・７９・ 大型露天矿区土地利用类型动态变化分析 夏仲远，马从安，赵守鹏 （中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州２２１１１６） 摘要：选取矿区的Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ影像为基础资料，在ＥＲＤＡＳ ＩＭＡＧＩＮＥ遥感图像处理软件中对其进行几 何处理和主成分分析，并按照原地貌、采掘区、剥离区和复垦区４大类型建立研究区的土地利用类型图。运用 ＡｒｃＧＩＳ地理信息系统软件，得到研究区详细的土地利用类型转变数据，依据数据建立了单一土地利用类型动 态度、线性回归方程以及综合土地利用类型动态度３个分析模型，进而为大型露天矿区的生态重建提供决策 支持。 关键词：土地利用类型；ＴＭ影像；遥感；地理信息系统；分析模型 中图分类号：ＴＤ ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—９８１６（２０１１）０２—００７９—０３ Ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｎｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｏｐｅｎｃａｓｔ ｍｉｌｌｉ ａｒｅａ ＸＩＡ Ｚｈｏｎｇ－ｙｕａｎ，ＭＡ Ｃｏｎｇ－ａｎ，ＺＨＡＯ Ｓｈｏｕ－ｐｅｎｇ Ｚ ｏｆＭｉｎｅｓ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＭｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｌａｎｄｓａｔ－－ＴＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ １ａｒｇｅ ｏｐｅｎｃａｓｔ ｍｉｎｅ．ｗｉｔＩｌ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ＥＲＤＡＳ ＩＭＡＧＩＮＥ，ｌａｎｄ ｗｅｒｅ ｃｌａｓｓｉｉｆｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｌａｎｄｆｏｒｍ ａｒｅａ，ｅｘｃａｖａｔｅｄ ８地ａ，ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ ａｒｅａ ａｎｄ ｌａｎｄ ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｔｏ ｇｅｔ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅ ｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄａｔａ ｏｆ ｌａｎｄ ＵＳｅ ｃｈａｎｇｅ，ｗｈｉｃｈ Ｗａｓ ｇｏｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＡｒｅＧＩＳ，ｔｈｒｅｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｉｎｇｌｅ ｌａｎｄ ＵＳｅ ｔｙｐｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｄｅｇｒｅｅ，ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｌａｎｄ ＵＳｅ ｔｙｐｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｄｅｇｒｅｅ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌｒａｇｅ ｏｐｅｎｃａｓｔ ｍｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ；ＴＭ ｉｍａｇｅ；ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ；ＧＩＳ；ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌｓ 天煤矿开采的相对缓慢性，相邻两期ＴＭ影像的时 露天开采具有经济效益好、成本低、效率高、安 间间隔应在５年或５年以上。