陶莉+陈红+霍晓亮+张伟+刘吉凯

摘 要：监测矿区土地利用变化对矿区生态环境的改善有着重要意义。该文以1991—2015年25年间的6期Landsat卫星遥感影像为基础，利用支持向量机对凤阳县石英砂矿区用地变化信息进行提取，为凤阳县矿产资源的可持续利用及生态恢复提供科学依据。结果表明：（1）1991—2015年间，矿区面积由6.84hm2增加到438.12hm2，净增加431.28hm2，新增加的工矿用地主要由草地和林地转化而来。（2）矿区生态系统质量朝着变差的方向发展，造成了水土流失和水质污染等环境问题。

关键词：土地利用；石英砂矿区；遥感监测；生态恢复

中图分类号 X826 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）08-0145-04

Abstract：The land use change of the mining area is of great significance to the improvement of the ecological environment of the mining area.Based on the Landsat satellite remote sensing image from 1995 to 2015，the support vector machine is used to extract the land change information of Fengyang county，county mineral resources sustainable use and ecological restoration to provide a scientific basis.The results show that：（1） From 1991 to 2015，the area of mining area is from 6.84hm2 to 438.12hm2，the net increase is 431.28hm2，and the main grassland and forest land of newly added mining land are transformed.（2） The quality of the ecosystem of the mining area is developing in the direction of deterioration，resulting in environmental problems such as soil erosion and water pollution.

Key words：Land use；Quartz sand mining area；Remote sensing monitoring；Ecological restoration

监测矿区开发过程中发生的土地利用变化是十分必要的，能为矿产资源的合理开发和土地资源的集约利用提供技术支撑[1]。遥感技术具有视野宽、信息量大、快速等特点，可以从宏观上掌握研究对象的特征，在资源开发和环境监测等问题的研究中越来越受到关注[2]。随着遥感技术的发展，运用遥感技术对矿区的土地利用情况开展监测已经成为必然趋势[3]。

目前遥感监测矿山地表环境常用的方法主要为：采用图像目视判读、人机交互分类与计算机自动分类相结合的方法，通过提取矿区开采区域的信息，分析矿山开采对植被、土地，水域以及人们生活的影响乃至矿产资源开发对整个矿区生态环境的影响[4]。马紅花[5]采用多时相遥感图像，对不同波段的图像分类与处理，得到了较高精度的结果图并分析，得出了矿区生态环境的变化特征。本文以凤阳县石英砂矿区为例，根据凤阳县石英砂矿区开采区域分布及发展情况，通过对1991—2015年25年间的Landsat卫星遥感影像处理分析，实现了对矿山地表环境的动态变化监测，实时掌握了矿区地表环境的变化特征，为矿区生态环境治理恢复提供科学依据。

1 数据源与研究方法

1.1 研究区域概况 凤阳县地处淮河中游，位于北纬32°37′～33°03′、东经117°19′～117°57′，气候呈北亚热带向南温带渐变的过渡特征，气候温和，四季分明，光照充足。凤阳县矿产资源丰富，矿区覆盖面积达80km2，境内已探明的矿种达26种，远景储量在100亿～120亿t，储量、品位和潜在经济利用价值均居全国之首，是“中国优质石英砂原料基地”和“中国日用玻璃产业基地”。

1.2 数据源 数据源主要有：（1）研究区1991—2015年25年间的6期Landsat卫星遥感影像，其中Landsat 数据空间分辨率为30m，轨道号为121-37，产品级别L1T，时间分辨率为16d。（2）研究区2015年的 Google Earth高分数据，空间分辨率为4m。（3）辅助数据有1∶5万土地利用图、地形图和行政区划图，野外实地调查资料，县内主要的水系和道路以及数字高程模型（DEM）等。对遥感影像进行预处理，主要包括：去条带处理、辐射校正、几何校正、影像裁剪等，预处理后得到石英砂矿区Landsat时序影像。

1.3 研究方法 SVM（Support Vector Machine Classification，SVM）是一种建立在统计学习理论（Statistical Learning Theory，SLT）基础上的机器学习方法，通过自动寻找对分类有较大区分能力的支持向量，由此构造出分类器，将类于类之间的间隔最大化，提高分类精准。土地利用动态度描述区域土地利用变化的速度，可直观反映类型变化的幅度与速度；转移矩阵可全面描述区域土地利用变化的结构、特征和各用地类型变化的方向，以刻画土地利用结构内在的变化规律。

2 基于Landsat时序影像的石英砂矿区用地信息提取

运用SVM和初分类后人机交互修补相结合的方法进行凤阳县1991—2015年25年间的矿区土地利用遥感影像进行分类。根据研究区域遥感图像能够直接反映和判别地物信息的影像特征[7]，结合凤阳石英矿区的土地利用现状，借鉴查东平[8]、尚慧[6]等对矿区土地系统的划分，通过野外实地调查、验证，对凤阳石英矿区土地分类体系划分为工矿用地、建筑用地、水域、林地、草地和耕地6类。

根据矿区土地分类体系划分结果，结合野外调查资料和数据，利用SVM方法对石英砂矿区土地利用类型信息进行初分类，然后参考凤阳县土地利用现状图，通过人机交会的方式完成对1991—2015年影像人工修正，通过修改、编辑和完善，并结合ArcGIS空间统计与分析，最终得出研究区各个时期土地利用现状动态变化图（图1）。

