基于隨機森林模型的閉坑鈾礦山遺跡旅游地學開發(fā)評價

李立堯， 夏 菲， 樂 融

(1.東華理工大學 核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西 南昌 330013； 2.東華理工大學 水資源與環(huán)境工程學院，江西 南昌 330013；3.東華理工大學 經(jīng)濟與管理學院，江西 南昌 330013)

閉坑礦山是指伴隨著采礦活動結(jié)束/暫停而形成的關(guān)閉/廢棄的礦井，包括廢棄礦坑、巷道、遺留的礦渣(堆)、礦山建筑、設(shè)備等人為遺跡[1]?！笆奈濉币?guī)劃綱要明確指出，生態(tài)文明建設(shè)要實現(xiàn)新的進步，能源與資源的配置要合理[2，3]。在此背景下，我國的能源與資源結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)變化，各類型的閉坑礦山有所增加。但礦山廢棄后，仍存在著很多再利用的資源，由于礦業(yè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的意識淡薄，這導致大多數(shù)礦井被直接遺棄，不僅造成了巨大的資源浪費，還可能誘發(fā)相應的安全、環(huán)境等問題[4-6]。因此，開展閉坑礦山遺跡資源的開發(fā)與利用具有重大意義。

當前，國內(nèi)外對于閉坑礦山的開發(fā)已經(jīng)有諸多先例，國內(nèi)對于閉坑礦山的開發(fā)主要包括3個方向：功能化、能源化和資源化。功能化主要是指閉坑礦山的二次利用。例如，江蘇常州的金壇地區(qū)為了解決天然氣的季節(jié)性供需問題，改造了地下鹽巖溶腔作為地下儲氣庫，形成了5 000萬m3的儲存量；江蘇南京的冶山以“采冶文化、采礦遺跡、鐵礦采選”為主題，集合了科普、休閑和教學等功能為一體，建立了國家礦山公園[7]。能源化主要是指針對閉坑礦山開展如光伏發(fā)電、煤層氣開采方面的開發(fā)。山西的多個礦區(qū)成為我國光伏發(fā)電的重要基地。資源化是指利用廢棄礦山的地下空間建立蓄水庫等資源儲存設(shè)施，進而實現(xiàn)廢棄礦山的資源化利用[8]。

我國的旅游地學最早起源可追溯到古代帝王、文人雅士的游記，其中最著名的當屬《徐霞客游記》。書中較詳細地記載了國內(nèi)丹霞地貌和喀斯特地貌的特征，已形成旅游地學的雛形。近年，國內(nèi)開始出現(xiàn)針對旅游地學資源的可行性評價，劉德政[9]應用昂普分析(RMP)先對廬山世界地質(zhì)公園的資源做定性分析，接著應用層次分析(AHP)的方法做定量分析。郭青華[10]對武夷山南麓石城盆地的旅游資源進行了分析，并對其可能的開發(fā)方式進行了探討。但上述研究的分析方法往往存在主觀性較強的問題，隨著人工智能算法的普及，一些主觀、客觀兼容的分類評價算法被應用到了評價決策的研究中，取得了很好的效果[11]。

礦業(yè)是江西省撫州市經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一。撫州市的樂安縣相山地區(qū)有豐富的鈾礦資源，曾是國內(nèi)最大的鈾礦石開采基地，有“中國鈾都”的美稱[12]。但隨著鈾礦的持續(xù)開采，礦產(chǎn)資源面臨枯竭，目前已處于關(guān)停狀態(tài)。鈾礦的開采形成了大量井下采空區(qū)和地表裸露礦坑，造成地面塌陷、植被破壞、廢渣污染水體等環(huán)境問題。根據(jù)《撫州市礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃(2008—2015年)》[13]，撫州市雖然已開展過不同類型廢棄礦山環(huán)境治理、恢復、再利用的示范工程建設(shè)工作，但當前的工程與有關(guān)標準、規(guī)范還有很大差距；礦山治理修復也需要大量資金支持，而礦山所在的樂安縣2019年才實現(xiàn)脫貧。如何在實現(xiàn)礦山生態(tài)問題得到解決的同時，帶動當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展？獨具特色的相山鈾礦山遺跡能否進行旅游地學開發(fā)？這些成為研究區(qū)當下所面臨的問題。

