修曉龍

(福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州 350011)

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需求和消耗日益增加，礦產(chǎn)資源開發(fā)在帶來巨大經(jīng)濟(jì)利益的同時，大范圍、高強(qiáng)度的礦業(yè)活動對礦山地質(zhì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[1]。當(dāng)前礦山開發(fā)占用和損毀土地資源已成為普遍性的地質(zhì)環(huán)境問題，是礦業(yè)用地研究的焦點(diǎn)問題和熱點(diǎn)問題。隨著我國生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的開展，建立資源消耗、環(huán)境損害、生態(tài)恢復(fù)的礦產(chǎn)資源開發(fā)全過程監(jiān)測體系是實(shí)現(xiàn)礦山資源可持續(xù)發(fā)展的必然途徑[2]。

傳統(tǒng)礦山開發(fā)占地監(jiān)測主要采用逐級統(tǒng)計(jì)上報(bào)的方式[3]，數(shù)據(jù)真實(shí)性、實(shí)時性相對較差，難以對礦業(yè)開采活動進(jìn)行真實(shí)評估和有效管理。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，快速獲取的海量數(shù)據(jù)為礦產(chǎn)資源的全天候監(jiān)測提供了新的技術(shù)與手段，同時，其高精度定位、可重復(fù)動態(tài)監(jiān)測等特點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)礦山監(jiān)測方法的不足。目前，多源遙感數(shù)據(jù)的融合、人機(jī)交互解譯、室內(nèi)解譯與野外實(shí)地調(diào)查結(jié)合的技術(shù)方法是礦山遙感監(jiān)測的主要途徑。美國、加拿大、德國等礦業(yè)發(fā)展發(fā)達(dá)的國家最早對礦山監(jiān)測進(jìn)行了研究，如美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)建設(shè)了美國國家廢棄礦山網(wǎng)，其空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包含全國地形圖、廢棄礦山分布圖、植被覆蓋等圖層[4]。 我國開展礦山監(jiān)測研究起步較晚，但成果頗豐。 王曉紅等[5]運(yùn)用QUICKBIRD衛(wèi)星和SPOT-5衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測植被較多山區(qū)的礦山開發(fā)現(xiàn)狀以及其對周邊環(huán)境的影響；梁暉等[6]運(yùn)用4年不同時相、不同數(shù)據(jù)源的遙感影像進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)的動態(tài)監(jiān)測，分析礦山開發(fā)引起的變化；李霄等[7]基于ArcPy提出了違法礦山分布圖的自動生成方法，解決了傳統(tǒng)的人工制作違法礦山分布圖中的問題。 上述研究多集中于監(jiān)測礦山開發(fā)現(xiàn)狀與制圖研究，對年度礦山開發(fā)新增損毀土地的研究不足。

本文主要利用多源高分辨率遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合2018年本底數(shù)據(jù)、采礦權(quán)、探礦權(quán)等綜合數(shù)據(jù)，對2018—2019年間山西省開展的年度新增礦山開發(fā)損毀土地情況進(jìn)行調(diào)查，重點(diǎn)查明各礦山開發(fā)占地?fù)p毀圖斑的擴(kuò)張部分，獲取當(dāng)年新增的礦山開發(fā)損毀土地圖斑，并從擴(kuò)展規(guī)模數(shù)量、空間分布以及圖斑擴(kuò)展模式等方面進(jìn)行分析研究，為山西省國土空間用途管制、礦山環(huán)境恢復(fù)治理等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

山西省共有11個地級市，117個縣(市、區(qū))，國土面積約為15.68萬km2。在空間區(qū)位上，山西省位于黃河流域中游，西與陜西省為鄰，東同河北省、河南省接壤，南同湖北省、重慶市毗連，北與內(nèi)蒙古自治區(qū)相鄰。山西省礦產(chǎn)資源豐富，各類礦種齊全，尤其是煤炭資源，截至2019年8月底，山西省共有采礦權(quán)4 870個，其中，涉及能源礦產(chǎn)1 372個，金屬礦產(chǎn)520個，非金屬礦產(chǎn)2 978個；探礦權(quán)292個，其中，涉及能源礦產(chǎn)128個，金屬礦產(chǎn)150個，非金屬礦產(chǎn)14個。顯著的礦產(chǎn)資源優(yōu)勢，引來高強(qiáng)度的資源開發(fā)利用，因此土地資源的損毀情況備受關(guān)注。

1.2 數(shù)據(jù)源

為查明研究區(qū)礦山開發(fā)新增損毀土地變化情況，本次所采用的數(shù)據(jù)源主要包括2018年礦山地質(zhì)環(huán)境本底數(shù)據(jù)庫、山西省2018—2019年土地利用年度變更遙感影像數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)類型多樣，基本以國產(chǎn)衛(wèi)星為主，主要有北京二號、高分一號、高分二號、資源三號、Pléiades-1以及高景一號等，影像的空間分辨率均優(yōu)于2 m。收集的遙感影像經(jīng)過質(zhì)量及精度檢驗(yàn)，色調(diào)清晰，紋理明顯，且礦山開采區(qū)域無云雪等覆蓋，可滿足人機(jī)交互解譯的需要。

