基于遙感技術的軒崗礦區農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)

農村居民點是農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、經濟、社會發展環境下農村居民居住活動在其分布地區的反映[2-3]。研究農村居民點的空間分布格局，對于農村居民點整理規劃和統籌城鄉發展都具有重要的指導意義[4-5]。煤炭礦區農村居民點由于受到煤炭資源的開采而遭受破壞，使原本缺乏規劃[6-8]的農村居民點內部廢棄地增加[9]，有的甚至全部廢棄。因此，研究煤礦礦區農村居民點的分布規律有利于礦區農村居民點的發展規劃和土地復墾，有利于促進礦區的新農村建設，也可為采煤沉陷區的移民搬遷提供有益的參考。

在礦區農村居民點空間格局研究方面，我國的盧元清等以2009年土地利用現狀圖為基礎，對山西平朔礦區的居民點進行研究，結果表明平朔礦區農村居民點零散分布在中部和東南部地區，并且主要分布在露天礦區[10]；楊冰利用2013年遙感影像研究平朔礦區居民點，得出的結論是平朔礦區農村居民點的的分布多與地形地貌有關，農村居民點的優選區位是高程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土地利用變化進行分析，得出的結論是淮南礦區農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1986～2015年30年間的7期遙感影像數據為基礎，通過監督分類和人工目視解譯相結合的方法，研究礦區農村居民點的時空變化規律和特征，以期為采煤沉陷區移民搬遷和礦山環境恢復治理等提供理論支撐與實踐參考[13]。本研究中農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 研究區概況

軒崗礦區位于山西省寧武煤田的中部，北面是朔南礦區，南面是嵐縣礦區，地理位置為東經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)。礦區內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。礦區位于寧靜向斜的北部，發育有大量的北東向正斷層，將北部切割成零星斷塊，地質構造較為復雜，較大的斷層有陽方口斷層。

圖1 軒崗礦區地理位置

礦區總面積約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，環境污染嚴重。2006年山西省政府發布《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化煤炭產業布局、保護生態環境和促進行業安全生產[14]。但也存在一系列遺留問題，鄉鎮小煤礦是山西省煤炭資源整合的主體，它們的被整合對農村居民點變化產生很大影響。

軒崗礦區劃分為3個井田，1個勘探區和3個資源整合區。礦區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。礦區內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。礦區內城鎮有寧武縣、陽方口鎮、余莊鄉、薛家洼鄉、段家堡鄉、軒崗鎮和長梁溝鎮。

2 研究基礎和技術方法

2.1 基礎數據和資料

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，成像質量好，數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(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據，包括礦區矢量圖、礦區煤炭開發利用現狀圖、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數據產品，已經過系統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據的大氣校正中。再用軒崗礦區矢量圖分別裁剪經過大氣校正的7期遙感影像，提取研究區影像。

然后，利用ArcMap10.2軟件首先對2015年遙感影像進行監督分類，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年農村居民點，生成礦區農村居民點矢量圖[17-18]。以此為基礎，人工解譯其余影像農村居民點。統計每個居民點在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。若擬合函數自變量系數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查的方法，對提取出的2000年農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年農村居民點中選取50個居民點進行實地調查，經調查發現有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計，與提取出的農村居民點相應面積進行對比，得到面積精度為83%。

3 數據分析與特征研究

3.1 農村居民點數量變化情況分析

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

圖2 1986～2015年軒崗礦區農村居民點數量變化

在整個研究期間都存在的農村居民點共135個。不同研究時段農村居民點數量的變化情況如表1、圖3所示。1986～1900年增加3個居民點，結合圖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，在一定程度上促進居民點數量的增加。1990～1994年沒有發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的發展，使一些居民點自發聚集在此。2000～2006年沒有發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裂縫、塌陷等地質災害，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。這些地區隨著煤炭資源的大量開采，采空區面積逐年擴大，不利于礦區農村居民點的發展。

圖3 1986～2015年不同時間段軒崗礦區

表1 1986～2015年不同時間段軒崗礦區農村居民點數量變化

3.2 農村居民點面積變化分析

如圖4所示，1986～2015年軒崗礦區農村居民點總面積呈現先增加后減少的變化特征。1986～2000年居民點總面積呈增加態勢，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年軒崗礦區農村居民點總面積變化

對整個研究期間都存在的農村居民點面積變化進行分析，其中發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西部北辛窯井田和勘查區。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，這說明農村地區交通基礎設施建設的不斷加快，對沿線農村居民點的發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東200 m處，這表明城鎮的快速發展對周邊居民點有較好的帶動作用。城鎮化的發展使大量勞動力聚集到該地區，從而不斷加大對城鎮周圍住房的需求，使城鎮周圍農村居民點用地規模也逐漸擴大。

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

面積顯著減小的居民點主要集中在礦區北部二號資源整合區和中南部劉家梁井田、焦家寨井田。礦區北部二號資源整合區是煤礦密集區，除煤炭開采沉陷對農村居民點的不利影響外，煤炭資源整合也是一個影響因素。鄉鎮小煤礦的被整合一方面使原來煤礦為農村公益事業和公共基礎設施建設提供的資金出現缺口，另一方面使當地一批村民失去在煤礦工作的機會，加劇村民外出務工數量，不利于礦區農村居民點的發展。

4 研究結論

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

(1)1986～2000年軒崗礦區農村居民點數量呈緩慢增加趨勢，2000～2010年居民點數量保持不變，2010～2015年居民點數量顯著減少。其中，1986～1900年增加3個居民點；1990～1994年沒有發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年軒崗礦區農村居民點總面積呈先增加后減少的趨勢。1986～2000年呈增加態勢，2000～2015年呈減小態勢。面積顯著增加12個居民點，主要分布在礦區西部北辛窯井田和勘查區；面積顯著減小25個居民點，主要集中在礦區北部二號資源整合區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、區域的交通發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居民點時空格局變化的主要因素。城鎮和交通的快速發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濟發展的同時，對礦區居民點產生一些不利影響。煤炭采空區面積的逐年增大，造成大量居民住宅受損；煤炭資源整合加劇村民外出務工，減少農村基礎建設資金來源，這些都不利于當地居民點的發展。

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，對一些較小農村居民點的解譯存在困難，在測算居民點數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，因為農村人口遷徙和居民點的變化影響因素很多。