參考國內(nèi)閉坑礦山的二次開發(fā)經(jīng)驗，以撫州市相山鈾礦為例，調(diào)查了研究區(qū)地理和地質(zhì)概況；結(jié)合旅游資源劃分規(guī)范，初步厘清了研究區(qū)的礦山開采遺跡等巖石圈旅游資源；最終依據(jù)旅游資源劃分規(guī)范，結(jié)合相山鈾礦旅游地學景觀實際特點，構(gòu)建了2個一級指標及12個二級指標評價體系；同時選擇基尼指數(shù)作為節(jié)點分類評價的準則，引入隨機森林算法，建立隨機森林判斷模型，得到最優(yōu)結(jié)果，判斷旅游地學開發(fā)的可行性；進而對研究區(qū)的優(yōu)勢、劣勢進行討論，提出合理的開發(fā)利用建議。

1 研究區(qū)地理概況與區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)地理概況

江西省撫州市的相山位于樂安縣與崇仁縣邊界地帶，東北方向接撫州市臨川區(qū)，東南方向毗鄰撫州市宜黃縣。研究區(qū)內(nèi)有多條公路，包括兩條高速、國道以及省道，縣鄉(xiāng)道路早已經(jīng)實現(xiàn)了村村通。此外，為相山鈾礦田勘探開發(fā)服務修建的公路網(wǎng)也非常發(fā)達。鐵路方面，研究區(qū)內(nèi)有向塘—樂安鐵路，但該鐵路目前停運；京九鐵路新干縣車站位于研究區(qū)西北方向約60 km?？傮w來說，研究區(qū)目前主要以便利的公路交通為主。

研究區(qū)屬于武夷山脈的余脈，地勢呈現(xiàn)中間高四周低的特點，地形起伏變化較大，以中低山地和丘陵地貌為主，主峰相山海拔約1 219.2 m，最低處海拔90 m左右；氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L氣候，夏季潮濕悶熱，冬季濕潤寒冷；研究區(qū)屬于撫河流域公跛河水系，區(qū)域內(nèi)多山澗小溪，由于地勢原因成為周邊含水系統(tǒng)的源頭。在人文地理方面，研究區(qū)居民居住較為分散，主要分布在山區(qū)四周的狹小平原地區(qū)，區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟主要以第一產(chǎn)業(yè)為主，二、三產(chǎn)業(yè)不發(fā)達。研究區(qū)歷史文化底蘊深厚，民風淳樸，擁有相山、曹山寺、仙蓋山等諸多風景區(qū)，還有紅色遺址、戲曲等相關(guān)旅游資源，但這些資源大都尚未開發(fā)或處于開發(fā)的初級階段。

1.2 區(qū)域地質(zhì)背景

區(qū)域內(nèi)地層出露較為豐富，主要包括中部的下白堊統(tǒng)火山沉積巖、下白堊統(tǒng)巖漿巖、青白口系淺變質(zhì)巖、上白堊統(tǒng)的紅層沉積等。構(gòu)造方面，研究區(qū)位于樂安—撫州斷隆帶，形成了豐富的褶皺、斷裂和火山環(huán)形構(gòu)造。研究區(qū)經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化，形成了復雜的構(gòu)造與地層特征，擁有豐富的地質(zhì)地貌遺跡[14]。

2 研究區(qū)的主要旅游地學資源

旅游資源一般分為自然和人文兩大類，其中自然資源主要涉及巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈4個大系統(tǒng)[15]。巖石圈系統(tǒng)包含地質(zhì)旅游資源系統(tǒng)，如礦產(chǎn)資源的遺跡、開采遺留景觀等，區(qū)域構(gòu)造或中小型構(gòu)造形成的獨特景觀，標志性地層景觀等；地貌旅游資源系統(tǒng)包括不同巖性的地貌景觀，如丹霞地貌、喀斯特地貌等，還包括火山地貌遺跡；洞穴旅游資源系統(tǒng)包括一些風化的巖洞景觀等?？偟膩碚f，研究區(qū)的巖石圈旅游資源主要是地質(zhì)和少量地貌方面的旅游資源(圖1)。