2 研究方法

2.1 遙感信息提取

目視解譯是遙感信息提取的重要方法之一，根據(jù)先驗(yàn)?zāi)繕?biāo)地物的特征統(tǒng)計(jì)分析，建立解譯標(biāo)志，可通過人機(jī)交互的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)地物提取[8]。本文主要依據(jù)遙感影像本身特性，結(jié)合礦產(chǎn)資源開發(fā)在影像上的地物特征(紋理、結(jié)構(gòu)、色調(diào)、幾何形態(tài)、大小等)進(jìn)行室內(nèi)解譯。

本文以ArcMap軟件作為礦山開發(fā)新增損毀信息提取平臺，基于2018年礦山地質(zhì)環(huán)境本底數(shù)據(jù)，解譯出2018—2019年新增礦山地物類型(開采面、礦山建筑、固體廢棄物和中轉(zhuǎn)場地)的分布位置、面積等。針對初步的解譯結(jié)果，根據(jù)圖斑開展野外實(shí)地驗(yàn)證，并將錄入監(jiān)測成果信息服務(wù)系統(tǒng)。根據(jù)野外核實(shí)情況，對內(nèi)業(yè)提取圖斑進(jìn)行復(fù)核修正，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，最終形成新增礦山開發(fā)損毀土地?cái)?shù)據(jù)成果，研究路線如圖1所示。

圖1 研究路線圖Fig.1 Workflow of study

2.2 空間自相關(guān)分析

2.2.1 全局莫蘭指數(shù)

全局莫蘭指數(shù)是檢驗(yàn)整個研究區(qū)內(nèi)臨近位置的單元屬性值空間相關(guān)性的總體趨勢[9]，其計(jì)算公式見式(1)。

(1)

全局莫蘭指數(shù)結(jié)果范圍在-1到1之間，若結(jié)果接近1，則表明空間位置上相近的區(qū)域?qū)傩灾当任恢蒙陷^遠(yuǎn)的區(qū)域?qū)傩灾蹈嗨?，即具有相近屬性值的聚集在一起，呈正相關(guān)；若結(jié)果接近-1，則表明空間位置上相近的區(qū)域?qū)傩灾当任恢蒙陷^遠(yuǎn)的區(qū)域?qū)傩愿幌嗨疲淳哂邢喈惖膶傩灾导墼谝黄?，呈?fù)相關(guān)；若結(jié)果接近于0，則表示屬性值呈隨機(jī)分布，不存在空間自相關(guān)。

2.2.2 熱點(diǎn)分析

單一的全局莫蘭指數(shù)僅能從總體上反映數(shù)據(jù)整體分布狀態(tài)，不能在空間上直觀反映數(shù)據(jù)分布特征，因此本文通過冷熱點(diǎn)分析來進(jìn)一步討論山西省礦山開發(fā)利用新增損毀土地圖斑的空間分布是聚集、分散的或是隨機(jī)的，目的是識別礦山新增損毀土地類型熱點(diǎn)與冷點(diǎn)的空間分布。

本研究選用局部空間熱點(diǎn)分析指數(shù)來分析，主要用來檢驗(yàn)局部地區(qū)是否存在統(tǒng)計(jì)顯著的高值或者低值，其計(jì)算公式見式(2)。

(2)

對局部空間熱點(diǎn)分析指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化Z值檢驗(yàn)，則公式見式(3)。

(3)

若Z(Gi*)為正且顯著，則表明位置i周圍的值相對較高，屬高值空間集聚，即熱點(diǎn)區(qū)；若Z(Gi*)為負(fù)且顯著，則表明位置i周圍的值相對較低，屬低值空間集聚，即冷點(diǎn)區(qū)。

2.3 基于空間拓?fù)潢P(guān)系的景觀擴(kuò)張指數(shù)

研究礦山新增損毀土地景觀擴(kuò)張狀況是研究空間分異的有效手段,從景觀擴(kuò)張的角度定義礦山新增損毀土地?cái)U(kuò)張，可將其大致分為填充式、邊緣式和飛地式。從拓?fù)潢P(guān)系的角度表示礦山新增損毀土地斑塊之間的關(guān)系，可分為包含、相交與相離關(guān)系。本文采用錢敏等[11]提出的基于空間拓?fù)潢P(guān)系改進(jìn)的景觀擴(kuò)張指數(shù)法來研究山西省礦山開發(fā)利用新增損毀土地圖斑的擴(kuò)展模式。

