地利用年變化率。

2.4 泥河流域景觀格局指數(shù)選取

景觀格局反映了景觀斑塊在空間上的分布和排列情況。在SVM監(jiān)督分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用Fragstats 4.2軟件得到景觀格局指數(shù)，從景觀類型和景觀格局水平兩方面對泥河流域30年來景觀格局演變情況進(jìn)行分析。

選用6個景觀指標(biāo)分析各景觀類型格局，分別為斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、面積加權(quán)平均形狀因子(SHAPE_AM)、面積加權(quán)分維數(shù)(FRAC_AM)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊類型百分比(PLAND);選用8個指標(biāo)分析流域整體景觀格局，分別為NP、平均斑塊面積(AREA_MN)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度(CONTAG)、斑塊聚集度指數(shù)(AI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)[21]。

3 結(jié)果與分析

利用SVM對泥河流域多時相遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，得到泥河流域1987—2017年7期土地利用分類結(jié)果，其中1987、2000、2006、2017年的土地利用變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，30年來在煤炭開采影響下，塌陷水體范圍逐漸增大，建設(shè)用地擴(kuò)張明顯，泥河流域土地利用方式發(fā)生較大改變。在此基礎(chǔ)上分析泥河流域土地利用和景觀格局的演變情況。

3.1 流域土地利用變化特征

3.1.1 土地利用變化幅度與速度

根據(jù)公式計算得出泥河流域土地利用變化指數(shù)，見表1。

從表1可以看出，耕地在2000—2006年變化幅度最大，減小速度為2.13%；建設(shè)用地變化幅度一直為正，1987—1994年增幅最大，增速為8.84%；塌陷水體變化幅度也一直為正，1987—1994年增幅最大，增速達(dá)到了313.48%；自然水體、林地和園地的變化幅度較??；從綜合土地利用動態(tài)度來看，2006—2009年和2009—2013年土地利用轉(zhuǎn)化較劇烈，表明期間地類轉(zhuǎn)化頻繁。綜合1987—2017年，土地利用增加速度和增幅最快的是塌陷水體，增速為949.25%；建設(shè)用地次之，增速為7.8%；林地和園地的增幅較小，增速較慢。土地利用減少幅度最大、速度最快的是自然水體，減小速度為1.25%；耕地次之，減小速度為0.85%。土地利用綜合動態(tài)度較小，僅為0.56%。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移分析

在ArcGIS中把1987—2017年7期土地利用圖進(jìn)行兩兩疊加，并對1987和2017年兩期進(jìn)行疊加，得到1987—1994、1994—2000、2000—2006、2006—2009、2009—2013、2013—2017、1987—2017不同時期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，其中1987—2017年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣見表2，分析土地利用轉(zhuǎn)移情況。

表1 泥河流域1987—2017年土地利用變化指數(shù)統(tǒng)計 (%)

表2 1987—2017年泥河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

由表2可以看出，耕地主要向建設(shè)用地、塌陷水體和自然水體轉(zhuǎn)移，主要轉(zhuǎn)入源有建設(shè)用地和自然水體，分別占耕地轉(zhuǎn)入面積的56.83%和42.41%；建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積為16 965.81 hm2，有92%的轉(zhuǎn)入來自耕地；自然水體分別有27.36%和24.63%轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地；塌陷水體主要由耕地轉(zhuǎn)入，凈增加面積為2 281.05 hm2。林地和園地的保有率較低，不超過0.1%，主要是因為林地與園地自身面積小，轉(zhuǎn)出率又高。綜合1987—2017年，泥河流域主要的土地利用轉(zhuǎn)變類型為耕地和建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)變及耕地向塌陷水體的轉(zhuǎn)變。

3.2 流域景觀格局演變

3.2.1 流域各景觀類型格局演變

基于Fragstats 4.2軟件計算結(jié)果，得出流域各景觀類型指數(shù)變化(如圖3所示)，從表征景觀破碎度的指數(shù)(NP、PD)、表征景觀形狀的指數(shù)(SHAPE_AM、FRAC_AM)和表征景觀優(yōu)勢度的指數(shù)(PLAND、LPI)3方面對泥河流域30年間各景觀類型演變特征進(jìn)行分析。

