基于GIS的礦區(qū)土地?fù)p毀程度評價研究

周應(yīng)慧，謝 玲

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基于GIS的礦區(qū)土地?fù)p毀程度評價研究

周應(yīng)慧1，謝 玲2

（1. 昆明理工大學(xué)，國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000；2. 昆明市土地礦業(yè)權(quán)交易辦公室，云南 昆明 650000）

近年來，礦工業(yè)的大力發(fā)展在帶動社會經(jīng)濟發(fā)展的同時也導(dǎo)致了大量礦區(qū)土地受損。為了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，就需要對受損土地進行復(fù)墾，而對于受損土地的損毀程度進行評價將為土地復(fù)墾工作提供合理的依據(jù)。本次研究以河南省禹州二礦為例,運用極限條件法、層次分析法、模糊綜合評價法對研究區(qū)進行損毀程度評價，得出的結(jié)果表明：該礦區(qū)土地?fù)p毀程度主要為中度損毀，且中度損毀所占面積較大。最終，將兩種不同分析方法評價得出的結(jié)果應(yīng)用ArcGIS10.1軟件的屬性查詢、空間分析等功能生成相應(yīng)的專題地圖，使不同分析方法的分析結(jié)果更加的直觀、明了。

礦區(qū)土地；損毀程度；極限條件法；模糊綜合評價法

0 引言

中國煤礦工業(yè)的不斷發(fā)展擴大，為我國經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大的貢獻的同時，也對我國的土地資源和生態(tài)環(huán)境造成了重大影響。針對中國采礦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展變化的一系列分析，運用灰色GM模型進行了采礦業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量的發(fā)展趨勢預(yù)測分析與估算。同時針對我國煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)致的的塌陷、挖損、壓占等類型的損毀土地，進行實際土地?fù)p毀調(diào)查[1]。該調(diào)查顯示的結(jié)果表明，中國3大采礦業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)值結(jié)構(gòu)變化不大，但產(chǎn)量不斷增加，其中，能源開采產(chǎn)值的比重是最大的，占79. 61%[2]。隨著采礦業(yè)的不斷增加，中國礦區(qū)土地的損毀面積也將不斷擴大，礦區(qū)土地復(fù)墾工作的意義變得越來越至關(guān)重要。

目前，為緩解我國人地矛盾并改善生態(tài)環(huán)境，我國將采取一系列土地復(fù)墾重要措施。首先，就要保證土地復(fù)墾的可行性分析的科學(xué)性和合理性，才能保證土地復(fù)墾方案制定的科學(xué)性、合理性，而對土地復(fù)墾的可行性分析，首先就需要對所要復(fù)墾區(qū)內(nèi)的損毀土地面積及其損毀程度進行科學(xué)的評估，這是進行土地復(fù)墾適宜性評價、復(fù)墾方式選擇等一系列工作的基礎(chǔ)。因此，必須科學(xué)選取土地?fù)p毀預(yù)測方法，以科學(xué)準(zhǔn)確的判定礦區(qū)受損土地面積及其損毀程度為依據(jù)和參考，對煤礦區(qū)土地復(fù)墾的一系列工作奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集

1.1 研究區(qū)概況

河南平禹煤電有限責(zé)任公司二礦位于禹州市鴻暢鎮(zhèn)許家溝村，行政區(qū)劃屬鴻暢鎮(zhèn)管轄，其井田地理坐標(biāo)為：東經(jīng)113°13￠172~113°16￠152，北緯34°05￠542~ 34°06￠312[3]。礦井范圍以河南省國土資源廳下發(fā)的河南省平禹煤電有限責(zé)任公司二礦采礦許可證（證號：C1400002009081120032918）所圈定的礦區(qū)范圍為準(zhǔn)[3]。礦井范圍由39個坐標(biāo)拐點圈定，邊界拐點坐標(biāo)參看表1。礦井面積為5.2686 km2。具體情況如圖1。

礦井所在地主要以農(nóng)作物為小麥、玉米、及煙葉為主。本井田屬北暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。歷年來極端溫度相差較大，最高氣溫和最低氣溫相差可達56.3℃，年平均氣溫為14.4℃。年最大降雨量1132 mm，最小降雨量為414 mm，平均781.9 mm。本研究區(qū)屬于暖溫帶落葉闊葉林類型。河南平禹煤電有限責(zé)任公司二礦井田范圍內(nèi)發(fā)育地層由老至新有寒武系上統(tǒng)崮山組、石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下統(tǒng)下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組以及第四系[4]。