圖1 研究區(qū)巖石圈旅游資源

研究區(qū)根據(jù)礦床的分布位置差異，采用平硐、斜井和豎井三種方式相結(jié)合進行礦石開采[16]。經(jīng)歷數(shù)十年的生產(chǎn)，從地面到地下，從前期的開拓到后期的回采留下一系列的礦山開采遺跡(圖2)。相山地區(qū)構(gòu)造受到了華夏板塊與楊子板塊的共同作用，屬于相山火山盆地與臨港火山盆地構(gòu)造，山體表面大都被植被所覆蓋，擁有花崗巖地表出露景觀，如奇石、奇峰、石蛋等，造型精美而有特色；研究區(qū)內(nèi)還發(fā)育少量丹霞地貌點，巖層受到地質(zhì)構(gòu)造、風化、流水侵蝕等綜合作用的影響，形成紅色巖層并出露于地表，具有一定的觀賞性。

圖2 研究區(qū)的礦山開采遺跡及環(huán)境注：a.豎井;b.礦石;c.礦石倉;d.礦山周邊道路

3 隨機森林算法與基尼指數(shù)耦合模型

隨機森林算法是以決策樹為基礎(chǔ)的集成學習算法。它在分類、回歸和評價上表現(xiàn)出很好的適用性[11]。因此，隨機森林算法也被譽為“代表集成學習技術(shù)水平的方法”。其算法主要步驟可以概括為：通過不斷地建立樣本(1～n)，生成對應的決策樹；通過隨機但不重復的選擇樣本的d個特征，對樣本進行劃分，找到最佳劃分特征；重復以上步驟k次，k即為隨機森林中決策樹的個數(shù)，最終選擇決策樹分類最多的結(jié)果作為結(jié)果輸出，如圖3所示。

圖3 隨機森林算法示意圖

基尼指數(shù)可作為評價指標來衡量特征的重要性，并對其在數(shù)據(jù)集中的影響進行評估。大量的數(shù)據(jù)中擁有很多特征，隨機森林算法可對眾多特征進行分析，判斷出不同特征在每一棵樹上的影響，然后再取平均?；嶂笖?shù)可反映出特征的貢獻度。

(1)

其中，C表示有C個類別，pqc表示節(jié)點q中類別c所占的比例。直觀地說，就是隨便從節(jié)點q中隨機抽取兩個樣本，其類別標記不一致的概率。特征Xj在第i棵樹節(jié)點q的重要性，即節(jié)點q分枝前后的Gini指數(shù)變化量為：

(2)

(3)

4 撫州市相山鈾礦山遺跡旅游地學資源開發(fā)評價

4.1 評價體系的構(gòu)建

依據(jù)《旅游資源分類、調(diào)查與評價》(GB/T18972—2003)相關(guān)規(guī)定，結(jié)合相山地區(qū)旅游地學景觀資源類型及特點，確立了景觀資源價值A(chǔ)1與開發(fā)利用條件A2兩個一級指標，觀賞性B1、稀有性B2、可研究性B3、科普功能B4、生態(tài)環(huán)境B5、適游期B6、設(shè)施完善程度B7、環(huán)境游覽容量B8、市場條件B9、交通便利性B10、政策條件B11、當?shù)亟?jīng)濟B12共12個二級指標，構(gòu)建了相關(guān)的評價體系(圖4)。邀請熟悉相山地區(qū)實際情況的10位專家，按照0～100分的范圍對12個二級指標進行打分(表1)，結(jié)合相關(guān)的分類評價規(guī)范，分為0～40、41～60、61～80、81～100四段等級，分別對應著較差、一般、較好、優(yōu)秀4個等級。

4.2 旅游地學資源開發(fā)評價

閉坑鈾礦山旅游地學開發(fā)的影響因素較多，為了消除10位專家對于指標評價的主觀性影響，引入了隨機森林算法結(jié)合基尼指數(shù)，構(gòu)建相應的模型，對研究區(qū)鈾礦山遺跡的旅游地學資源開發(fā)進行評價。將表1數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)分析軟件，選擇基尼指數(shù)作為節(jié)點分類評價的準則，根據(jù)式(1)至(3)計算出各指標的重要性評分并導出，即權(quán)重向量W：

(wB1, wB2, wB3, wB4, wB5, wB6, wB7, wB8, wB9, wB10, wB11, wB12)=(8.20%, 3.70%, 16.90%, 11.20%, 6.40%, 7.30%, 6.20%, 9.10%, 7.10%, 10.70%, 3.10%, 10.00%)。

