基于GIS的煤矿区景观格局时空变化特征探讨

　景观结构是指景观的组分构成及其空间分布形式[1]，景观是一个具有一定结构和功能的整体，但是景观的结构易受到外界干扰或者自然演替的作用而呈现出动态的变化[2]，所以我们通过对区域的景观动态研究，可以准确把握景观格局的变化。
　　煤矿开采分为露天开采和井工开采两大类，二者都对地表景观的干扰作用具有很大的贡献，其中井工开采可以导致地表沉陷、积水、原有地表水域消失等后果，同时，人工复垦也对景观的改变起很大作用，我们如何寻求在煤矿开采中使得生态环境和经济、社会的发展相均衡就成为了一个大家所关注的焦点，而通过GIS的方法对矿区景观格局动态变化的清晰掌握给我们提供了一个很好的研究手段。
　　1 研究区概况及研究方法
　　1.1 研究区概况
　　煤矿区位于呼伦贝尔市西部，海拉尔河下游西南，地理坐标为东经117°44′01 ″～117°49′58″，北纬49°25′38 ″～49°28′45″，行政区划隶属内蒙古自治区满洲里市扎赉诺尔区，西距满洲里29km，东距海拉尔160km。
　　研究区属中温带大陆性气候，冬季漫长寒冷，夏季温凉短促，降水集中，春秋两季气候多变，降水少，多大风。日照充足，日照时数可达4453h，年平均气温-0.1℃，极端最低气温-42.7℃，极端最高气温40.1℃，年降水量319mm，蒸发量1405.5mm，年平均湿度5.4hPa，年平均风速4.2m/s，最多风向为西北风。
　　1.2 研究方法
　　1.2.1 数据来源及预处理
　　本次研究选用该煤矿1989年、1999年的TM影像和2012年的资源三号遥感影像，类比分析采煤沉陷对地表生态景观的影响。TM影像轨道号：124/26，时间分别为1989年8月5日和1999年8月25日，空间分辨率30m；资源三号卫星影像轨道号：5/101，时间为2012年9月21日，空间分辨率5.8m。
　　影像的预处理包括大气纠正、几何纠正、投影变换，图像增强等。
　景观分类系统参照全国土地利用分类方法并结合研究区具体情况，将该区域景观分为耕地、草地、林地、水域、道路、工矿、城镇和未利用地8种类型。
　　利用ARCGIS软件进行影像目视解译，之后汇总分析数字化结果。图 1 研究区不同时段遥感影像图
　　1.2.2 景观指数选择与计算
　　景观格局采用斑块类型水平指数和景观水平指数两个层次进行分析。结合区域的特点，主要选用景观/斑块类型面积（TA/CA）、斑块所占景观面积的比例（PLAND）-简称“斑块指数”、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、总边缘长度（TE）、边缘密度（ED）、香农多样性指数（SHDI）、蔓延度指数（CONTAG）等指数来进行分析。
　　景观指数计算采用Fragstats4.1软件实现。
　　2 矿区景观特征动态变化分析
　　据Fragstats4.1软件分析计算的三个时段各景观类型的各景观指数可以显示（见表1、表2、表3）出研究区景观类型在空间上的动态变化及它们之间相互转移的基本情况。
　　2.1 矿区各斑块类型水平景观格局变化分析
　　2.1.1 耕地景观特征分析
　　耕地的斑块类型面积和斑块指数逐时期增加，耕地面积从1989年的152.9235hm2到1999年的233.4887hm2，再到2012年的276.6141hm2；斑块指数由1989年的7.0998%增加至1999年的10.8402%，到2012年增加到了12.8424%，主要原因是后期土地复垦转化为耕地，斑块水平上的优势度有所增强；斑块密度、总边缘长度和边缘密度值呈现先上升后下降的趋势，说明景观中不同斑块之间物质、能量和物种交换的潜力及相互之间影响强度降低，对周围不同类型斑块的边缘效应减弱。
　　2.1.2 草地景观特征分析
　　草地的斑块指数、斑块类型面积和边缘密度仅次于未利用地和水域景观，说明草地景观异质性斑块之间物质、能量和物种交换较频繁，相互之间影响强度较高。其边缘密度和斑块密度从1989年至1999年明显减小，至2012年明显增大，主要因为1989年至1999年之间采矿导致草地的破碎度有所增大，草地与耕地、水域、城镇、工矿、林地等各种景观斑块的物质、能量等之间的影响程度加大，同时导致草地内部的生态稳定性降低。但从1999年至2012年之间随着土地复垦力度的增强，情况有所缓解。同时，草地的斑块指数和斑块类型面积也逐渐减小，说明由于人为因素的干扰，其间物种、能量和养分等信息流降低，景观中的优势种等生态特征减弱。
　　2.1.3 水域景观特征分析
