空間統(tǒng)計方法在疑似違法礦山空間展布中的應(yīng)用
——以2017年新疆北部礦產(chǎn)資源疑似違法開采點為例

李天慧，葛秀秀，李云鵬，李金秘

（1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000,；2.新疆地礦局信息中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830047）

近年來，生態(tài)文明建設(shè)被列入“五位一體”的綜合性發(fā)展總布局內(nèi)，黨中央多次明確指出要求加強礦業(yè)秩序的管理和整頓，礦產(chǎn)資源開發(fā)和管理工作越來越受到重視[1，2]。合理合法的礦產(chǎn)資源開發(fā)本能夠促進地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，但違法的開采行為始終存在，為礦業(yè)開發(fā)帶了了很多不利的影響。

新疆是礦產(chǎn)資源大省，已發(fā)現(xiàn)4000多處礦產(chǎn)產(chǎn)地，138種各類礦產(chǎn)，各類礦產(chǎn)資源在“三山夾兩盆”的特殊結(jié)構(gòu)中廣泛分布，有帶狀分布、分段集中的特點。目前，有關(guān)礦產(chǎn)資源違法情況的文獻，多數(shù)是利用政策和法律的相關(guān)手段來打壓和治理違法開采的行為，在違法開采礦山空間分布方面，缺乏定量，深層次的分布情況分析，使得治理方向不夠明確，在提出礦業(yè)的管理對策上沒有很強的針對性。而在空間統(tǒng)計分析的研究中，大多數(shù)研究用于疾病或疫情的轉(zhuǎn)移與防范以及犯罪熱點的熱點研究及預(yù)測，在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域少有涉及[3]。

本文以新疆北部為研究區(qū)，以中國地質(zhì)調(diào)查局項目為支撐[4，5]，借助ArcGIS軟件,運用空間統(tǒng)計分析，進行2017年疑似違法開采點GIS空間可視化，得到2017年研究區(qū)疑似違法開采點時空分布特征及疑似違法開采熱點聚集區(qū)。為維護礦業(yè)的合法開采秩序，打擊整治礦區(qū)環(huán)境等方面提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。從技術(shù)層面，對維護新疆礦產(chǎn)資源有序開采具有借鑒意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“全國礦山開發(fā)狀況遙感地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測（編號：DD20190511）、“全國礦山環(huán)境恢復(fù)治理狀況遙感地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測”（編號：DD20190705）項目數(shù)據(jù)的支持。

1.2 研究方法

本次研究依托ArcGIS 10.2平臺。

（1）利用空間分析的方法，分析研究區(qū)疑似違法開采點的分布情況現(xiàn)狀，并對研究區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)疑似違法開采點進行核密度分析，展現(xiàn)其時空分布特征。

（2）利用空間統(tǒng)計分析學(xué)原理，建立空間自相關(guān)模型，包括全局自相關(guān)和局部自相關(guān)，以研究區(qū)縣區(qū)級行政區(qū)為單位，研究2017年研究區(qū)礦產(chǎn)疑似違法開采點的熱點冷點聚集區(qū)域。

2 核密度分析

核密度分析可用于可視化違法點分布和熱點識別，聚集了指定搜索半徑里的點，并創(chuàng)建了連續(xù)的曲面，表示疑似違法點分布的密度與體積。

2.1 基本原理

核密度估算的表達式為：

依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)，加強生態(tài)環(huán)境保護，結(jié)合全市水域灘涂實際情況，將境內(nèi)112座水庫規(guī)劃為限制養(yǎng)殖區(qū)，面積33.15平方公里，約占全市國土面積的1.51%。包括中型水庫、?、逍退畮?、?、嫘退畮?。分布在當陽市境內(nèi)各鎮(zhèn)（辦事處）。將所有集體灌溉用水堰塘劃定為限制養(yǎng)殖區(qū)。

式中K[]為核密度函數(shù)，h為搜索半徑，n為在搜素范圍中疑似違法開采點的數(shù)目；d為數(shù)據(jù)維度。

其中搜索半徑的大小很多學(xué)者都給出了不同的計算方法，在ArcGIS 10.2中搜索半徑是通過輸出范圍的寬度或高度的最小值除以30來進行計算[37]。

公式為：

式中，e1,e2分別為事件點分布范圍最小矩陣的兩條邊長。

將樣本數(shù)據(jù)代入上式進行計算，搜索半徑h=25.9km。

2.2 分析結(jié)果

采用核密度估算（KDE）的方法得到2017年疑似違法開采點密度分布如圖1所示，利用核密度估算的方法分析其特征。

圖1 2017年研究區(qū)礦產(chǎn)資源疑似違法點核密度分布圖

疑似違法開采點高密度值在烏魯木齊市烏魯木齊縣、伊犁哈薩克自治州伊寧縣、吐魯番地區(qū)吐魯番市、鄯善縣以及哈密地區(qū)哈密市聚集明顯，其余地區(qū)逐步擴散，塔城地區(qū)裕民縣未受到輻射，空間結(jié)構(gòu)上形成單核聚集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析可以反映有空間位置的兩個元素間的相互依賴程度，具有空間位置的數(shù)據(jù)由于其可以受到空間位置的影響，呈現(xiàn)出不同程度不同組合的相關(guān)關(guān)系。