选取当地１：１０ ０００或 全系数高的优点，但随着开采的进行，矿区土地利用 者更高比例的地形图和研究区的施工ＣＡＤ图。 类型发生剧烈转变，对周围生态环境的影响十分显 ３资料处理 著，土地复垦与生态重建已经成为露天矿区生态环 ３．１几何处理 境规划中的重要研究内容。国内基于遥感影像，运用 地理信息系统技术对大型露天煤矿进行土地利用类 运用直方图均衡法和线性拉伸法对Ⅳ期的ＴＭ 型转变的研究多集中在影像的处理方法上，而立足 影像进行数据处理。接下来再采用高斯一克吕格投 于整个技术的系统研究以及模型建立还很少。本文 影空间为校正空间，结合当地１：１０ ０００或者更高比 放眼全局，对最开始研究资料的选择、处理，到最后 例的地形图，运用地形图到图像的方式分别对所选 分析模型的建立、分析进行了系统、通用性的研究。 Ｊ７、ｒ期遥感图像进行几何精校正。具体步骤如下： （１）采用软件ＥＲＤＡＳ ＩＭＡＧＩＮＥ，在ＴＭ影像中 ２资料选择 以采掘区、排土场、工业广场、剥离堆垫区、原地形地 貌和采煤坑口等２２个较为明显的地物点来确定地 选取所研究大型露天矿区的两期或两期以上的 面控制点。 Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ影像，计为ＴｉｍｅＩ、Ｔｉｍｅ２…Ｔｉｍｅ￣。由于露 （２）应用最邻近距离重采样和多项式校正２个 收稿日期：２Ｏ１ｏ－１ｌ—ｌＯ 模型对初始图像实施几何精校正。 作者简介：夏仲远（１９８７一），男，河南濮阳人，中国矿业大 （３）通过研究区边界矢量图确立兴趣区，接下来 学矿业工程学院管理科学与工程０９级硕士研究生，研究方 建立掩膜Ｍａｓｋ，和经过几何校正的遥感图像进行运 向为矿山管理系统、工业工程。 算，获得研究区的Ｔｉｍｅｌ、Ｔｉｍｅ：…Ｔｉｍｅ ，Ｎ期ＴＭ影像。 ・８０・ 露天采矿技术 ２０１１年第２期 实现数据压缩、突出主要信息、影像增强的目的。下 面以这期的ＴＭ影像为例，具体步骤如下： （１）通过软件ＥＲＤＡＳ ＩＭＡＧＩＮＥ对ＴＭ影像各 ３．２对ＴＭ影像进行主成分分析 ＴＭ影像是一种多光谱图像，各波段之间具有相 关性，这也决定了各波段之间拥有一定的冗余信息。 运用主成分分析（ＰｃＡ，ＰｒｉｎｅｉｐＭ Ｃｏｍｏｎｅｎｔｓ ＡｎＭｙｓｉｓ） 个波段的主成分及其相应的特征向量进行计算，得 到研究区ＴＭ影像的前３个主成分（ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３） 方法可除去这些冗余信息。主成分分析也称Ｋ—Ｌ （Ｋａｒｈｕｎｅｎ—Ｌｏｅｖｅ）变换，主成分变换将多波段的影 的特征值和特征向量，如表１所示。 表１中，特征值在所有成分特征值的总和所占 像信息压缩到几个更有效的少数几个转换波段上， 表１ １ ｅⅡ时期ＴＭ影像主成分分析的特征值与特征向量 比例即为该成分的贡献率，贡献率依次递减。通常情 变化状况，亦可确定土地利用变化的位置和详细属 况，（Ｃ１＋ｃ２＋Ｃ３）＞９０％，能够代表原始影像的所 性，并能获得详细的土地利用类型转变数据。 有信息量。 ４．１单一土地利用类型动态度 （２）分别对３个主成分（Ｐｃｌ、ＰＣ２、ＰＣ３）的各个 通过软件Ａｒｃ（ｉＳ可以得到研究区内各种土地 波段（ＴＭ１、ＴＭ２…ＴＭ７）的特征向量进行比较分析， 利用类型的面积，进而得到所选２个时期（Ｔｉｍｅ．１、 得到每个主成分中起主导作用的某几个波段。 Ｔｉｍｅ￣）的土地利用结构表，如表２所示。 （３）对主导波段信息进行分析。ＴＭ影像中每个 表２土地利用结构 波段都反应了２２个地物点中的一个或多个的特定 属性信息。通过对上面得到的主导波段信息分别进 行属性分析，得到研究区的主要地物特征信息。 综上，经过主成分分析过的ＴＭ影像揭示了露 天矿区的地物特征信息，接下来可对矿区地物类型 变化状况进行准确、大范围、快速地动态监测。 ３．３生成土地利用类型图 通过软件ＥＲＤＡＳ ＩＭＡＧＩＮ分别对研究区 Ｔｉｍｅ。、Ｔｉｍｅ：…Ｔｉｍｅ Ｎ期ＴＭ影像进行主成分分析， 运用人机交互解译与监督分类相结合的方法，将土 为反映研究区用地面积的变化幅度、速度和土 地类型按照原地貌、采掘区、剥离区和复垦区４大类 地利用结构的变化，引入单一土地利用类型动态度， 型（依次编号为１、２、３、４）进行分类处理，每个类型中 反映矿区土地的空间变化。