露天矿区土地利用冲突的测度与预测
文章亮点
•预测了露天煤矿区土地利用冲突水平的变化
•根据矿区的特殊性，对生产-生活-生态空间进行了创新。
•CLUE-S模型与空间冲突模型空间综合测量的结合应用.
•2015年至2025年，严重失控区的主要土地利用类型将是居住空间。
主要内容
露天采煤会造成大面积的土地破坏。由于土地利用的多样性和土地利用结构的复杂性，大型露天煤矿矿区的生产-生活-生态空间存在着严重的冲突，对矿区的土地利用、人居环境和生态稳定性产生了不同程度的影响。然而，大型露天矿区考虑生产-生活-生态空间的土地利用冲突的相关研究还很缺乏，尤其是在冲突预测方面。该研究基于生产-生活-生态空间的概念，运用CLUE-S模型和马尔可夫模型对山西省平朔露天煤矿区土地利用冲突现状进行测度。在此基础上，对平朔矿区的土地利用状况进行了模拟，并对未来可能发生的土地利用冲突进行了预测。在对2025年平朔矿区土地利用冲突自然发展模式进行预测的基础上，探讨了土地利用冲突的成因及缓解措施。
2015年土地利用冲突水平轻度失控，大部分数值仍在可控范围内。从2015年到2025年，土地利用冲突水平将显著上升。轻度失控区土地利用类型将从2015年的生态生产空间、生活空间和工业生产空间向2025年的生态空间转变。在严重失控区，生存空间的冲突会显著增加。为缓解土地利用冲突，提出了优化“生产-生活-生态”空间规划、村落搬迁与乡村振兴、土地复垦等措施。该研究对于丰富矿区土地利用冲突的相关理论，提高矿区土地管理效率具有重要的理论和现实意义。
数据来源与处理
利用ENVI 5.1软件(Exelis Visual Information Solutions, USA)对遥感影像进行辐射定标、大气辐射校正和几何校正。为了保证不同时期影像具有相同的分辨率，采用最近邻重采样技术对2013年(SPOT 6)和2015年(SPOT 6)遥感影像进行重采样，重采样至30m像元。处理后的图像采用通用横向墨卡托投影，空间参照系为GSC-WGS-1984。
考虑矿区的特殊性，根据已建立的土地利用分类体系，参考已有的“生产-生活-生态空间”分类，将矿区划分为工业-生产空间、生活空间、生态空间、生态-生产空间四种空间类型。重新分类的工业-生产空间包括剥离区、倾倒区、露天矿区、工业用地。生活空间包括城市建设用地、农村聚落、交通建设用地。生态空间包括林地、草地和水域。生态-生产空间包括耕地。
在进行回归分析后，CLUE-S模型的运行需要一定的数值，在进行ROC曲线分析时，可以得到各种空间类型和驱动因素的拟合程度，为结果的可行性提供保障。为了分析所选择的驱动因素是否具有较好的揭示不同空间类型的能力，对2015年分类后的土地利用数据进行二值化并转换为ASCII码作为因变量进行Logistic回归分析。将驱动因素转换为ASCII码作为协变量，包括边坡方向、坡度、高程、离主干道最近的距离、离矿区边界最近的距离、离主要灌溉水库最近的距离、离主要河流最近的距离、人口密度。
许多方法只能测量土地利用冲突的程度，而不能突出生态环境问题，而生态风险评价更容易识别该地区的生态风险水平，该研究选择了此方法。考虑到规模、研究范围和数据类型，选择300 m *300 m的空间方形作为研究单元，该研究区共划分5955个评价单元。将测量结果归一化到0~1的范围内，得到各单元的空间冲突程度。根据各单元的空间冲突程度，将空间冲突分为稳定区(0 < SC ≤ 0.3)、控制区(0.3 < SC ≤ 0.5)、轻度失控区(0.5 < SC ≤ 0.7)、中度失控区(0.7 < SC ≤ 0.9)、重度失控区(SC > 0.9)。
模型方法
Markov model
马尔可夫模型可以预测事件及其运动的未来状态，具有稳定性和非劣效性。由于土地利用变化在一定条件下具有马尔可夫过程，因此马尔可夫模型可以很好地预测土地利用变化。马尔可夫链分析假设景观的未来状态可以通过现有和以前的景观条件的相关知识来预测。对土地利用数量变化进行预测，公式如下：
式中，S(t)为t + 1时刻的系统状态，S(t)为t时刻的系统状态，Pij为状态转移概率矩阵。
状态转移概率矩阵可表示为:
式中，n为土地利用类型个数。
状态转移概率矩阵中的元素可以表示为过渡面积与初始面积的比值:
式中，Pij为土地利用转移概率要素，Aij为一段时间内i型土地利用转化为j型土地利用的面积，Ai为i型土地利用总面积。
CLUE-S模型
CLUE-S模型适用于模拟中小尺度土地利用变化，可分为空间分配模块和非空间分析模块。空间分配模块主要基于马尔可夫模型，分布在网格系统的空间单元上，预测土地利用类型数量的变化，模拟土地利用的时空变化。非空间分析模块主要使用IBM SPSS Statistics 20.0软件，从自然、社会、经济三个方面分析土地利用变化的驱动因素，计算不同空间的需求。
CLUE-S模型通过对土地利用变化进行空间分配进行模拟。迭代方程为：
式中，Ti为单元适合土地利用类型的总概率，Pi,u为逻辑回归模型得到的空间分布概率，Iu为土地利用类型的迭代变量，Eu为根据上述土地利用转换规则设置的参数。
露天矿区的空间冲突程度可表示为：
式中，SC为空间冲突程度，P为外部空间压力，E为空间暴露度，S为空间稳定性。
Logistic回归模型
Logistic回归模型是一个因变量与多个自变量之间的多元回归关系。在该研究中，它被用来预测某一地区土地利用变化的概率。假设土地利用变化发生的概率为P，取值范围为0~1。土地利用变化不发生的概率为1-P。这个概率可以用逻辑函数来计算：
二分类logistic回归模型为：
式中，β为逻辑回归系数，x为变量，ln (P/(1−P))为一组数据出现与不出现的比率。
重要图表
基于生产-生活-生态空间的土地利用再分类结果。
各土地利用空间类型的Logistic回归方程EXP(B)值。
2015 - 2025年土地利用转移矩阵
2015年不同冲突程度下的土地利用空间类型面积
2025年不同冲突程度下的土地利用空间类型面积
重要结论
1、乡村的搬迁应与矿区的复垦政策相结合，充分考虑自然因素和社会经济因素，尽可能选择已复垦或待复垦土地上的场地。这不仅可以解决采矿活动带来的生存空间冲突问题，还可以合理解决土地资源的可持续利用问题。
2、乡村振兴战略的实施可以有效缓解生产、生活和生态空间的冲突。乡村振兴视角下的居住区布局，可以使乡村区域系统协调有序地发展。通过对农村居民点的重组和优化布局，促进土地资源的高效集约利用，改变农村“脏乱差”的现状，可以缓解居住空间与其他空间的冲突。
3、将工业生产空间作为生态空间进行复垦，扩大生态空间面积，增加生态稳定性，可以缓解生态空间拥挤带来的冲突，减少工业生产空间与生活空间的冲突。
小编说
该研究的题目为“Measurement and prediction of land use conflict in an opencast mining area”，于2021年发表于《Resources Policy》期刊，JCR Q1，IF=10.2。
引用：
Yuan Gao, Jinman Wang, Min Zhang, Sijia Li, Measurement and prediction of land use conflict in an opencast mining area, Resources Policy, 71, 2021, 101999
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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