基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃功能分區(qū)方法研究

楊博，呂新彪，魏彥芳

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北武漢430000；2.甘肅省國土資源廳，甘肅蘭州730000；3.甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅蘭州730000）

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃功能分區(qū)方法研究

楊博1，2，呂新彪1，魏彥芳3

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北武漢430000；2.甘肅省國土資源廳，甘肅蘭州730000；3.甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅蘭州730000）

開展礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃功能分區(qū)研究，對進(jìn)行差別化管理政策的制定、空間分區(qū)管理有理論和實踐意義。在分析礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃影響因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以資源條件、開發(fā)基礎(chǔ)、生態(tài)條件、區(qū)域經(jīng)濟潛能為準(zhǔn)則層的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃的指標(biāo)體系和分區(qū)體系。分析和討論了礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃分區(qū)方法，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對甘肅省礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃進(jìn)行分類研究，將甘肅省劃分為重點發(fā)展、一般發(fā)展、限制發(fā)展和禁止發(fā)展4類功能區(qū)。結(jié)果表明，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果符合實際，是對傳統(tǒng)區(qū)劃方法的重要補充。

綜合區(qū)劃；礦產(chǎn)資源；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；功能分區(qū)

區(qū)劃是從區(qū)域角度觀察和研究地域綜合體，探討區(qū)域單元的形成發(fā)展、分異組合、劃分合并和相互聯(lián)系，是對過程和類型綜合研究的概括和總結(jié)［1］。綜合區(qū)劃是人與環(huán)境系統(tǒng)研究對可持續(xù)發(fā)展的重大理論貢獻(xiàn)［2］，是當(dāng)前地域系統(tǒng)研究和全球環(huán)境變化人文因素研究的熱點［3，4］，不同部門綜合區(qū)劃研究也取得很多理論成果［5-9］。第三輪礦產(chǎn)資源規(guī)劃編制要求開展礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)、開發(fā)條件、生態(tài)約束、區(qū)域發(fā)展需求等各因素整合起來的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃研究，為分區(qū)規(guī)劃、分類指導(dǎo)礦產(chǎn)資源勘查、開發(fā)利用與保護，為礦產(chǎn)資源規(guī)劃編制提供理論依據(jù)。楊博等［10，11］已對礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃的概念內(nèi)涵、區(qū)劃體系、劃分方法等作了大量研究，提出了較重要的理論成果。候華麗等［12］將礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃體系劃分為兩級，一級為地域分區(qū)，二級為功能分區(qū)。并認(rèn)為二級區(qū)劃指標(biāo)體系應(yīng)包含礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)條件、礦產(chǎn)資源開發(fā)條件、生態(tài)條件、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平等綜合性指標(biāo)。本文擬探討礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃指標(biāo)體系、分區(qū)方法，并以縣區(qū)為基本單位，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法開展甘肅省礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃功能分區(qū)研究，為豐富和拓展區(qū)劃的方法和途徑，并為礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃分區(qū)研究和礦產(chǎn)資源規(guī)劃提供理論依據(jù)和實證參考。

1　礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃指標(biāo)體系與分區(qū)體系

1.1礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃指標(biāo)體系

綜合考慮礦產(chǎn)資源勘查、開發(fā)利用與保護全過程，可以發(fā)現(xiàn)其受到資源因素、環(huán)境因素、社會因素、經(jīng)濟因素等四個方面的影響?；谶@些影響因素，在遵循全面性與可操作性、數(shù)據(jù)可獲得性與可對比性、系統(tǒng)性和導(dǎo)向性等原則基礎(chǔ)上，構(gòu)建礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃指標(biāo)體系，從而實現(xiàn)區(qū)域劃分。其中目標(biāo)層為礦產(chǎn)資源合理開發(fā)與區(qū)劃可持續(xù)發(fā)展，準(zhǔn)則層包括礦產(chǎn)資源條件、開發(fā)基礎(chǔ)、生態(tài)條件和區(qū)域經(jīng)濟潛能等四個方面。準(zhǔn)則層又由若干指標(biāo)組成（表1）。