3 遙感監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 總體特征

根據(jù)遙感監(jiān)測結(jié)果表明，2018—2019年山西省新增礦山開發(fā)損毀土地面積共計(jì)7 455.87 hm2，按照各類礦山占地類型劃分，固體廢棄物新增規(guī)模最大，面積為3 533.57 hm2，占全省新增礦山開發(fā)損毀土地面積的47.39%；其次為采場的擴(kuò)展，新增面積為2 470.90 hm2，所占比例為33.14%。固體廢棄物和采場擴(kuò)展的新增面積之和達(dá)到山西省新增礦山開發(fā)損毀土地面積的80.53%，由此可見，2018—2019年間山西省礦業(yè)活動開展所造成的新增礦山開發(fā)損毀土地，主要以礦產(chǎn)固廢壓占損毀土地為主，以露天開采面的挖掘擴(kuò)展為輔，而礦山中轉(zhuǎn)場地與礦山建筑的開發(fā)建設(shè)所損毀土地面積為1 451.40 hm2，兩者面積之和所占比例為19.47%，具體見表1。

表1 新增礦山開發(fā)損毀土地面積Table 1 Newly damaged land by mine development

3.2 不同礦種新增損毀土地狀況

根據(jù)研究結(jié)果表明，2018—2019年山西省新增礦山開發(fā)損毀土地涉及到的礦種共計(jì)51類，其中，按照面積占比大小歸納出煤礦、鐵礦、鋁土礦、石灰?guī)r、建筑石料用灰?guī)r、磚瓦用黏土、建筑用砂、耐火黏土、水泥用灰?guī)r等9類主要礦種的占損土地狀況，具體見表2。 由表2可知，能源礦產(chǎn)中煤礦新增開發(fā)損毀土地規(guī)模遠(yuǎn)高于其他礦種，面積為3 757.27 hm2，占山西省新增礦山開發(fā)損毀土地面積的50.39%；其次為非金屬礦產(chǎn)石灰?guī)r，面積為881.41 hm2，占山西省新增礦山開發(fā)損毀土地面積的11.82%；其余主要礦種新增開發(fā)損毀土地面積占比數(shù)值則均在10%以內(nèi)。由此可見，2018—2019年山西省新增礦山開發(fā)損毀土地主要是由煤礦的開采活動造成的。

表2 不同礦產(chǎn)涉及主要礦種類型統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of different minerals and main mineral types

3.3 新增礦山開發(fā)損毀土地空間分布特征

為更好地反映山西省礦山開發(fā)占地新增損毀土地圖斑的空間分布特征，本文從圖斑規(guī)模以及圖斑數(shù)量兩個方面出發(fā)，將規(guī)模與數(shù)量賦值到對應(yīng)區(qū)縣范圍內(nèi)，作為分析單元和生產(chǎn)熱點(diǎn)分析圖。計(jì)算2018—2019年山西礦山開發(fā)利用新增損毀土地規(guī)模與數(shù)量分布的全局莫蘭指數(shù)(以圖斑規(guī)模計(jì)算全局莫蘭指數(shù)值為0.37，以圖斑數(shù)量計(jì)算全局莫蘭指數(shù)值為0.15)可知，空間自相關(guān)系數(shù)均大于0，說明無論是規(guī)模還是數(shù)量均呈現(xiàn)出正的空間自相關(guān)性，具有較顯著的空間集聚分布。

由新增圖斑規(guī)模熱點(diǎn)分布圖(圖2)可知，冷熱點(diǎn)區(qū)分布呈現(xiàn)中部高南北兩端低的分布特征，熱點(diǎn)區(qū)與次熱點(diǎn)區(qū)呈近似環(huán)狀圍繞太原市，并且東部與西部兩個高熱點(diǎn)集中趨勢明顯，主要分布于呂梁市孝義市、交口縣、中陽縣、靈石縣、介休市、昔陽縣、壽陽縣、忻州市、原平市、代縣、定襄縣以及陽泉市盂縣、平定縣；次熱點(diǎn)區(qū)主要依附熱點(diǎn)區(qū)周邊，空間上分布于山西省的忻州市、陽泉市以及呂梁市；冷點(diǎn)地區(qū)集中在山西省中部太原市、南部長治市、臨汾市、運(yùn)城市、晉城市等地市以及北部的大同地區(qū)。

