基于RS和GIS的礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價

高 鵬，陳美智，陳云潔

(1.龍巖學院資源工程學院，福建龍巖 364012；2.龍巖市中正測繪有限公司，福建龍巖 364012)

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基于RS和GIS的礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價

高 鵬1，2，陳美智1，陳云潔1

(1.龍巖學院資源工程學院，福建龍巖 364012；2.龍巖市中正測繪有限公司，福建龍巖 364012)

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，資源消耗日益增長，導致礦山開采的規(guī)模、強度、深度不斷加大，環(huán)境破壞越來越嚴重。這不僅制約了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，也引發(fā)了許多環(huán)境生態(tài)問題。本文以漳平鐵礦為研究區(qū)，通過先進的遙感與地理信息技術(shù)，將不同礦山環(huán)境評價方法進行對比，分析網(wǎng)格法、自然邊界法的優(yōu)缺點，采用網(wǎng)格法與自然邊界法相結(jié)合的方法，對研究區(qū)進行地質(zhì)環(huán)境評價，取得了較好的評價效果，為研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理與保護提供科學依據(jù)。

礦山地質(zhì)環(huán)境；綜合評價；遙感；地理信息系統(tǒng)

礦產(chǎn)資源是人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它的開發(fā)利用促進了社會經(jīng)濟發(fā)展，提高了人民生活水平。但在對礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中，環(huán)境破壞越來越嚴重。礦區(qū)具體的生態(tài)環(huán)境問題為：因露采形成的不穩(wěn)定臺階和斜坡引發(fā)的泥石流、山體滑坡；因硐采形成的采空區(qū)造成地面塌陷、地表裂縫；礦物的開采過程中，有大量的廢氣、粉塵的排放，造成水體、植被、空氣的污染；礦物的堆場及開采遺留的礦渣、廢石、尾礦不僅占用大量土地，而且經(jīng)雨水的淋濾導致大氣及水體的污染等[1]。

隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)規(guī)模不斷擴大，礦山環(huán)境問題日益顯現(xiàn)，嚴重制約了礦區(qū)城市的可持續(xù)發(fā)展。中華人民共和國國土資源部于2007年5月21日、2009年3月2日相繼發(fā)布了《礦山環(huán)境保護與綜合治理方案編制規(guī)范(DZ/T223—2007)》[2]《礦山地質(zhì)環(huán)境保護規(guī)定(中華人民共和國國土資源部令第44號)》[3]，相關(guān)規(guī)范規(guī)定的制定使對礦山地質(zhì)環(huán)境的評價、治理與保護有了依據(jù)，也使公眾、企業(yè)、政府對礦山環(huán)境的保護規(guī)劃更加關(guān)注與重視。為了合理地整治礦山環(huán)境并對其進行保護，需要對礦山地質(zhì)環(huán)境進行有效評價，全面準確地掌握礦山開采對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響的程度。本文通過對比分析礦山地質(zhì)環(huán)境相關(guān)評價方法，結(jié)合研究區(qū)礦山環(huán)境現(xiàn)狀，利用遙感影像及礦權(quán)核查數(shù)據(jù)，著重探討利用網(wǎng)格法結(jié)合自然邊界法的評價方法對研究區(qū)進行評價，為研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境治理及保護提供有利的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)

選擇漳平鐵礦礦區(qū)為研究區(qū)，研究區(qū)面積為328.93 km2。該研究區(qū)屬于亞熱帶氣候，氣候溫和濕潤，降水豐富。此處山多，林業(yè)資源豐富，土壤肥沃，適宜各種林木的生長。礦區(qū)由于常年的大量開采，山體已經(jīng)大部分被開采成中空狀態(tài)，造成蔗頭山潛在地質(zhì)災害嚴重，山體滑坡隨時有可能發(fā)生。為了較精確地獲取研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價相關(guān)參數(shù)，本次研究選取Rapid Eye高分辨率多光譜遙感影像(2011年7月8日)作為數(shù)據(jù)源。

2 綜合評價方法

2.1 自然邊界法

自然邊界法是根據(jù)研究區(qū)的相關(guān)情況，把整個研究區(qū)分成若干等級不同的區(qū)域，對研究區(qū)構(gòu)建評價模型，選擇評價因子，將每個評價因子作為一個邏輯層，從相關(guān)數(shù)據(jù)中提取各評價因子并對其進行評價，然后根據(jù)各評價因子的評價結(jié)果，通過GIS軟件進行空間疊加分析與屬性運算得出各區(qū)域的綜合評價分值，實現(xiàn)相關(guān)礦山地質(zhì)環(huán)境等級的提取[4]。

