基于遙感技術的軒崗礦區(qū)農(nóng)村居民點時空格局變化研究

張 茹，何高波

(中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199)

農(nóng)村居民點是農(nóng)村人口居住與活動的空間單元[1]，其空間分布狀況是一定自然、經(jīng)濟、社會發(fā)展環(huán)境下農(nóng)村居民居住活動在其分布地區(qū)的反映[2-3]。研究農(nóng)村居民點的空間分布格局，對于農(nóng)村居民點整理規(guī)劃和統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展都具有重要的指導意義[4-5]。煤炭礦區(qū)農(nóng)村居民點由于受到煤炭資源的開采而遭受破壞，使原本缺乏規(guī)劃[6-8]的農(nóng)村居民點內(nèi)部廢棄地增加[9]，有的甚至全部廢棄。因此，研究煤礦礦區(qū)農(nóng)村居民點的分布規(guī)律有利于礦區(qū)農(nóng)村居民點的發(fā)展規(guī)劃和土地復墾，有利于促進礦區(qū)的新農(nóng)村建設，也可為采煤沉陷區(qū)的移民搬遷提供有益的參考。

在礦區(qū)農(nóng)村居民點空間格局研究方面，我國的盧元清等以2009年土地利用現(xiàn)狀圖為基礎，對山西平朔礦區(qū)的居民點進行研究，結(jié)果表明平朔礦區(qū)農(nóng)村居民點零散分布在中部和東南部地區(qū)，并且主要分布在露天礦區(qū)[10]；楊冰利用2013年遙感影像研究平朔礦區(qū)居民點，得出的結(jié)論是平朔礦區(qū)農(nóng)村居民點的的分布多與地形地貌有關，農(nóng)村居民點的優(yōu)選區(qū)位是高程1 300～1 500 m、坡度0～10°及坡向為S、SW和SE坡[11]；王曉輝等通過解譯3期遙感影像對安徽淮南煤礦區(qū)土地利用變化進行分析，得出的結(jié)論是淮南礦區(qū)農(nóng)村居民點面積呈先增加后減少趨勢，且土地綜合利用程度減少[12]。但是，這些研究的時間尺度都相對較短，不能充分說明農(nóng)村居民點的空間格局與時間變化之間的關系。

本文以軒崗礦區(qū)1986～2015年30年間的7期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎，通過監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方法，研究礦區(qū)農(nóng)村居民點的時空變化規(guī)律和特征，以期為采煤沉陷區(qū)移民搬遷和礦山環(huán)境恢復治理等提供理論支撐與實踐參考[13]。本研究中農(nóng)村居民點的概念不僅包括已有的行政村，還包括由于煤炭資源開采活動而臨時增加或減少的居民聚集點。

1 研究區(qū)概況

軒崗礦區(qū)位于山西省寧武煤田的中部，北面是朔南礦區(qū)，南面是嵐縣礦區(qū)，地理位置為東經(jīng)112°9′～112°40′E，北緯38°44′～39°9′N，跨忻州市寧武縣、原平市及神池縣(圖1)。礦區(qū)內(nèi)賦存地層自上而下有第四系、新近系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系及奧陶系。礦區(qū)位于寧靜向斜的北部，發(fā)育有大量的北東向正斷層，將北部切割成零星斷塊，地質(zhì)構(gòu)造較為復雜，較大的斷層有陽方口斷層。

圖1 軒崗礦區(qū)地理位置

礦區(qū)總面積約978 km2，煤炭資源總量約102億t。在煤炭開采過程中，長期存在“多、小、散、亂”的開采格局，資源利用率較低，環(huán)境污染嚴重。2006年山西省政府發(fā)布《山西省煤炭資源整合和有償使用辦法》，煤炭資源整合在山西省全面實行。煤炭資源整合有利于優(yōu)化煤炭產(chǎn)業(yè)布局、保護生態(tài)環(huán)境和促進行業(yè)安全生產(chǎn)[14]。但也存在一系列遺留問題，鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦是山西省煤炭資源整合的主體，它們的被整合對農(nóng)村居民點變化產(chǎn)生很大影響。

軒崗礦區(qū)劃分為3個井田，1個勘探區(qū)和3個資源整合區(qū)。礦區(qū)屬于中溫帶大陸性季風氣候，年均溫為7.2℃，年均降水量為485 mm。礦區(qū)內(nèi)鐵路有北同蒲線及寧苛支線，公路主要有寧武至婁煩的寧白線(S215)、大同至忻州的大忻線(S206)、崞陽至五寨的崞五線(S305)三條干線，交通較為便利。礦區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)有寧武縣、陽方口鎮(zhèn)、余莊鄉(xiāng)、薛家洼鄉(xiāng)、段家堡鄉(xiāng)、軒崗鎮(zhèn)和長梁溝鎮(zhèn)。