(1) 破碎度分析。由圖3可知，1987—2017年，建設(shè)用地斑塊數(shù)量和斑塊密度呈先上升后下降趨勢，2000年達(dá)到最大值；耕地和塌陷水體的斑塊數(shù)量和斑塊密度先上升后下降，2006年達(dá)到最大值，2013年又有上升趨勢。這說明建設(shè)用地、耕地和塌陷水體經(jīng)歷了不斷破碎化到景觀逐漸完善的過程，主要是因為前期城市化建設(shè)的加快占用了大片耕地，破壞了原有的景觀結(jié)構(gòu)，將大面積的連續(xù)生境分割成面積較小的斑塊，并且隨著礦井開采數(shù)量的增加，所形成的塌陷水體斑塊數(shù)量也在增大。2006年之后，塌陷地周圍自然村搬遷形成了集中的城市化新鄉(xiāng)鎮(zhèn)，礦區(qū)修復(fù)治理工作也在進(jìn)行，使得礦區(qū)的景觀逐漸完善。林地、園地的斑塊數(shù)量和斑塊密度始終較小，呈小幅度上下擺動，自然水體波動較大。

(2) 形狀指數(shù)分析。由圖3可知,耕地、建設(shè)用地和自然水體的分維數(shù)較高，說明其斑塊形狀較為復(fù)雜，主要是因為耕地在人為活動下形狀變得不規(guī)則，建設(shè)用地和自然水體多呈條帶狀，相互滲透交錯，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜。林地、園地和塌陷水體分維數(shù)較低，說明其形狀規(guī)則，受人為干擾較大，由于采煤導(dǎo)致地面塌陷形成的水體，多呈圓形、橢圓形的坑狀分布，形狀較為簡單。1987—2017年間，建設(shè)用地面積加權(quán)平均形狀因子處于上升趨勢，由1987年的5.424 6上升到2017年的22.010 3，說明建設(shè)用地的邊緣效應(yīng)增大，隨著礦井的相繼投入生產(chǎn)，工礦用地增加，建設(shè)用地呈現(xiàn)形狀的多樣化。耕地、園地面積加權(quán)平均形狀因子先上升后下降，說明其形狀經(jīng)歷了由趨于復(fù)雜到趨于簡單的變化，主要是因為礦區(qū)復(fù)墾使耕地集中規(guī)劃，許多小斑塊連接在一起，形狀由不規(guī)則慢慢向規(guī)則化轉(zhuǎn)變。其他3類面積加權(quán)平均形狀因子隨時間上下波動，自然水體和塌陷水體于2006年達(dá)到最大值，分別為8.814 7和4.605 2，林地波動較小，2006年達(dá)到最小值1.273 6。

(3) 優(yōu)勢度分析。由圖3可知,景觀百分比和最大斑塊指數(shù)可以近似表征某類景觀的優(yōu)勢度。30年來，耕地一直處于優(yōu)勢地位，但處于不斷減小的狀態(tài)。與此同時，建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)與百分比呈上升趨勢。1987—2017年，耕地最大斑塊指數(shù)由79.706 0降為38.745 5，建設(shè)用地由0.854 0上升為13.420 4，說明流域耕地的優(yōu)勢性在減弱，建設(shè)用地的優(yōu)勢性在增強(qiáng)。這是因為城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，加上煤炭開采力度加強(qiáng)及工業(yè)廣場的擴(kuò)建，耕地被大量占用。自然水體的最大斑塊指數(shù)和百分比總體在減小，表明其優(yōu)勢性減弱。塌陷水體最大斑塊指數(shù)一直上升，前期上升緩慢，2009年之后上升速度加快。林地和園地最大斑塊指數(shù)和百分比較小，且變化也較小。

3.2.2 流域整體景觀演變特征

基于Fragstats 4.2軟件計算得出景觀格局指數(shù)變化，從景觀破碎化(NP、AREA_MN)、景觀邊緣效應(yīng)(ED、LSI)、景觀異質(zhì)化(SHDI、SHEI)和景觀連通性(AI、CONTAG)4個方面對泥河流域30年間整體景觀格局演變特征進(jìn)行分析。

(1) 景觀破碎化分析。從表征破碎化的斑塊數(shù)量(NP)和平均斑塊面積(AREA_MN)(如圖4所示)來看，1987—2000年，斑塊數(shù)量逐年增加，由14 684上升到20 567，平均斑塊面積逐年減小，說明期間景觀破碎化加??；2000—2017年，斑塊數(shù)量呈下降趨勢，由20 567減小到6699，平均斑塊面積則呈上升趨勢，說明期間景觀破碎化程度減緩。綜合來看，泥河流域景觀格局前期破碎化，2006年之后由于礦區(qū)修復(fù)工作的進(jìn)行，景觀逐漸完善，連續(xù)性增強(qiáng)。