　　水域景观的斑块类型面积和斑块指数在三个时期呈大幅下降趋势，主要由于采矿等人为活动及土地复垦的影响使得水域面积减小，但是其边缘密度逐时期增大，主要是水域景观破碎度增大，水域与道路、城镇、耕地、工矿等各种景观斑块的物质、能量等之间的影响程度加大，这也导致其内部的生态稳定性降低。同时水域的连通度降低，是由于采矿造成该斑块面积减小，导致斑块稳定性降低，受外界斑块干扰度增强，使得斑块内部的物质、能量及信息的交换减弱。
　　2.1.4 道路景观特征分析
　　道路景观的斑块类型面积和斑块指数随着人类生产活动的加强，道路数量及长度的增长从1989年至2012年呈上升趋势，其最大斑块指数呈先升高后下降的趋势，说明由于采矿等经济活动，道路建设力度加大，1999年道路斑块在全部景观类型中的优势度提高，但到了2012年，虽然斑块类型面积增大，但最大斑块数指数减小，说明道路景观对其他景观类型的扰动减小。
　　2.1.5 工矿景观特征分析
　　工矿景观的斑块类型和斑块指数在1989年到1999年期间增长不明显，但从1999年至2012年间却大幅增长，这是基于后一时期采矿工程规模的迅速扩张，工矿范围既有在原有采矿范围的基础上扩大的部分，也有新增的辅助工矿景观，导致其斑块类型面积和最大斑块指数逐年增大，斑块水平上的优势度提高。随着斑块类型面积的增加，尤其是1999年至2012年期间，使得斑块之间的信息交换增强，工矿区域同类斑块之间的连通度增加，其间的物种、能量和养分等信息流动加快，边缘效应加强。这些指数的增加都反映出了人为因素干扰的强度和频率的增加，反映了一定的人类活动方向和强度。
　　2.1.6 城镇景观特征分析
　　城镇的斑块类型面积逐时期减小，尤其在1999年至2012年间，呈大幅缩小状态；最大斑块指数和边缘密度呈波动 状态，这是由于采矿造成周边居民点房屋破坏，不得不改建、搬迁，城镇面积随人口增加及土地整理呈现出变化，同时，由于部分居民迁至矿区外，使得城镇景观的斑块面积和最大斑块指数减小，斑块之间的信息交换减弱，连通度减小。
　　2.2 矿区景观水平变化分析
　　（1） 香农多样性指数（SHDI）可以直观的反映景观多样性，景观多样性可以指出景观组分的多少和各景观组分所占比例的差异，一般香农多样性指数的值越大，表明景观内各组分所占比例越均匀[3]。由表4可示，矿区的SHDI从1989年的1.6369增加到1999年的1.6823，到2012年又减少至1.6536，但是，总体上多样性指数是增加的，从1989年到2012年共增加了0.0167，主要原因是原来占大部分面积的草地、水域被耕地、未利用地、工矿所替代，林地在整个过程中因土地复垦有所增长。所以是以草地、水域、未利用地为主导的区域景观格局变化为以耕地、草地、未利用地为主的景观格局。期间草地、水域、城镇面积持续减小，耕地、道路、工矿和未利用地面积持续增加，究其原因，是煤矿开采和道路建设占用草地，同时也使未利用地面积大增；而水域在人类活动中逐渐变为湿地，最后和部分荒草地通过复垦变为耕地。各景观类型面积之间有所均衡，各组分之间的比例差异不断缩小，生物生境趋于多样化，造成了多样性指数上升。
　　（2）蔓延度是描述景观格局最重要的指数之一，高蔓延度值说明景观中的某种优势斑块类型有良好的连接性，低蔓延度值则说明景观是具有多种要素的密集格局，斑块分散，破碎化程度高度指数从1989年至2012年持续降低，且其边缘密度呈现逐时期上升趋势，说明整个景观格局的景观异质性增加，破碎化加剧，主要是因为煤矿开采及其附属的人类活动使得原本较大面积的斑块类型的部分区域被其他景观类型取代，或者由于交通道路的修筑，使得整体景观连接性降低，景观破碎化程度加大。
　　3 结论
　　通过对矿区景观类型各参数的变化比较，我们可知20多年来，因采矿造成的塌陷及人工复垦的影响，矿区景观类型由1989年的水域、草地、未利用地为主导变为2012年以草地、耕地、未利用地为主导的区域景观，其中因人类社会经济活动和人工复垦导致工矿景观、道路景观、林地景观和耕地景观面积增加，而原来占绝对优势的水域景观面积则大幅减小。
　　随着煤炭资源的开采，地表逐渐沉陷，我们需要通过对地表沉陷土地复垦和生态恢复，引导区域景观的合理优化，实现区域内资源的有序配置，在区域开发的同时保障生态功能的正常发挥。
　　参考文献
　　[1]傅伯杰等.景观生态学原理及应用[M].北京：北京科学出版社，2001.
　　[2] 李幸丽，高均海.基于GIS的采煤沉陷区景观格局动态变化研究[J].矿山测量，2009.（4）：57-63.