1.2礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃分區(qū)體系

依據(jù)礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃的定義，以及礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃指標(biāo)體系，按照區(qū)劃的目標(biāo)和功能，劃分礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃體系。根據(jù)礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃影響因素指標(biāo)分析，可以知道礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)為綜合區(qū)劃核心要素，其他如開發(fā)條件、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平等因素是綜合區(qū)劃的重要影響因素，而生態(tài)條件礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃約束性因素。因此，本文認(rèn)為礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)區(qū)劃應(yīng)該包含重點發(fā)展、禁止開發(fā)、限制發(fā)展、一般發(fā)展等四種類型區(qū)，其中一般發(fā)展區(qū)為其他三類發(fā)展區(qū)的補充，不單獨劃分。因此，礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)可劃分為：礦產(chǎn)資源重點發(fā)展區(qū)、生態(tài)保護區(qū)（禁止開發(fā)區(qū)）、限制發(fā)展區(qū)和一般發(fā)展區(qū)。

表1　礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃指標(biāo)體系

2　基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃功能分區(qū)

2.1礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃分區(qū)方法

礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃受自然、社會、環(huán)境、經(jīng)濟的綜合影響，影響因子多，難以提取主要因子，同時不同因子之間又存在一定相關(guān)性，且每個因子貢獻(xiàn)率也不同，導(dǎo)致礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃難以劃分?，F(xiàn)有比較常見的區(qū)劃分析方法有：主導(dǎo)標(biāo)志法、相關(guān)分析法、專家集成定性分析法、最終分類評價矩陣分類法［13］，逐步歸并模型定量法等［14］。朱傳耿等［15］采用最終分類評價矩陣分類法對地域主體功能區(qū)劃進(jìn)行實證研究，取得良好的成果，是目前常用的地域功能識別和劃分方法方法。劉玉邦［16］等運用主成分與聚類分析方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源高效利用綜合分區(qū)，這種方法可以避免人為的主觀確定因子的權(quán)值，同時可以消除不同因子之間的相關(guān)性干擾，但此方法也易受影響［17］，導(dǎo)致聚類中心偏移。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在區(qū)域劃分中取得了很好地效果［18-23］，但目前應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行庫上次資源綜合區(qū)劃分區(qū)的案例還未見報道。本文擬選取產(chǎn)資源條件、開發(fā)基礎(chǔ)、生態(tài)條件和區(qū)域經(jīng)濟潛能等指標(biāo)層和指標(biāo)因子，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，進(jìn)行礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃分區(qū)劃分，目的在于探索實踐定量途徑在區(qū)劃劃分中的應(yīng)用，拓展區(qū)劃的方法和途徑。

2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其理論基礎(chǔ)

2.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的研究工作始于上世紀(jì)中頁，McMulloch和Pitts首先提出神經(jīng)元的形式化模型［24］，并進(jìn)行邏輯函數(shù)運算，開啟了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論研究。經(jīng)過多年的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用研究在數(shù)學(xué)和工程學(xué)方面取得了豐碩的成果，產(chǎn)生出了諸如向前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等30多種不同類型、結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些模型又大致分為三類：前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以BP網(wǎng)絡(luò)為典型代表），反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以Hopfidld網(wǎng)絡(luò)為典型代表）以及自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（以SOFM網(wǎng)絡(luò)為典型代表）。從系統(tǒng)角度來看，BP最適合解決分類問題，因為分類問題可視為分析計算靜態(tài)的非線性映射f，BP這種前向網(wǎng)絡(luò)通過非線性處理能力可較好的逼近映射f。

2.2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的理論分析

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于BP算法的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，算法成熟，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等優(yōu)點。BP算法通過輸入、輸出數(shù)據(jù)樣本集，根據(jù)誤差反向傳遞的原理，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，其學(xué)習(xí)過程包括信息的正向傳播過程以及誤差的反向傳播這兩個過程，對其反復(fù)訓(xùn)練，連續(xù)不斷地在相對誤差函數(shù)梯度下降的方向上，對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差的變化進(jìn)行計算，逐漸逼近目標(biāo)。典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由一個輸入層、至少一個隱含層和一個輸出層組成［25］（圖1）。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬預(yù)測過程由以下四個階段組成：（1）模式順傳播過程；（2）誤差逆?zhèn)鞑ミ^程；（3）記憶訓(xùn)練過程；（4）學(xué)習(xí)收斂過程。最終形成模擬預(yù)測結(jié)果。