2 研究基礎和技術方法

2.1 基礎數(shù)據(jù)和資料

本研究收集采用了7期存檔的Landsat TM/OLI遙感影像，軌道號為126-33，成像時間分別為1986年6月8日、1990年8月22日、1994年5月29日、2000年7月1日、2006年6月15日、2010年7月12日和2015年6月8日，影像云量覆蓋小，成像質(zhì)量好，數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)，圖幅號分別為LT51260331986159BJC00、LT51260331990234BJC00、LT51260331994149BJC00、LT51260332000182BJC00、LT51260332006166BJC00、LT51260332010193IKR00和LC81260332015159LGN00。TM/OLI遙感影像的空間分辨率為30 m，地圖投影為UTM-WGS84，地球橢球為WGS_1984。還收集到了一些其他輔助數(shù)據(jù)，包括礦區(qū)矢量圖、礦區(qū)煤炭開發(fā)利用現(xiàn)狀圖、2000年土地利用圖等。

2.2 技術路徑與方法

首先，對收集的遙感影像進行預處理。因為TM/OLI遙感影像是L1T數(shù)據(jù)產(chǎn)品，已經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正和地面控制點幾何校正，且已利用DEM進行了地形校正[15]。所以，本研究對遙感影像的預處理只有大氣校正和研究區(qū)域提取。采用ENVI5.1軟件中的FLAASH大氣校正模塊進行大氣校正，該模塊廣泛適用于多光譜和高光譜數(shù)據(jù)的大氣校正中。再用軒崗礦區(qū)矢量圖分別裁剪經(jīng)過大氣校正的7期遙感影像，提取研究區(qū)影像。

然后，利用ArcMap10.2軟件首先對2015年遙感影像進行監(jiān)督分類，然后去除過大或過小斑塊以提高分類精度[16]，人工檢查并修改漏分錯分斑塊，完成2015年土地利用分類圖，再從中提取2015年農(nóng)村居民點，生成礦區(qū)農(nóng)村居民點矢量圖[17-18]。以此為基礎，人工解譯其余影像農(nóng)村居民點。統(tǒng)計每個居民點在7期遙感影像中的面積，利用SigmaPlot軟件下Dynamic Fit Wizard命令中的線性函數(shù)進行顯著性分析。若P<0.05，說明該居民點面積變化顯著，反之，不顯著。若擬合函數(shù)自變量系數(shù)a>0，說明居民點面積呈增加趨勢，反之，呈減少趨勢。

最后，利用2000年土地利用圖和實地調(diào)查的方法，對提取出的2000年農(nóng)村居民點進行精度驗證。精度驗證包括點位精度驗證和面積精度驗證兩方面[19-20]。點位精度驗證時，從2000年土地利用圖上均勻選取50個農(nóng)村居民點進行檢驗，其中有8個居民點沒有提取出來。進一步從提取出的2000年農(nóng)村居民點中選取50個居民點進行實地調(diào)查，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)有3個居民點為誤提居民點，可以得到點位精度為78%。面積精度驗證時，對上述從土地利用圖上選取的50個居民點面積進行統(tǒng)計，與提取出的農(nóng)村居民點相應面積進行對比，得到面積精度為83%。

3 數(shù)據(jù)分析與特征研究

3.1 農(nóng)村居民點數(shù)量變化情況分析

由圖2可以看出，1986～2000年軒崗礦區(qū)農(nóng)村居民點的數(shù)量呈緩慢增加趨勢。2000～2010年居民點數(shù)量沒有增減，保持不變。而2010～2015年居民點數(shù)量快速減少。

圖2 1986～2015年軒崗礦區(qū)農(nóng)村居民點數(shù)量變化

在整個研究期間都存在的農(nóng)村居民點共135個。不同研究時段農(nóng)村居民點數(shù)量的變化情況如表1、圖3所示。1986～1900年增加3個居民點，結(jié)合圖3可知，其中兩個居民點分別鄰近劉家梁煤礦和長梁溝煤礦，另一個居民點在馬家灣村東邊工礦建筑物周圍。分析其原因，主要是由于煤礦建成初期，需要大量勞動人員，煤礦為此修建礦工宿舍或礦工小區(qū)，在一定程度上促進居民點數(shù)量的增加。1990～1994年沒有發(fā)生居民點增加或減少。1994～2000年增加3個居民點，分別鄰近寧白線、崞五線和大忻線。其原因主要是交通道路的改善帶動沿線地區(qū)的發(fā)展，使一些居民點自發(fā)聚集在此。2000～2006年沒有發(fā)生居民點增加或減少。2006～2010年增加了1個居民點，位置鄰近同軒金海煤礦。此間，減少1個居民點，鄰近焦家寨煤礦。焦家寨煤礦開采較早，煤炭的大量開采使地表出現(xiàn)裂縫、塌陷等地質(zhì)災害，對周邊居民點造成破壞。2010～2015年增加1個居民點，位于神達花溝煤礦西700 m處，減少10個居民點。減少的居民點主要為丁家梁村、前石湖村、染峪村和黃草坡村，分別鄰近程坑煤礦、老窯溝煤礦、榆樹坡煤礦和長梁溝煤礦，西地村和西紅河村位于煤礦密集區(qū)。這些地區(qū)隨著煤炭資源的大量開采，采空區(qū)面積逐年擴大，不利于礦區(qū)農(nóng)村居民點的發(fā)展。