2.2 網(wǎng)格法

網(wǎng)格法是根據(jù)研究區(qū)的評價尺度要求，將研究區(qū)劃分成規(guī)則形狀的網(wǎng)格。研究區(qū)的評價轉(zhuǎn)化成對各個網(wǎng)格的評價。評價出各格網(wǎng)的礦山地質(zhì)環(huán)境等級，通過插值分析得出整個研究區(qū)評價結(jié)果的方法[5-7]。

2.3 自然邊界法與網(wǎng)格法的對比

自然邊界法按照評價指標從縱向角度對研究區(qū)域進行分解，然后通過GIS軟件對研究區(qū)域進行疊加分析，實現(xiàn)研究區(qū)等級的提取。而格網(wǎng)法對研究區(qū)從橫向的角度進行分割，將研究區(qū)分割成地質(zhì)環(huán)境較均一的較小評價單元，然后通過各小單元的插值分析實現(xiàn)整個區(qū)域的評價。兩種方法各有特點，具體情況如表1所示。

表1 礦山環(huán)境評價方法特點對比表

2.4 評價方法的選擇

通過以上兩個方法的對比分析可知，網(wǎng)格法的突出特點是體現(xiàn)的信息量大，發(fā)展趨勢預測較好，但與實際地物邊界的吻合程度差；而自然邊界法的突出特點是體現(xiàn)的信息量一般，發(fā)展趨勢預測較差，但與實際地物邊界的吻合程度好。為了充分利用二者的優(yōu)勢，本次研究區(qū)根據(jù)已收集到的材料，按照福建省礦山環(huán)境評價項目的要求，將網(wǎng)格法與自然邊界法有機結(jié)合進行綜合評價。在網(wǎng)格法的基礎(chǔ)上，利用自然邊界法劃分的邊界代替網(wǎng)格法劃分邊界。

3 評價技術(shù)方案

3.1 方案設計的思想

依據(jù)影響礦山地質(zhì)環(huán)境的相關(guān)特征,尋求表征特征的自然地理因素、基礎(chǔ)地質(zhì)因素、礦山開發(fā)因素等相關(guān)參數(shù)，對其進行定性或定量化表達，建立綜合評價指標體系，評價礦山開采對地質(zhì)環(huán)境的影響程度。

3.2 綜合評價指標體系的建立

為實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境的合理科學評價，必須建立一套科學、系統(tǒng)、完備、實用的合理評價體系。礦山地質(zhì)環(huán)境影響因素眾多，并且相互聯(lián)系、相互制約。通過分析影響礦山地質(zhì)環(huán)境的相關(guān)因素，并參考《礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復方案編制規(guī)范》(DZ/T223-2009)相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)礦區(qū)現(xiàn)狀，運用層次分析的方法建立三層式的指標體系結(jié)構(gòu)，即頂層結(jié)構(gòu)、中層結(jié)構(gòu)、底層結(jié)構(gòu)。(1)頂層結(jié)構(gòu)。此層也稱為目標層，即礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價層。(2)中層結(jié)構(gòu)。此層以影響礦山地質(zhì)環(huán)境的主要因素作為評價指標，主要包括自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、礦山開發(fā)三方面。(3)底層結(jié)構(gòu)。底層結(jié)構(gòu)是對中層結(jié)構(gòu)目標的細分，根據(jù)影響礦山地質(zhì)環(huán)境的各個可以定性或者定量因素，選取8個具體化的評價指標，并且給出了具體的評分標準及分值，具體情況如表2所示。

表2 礦山環(huán)境評價指標一覽表

3.3 礦山地質(zhì)環(huán)境的評價

3.3.1 指標權(quán)重的確定

根據(jù)各因子在礦山環(huán)境評價中的重要程度，結(jié)合專家意見及評價經(jīng)驗對各底層指標進行權(quán)重賦值，具體賦值情況如表3所示[8-9]。

表3 礦山環(huán)境評價中各因子的權(quán)值

3.3.2 綜合評價分值計算及環(huán)境等級的確定

礦山地質(zhì)環(huán)境分值的計算采用如下公式：

F=W1×F1+W2×F2+W3×F3+W4×F4+W5×F5+W6×F6+W7×F7+W8×F8.