2.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類步驟

2.3.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

指標(biāo)因子輸入。在輸入層輸入指標(biāo)因子，本文將12個指標(biāo)層因子列為指標(biāo)因子，即基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作覆蓋率、查明資源儲量、大中型礦產(chǎn)地、年度開采總量、大中型礦山數(shù)量、可利用土地資源、可利用水資源、交通優(yōu)勢度、生態(tài)重要性、生態(tài)脆弱性、工業(yè)化階段、礦業(yè)所占比重等。

隱含層。進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)建模時，隱層數(shù)的確定至關(guān)重要。隱層數(shù)沒有強制的規(guī)定，隱層數(shù)越多，模型識別訓(xùn)練樣本的差異性越好，但計算機運行的中間過程越復(fù)雜，耗時越多，對于檢驗樣本誤差可能會增大。所以一般原則是：隱層數(shù)小于訓(xùn)練樣本數(shù)的前提下，達(dá)到精度要求時的隱層數(shù)越少越好，本文將隱含層也設(shè)為12層。

輸出層。輸出層根據(jù)研究目的而確定，筆者以農(nóng)用地的土地適宜性為輸出層。在BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每層都是用數(shù)值來刻畫，而農(nóng)用地適宜性只是一個概念性的模型，因此筆者將概念模型用數(shù)值進(jìn)行刻畫。根據(jù)礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃分區(qū)體系，綜合礦產(chǎn)資源不同功能分區(qū)，即開發(fā)強度、限制性強度和生態(tài)保護能力的高低，將二級區(qū)劃開發(fā)適宜性分為4等，4為高度適宜，3為較適宜，2為一般適宜，1為不適宜。

2.3.2訓(xùn)練樣品的選取

根據(jù)甘肅省實際，結(jié)合專家的知識經(jīng)驗，確定14個市州的12個指標(biāo)層形成的二級區(qū)劃開發(fā)適宜性指標(biāo)作為訓(xùn)練樣本，即給定14個市州二級區(qū)劃開發(fā)適宜性評分，作為實際建模選擇的樣本。

2.4研究實例

2.4.1數(shù)據(jù)分析與處理

本研究以甘肅省為對象展開實證分析，以縣區(qū)為基本單位進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理，主要針對二級區(qū)劃指標(biāo)層指標(biāo)逐一收集，數(shù)據(jù)資源主要來源于《甘肅統(tǒng)計年鑒2013年》、《2013年甘肅省國土資源公報》等。

主要針對指標(biāo)層數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一分析說明：基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作覆蓋率：引用2013年甘肅省已完成的1：5萬礦產(chǎn)遠(yuǎn)景調(diào)查圖幅和面積，并與相關(guān)縣域國土面積相比，得出各縣的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作覆蓋率；各縣查明資源儲量、大中型礦產(chǎn)地、年度開采總量、大中型礦山數(shù)量引用2013年礦產(chǎn)資源儲量年報數(shù)據(jù)；可利用土地資源引用2008年土地總體利用規(guī)劃數(shù)據(jù)；可利用水資源引用2013年甘肅統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)；各縣區(qū)交通優(yōu)勢度采用金鳳君［26］等計算方法，依據(jù)甘肅省2013年鐵路、公路網(wǎng)地理圖屬性數(shù)據(jù)計算得到；各縣區(qū)生態(tài)重要性和生態(tài)脆弱性指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于甘肅省生態(tài)功能區(qū)劃；各縣區(qū)工業(yè)化階段和礦業(yè)所占比重來源于2013年甘肅統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。

礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃指標(biāo)體系包括4項準(zhǔn)則層，12項評價指標(biāo)及項基礎(chǔ)指標(biāo)，每項指標(biāo)都有不同的量綱單位，若要對指標(biāo)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析時，就必須要消除量綱的影響，進(jìn)行無量綱化處理［27］。

圖1　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞模式

2.4.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算

在Matlab平臺下，首先錄入訓(xùn)練樣本，即14個市州的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，進(jìn)而錄入其他各縣的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)，使用newff函數(shù)創(chuàng)建級聯(lián)前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層和輸出層的神經(jīng)元采用tansig傳遞函數(shù)，隱含層與輸出層采用purelin函數(shù)，訓(xùn)練算法為trainlm。采取的訓(xùn)練精度設(shè)置為0.001。計算結(jié)果如圖2所示。

