基于遙感與核密度分析方法相結(jié)合的尾礦庫分布研究

李 慶

（河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南焦作 454000）

0 引言

尾礦庫是指由筑壩攔截谷口或圍地圍成的，用以堆放金屬或非金屬礦山礦石選別后排出的尾礦、濕法冶煉產(chǎn)生的廢物或其他工業(yè)廢渣的場所［1］。我國是一個礦業(yè)生產(chǎn)大國，據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)有各類金屬非金屬礦山11萬座，其中金屬礦山1.2萬座，非金屬礦山9.8萬座；與此同時我國也是尾礦庫大國，全國已建和在建的尾礦庫12 600多座，其中有4 910座危庫、險庫和病庫，占總尾礦庫個數(shù)的38.8%［2］。根據(jù)2015年中國國土資源經(jīng)濟研究院發(fā)布《中國礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報告（2015）》最新數(shù)據(jù)顯示，我國廢石及尾礦累積堆存量高達584億噸，其中尾礦堆存量為146億噸，尾礦堆存物中83%主要由于金礦、銅礦、鐵礦開采所形成，廢石堆存量為4 387億噸。目前，我國尾礦庫存在著較多的問題，比如：“三邊庫”“頭頂庫”問題嚴(yán)重，簡易的閉庫、尾礦庫建設(shè)不達標(biāo)、尾礦庫安全管理一直不強等，從而導(dǎo)致尾礦庫安全基礎(chǔ)比較薄弱，安全隱患大，整治難度大［3］。

尾礦庫不僅分布范圍廣，數(shù)量巨大，而且尾礦庫的監(jiān)測對時效性有很高的要求。遙感技術(shù)具有探測范圍廣、獲取資料數(shù)據(jù)快、受地面條件限制少、獲取數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，可以很好地彌補地面人工監(jiān)測方法的不足，是尾礦庫監(jiān)測的有效技術(shù)手段［4］。許多科研工作者借助遙感圖像對尾礦庫進行了監(jiān)測并對其環(huán)境影響進行分析。閻永忠等［5］采用了遙感和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的監(jiān)測方法，建立尾礦庫位置、危險、有害因子的識別標(biāo)識，對鳳縣地區(qū)的尾礦庫從3個不同類型進行了分類提取，得出該區(qū)尾礦庫的監(jiān)測現(xiàn)狀。申彥科等［6］利用TM遙感影像數(shù)據(jù)，總結(jié)出尾礦庫擴容會對周圍的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。張云英等［7］以高分一號的影像為數(shù)據(jù)源，得出了尾礦庫目視解譯最佳波段組合，為基于高分一號以及類似分辨率的遙感影像尾礦庫研究提供了依據(jù)。凌子燕［8］利用GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)對于尾礦庫監(jiān)測，采用SVM方法建立的遙感反演模型簡單可行、分類精度高，證明可遙感監(jiān)測尾礦庫的可行性。從上述研究可以看出，目前利用遙感技術(shù)對尾礦庫監(jiān)測取得了較好的成果。本文在結(jié)合上述研究方法的基礎(chǔ)上針對承德市尾礦庫進行研究，并對其風(fēng)險性評價，為尾礦庫的監(jiān)測和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

承德市是河北省轄地級市，位于河北省東北部，介于北緯40°12′～42°37′，東經(jīng)115°54′～119°15′之間，省內(nèi)與唐山市、張家口市、秦皇島市，省外與北京市、天津市，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市、內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟毗鄰，屬溫帶季風(fēng)氣候。全市總面積3.95萬km2，轄8縣3區(qū)、1個高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，2018年末戶籍人口達到381.6萬人。