對研究區(qū)進行計算分值后結(jié)合影像，根據(jù)分值計算結(jié)果，將礦山環(huán)境評價得到的分值分為四級，每級的名稱和對應的分值區(qū)間如表4所示[10]。

表4 礦山地質(zhì)環(huán)境分級方案

3.4 資料收集

為了有效地獲取評價因子，構(gòu)建評價體系，主要收集研究區(qū)遙感影像、地形圖、DEM數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖以及礦山開發(fā)資料、降雨量資料、地質(zhì)災害調(diào)查成果資料。

4 研究區(qū)的評價

4.1 遙感影像預處理

本文選取研究區(qū)Rapid Eye遙感衛(wèi)星影像，圖像的預處理主要包括輻射校正、幾何校正、圖像融合、圖像鑲嵌和圖像的裁剪等[11]。

4.2 評價因子的獲取

4.2.1 居民地密度因子的提取

利用ArcGIS軟件，通過研究區(qū)內(nèi)地形圖及遙感影像資料，獲取居民地分布圖。從數(shù)據(jù)庫中導出地類圖斑，將研究區(qū)涉及的地類圖斑復制到一個圖層，再將圖斑進行合并，按研究區(qū)范圍裁切地類圖斑，在屬性表中添加相應的“居民地密度”字段，將城鎮(zhèn)、村莊、零星居民點、無居民點分別賦值為1、2、3、4，最后對添加字段進行“dissolve”，即可得到居民地密度因子值[12]。

4.2.2 植被覆蓋率因子的提取

植被覆蓋率因子通過ENVI軟件計算研究區(qū)植被指數(shù)來表示。將NDVI按植被覆蓋率0～10%、10%～30%、30%～75%以及大于75%進行重分類，并將利用對應的NDVI植被指數(shù)在ArcMap里進行重分類。

植被覆蓋率0～10%、10%～30%、30%～75%以及大于75%對應生成的新影像的像元值分別為1、2、3、4。將新柵格數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，對生成的矢量數(shù)據(jù)重新計算面積，最后對添加字段進行“dissolve”，得到植被覆蓋率因子值。

4.2.3 地表坡度因子的提取

利用ArcGIS軟件，通過研究區(qū)內(nèi)DEM坡度計算，對生成的坡度文件再進行重分類，坡度按4個等級進行重分類：0～15°、15°～30°、30°～40°以及40°以上，生成新的像元值分別對應4、3、2、1。最后對添加字段進行“dissolve”，即得到坡度因子值。

4.2.4 降雨量因子的提取

研究區(qū)整體屬于降水濕潤區(qū)，只要將該研究區(qū)范圍重新轉(zhuǎn)為一個新的矢量數(shù)據(jù)，并添加一個新的代表“降雨量”的屬性字段，賦值為1，即得到降雨量因子值。

4.2.5 巖性組合因子的提取

在“巖性組合”矢量文件的屬性表中增加“巖性組合”字段，將巖性組合分為4類：堆積巖區(qū)、軟質(zhì)巖區(qū)、軟硬相間巖區(qū)、硬質(zhì)巖區(qū)，分別將這4類的值設置為1、2、3、4，即得到巖性組合因子值。

4.2.6 地質(zhì)災害隱患、主要開采方式、主要開采礦種因子的提取

利用ArcGIS軟件，依據(jù)相關(guān)地形地質(zhì)圖、設計、開采、遙感調(diào)查資料分別制作“地質(zhì)災害隱患、主要開采方式、主要開采礦種”矢量圖，然后通過矢量成果圖分別對地質(zhì)災害隱患、主要開采方式、主要開采礦種等數(shù)據(jù)進行重新分級。

(1)地質(zhì)災害隱患：在“地質(zhì)災害隱患”矢量文件的屬性表中增加“地質(zhì)災害隱患”字段，將地質(zhì)災害隱患分為4類：嚴重、中等、輕微和無，分別將這4類的值設置為1、2、3、4，即得到地質(zhì)災害隱患因子值。

(2)主要開采方式：在“主要開采方式”矢量文件的屬性表中增加“主要開采方式”字段，將主要開采方式分為4類：露天、聯(lián)合開采、硐采和無開采，分別將這4類的值設置為1、2、3、4，即得到主要開采方式因子值。

(3)主要開采礦種：在“主要開采礦種”矢量文件的屬性表中增加“主要開采礦種”字段，將主要開采礦種分為3類：能源、金屬和非金屬以及無開采，分別將這4類的值設置為1、2、3，即得到主要開采礦種因子值。