1.2 礦區(qū)土地?fù)p毀類型

本次研究礦區(qū)土地?fù)p毀主要有四大類型：由于地下礦產(chǎn)資源的開采引起的塌陷土地，依據(jù)沉陷地破壞的物理特征，可以將井工開采沉陷對地表破壞形式分為：地表下沉盆地、裂縫及臺階、塌陷坑。因為采礦活動使得原地表形態(tài)、土壤結(jié)構(gòu)、地質(zhì)層組、地表結(jié)構(gòu)和生物等被直接摧毀導(dǎo)致的挖掘土地，包括露天煤礦開采、取土、挖石土方、開山等面狀工程，礦上山所需工業(yè)活動包括興修水利、鐵路、公路等[5]。因為堆放剝離物、廢棄礦石、礦渣表土等造成的壓占土地和礦區(qū)土地開采過程各種物理或化學(xué)排放產(chǎn)生的污染物，造成土壤原有理化形狀的惡化、土地原有功能部分或全部喪失造成的污染土地[6]。

1.3 數(shù)據(jù)采集和分析

本次研究所需數(shù)據(jù)主要有兩大類：專題地圖屬性數(shù)據(jù)和損毀程度分析的土地因子數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型分類如圖2。

圖1 礦井采空區(qū)分布情況

圖2 礦區(qū)土地利用類型圖

最初得到的數(shù)據(jù)都需要進行處理，專題地圖的屬性數(shù)據(jù)涉及到研究區(qū)周圍的區(qū)域，而這些研究區(qū)以外數(shù)據(jù)不需要考慮，因此對于這些多余的數(shù)據(jù)，可直接刪除，再對具體一些數(shù)據(jù)進行編輯、整理并生成數(shù)據(jù)表等。對于某些類型的屬性需要進行添加、編輯等處理。土地因子數(shù)據(jù)和其他的研究區(qū)概況的數(shù)據(jù)需要上網(wǎng)，通過統(tǒng)計年鑒等平臺搜集、整理，保持?jǐn)?shù)據(jù)在一定的合理范圍內(nèi)，使數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果具有一定的科學(xué)性。

2 研究方法

2.1 極限條件法

極限條件評價法是按最嚴(yán)重的情形確定圖斑的破壞程度，即同一圖斑內(nèi)會有部分區(qū)域為輕度，也有部分為中度時，這一圖斑的破壞程度會被確定為中度破壞。首先要確定評價結(jié)果等級的數(shù)量和排列順序，該順序?qū)⒆鳛闃O限法的評價順序的參考標(biāo)準(zhǔn)；然后依次評價每一組數(shù)據(jù)的各個評價因子的等級，并對每一組數(shù)據(jù)評判結(jié)果進行簡單的賦值。

現(xiàn)在的開采沉陷評估預(yù)測是基于項目的可行性研究報告或是開發(fā)利用方案中被設(shè)計的開采區(qū)域，這就會出現(xiàn)與實際開采情況有出入的現(xiàn)象，為了避免因這種差異現(xiàn)象造成的復(fù)墾費用的不足，同一圖斑都按最嚴(yán)重破壞情形計算出的預(yù)計復(fù)墾費用會大于分破壞程度情形計算出的預(yù)計復(fù)墾費用，這樣便有利于預(yù)留出足夠的費用，有利于土地復(fù)墾工作的進行。

2.2 模糊綜合評價法

2.2.1 層次分析法

層次分析法（AHP）是美國運籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于上世紀(jì)70年代初，為美國國防部研究名為“根據(jù)各個部門對國家福利貢獻的大小而進行電力分配”這一課題是，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)理論以及多目標(biāo)的綜合評價方法，提出來的一種層次權(quán)重決策分析方法[7]。層次分析法根據(jù)所研究的問題的性質(zhì)以及要達到的總目標(biāo)，將問題分解成為不同的影響因素，并按照各因素間相互影響以及從屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析組合結(jié)構(gòu)模型，從而使最終問題歸結(jié)為最底層（直接決策方案、措施等）相對于最高層（總目標(biāo)）的相對重要的權(quán)值的確定或相對優(yōu)劣次序的判定[8]。

具體過程如下：

①建立層次結(jié)構(gòu)模型：

在確定要達到的目標(biāo)以及影響這些目標(biāo)的因子之間的相互關(guān)系，并將這些因素分層，并繪制出相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)。最高層為目標(biāo)層（O）、中間層為準(zhǔn)則層（C）、最低層為方案層（P）。

