楊青華，李 藝，杜 軍

（1.廣西師范大學環(huán)境與資源學院，桂林 541004；2.廣西環(huán)境工程與保護評價重點實驗室，桂林 541004；3.河南省科學院地理研究所，鄭州 450000）

基于GIS和RS的黃石市礦山地質環(huán)境定量評價

楊青華1，2，李 藝1，2，杜 軍3

（1.廣西師范大學環(huán)境與資源學院，桂林 541004；2.廣西環(huán)境工程與保護評價重點實驗室，桂林 541004；3.河南省科學院地理研究所，鄭州 450000）

采用GIS和RS技術，以黃石市（黃石港區(qū)、西塞山區(qū)、下陸區(qū)、鐵山區(qū)）為研究對象，利用2009年1月27日和2008年12月16日SPOT5遙感數據，結合研究區(qū)的地形圖及采礦登記權等相關資料，建立礦山地質環(huán)境評價體系。針對各指標，提出與之相適應的GIS和RS提取方法，得到單因子分級圖。運用層次分析法，給各指標因子賦權重。再根據評價指標分級體系和礦山地質環(huán)境綜合評價模型，運用GIS的柵格運算功能，對各指標因子進行柵格計算、空間疊加，最終得到黃石市礦山地質環(huán)境評價分區(qū)圖。該研究結果為黃石市礦山地質環(huán)境保護與恢復治理規(guī)劃提供了有益的參考和借鑒，并為礦山地質環(huán)境定量評價研究奠定了一定的理論基礎。

礦山地質；地質環(huán)境評價；GIS；RS；黃石市

黃石市（黃石港區(qū)、西塞山區(qū)、下陸區(qū)、鐵山區(qū)）位于湖北省東南部，長江中游南岸，礦產資源豐富，素有“鋼鐵故鄉(xiāng)，水泥搖籃”之稱，全市已發(fā)現(xiàn)的礦產有能源、金屬、非金屬、水氣4大類。鐵、銅、煤、石灰石等是黃石的優(yōu)勢礦產，尤其是石灰?guī)r、白云巖找礦前景看好，且遠景規(guī)模大，質量好，宜露天開采；天青石等礦產尚未開發(fā)利用，品種配套程度高，潛在經濟價值大。礦業(yè)開發(fā)為黃石市經濟建設作出重要貢獻的同時，也給礦區(qū)地質環(huán)境帶來了嚴重的負面影響，引發(fā)、誘發(fā)各類地質災害，既對礦山工程活動造成威脅，又制約了礦山的可持續(xù)發(fā)展。

1 礦山地質環(huán)境評價指標體系的建立與分級

1.1 評價指標體系的建立

目前國內尚無一個統(tǒng)一的礦山地質環(huán)境評價指標體系。在評價礦區(qū)地質環(huán)境時，各家采用的評價指標不一致、方法不統(tǒng)一［1-5］，因而其評價結果的主觀性強。2009年5月1日國土資源部制定的《礦山地質環(huán)境保護規(guī)定》確定其適用范圍是：因礦產資源勘查開采等活動造成礦區(qū)地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡，含水層破壞，地形地貌景觀破壞等的預防和治理恢復?！兜V山地質環(huán)境保護規(guī)定》將“三廢”治理與土地復墾排除在適用范圍之外。

根據國土資源部2009年5月制定實施的《礦山地質環(huán)境保護規(guī)定》中對礦山地質環(huán)境范圍的界定，以及數據的可獲得性、可操作性和系統(tǒng)性原則，結合研究區(qū)地質背景、自然環(huán)境和礦山開發(fā)現(xiàn)狀，本文構建了包括礦山地質背景、礦山開采狀況、礦山災害環(huán)境和自然地理環(huán)境4項準則層和11項指標層的指標體系（見圖1）。

圖1 礦山地質環(huán)境評價體系圖Fig.1 Them ine geological environment evaluation system

1.2 評價指標等級確定

本文用礦山地質環(huán)境問題的嚴重程度來表征礦山地質環(huán)境的優(yōu)劣。評價礦山地質環(huán)境首先要確定影響礦山地質環(huán)境指標的等級。確定評價指標等級有3種方法［6］：①直接采用國家標準、行業(yè)標準作為礦山地質環(huán)境質量評價指標因子等級的依據。②采用行業(yè)推薦值或地區(qū)（礦區(qū)）平均值作為劃分指標等級的依據。③依據礦山地質環(huán)境調查評價的實地情況，借鑒相關學科方法，制定適應于礦山地質環(huán)境評價的指標等級。優(yōu)先制定定量化指標，確有困難時可采用定性描述指標等級。