2.4.3結(jié)果分析

圖2　BP神經(jīng)法劃分的甘肅省礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃分區(qū)圖

從圖2可得，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果的空間聚集性較高，基本反映了甘肅省礦產(chǎn)資源分布的區(qū)域特征。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果為4類區(qū)域。第一類為礦產(chǎn)資源重點發(fā)展區(qū)，第二類為礦產(chǎn)資源一般發(fā)展區(qū)，第三類為礦產(chǎn)資源限制發(fā)展區(qū)，第四類為生態(tài)保護區(qū)（禁止開發(fā)區(qū)）。每一類發(fā)展區(qū)都包括若干縣區(qū)，每類發(fā)展區(qū)與所保護的縣區(qū)都有很強的相關(guān)性，如重點發(fā)展區(qū)包含：金川區(qū)、平川區(qū)、崇信縣、華亭縣等4個縣區(qū)，這些縣都是礦產(chǎn)資源儲量豐富，礦產(chǎn)資源開發(fā)強度高，礦業(yè)產(chǎn)值高的地區(qū)；限制發(fā)展區(qū)大都為礦產(chǎn)資源儲量較為匱乏，或者開發(fā)基礎(chǔ)條件較差，不適宜大規(guī)模進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)的地區(qū)；生態(tài)保護區(qū)（禁止開發(fā)區(qū)）如卓尼縣、舟曲縣、碌曲縣、肅南縣等，大都位于自然保護區(qū)，不適宜進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)。

3　討論

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃分區(qū)，你搞過預(yù)測結(jié)果和驗證分析，結(jié)果表明模型的建立與選擇是符合實際的，且有以下優(yōu)點：（1）能夠快速把握區(qū)域的分異特點，進(jìn)行大范圍的區(qū)劃工作；（2）BP網(wǎng)絡(luò)模型可以避免聚類分析的噪音影響帶來的評價誤差；（3）與專家經(jīng)驗集成的區(qū)劃方法相比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法更加客觀。但也有需要完善的地方，如典型樣本（訓(xùn)練樣本）的選擇上，有一定的主觀性；只進(jìn)行了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的分類研究，研究論證不夠全面等等。但總體上，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的礦產(chǎn)資源綜合區(qū)劃二級區(qū)劃分具有劃分層次明顯、區(qū)域分割清晰、客觀性強等優(yōu)點，是對傳統(tǒng)區(qū)劃方法的重要補充。在未來的工作中，應(yīng)該加強對因子選擇、典型樣本選取方法研究，同時要運用多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法開展分區(qū)研究，通過對不同方法的對比分析，總結(jié)出最優(yōu)區(qū)劃方案。

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［23］袁滿，劉耀林，危小建.基于模糊自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土地用途分區(qū)研究［J］.國土資源科技管理，2013，30（6）：74-80.

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（2016-01-20收稿S編輯）

The Comprehensive Regionalization Function Partition Method Research Based on BP Neural Network

YANG Bo1，2et al
（1.Faculty of Earth Resource，China University of Geosciences （Wuhan），Hubei Wuhan 430000；2.Gansu Provincial Department of Land and Resources，Gansu Lanzhou 730000，China）

Research on mineral resources comprehensive regionalization functional partition has theoretical and practical significance for differential management policy，space partition management.On the basis of analyzing the factors affecting mineral resources comprehensive regionalization，build mineral resources comprehensive regionalization secondary zoning index system and partition system based on resource conditions，development，ecological conditions，regional economic potential for rule layer.Analysis and discusses the comprehensive regionalization secondary mineral resources districts partition method.Research Gansu province comprehensive regionalization secondary division classification using BP neural network method. The Gansu province has divided into four kinds of functional areas:the key development，the general development，the limited development and the prohibited development.The results show that the BP neural network classification results are reality，it is the important supplement of traditional division method.

comprehensive regionalization；mineral resources；BP neural network；Functional partition

F426

A

1003-7853（2016）01-0066-05

甘肅省工業(yè)發(fā)展“六大行動計劃”專項經(jīng)費

楊博（1980-），男，甘肅玉門人，工程師，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）博士，從事礦產(chǎn)資源規(guī)劃研究。