4.3 綜合評價

4.3.1 收集評價因子

綜合評價是依據(jù)各個評價因子采用網(wǎng)格法及自然邊界法結(jié)合的方法進行評價的，因此評價前必須先提取并收集研究區(qū)的所有評價因子(居民地密度、植被覆蓋率、地表坡度、地質(zhì)災害隱患、降雨量、巖性組合、主要開采方式、主要開采礦種)。

4.3.2 綜合評價值計算

將收集的評價因子矢量數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為IMG文件。轉(zhuǎn)換過程中把矢量數(shù)據(jù)的賦值的1、2、3、4代碼轉(zhuǎn)為像元值，可以生成對應的柵格數(shù)據(jù)，把各柵格數(shù)據(jù)調(diào)入ENVI模型。具體評價流程如圖1所示。

4.4 綜合評價結(jié)果

兩種評價方法結(jié)果融合后將生成柵格格式的評價結(jié)果數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件把它轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)。在生成的矢量數(shù)據(jù)中添加“評價等級”字段，并根據(jù)評價標準設置閾值范圍，如閾值區(qū)間為49～59，則圖像顯示礦山地質(zhì)環(huán)境較差區(qū)，最后對每個等級的區(qū)域賦予不同的色調(diào)[12-13]。

圖1 綜合評價流程圖

根據(jù)對各評價因子的計算及閾值的判斷，制作出研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境分級評價效果圖，如圖2所示。

通過ArcGIS處理，計算出各等級區(qū)面積分布情況表，如表5所示。

表5 研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價各等級面積統(tǒng)計表

通過評價結(jié)果圖與研究區(qū)地形圖及相關(guān)實地調(diào)查資料對比發(fā)現(xiàn)，礦山地質(zhì)環(huán)境良好區(qū)主要分布在山區(qū)森林覆蓋良好、坡度較緩及硬質(zhì)巖區(qū)；礦山地質(zhì)環(huán)境較好區(qū)主要分布在平原地區(qū)、森林覆蓋較好的山地或者耕地區(qū)；礦山地質(zhì)環(huán)境一般區(qū)主要分布在礦山地質(zhì)環(huán)境較差的地區(qū)周邊或者居民區(qū)；礦山地質(zhì)環(huán)境較差區(qū)主要分布在地質(zhì)災害隱患處或礦山開采較嚴重且植被覆蓋較少區(qū)。

5 結(jié)論

本文對主要對兩種礦山地質(zhì)環(huán)境評價方法進行分析，針對漳平鐵礦的實際情況，綜合網(wǎng)格法和自然邊界法兩種方法的優(yōu)點對研究區(qū)進行礦山地質(zhì)環(huán)境評價，通過外業(yè)實地調(diào)查，評價結(jié)果與實地情況基本一致。評價結(jié)果能為研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理與保護提供科學依據(jù)。

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Comprehensive Evaluation of Mine Geological Environment Based on RS and GIS

GAO Peng1,2, CHEN Mei-zhi1, CHEN Yun-jie1

(1. Institute of Resource Engineering, Longyan University, Longyan Fujian 364012,China;2. Longyan Zhongzheng Surveying and Mapping Co. Ltd. , Longyan Fujian 364012,China)

In recent years, with the rapid development of economy and society, resource consumption is growing that leaded to expand the scale ,the strength and the depth of the mine exploitation. It caused more and more serious damage to environment. This not only restricted the sustainable development of social economy, but also raised many environmental ecological problems. This paper takes Zhangping iron mine as the research area, it compared to the methods of the different mine environmental assessment, and analyzed the advantages and disadvantages of the grid method and the natural boundary method with the advanced technology of RS and GIS. It combined the Grid method and the Nature boundary method to evaluate the geological environment of the study area and gained good evaluation results. It can provide scientific basis for comprehensive treatment and protection of the mine geological environment about the study area.

Mine geological environment; comprehensive assessment; RS; GIS

2016-04-06

福建省科技廳重點項目“基于多時相遙感影像的濕地動態(tài)監(jiān)測與分析評價——以龍巖市為例”(2013Y0068)；福建省教育廳A類項目“基于遙感和GIS的礦業(yè)城市生態(tài)安全與景觀格局研究”(JA13312)；龍巖學院產(chǎn)學研項目“‘3S’技術(shù)在礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應用——以紫金山銅礦為例”(LC2013015)；福建省大學生創(chuàng)新訓練計劃項目“RS和GIS在城市景觀格局分析評價中的運用”(201511312061)。

高 鵬(1983- )，女，講師，從事“3S”技術(shù)應用、基礎(chǔ)測繪等研究。

P258

A

2095-7602(2016)08-0068-06