圖2 新增圖斑規(guī)模熱點(diǎn)分析圖Fig.2 Hot spot analysis of new map spot scale

由新增圖斑數(shù)量熱點(diǎn)分布圖(圖3)可知，冷熱點(diǎn)區(qū)分布呈現(xiàn)更明顯中部高南北兩端低的分布特征，高熱點(diǎn)區(qū)更集中分布在東部的陽泉市和呂梁市南部，呈現(xiàn)兩個高擴(kuò)展中心，涉及呂梁市孝義市、交口縣、中陽縣、晉中市靈石縣、介休市、忻州市定襄縣、陽泉市郊區(qū)、盂縣、平定縣以及晉中市昔陽縣、壽陽縣；次熱點(diǎn)區(qū)大部分分布于山西省忻州市以及呂梁市。冷點(diǎn)區(qū)與次冷點(diǎn)區(qū)主要分布在長治市、臨汾市、運(yùn)城市、晉城市和北部的大同市等地區(qū)。

圖3 新增圖斑數(shù)量熱點(diǎn)分析圖Fig.3 Hot spot analysis of new map spot quantity

山西省作為我國礦產(chǎn)資源的供應(yīng)大省，整體煤礦資源的開發(fā)利用力度較高，根據(jù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2018—2019年忻州市、呂梁市、晉中市和陽泉市等地區(qū)煤礦開發(fā)強(qiáng)度較高，規(guī)模較大且分布集中，是當(dāng)年礦山開發(fā)新增損毀土地的熱點(diǎn)區(qū)域，占損土地的方式主要是露天采面的擴(kuò)張以及煤礦開發(fā)過程中固體廢棄物的堆放。近年來，隨著山西省的交通、水利、市政工程、城市改造等基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，對砂巖、灰?guī)r、花崗巖以及黏土等非金屬礦產(chǎn)需求量增大，2018—2019年度從圖斑數(shù)量上非金屬礦產(chǎn)高于能源礦產(chǎn)，導(dǎo)致在熱點(diǎn)圖上出現(xiàn)部分區(qū)縣雖然在擴(kuò)展規(guī)模不高呈現(xiàn)出冷點(diǎn)或次冷點(diǎn)的狀態(tài)，但在新增損毀圖斑數(shù)量上呈現(xiàn)較高值，這些區(qū)域今后將是監(jiān)測及生態(tài)恢復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。

3.4 新增礦山開發(fā)損毀土地空間擴(kuò)展模式特征

本文分別計(jì)算不同新增礦山占地類型擴(kuò)展模式的圖斑數(shù)量與面積情況，見表3。由表3可知，新增礦山占地類型擴(kuò)展模式以邊緣式擴(kuò)展為主，其圖斑數(shù)量與規(guī)模均占總數(shù)的90%左右，其次為飛地式擴(kuò)展，填充式擴(kuò)展的圖斑最少。從新增礦山占地類型來看，采場、固體廢棄物、礦山建筑與中轉(zhuǎn)場地圖斑的擴(kuò)展模式以邊緣式擴(kuò)展為主，由此可見，新增損毀圖斑基本沿原有的礦山占地本底邊緣向外擴(kuò)展；其次在飛地式擴(kuò)展模中固體廢棄物與采場的圖斑數(shù)量與規(guī)模較高，而新采面產(chǎn)生與礦山固體廢棄物的排放將形成新的礦山損毀土地增長點(diǎn)，長期看對生態(tài)環(huán)境的影響將逐漸較大。

表3 不同新增礦山占地類型擴(kuò)展模式統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of different expansion mode of newly damaged land

4 結(jié) 論

本文分析了2018—2019年山西省礦山開發(fā)新增損毀土地的規(guī)模、類型、空間分異特征及其擴(kuò)張模式，得出結(jié)論如下所述。

1) 2018—2019年山西省新增礦山開發(fā)損毀土地面積共計(jì)7 455.87 hm2，其中以固體廢棄物和礦山采場為主。

2) 2018—2019年山西省新增礦山開發(fā)損毀土地涉及到的礦種共計(jì)51類，其中，能源礦產(chǎn)中的煤礦新增開發(fā)損毀土地規(guī)模遠(yuǎn)高于其他礦種，其次為非金屬礦產(chǎn)石灰?guī)r，2018—2019年山西省新增礦山開發(fā)損毀土地主要是由煤礦的開采活動造成的。

3) 2018—2019年山西省從新增損毀土地規(guī)模和數(shù)量冷熱點(diǎn)分析，可以看出忻州市、陽泉市和呂梁市在規(guī)模和數(shù)量上均表現(xiàn)高值的聚集，是礦山開發(fā)新增損毀土地的熱點(diǎn)區(qū)域，該區(qū)域是今后生態(tài)恢復(fù)的重點(diǎn)治理區(qū)域，而晉南的長治市、臨汾市、運(yùn)城市、晉城市和晉北的大同市等地區(qū)是主要擴(kuò)展冷點(diǎn)區(qū)域。

4) 2018—2019年山西省礦山開發(fā)新增損毀土地類型擴(kuò)展模式以邊緣式擴(kuò)展為主、其次為飛地式，填充式擴(kuò)展的圖斑數(shù)量與規(guī)模最少。