(2) 景觀邊緣效應(yīng)演變分析。從表征景觀邊緣效應(yīng)的邊緣密度(ED)和景觀形狀指數(shù)(LSI)(如圖5所示)來看，1987—2006年ED和LSI逐漸升高，表明邊緣形狀越來越復(fù)雜，2006年以后ED和LSI呈下降趨勢，景觀形狀趨于規(guī)則。這主要是因為前期煤礦開采新增了工礦用地并形成一定數(shù)量的塌陷水體，使景觀形狀趨于復(fù)雜，之后由于自然村莊統(tǒng)一搬遷使居民用地更加集中，使得邊緣形狀趨于規(guī)則。

(3) 景觀異質(zhì)化演變分析。從表征景觀異質(zhì)化程度的香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)(如圖6所示)來看，1987—2006年，SHDI和SHEI呈快速上升趨勢，SHDI由0.570 5上升至0.881 5，說明在此期間流域可能受到人為活動特別是采煤的干擾，增加了景觀的多樣性，各斑塊均勻分布。2006—2017年，兩者在2009年小幅下降后又呈緩慢上升趨勢。綜合1987—2017年，多樣性指數(shù)由0.570 5上升到0.922 2，均勻度指數(shù)由0.318 4上升到0.514 7，說明研究區(qū)各景觀類型異質(zhì)化程度在降低，趨于均衡化。

(4) 景觀連通性分析。從描述景觀斑塊凝聚程度的指數(shù)斑塊聚集度指數(shù)(AI)和蔓延度(CONTAG)(如圖7所示)來看，1987—2006年，CONTAG和AI呈下降趨勢，表明研究區(qū)這一時期斑塊分布逐漸離散，景觀內(nèi)斑塊之間連通性較差。2006—2017年，前期蔓延度和斑塊聚集度逐年升高，說明這一時期隨著礦區(qū)復(fù)墾工作及城鎮(zhèn)建設(shè)的集中，使得斑塊聚集度升高，連通性也升高。2013—2017年有小幅度下降，斑塊聚集度有所降低。綜合1987—2017年來看，蔓延度和斑塊聚集度都呈先降低后增加的趨勢，說明流域經(jīng)歷了由逐漸離散到逐漸集中的過程。

4 結(jié) 語

利用Landsat遙感影像，分別從土地利用幅度、速度、轉(zhuǎn)移情況、景觀類型和整體景觀尺度對采煤影響下淮南泥河小流域土地利用與景觀格局演變規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：煤炭開采影響下，塌陷水體范圍逐漸增大，耕地被大量占用，建設(shè)用地擴(kuò)張明顯，30年間塌陷水體和建設(shè)用地分別增加了2 281.05、14 741.73 hm2，耕地減少了15 044.67 hm2。泥河流域主要的土地利用轉(zhuǎn)變類型為耕地和建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)變及耕地向塌陷水體的轉(zhuǎn)變。采煤驅(qū)動下近30年來，建設(shè)用地、耕地和塌陷水體經(jīng)歷了不斷破碎化到景觀逐漸完善的過程。建設(shè)用地的邊緣效應(yīng)增大，林地形狀規(guī)則，園地、耕地斑塊形狀經(jīng)歷了由復(fù)雜到簡單的變化。耕地一直處于優(yōu)勢地位，塌陷水體和建設(shè)用地的優(yōu)勢性在增強(qiáng)，自然水體優(yōu)勢性減弱。流域整體景觀格局以2006年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，前期呈現(xiàn)破碎化、不規(guī)則化、異質(zhì)化和低連通性變化的特征，后期呈現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)則化、均衡化及高連通性變化的特征。這主要是因為隨著礦井相繼投產(chǎn)，煤炭開采力度加強(qiáng)，工礦用地占用了耕地，景觀被阻隔，并且形成大量塌陷水體，使得景觀破碎，形狀多樣化；2006年之后隨著礦區(qū)塌陷地附近自然村莊搬遷至集中的城鎮(zhèn)化新村鎮(zhèn)及礦區(qū)治理工作的進(jìn)行，使得礦區(qū)生態(tài)有所恢復(fù)，朝著景觀連續(xù)化方向發(fā)展。

隨著礦區(qū)煤炭資源的不斷開采，區(qū)域土地利用方式會繼續(xù)改變，塌陷水體面積還會持續(xù)擴(kuò)大。筆者認(rèn)為可以通過發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖或建成人工濕地公園、平原水庫對塌陷水體進(jìn)行治理，進(jìn)一步合理規(guī)劃景觀空間布局，優(yōu)化礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。