圖3 1986～2015年不同時間段軒崗礦區(qū)

表1 1986～2015年不同時間段軒崗礦區(qū)農(nóng)村居民點數(shù)量變化

3.2 農(nóng)村居民點面積變化分析

如圖4所示，1986～2015年軒崗礦區(qū)農(nóng)村居民點總面積呈現(xiàn)先增加后減少的變化特征。1986～2000年居民點總面積呈增加態(tài)勢，年均增加0.122 km2。2000～2015年居民點總面積顯著減小，年均減少0.089 km2。

圖4 1986～2015年軒崗礦區(qū)農(nóng)村居民點總面積變化

對整個研究期間都存在的農(nóng)村居民點面積變化進行分析，其中發(fā)生顯著變化的居民點如圖5所示。其中，面積顯著增加的居民點主要分布在礦區(qū)西部北辛窯井田和勘查區(qū)。馬圈村、瓦窯村和馮家墕村鄰近東南-西北走向的崞五線，苗莊村、暖水灣村和陽方村鄰近南-北走向的寧白線，這說明農(nóng)村地區(qū)交通基礎設施建設的不斷加快，對沿線農(nóng)村居民點的發(fā)展有巨大的推動作用。莊子上村、半溝村和劉家園村緊臨寧武縣，袁家窯村位于陽方口鎮(zhèn)東200 m處，這表明城鎮(zhèn)的快速發(fā)展對周邊居民點有較好的帶動作用。城鎮(zhèn)化的發(fā)展使大量勞動力聚集到該地區(qū)，從而不斷加大對城鎮(zhèn)周圍住房的需求，使城鎮(zhèn)周圍農(nóng)村居民點用地規(guī)模也逐漸擴大。

圖5 1986～2015年軒崗礦區(qū)顯著增加農(nóng)村居民點或顯著減少農(nóng)村居民點空間分布

面積顯著減小的居民點主要集中在礦區(qū)北部二號資源整合區(qū)和中南部劉家梁井田、焦家寨井田。礦區(qū)北部二號資源整合區(qū)是煤礦密集區(qū)，除煤炭開采沉陷對農(nóng)村居民點的不利影響外，煤炭資源整合也是一個影響因素。鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦的被整合一方面使原來煤礦為農(nóng)村公益事業(yè)和公共基礎設施建設提供的資金出現(xiàn)缺口，另一方面使當?shù)匾慌迕袷ピ诿旱V工作的機會，加劇村民外出務工數(shù)量，不利于礦區(qū)農(nóng)村居民點的發(fā)展。

4 研究結(jié)論

本研究基于軒崗礦區(qū)1986～2015年30年間7期遙感影像數(shù)據(jù)，通過監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方法提取農(nóng)村居民點，并對農(nóng)村居民點的數(shù)量和面積的時序和空間發(fā)展變化進行顯著性分析，研究礦區(qū)農(nóng)村居民點的時序空間分布規(guī)律和影響變化的主要因素。通過研究分析得出以下幾點結(jié)論：

(1)1986～2000年軒崗礦區(qū)農(nóng)村居民點數(shù)量呈緩慢增加趨勢，2000～2010年居民點數(shù)量保持不變，2010～2015年居民點數(shù)量顯著減少。其中，1986～1900年增加3個居民點；1990～1994年沒有發(fā)生居民點增加或減少；1994-2000年增加3個居民點；2000～2006 年沒有發(fā)生居民點增加或減少；2006～2010年增加1個居民點，減少1個居民點；2010～2015年增加1個居民點，減少10個居民點。

(2)1986～2015年軒崗礦區(qū)農(nóng)村居民點總面積呈先增加后減少的趨勢。1986～2000年呈增加態(tài)勢，2000～2015年呈減小態(tài)勢。面積顯著增加12個居民點，主要分布在礦區(qū)西部北辛窯井田和勘查區(qū)；面積顯著減小25個居民點，主要集中在礦區(qū)北部二號資源整合區(qū)和中南部劉家梁井田、焦家寨井田。

(3)煤炭開采的不利影響造成的自然減少、區(qū)域的交通發(fā)展帶來的自然增加和政府的移民搬遷政策和行動是影響礦區(qū)居民點時空格局變化的主要因素。城鎮(zhèn)和交通的快速發(fā)展對周邊居民點有較好的帶動作用，而煤炭資源的大力開采在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，對礦區(qū)居民點產(chǎn)生一些不利影響。煤炭采空區(qū)面積的逐年增大，造成大量居民住宅受損；煤炭資源整合加劇村民外出務工，減少農(nóng)村基礎建設資金來源，這些都不利于當?shù)鼐用顸c的發(fā)展。

本研究尚存在一些不足之處。一方面是所采用的遙感影像空間分辨率為30 m，對一些較小農(nóng)村居民點的解譯存在困難，在測算居民點數(shù)量和面積時可能存在較大誤差；另一方面是，研究中對造成居民點增加或減少的因素可能存在片面性，因為農(nóng)村人口遷徙和居民點的變化影響因素很多。