②構(gòu)造判斷（成對比較）矩陣

判斷矩陣是表示本層所有因素針對上一層某一個因素的相對重要性的比較。判斷矩陣的元素用1-9標(biāo)度如表1給出。

表1 判斷矩陣元素的標(biāo)度方法

Tab.1 Scale method for elements of judgement matrix

③計算單排序權(quán)向量并做一致性檢驗

④計算總排序權(quán)向量并做一致性檢驗

利用總排序的一致性比率：

若其檢驗通過，歸一化后的特征向量即為權(quán)向量；若不通過，則需要重新構(gòu)造成對比較矩陣[9]。

2.2.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法（fuzzy comprehensive evaluation method）是模糊數(shù)學(xué)中最基本的數(shù)學(xué)方法之一，該方法是以隸屬度來描述模糊界限的[10]。模糊綜合評價法就是針對評價對象所對應(yīng)的影響因子是多方面且復(fù)雜的這一類評估問題，這就需要我們首先對每一個影響因子進行充分的了解的基礎(chǔ)上，對其進行評估。然后再評判出各因子之間的重要性，也可以通過對調(diào)查研究的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)上一步得出的結(jié)果和相互關(guān)系構(gòu)造出隸屬度矩陣。最終根據(jù)得到的模糊綜合評價向量得到正確的結(jié)果，該結(jié)果必須滿足提出問題時預(yù)設(shè)的結(jié)果范圍，并對結(jié)果進行簡單的分析評價。

具體過程如下：

①確定評價對象的因素及其域值：

②確定評價等級及其值域，即等級集合。每個影響因子等級應(yīng)對應(yīng)一個模糊子集。

③建立模糊關(guān)系矩陣：

④確定評價因素的權(quán)向量：

⑤合成模糊綜合評價結(jié)果向量

⑥對模糊綜合評價的結(jié)果向量進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 實例結(jié)果

本次研究所用的兩種方法均中各土地因子的損毀程度以及用層次分析法得到的相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重均采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如表2。

表2 礦區(qū)土地?fù)p毀程度評價指標(biāo)

Tab.2 Evaluation index of land damage degree in mining area

3.1.1 極限條件法結(jié)果

由極限條件法的原理可評判，在七個土地因子中，就某一地塊而言，只要有一個土地因子的數(shù)值達到中度損毀，即便其余因子都為輕度損毀該地塊依然會被評判為中度損毀。若有一個因子達到重度損毀，則不考慮其他因子，該地類直接被評判為重度損毀。由此，本研究礦區(qū)評價結(jié)果在ArcGIS中生成的矢量化專題地圖3。

圖3 極限條件法土地?fù)p毀程度分布圖

各損毀程度的面積統(tǒng)計結(jié)果如表3。

表3 極限條件法土地?fù)p毀面積

Tab.3 Limit condition method for land damage area

從以上圖片和表可以得出結(jié)論，本研究區(qū)域的中度損毀面積最大，高達38%，重度損毀面積較大，達34.8%，輕度損毀面積相對較小，只占27.2%。中度損毀比重度損毀所占比例相差不大，說明該礦區(qū)土地?fù)p毀為中度損毀偏重度，該結(jié)論明顯的表現(xiàn)了極限條件法的評價特點，也為復(fù)墾工作提供了有效的參考。

3.1.2 模糊綜合評價法結(jié)果

（1）層次分析結(jié)果：先建造層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造判斷矩陣并進行一致性檢驗，再計算層次單排序的權(quán)向量并進行一致性檢驗，最后對特征向量進行歸一化處理得：

（2）模糊綜合評價結(jié)果

利用模糊綜合評價方法評價損毀程度的過程中需要的重要一步是指標(biāo)權(quán)重的確定，運用層次分析法，我們已經(jīng)確定了每一個評價土地?fù)p毀程度的土地因子的指標(biāo)權(quán)重，以及統(tǒng)一的各因子損毀程度分級指標(biāo)。

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算得出草地、旱地、林地、建筑用地、河流、采礦六種研究區(qū)土地類型，利用模糊綜合評價法對每一種類型的土地的損毀程度做出評判。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到的各類型不同土地因子的損毀程度如下表所示：

表4 草地各因子損毀程度

Tab.4 Grassland damage degree based on various factors

表5 旱地各因子損毀程度

Tab.5 Drought damage degree based on various factors

表6 林地各因子損毀程度

Tab.6 Damage degree of forestland based on various factors

表7 建筑用地各因子損毀程度

Tab.7 Damage degree of building land based on various factors

表8 河流各因子損毀程度

Tab.8 River damage degree based on various factors

表9 采礦用地各因子損毀程度

Tab.9 Damage degree of mining land based on various factors

將評價因素的權(quán)向量與模糊關(guān)系矩陣進行合成，從而得到各用地類型的損毀程度模糊綜合評價結(jié)果得：林地為輕度損毀、草地、旱地、建筑用地、河流和采礦用地為中度損毀。