3 石英砂矿区用地动态变化分析

3.1 用地变化分析 根据土地利用/覆盖遥感分类结果，利用GIS空间分析功能统计各时期土地利用现状、变化动态度与转移矩阵，统计结果见表1、2。

由表1可知，1991—2015年凤阳县石英砂矿区土地利用发生了很大变化：25年间变化总面積为3 932.64hm2，占研究区总面积的33.23%。其中工矿用地面积变化最为剧烈，由1991年的矿区面积6.84hm2增加到2015年的矿区面积438.12hm2，净增加431.28hm2，动态度高达252.21%。由表2可知，增加的工矿用地主要从草地和林地转化而来，转化量分别为356.31hm2与75.87hm2。荒废的矿区土地主要转化成了草地和林地，但变化量远远小于增加量，因此对废弃矿区的生态恢复要予以重视。

1991—2015年，凤阳县建筑用地面积增加，增量691.29hm2，主要通过侵占耕地、草地和水域而来，变化动态度达95.71%。耕地减少了665.46hm2，减少了5.35%，减少的耕地主要转化为建筑用地、草地和水域；草地减少了1 076.85hm2，减少了8.91%，是所有土地利用类型中总变化量和年变化量最大的，主要转化为林地、耕地和工矿用地；耕地和草地尽管变化速度不大，但面积基数大，应予以重视。

1991—2015年，水域面积变化主要体现在河流面积的减少与地势塌陷导致积水面积增加的矛盾。在实际调查时，研究区多处河流两侧兴建厂房、住宅，导致部分河流段的宽度不足10m，在枯水期常发生断流现象，原本在影像上（2000年以前）清晰可见的河流，到现在却不复存在（2010年以后）；与此同时，由于多年石英砂矿业的开采，使得河底及周围覆盖一层细细的石英砂粉末，阻塞水流，流域环境问题严重，急待解决。

总的来说，25年间，工矿用地和建筑用地面积迅速增加，其代价是对草地、耕地和水域的过度侵占，同时对林地和耕地的保护力度不够，导致矿区土地生态系统质量朝着变差的方向发展，今后应当给予足够的重视。

3.2 矿区土地可持续利用对策及措施 针对凤阳县石英砂矿区土地生态系统质量逐渐下降的现实，从矿区环境恢复和改善的角度出发，提出以下几点建议：

（1）加强水土保持，改善生态环境加强水土保持工作，注重废弃矿区的还林还草，积极实施封山育林、植树种草等生态措施，改良生态环境。

（2）使用物理技术和化学技术对矿区进行处理，例如挖松紧实的土壤、整理土壤表面物质。当废弃地存在 pH值太低的问题时，可以适当的向土壤中添加碱性物质以调整土壤的pH值。

（3）积极推进矿区开采整治制度改革。随着矿产资源开发整合的不断推进，许多矿山不断关闭，采矿废弃地增加，因此政府和企业应该加大投资力度，积极开展工矿废弃地复垦和矿业存量土地整合利用，实行谁整治，谁投资的方式来恢复和治理矿区环境破坏问题。

（4）加强执法力度，完善矿山土地管理制度。县政府各部门要高度重视矿山土地恢复与整治问题，明确矿山管理责任，加大宣传、巡查、监管及处罚力度，并且建立矿山开采违法案件督查制度，依法查处违法采矿行为。

4 结论

本文利用Landsat系列影像，基于SVM和分类后修正相结合的方式提取了研究区25年间的土地利用类型变化结果，监测结果表明：矿区的地表环境在近25年间发生了较大变化，耕地和草地面积减小，工矿用地及建筑用地面积急剧增加，矿区生态环境朝着差的方向发展。

凤阳县石英砂矿区土地生态系统质量逐渐下降，矿区环境恢复和改善任重而道远，在后续的矿山地质环境治理过程中建议对石英砂的开采加强整治，完善管理制度，同时积极实施封山育林、植树种草等生态措施，有计划逐步恢复采矿区被破坏的植被和压占的农田、恢复河流功能等。

参考文献

[1]聂洪峰，杨金中，王晓红，等.矿产资源开发遥感监测技术问题与对策研究[J].国土资源遥感，2007，19（4）：11-13.

[2]赵鹏.新街台格庙矿区开发初期土地利用动态遥感监测[J].国土资源遥感，2015，27（4）：144-149.

[3]丁艳梅.三峡库区土地利用/植被覆盖变化的遥感监测[D].青岛：山东科技大学，2006.

[4]王杰.基于多源数据的矿区空间变化监测与分析[D].唐山：河北联合大学，2014.

[5]马红花.多时相矿区土地利用/覆被变化及驱动因素分析[D].焦作：河南理工大学，2011.

[6]尚慧，倪万魁.石嘴山矿区地表环境动态变化遥感监测[J].国土资源遥感，2013，25（2）：113-120.

[7]查东平，申展，刘足根，等.基于TM影像的德兴铜矿区生态环境变化[J].国土资源遥感，2015，27（4）：109-114.

[8]杨清华，齐建伟，孙永军.高分辨率卫星遥感数据在土地利用动态监测中的应用研究[J].国土资源遥感，2001，13（4）：20-27.

（责编：张宏民）