本文結(jié)合地理邊界專題制圖學(xué)的理論，運用項目中提供的研究區(qū)內(nèi)所有開采點為分母，計算出單行政區(qū)域的違法率，參與空間自相關(guān)的計算，目標區(qū)域為研究區(qū)各縣區(qū)級行政區(qū)域，強度變化值是疑似違法率。

本次研究空間分析尺度為研究區(qū)55個縣（市、區(qū)），選取樣本數(shù)據(jù)2017年研究區(qū)疑似違法點，分析變量為縣級疑似違法開采率。用空間自相關(guān)分析的空間關(guān)聯(lián)測度模型，研究區(qū)疑似違法點空間格局。

3.1 全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)主要描述研究區(qū)范圍內(nèi)空間對象之間的關(guān)聯(lián)程度，以表明空間對象之間是否存在顯著的空間分布模式。

本節(jié)主要采用Global Moran’s I和Getis-Ord General G進行度量。計算結(jié)果詳見表1。分析結(jié)果表明：

樣本數(shù)據(jù)的空間分布呈現(xiàn)明顯聚類模式，且隨機產(chǎn)生此聚類模式的可能性小于1%。Getis-Ord General G分析結(jié)果表明：樣本數(shù)據(jù)空間分布均呈現(xiàn)高聚類模式，且隨機產(chǎn)生此高聚類模式的可能性小于5%。詳見表1。

表1 2011年到2017年間研究區(qū)疑似違法開采點全局自相關(guān)分析結(jié)果

3.2 局部空間自相關(guān)

局部空間自相關(guān)能夠用來識別不同空間位置上可能存在的不同空間關(guān)聯(lián)模式（或者空間聚集模式），從而允許我們觀察不同空間位置上的局部不平穩(wěn)性，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的空間異質(zhì)性，為分類或區(qū)劃提供依據(jù)。彌補全局自相關(guān)不能在空間位置上顯示聚集現(xiàn)象具體位置的不足。本節(jié)主要采用Getis-Ord Gi＊和Anselin Local Moran’s I進行度量。計算結(jié)果詳見圖2、圖3。

圖2 研究區(qū)疑似違法開采點Getis-Ord Gi＊自相關(guān)分析結(jié)果圖

Getis-Ord Gi＊指數(shù)分析結(jié)果顯示：兩個熱點區(qū)域（分別由昌吉回族自治州奇臺縣，阿勒泰地區(qū)富蘊縣、青河縣；烏魯木齊市達坂城區(qū)、水磨溝區(qū)、天山區(qū)、沙依巴克區(qū)組成），其中天山區(qū)顯著性水平P＜0.01，其他區(qū)縣顯著性水平P＜0.05。一個冷點區(qū)域（由塔城地區(qū)托里縣，克拉瑪依市烏爾禾區(qū)、白堿灘區(qū)組成），顯著性水平P＜0.05。詳見圖2。

Anselin Local Moran’s I指數(shù)分析結(jié)果顯示：結(jié)果為HH的縣區(qū)有4個（阿勒泰地區(qū)富蘊縣，昌吉回族自治州奇臺縣，烏魯木齊市沙依巴克區(qū)、天山區(qū)），結(jié)果為LL的縣區(qū)3個（由塔城地區(qū)托里縣，克拉瑪依市烏爾禾區(qū)、白堿灘區(qū)組成）。詳見圖3。

圖3 研究區(qū)疑似違法開采點聚類和異常值分析(Anselin Local Moran I)

4 結(jié)論與討論

（1）核密度分析法具有靈活性，網(wǎng)格的大小，搜索半徑都可以按照自己的需求進行調(diào)整，具有視覺吸引力，可以使用梯度色彩等級進行劃分，內(nèi)核區(qū)域以及輻射范圍一目了然。分析得到研究區(qū)疑似違法開采點的高密度集中區(qū)3處。

（2）空間自相關(guān)分析可以用來檢測樣本數(shù)據(jù)的聚集情況和顯著性，識別各縣級行政區(qū)和其周圍地區(qū)的空間關(guān)聯(lián)模式，評估全局空間自相關(guān)關(guān)聯(lián)模式在整個數(shù)據(jù)中得均勻分布情況，篩查出影響全局空間自相關(guān)分析的重要位置。在全局自相關(guān)分析空間上呈明顯聚類模式分布，在局部空間自相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)研究區(qū)疑似違法開采點的熱點區(qū)2個，冷點區(qū)1個，HH的縣區(qū)4個，LL的縣區(qū)3個。

（3）通過對展布方式的探索與研究，系統(tǒng)地了解2017年礦山監(jiān)測疑似違法點的空間展布情況，維護礦業(yè)的合法開采秩序，打擊整治礦區(qū)環(huán)境等方面提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。