將評價結(jié)果通過ArcGIS中生成的矢量化專題地圖如圖4。

上圖中各損毀程度面積統(tǒng)計如表10。

3.2 結(jié)果分析

每一地塊都對應(yīng)每一土地因子有不同的數(shù)據(jù)，針對這一復(fù)雜的問題，選用極限條件法和模糊綜合評價法分別進行了土地的損毀程度評價。將兩種方法所得結(jié)果進行對比分析如下：

極限條件法得出在所有地塊中，中度損毀所占面積最大，占38%，其次是重度損毀，占34.8%，最后是輕度損毀，占27.2%；

模糊綜合評價法按照不同土地利用類型損毀程度評價結(jié)果表明，大多數(shù)土地類型都屬于中度損毀，占90%，只有少數(shù)土地類型屬于輕度損毀，占10%，沒有重度損毀的土地。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本研究對河南省禹州市二礦的礦區(qū)土地?fù)p毀程度進行了評價，通過極限條件法和模糊綜合評價法兩種方法對研究區(qū)進行評價，最終得出如下結(jié)論：

（1）用極限條件法的評判原理決定了該方法的評判原則較為極端，得到的結(jié)果可能偏嚴(yán)重，但在土地復(fù)墾工作中，這樣的評價結(jié)果可能較為有利，方便復(fù)墾工作前期的預(yù)算和規(guī)劃方案的高效制定，復(fù)墾后土地質(zhì)量將會有很大改善，不會出現(xiàn)復(fù)墾不到位的情況。

圖4 模糊綜合評價法土地?fù)p毀程度分布圖

表10 各損毀程度面積統(tǒng)計

Tab.10 Area of damage severity

（2）用模糊綜合評價方法得到的損毀程度評價結(jié)果表明該礦區(qū)土地大多數(shù)屬于中度損毀，該方法根據(jù)不同的土地利用類型的損毀程度的的值來進行判斷，也具有一定的局限性，但不同類型的土地有不同的復(fù)墾方案，不同的損毀程度也會進行不同的復(fù)墾力度，對每一種類型的土地進行評判有助于復(fù)墾工作更加有針對性、高效地進行。

4.2 展望

本文基于GIS的礦區(qū)土地?fù)p毀程度評價研究雖然用了兩種不同的方法，但得出了相對較為一致的結(jié)果。在研究過程中也存在著一些需要進行改進的地方，首先是層次分析法的對比矩陣的構(gòu)造，在對兩個因素的重要性進行評價只是針對一般土地的土地因子，而礦區(qū)土地相比其他土地還是屬于特殊的用地。所以其評價標(biāo)準(zhǔn)可能相對不準(zhǔn)確。

希望在以后的學(xué)習(xí)研究方面能嘗試更多的評價方法，將已掌握的方法運用到實際科學(xué)研究的同時能夠掌握更多的評價方法。為我國礦區(qū)土地復(fù)墾工作提供更加科學(xué)有效的參考依據(jù)，為土地復(fù)墾事業(yè)奠定更加堅實的基礎(chǔ)。

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Research on Evaluation of Land Damage Degree in Mining Area Based on GIS

ZHOU Ying-hui1, XIE Ling2

(1. Kunming University of Science and Technology, Faculty of Land Resource Engineering,Yunnan, Kunming 650000, China; 2. Kunming Land Mining right Trading Office, Yunnan, Kunming 650000, China)

In recent years, the vigorous development of mining industry has led to social and economic development, but also led to a large number of mine land damage. For the sustainable development of social economy, it is necessary to reclaim the damaged land, and the evaluation of the damaged land will provide a reasonable basis for land reclamation. Taking Yuzhou No. 2 Coal Mine of Henan Province as an example, this paper evaluates the damage degree of the study area by using limit condition method, analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method. The results show that the degree of land damage is mainly moderate damage, and the area of moderate damage is large. Finally, the results of two different analysis methods are used to generate corresponding thematic maps by attributes query and spatial analysis of ArcGIS 10.1 software, which makes the analysis results of different analysis methods more intuitive and clear.

Mining area land; Damage degree; Limit condition; Fuzzy comprehensive evaluation method

P285.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.040

周應(yīng)慧(1993-)女，研究生，主要研究方向：地理信息技術(shù)與開發(fā)應(yīng)用；謝玲(1987-)女，本科生，主演研究方向：地籍測繪、土地科學(xué)、RS和GIS空間分析。

周應(yīng)慧，謝玲. 基于GIS的礦區(qū)土地?fù)p毀程度評價研究[J]. 軟件，2018，39（11）：190-196