1.2 數(shù)據(jù)源與圖像預(yù)處理

本研究選用2017年處理的高分一號衛(wèi)星影像使用像素工廠軟件對高分一號衛(wèi)星圖像進行拉升、空三優(yōu)化、正射校正等預(yù)處理，保證圖像清晰、定位精度高，同時將高分一號衛(wèi)星的多光譜圖像與其空間分辨率為2 m的全色圖像融合，生成空間分辨率為2 m的RGB遙感圖像，利用該圖像進行尾礦庫解譯的相關(guān)工作；使用2018年獲得的承德市居民點數(shù)據(jù)作為不同類型尾礦庫風(fēng)險評價的數(shù)據(jù)。

2 研究方法

第一步，借助高分一號遙感圖像分析尾礦庫在遙感圖像中的特征建立相應(yīng)的解譯標(biāo)志，并對承德市內(nèi)的尾礦庫進行遙感解譯，獲得尾礦庫分布。第二步，將解譯得到的尾礦庫按照不同類型進行分類，得到各類型尾礦庫的分布。第三步，在ARCGIS10.2中計算尾礦庫的核密度與承德市居民點核密度，并將居民點核密度與尾礦庫核密度相乘，獲得最終的核密度圖，從而分析各地區(qū)尾礦庫風(fēng)險性。

2.1 尾礦庫解譯標(biāo)志

尾礦庫按照其在遙感圖像上的特征大致可以分為以下3種類型。

（1）山谷型尾礦庫是指在山谷谷口處筑壩而形成的尾礦庫［3］，如圖1（a）所示。該類尾礦庫初期壩體相對較短而庫區(qū)縱深較寬，一般由壩體、尾砂、廢水3部分組成，壩體位于山谷口一側(cè)，另外幾面都與山谷相接。尾砂在水中密度隨著遠離壩體而逐漸變得稀釋，呈放射狀，越接近廢水區(qū)域尾砂越稀少，在遙感圖像上接近正常水體的色調(diào)。山谷型尾礦庫是最標(biāo)準(zhǔn)、最易辨識的一種類型，也是我國尾礦庫中分布最多、最廣泛的一類。

（2）平地型尾礦庫是指在平原地區(qū)四周筑壩而形成的尾礦庫［3］，如圖1（b）所示。該類尾礦庫初期壩體和后期壩體維護所需工程量大、尾礦庫壩體高度較山谷型尾礦庫壩體低，我國平坦地帶的尾礦庫多采用平地型。從圖1（b）中可以看出平地型尾礦庫由壩體和尾砂組成，一般為干法堆存。由于平地型尾礦庫處于平原或沙漠這類平整的區(qū)域，壩體需要多個面將將庫區(qū)包圍在其中，尾砂色調(diào)較為一致。

（3）傍山型尾礦庫是指在山腳下依靠著山體，在其三面或多面修筑壩體包裹而成尾礦庫，如圖1（c）所示。該類尾礦庫初期壩體相對較長且?guī)靺^(qū)縱深較窄，我國山地丘陵地區(qū)的小型尾礦庫多為傍山型尾礦庫。傍山型尾礦庫和山谷型尾礦庫結(jié)構(gòu)很相似，也是由壩體、尾砂、廢水3部分組成，但是壩體通常是三面包圍狀態(tài)，從遙感圖像上可以很清楚地看到由三面壩體包圍而成。尾砂及廢水的分布與山谷型尾礦庫基本一致。

2.2 核密度分析法

核密度分析法是通過對空間點數(shù)據(jù)的分布進行連續(xù)化模擬，以空間格網(wǎng)中的核密度值來反映空間中點的分布［9］。在指定的搜索半徑內(nèi)利用距離衰減形成連續(xù)的空間密度曲面，將不同密度曲面進行空間疊加得到核密度值，從而得到該要素在整體空間上的分布密度。距離要素中心越近權(quán)重越大，距離越遠權(quán)重越小。其計算公式如式1所示：

式中，f(x)為空間中任意一點x的核密度值；r為搜索半徑；X-Xi為點Xi與中心點X之間距離；n為距離空間中任意一點X（距離≤r）的要求點數(shù)；K為空間權(quán)重函數(shù)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 尾礦庫解譯與分類結(jié)果