圖4 閉坑鈾礦山旅游地學開發(fā)評價體系

表1 評價指標專家打分情況

根據(jù)權(quán)重系數(shù)構(gòu)建新的評價矩陣I：

根據(jù)新的權(quán)重計算出新的綜合得分向量S：(61.27,61.484,55.886,66.754,62.998,76.429,59.748,65.521,63.195,71.675)。利用隨機森林回歸的計算方式(圖3)，將評價矩陣I做為原始訓練樣本，將綜合得分S做為預測結(jié)果，輸入建立的耦合模型，選擇數(shù)據(jù)洗牌將數(shù)據(jù)打亂進行重新分割。采取有放回取樣的方式，選擇30%的數(shù)據(jù)進行訓練。根據(jù)原始樣本的數(shù)量規(guī)模，選擇構(gòu)建100棵決策樹，應用樣本外數(shù)據(jù)進行測試驗證以保證模型的泛化性，最終得到模型的判斷預測結(jié)果(表2)。表中綜合得分預測一至十分別代表綜合得分向量S中的10個得分，模型預測結(jié)果的召回率和精確率分別為76.6%和81.7%，其中第五項得分62.998，預測概率達到31%，說明建立的100棵決策樹中有31棵樹的決策結(jié)果選擇了第五項，經(jīng)過四舍五入，得分最終63分，屬于綜合評價中的61～80的較好級區(qū)間。

表2 隨機森林模型最優(yōu)得分預測結(jié)果

4.3 開發(fā)評價結(jié)果討論

分析綜合得分向量S中的得分可知，其平均得分在64，中位數(shù)得分在63分，與最終隨機森林模型的結(jié)果相近。雖然最后模型預測結(jié)果在較好級別，但是得分較低，瀕臨界限分數(shù)。綜合分析其二級指標評價得分可知，研究區(qū)的觀賞性、稀有性、可研究性等景觀資源價值評價較高，說明研究區(qū)景觀資源具有利用價值，尤其是研究價值；但是研究區(qū)當?shù)氐脑O(shè)施完善程度、經(jīng)濟發(fā)展狀況、周邊市場條件等開發(fā)利用方面的條件一般。例如，礦區(qū)周邊的道路等基礎(chǔ)設(shè)施還有待完善(圖2)，說明研究區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施是開發(fā)利用的短板，還需要加大這一方面的投入和建設(shè)，提升當?shù)氐挠慰徒哟芰?，促進經(jīng)濟發(fā)展。

近幾年，江西省政府和撫州市出臺了相關(guān)政策[17]，對相山鈾礦山及周邊的一些旅游設(shè)施進行了修復。樂安縣提出了建設(shè)“公溪軍工特色小鎮(zhèn)”，把軍工文化資源的優(yōu)勢延伸至旅游產(chǎn)業(yè)中。結(jié)合上述分析結(jié)果，研究區(qū)的總體開發(fā)思路應當是在基礎(chǔ)設(shè)施進一步提升的基礎(chǔ)上，圍繞著一個中心“核軍工文化”，融入當?shù)氐娘L景與文化特色，打造“相山礦山公園”和“旅游地學特色”文化村兩個基本點，將區(qū)域內(nèi)的礦山遺跡、地質(zhì)景觀、自然風光、民俗文化等資源結(jié)合起來，建設(shè)自然與人文景觀融合的特色旅游地學景區(qū)。

5 結(jié)論

第一，根據(jù)研究區(qū)實地調(diào)查走訪和資料搜集的成果，認為其旅游地學資源主要集中在巖石圈，并將其資源類型劃分為地質(zhì)、地貌和洞穴三個方面。

第二，構(gòu)建研究區(qū)礦山遺跡旅游地學資源開發(fā)評價體系，確立了景觀資源價值、開發(fā)利用條件兩個一級指標，觀賞性、稀有性和可研究性等共12個二級指標。

第三，應用基尼指數(shù)做節(jié)點分類評價的準則，建立了隨機森林評價模型，模型的決策結(jié)果選擇了第五項，得分63分，屬于綜合評價中61～80的較好級區(qū)間。

第四， 雖然旅游地學開發(fā)條件屬于較好級，但是得分偏低，研究區(qū)還需要加大交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入，提升當?shù)氐挠慰徒哟芰εc景區(qū)游覽品質(zhì)。