单一土地利用类型动态 包含特定的主要地物点，进而获得研究区Ⅳ个时期 度反应了在一定时间段内研究区的某种土地利用类 的土地利用类型图。 型的面积变化情况，其表达式为： ４建立分析模型 ｋ 二盟Ｘ １００％ （１） 。运用软件Ａｒｃ（ＩＳ，将研究区Ⅳ个时期的ＴＭ影 ｆ＝ ｘ— ×１００％（２） 像生成的土地利用类型图进行矢量化编辑，并赋予 』 不同土地利用类型特定的属性数据。根据分析需要， 式中，ｋ；为第 种土地利用类型在Ｔｉｍｅ 到 在Ⅳ个时期中选择２个（假设为Ｔｉｍｅ小Ｔｉｍｅ ），通过 Ｔｉｍｅ￣时段内的变化率，ｋ 是研究区第 种土地利用 软件ＡｒｃＧＩＳ对这两期的土地利用类型图进行叠加， 类型在Ｔｉｍｅ 到Ｔｉｍｅ以时间段内的动态度，ＡＴ＝ 进而形成土地利用变化斑点图。新生成的数据层即 Ｔｉｍｅ 一Ｔｉｍｅ ，当ＡＴ的时段单位设为年时，ｋ 的值 可揭示研究区在该时间段内的土地利用类型的动态 就成为研究区第ｉ种土地利用类型的年变化率。 ・８１・ ４．２线性回归方程 通过对表２中各个土地利用类型面积的变化分 ∑∑ ／ ， ｉ＝ｌ ． 析，可建立第ｉ种土地利用类型面积Ｉｓ和时间 的 线性回归方程，如表３所示： ｓ＝ ＋ （３） ｃ＝ ｝一×’＇ｒ’ ×１一‘ ００％ （４） ２ 式中， 是Ｔｉｍｅ 时第 种土地利用类型面 表３不同土地利用类型面积的线性回归方程 土地类型 回归方程 原地貌 ｓ＝ ｚ－ 采掘区 ｓ＝ ｚ． ● ● 剥离区 ｓ＝！ ｒ＋ 复垦区 ｓ＝ ＋ 注：时间变量 的取值是开采的年限，以研究区Ｔｉｍｅ，ｌ开始为 基准０， 面积，ｋｍ２。 ４．３综合土地利用类型的动态度 通过软件ＡｘｃＧＩＳ，将和两期土地利用类型图进行 叠加后，获得研究区两个时期不同土地利用类型的 转移情况及其变化值，如表４所示。 表４研究区不同时期土地利用类型转换面积 时间段变化前 — 善警旦 丽变化前 原地貌 １． ７／，￣ｐｌ３ 妒ｌ２ 。Ｉ＿ｏ ∑ｙＬ￣／ 采掘区 ＝ｏ ７／，￣ｐ２１ ∑ Ｔｉｍｅ￣ ’ 至 剥离区 ｙＬ￣＝０ ３２ 锄’ ∑ Ｔｉｍｅ￣ ，一・１ 复垦区ｙ／￣Ｍ＝０ 妒４２ ｙ／，ｃｐ４１ ∑ ， 变化后Ｅ ∑ ∑ ∑ｙ／．４ｏ￣１∑∑ 表中ｙＬ￣ 为土地利用类型区 在该时间段内 变化成土地利用类型区－『的面积的绝对值，其中ｉ＝ １、２、３、４，．『＝ｌ、２、３、４。综合土地利用类型动态度反 映的是不同土地利用类型之间转换的总体幅度，其 表达式为： 积， 是检测时段内第 种土地利用类型转为第．『 类土地利用类型面积的绝对值；ＡＴ＝Ｔｉｍｅ￣一 Ｔｉｍｅ ，当ＡＴ的时段单位设为年时，ＬＣ为研究区在 Ｔｉｍｅｄ到Ｔｉｍｅ￣时段内的年度综土地利用类型动 态度。 ． ５结论 本研究选取大型露天矿区的＾ｒ期Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ 影像为基础资料，设计了大型露天煤矿土地利用类 型时空转变的详细分析步骤，成功建立了单一土地 利用类型动态度、线性回归方程以及综合土地利用 类型动态度３个分析模型。模型可以准确的反映矿 区各种土地利用类型的空间变化趋势、面积和时间 的线性关系以及整个矿区土地类型转变的幅度和趋 势，为大型露天矿区的土地复垦、环境规划和生态重 建提供了基础数据支持。 参考文献： ［１］莆天宏，娄雅斌．ＧＩＳ采用高斯一克吕格地图投影技术的 研究［Ｊ］．鞍山师范学院学报，２００８，（２）：３８＿４１． ［２］杜培军，郭达志．ＧＩＳ支持下遥感图像中采矿坍塌地提取 方法研究［Ｊ］．中国图象图形学报，２００３，（２）：２３１—２３５． ［３］刘永昌，张平，严卫东．基于ＫＬ变换的’ＩＭ图像变化 信息提取方法［Ｊ］．计算机工程与应用，２００２，（４）：６９－７１． ［４］李琳，袁春，周伟，等．平朔露天矿区土地利用， 覆盖变化分析［Ｊ］．资源与产业，２００７，（３）：５－９． ［５］胡振琪．土地利用与生态重建［Ｍ］．徐州：中国矿业大学 出版社。２００８． ［６］王青，王知静．露天开采整体优化：理论、模型与算法 ［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２０００． ［７］张海霞．ＲＳ、ＧＩＳ支持下干旱半干旱荒漠区采煤队土地生态 环境的影响规律研究［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社。 ２Ｏ０８．