按照上述的尾礦庫解譯標(biāo)志，借助高分一號遙感圖像共解譯出尾礦庫834座，承德市各區(qū)、縣尾礦庫數(shù)量及不同類型尾礦庫數(shù)量如表1所示。從表1中可以看出承德市尾礦庫主要分布在承德縣、寬城滿族自治縣平泉縣、豐寧滿族自治縣灤平縣境內(nèi)，這些地區(qū)尾礦庫數(shù)量均超過100座。以寬城滿族自治縣與灤平縣數(shù)量最多為160座，雙橋區(qū)尾礦庫數(shù)量最少。從不同類型的尾礦庫數(shù)量可以看出，承德市尾礦庫主要以山谷型尾礦庫為主，平地型尾礦庫次之，傍山型尾礦庫數(shù)量最少。其中：灤平縣與寬城滿族自治縣的山谷型尾礦庫最多分別為141座和130座；承德縣和豐寧滿族自治縣山谷型尾礦庫次之分別為92座和89座；興隆縣平地型尾礦庫最多為54座；寬城滿族自治縣傍山型尾礦庫最多為9座。最終隨機選取100座解譯結(jié)果，與已有的真實尾礦庫點位進行比對，發(fā)現(xiàn)解譯結(jié)果均正確，保證了解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 核密度分析結(jié)果

圖1 3種尾礦庫解譯標(biāo)志

表1 各區(qū)、縣尾礦庫數(shù)量及不同類型尾礦庫數(shù)量統(tǒng)計 （單位：座）

從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)承德市境內(nèi)尾礦庫主要以山谷型尾礦庫為主，平地型尾礦庫和傍山型尾礦庫數(shù)量較少，同時考慮到山谷型尾礦庫面積大、勢能高，相較于其他兩種類型的尾礦庫危害性大，一旦發(fā)生潰壩將造成不可想象的后果，而平地型尾礦庫和傍山型尾礦庫主要建在地勢較為平坦的地區(qū)潰壩風(fēng)險相對較小。因此，本次實驗主要是計算了山谷型尾礦庫核密度值，并將計算的結(jié)果與承德市居民點核密度值相乘，得到最終的核密度分布圖，如圖2所示。

圖2中圖斑的顏色代表所在地區(qū)的風(fēng)險程度，顏色越深代表該區(qū)域的風(fēng)險越大。從圖2中可以看出，豐寧滿族自治縣東南部、灤平縣東北部、隆化縣南部、承德縣西北部、雙灤區(qū)、平泉縣中部及寬城滿族自治縣中南部等地區(qū)風(fēng)險等級較高，這些區(qū)域山谷型尾礦庫數(shù)量與居民點數(shù)量眾多，最終導(dǎo)致了風(fēng)險相對于其他地區(qū)較高，可以加強對這些地區(qū)尾礦庫的監(jiān)測與管理。

4 結(jié)語

本文利用高分一號遙感圖像對承德市區(qū)域內(nèi)的尾礦庫進行遙感解譯，最終解譯出尾礦庫834座，并將解譯結(jié)果按照不同類型的尾礦庫進行分類，得到了承德市內(nèi)各區(qū)、縣尾礦庫的數(shù)量與分布，結(jié)果真實可靠；然后根據(jù)分類的結(jié)果和居民點數(shù)據(jù)利用核密度分析方法對各區(qū)、縣的風(fēng)險性進行了簡單的評估，為有關(guān)部門加強高風(fēng)險區(qū)域的尾礦庫監(jiān)測和管理提供了科學(xué)依據(jù)。在今后的研究中，將進一步研究尾礦庫監(jiān)測自動化，以滿足大范圍尾礦庫的快速、高頻次監(jiān)測，同時在尾礦庫風(fēng)險評價方面，考慮更多其他因素的影響。

圖2 最終核密度分布