中國地質調查局2004年10月頒行的中國地質調查工作標準《區(qū)域環(huán)境地質調查總則（試行）（DD2004-02）》規(guī)定按地質環(huán)境質量指標數值對評價區(qū)進行綜合性區(qū)域地質環(huán)境等級分區(qū)，分區(qū)等級統(tǒng)一規(guī)定為地質環(huán)境質量好、較好、較差、差4級。以此原則將評定礦山地質環(huán)境的指標因子及礦山地質環(huán)境等級劃分為“好”（Ⅰ級）、“較好”（Ⅱ級）、“較差”（Ⅲ級）和“差”（Ⅳ級）4個等級。各等級賦值標準分值分別為：Ⅰ級3分、Ⅱ級5分、Ⅲ級7分、Ⅳ級9分［6］，見表1。

表1 各指標因子等級賦值標準及加權評定分值對應等級Table1 The grade criteria of every factor and the correspondingly weighted evaluation value grade scores

2 評價指標量化提取

2.1 坡度因子的提取

坡度因子是基于1∶50 000DEM數據，利用Arc-Map軟件中3D Analyst的Surface Analysis分析模塊提取出坡度分級圖。

2.2 地層巖性因子提取

在獲取的地層信息數據的基礎上，根據地層是否含礦和巖石的抗風化能力進行分級賦值。按照地層礦石含量，將其分為不含礦、含灰?guī)r、含煤炭和含鐵4類。按照巖石的抗風化能力，將其分為強、較強、較弱和弱4級。

2.3 礦山開采狀況各因子提取

根據收集的礦權數據和遙感影像處理后的解譯數據，對礦山生產規(guī)模、礦山開采深度和礦山經濟類型進行分級提取。按照對應的分級標準，將企業(yè)規(guī)模劃分為小型、中型、大型和特大型4類；開采深度劃分為＜100，100～300，300～500，＞500這4級；經濟類型劃分為國有企業(yè)、集體企業(yè)、聯(lián)營企業(yè)（包括股份合作企業(yè)、有限責任企業(yè)和股份有限公司）和私營企業(yè)4類。

2.4 礦山開發(fā)占地因子提取

礦山開發(fā)占用破壞土地劃分為復墾區(qū)、工礦建筑、中轉場地（包括煤堆、其他礦石堆、洗煤場、選礦場和選礦池）和固體廢棄物（包括排土場、尾礦庫、煤矸石堆和廢石堆）、采場4類。

2.5 地質災害密度圖的生成

密度制圖根據輸入的要素數據集計算整個區(qū)域的數據聚集狀況，從而產生一個連續(xù)的密度表面。密度制圖主要是基于點數據生成的，以每個待計算格網點為中心，進行圓形區(qū)域的搜尋，進而來計算每個格網點的密度值［7］。

本文采用2 km×2 km為單元劃分格網，根據解譯和綜合收集的黃石市地質災害信息，生成地質災害密度圖。

2.6 植被覆蓋度因子的提取

植被覆蓋度是指植被冠層或葉面在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。本文基于像元二分模型計算植被覆蓋度。在SPOT5多光譜遙感影像基礎上，采用標準化植被指數（NDVI）的方法來計算植被覆蓋度，其指數公式為［8］

式中：NIR為近紅外波段反射率；R為紅光波段反射率。

進而根據公式（1），獲得植被覆蓋度為

式中：Fc為植被覆蓋度；NDVIveg和NDVIsoil分別為純植被和純裸土的歸一化植被指數，其中，NDVIsoil＝NDVImin，NDVIveg＝NDVImax。

在ERDAS／IMAGINE遙感圖像處理軟件支持下，在目視解譯的基礎上采取最大似然法對遙感影像每個像元的植被覆蓋度進行計算機自動判別，進行除噪處理后得到研究區(qū)植被覆蓋度最終分類結果。

2.7 降雨侵蝕力因子的提取

根據王萬忠等人繪制的中國年降雨侵蝕力等值線圖［9］，利用Spline內插法，得到該流域降雨侵蝕力柵格分布圖。利用自動分級，將其分為5級，可得到土壤侵蝕對降雨侵蝕力影響的分布圖。

2.8 道路影響因子的提取

利用歐式距離分析得出各點到道路的最短距離。歐氏距離（Euclidean distance）是一個通常采用的距離定義，它是在n維空間中2個點之間的真實距離。歐式距離的公式為

式中：i＝1，2，…，n；Xi1表示第1個點的第i維坐標，Xi2表示第2個點的第i維坐標。

歐氏距離看作信號的相似程度。距離越近就越相似，就越容易相互干擾。

3 評價指標權重值的確定

層次分析法是由美國著名運籌學家薩蒂（T.L.Satty）提出的一種多目標、多準則的決策方法。他通過整理和綜合專家們的經驗判斷，將專家們對某一事物的主觀看法進行定量化。其基本原理是將要識別的復雜問題分解成若干層次，然后由相關專家對每一層次上的各指標通過兩兩比較相互間重要程度構成判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的特征值與特征向量，確定該層次指標對其上層要素的貢獻率，然后通過層次遞接技術，求得基層指標對總體目標的貢獻率［10，11］。

通過建立判斷矩陣，運用層次分析法，最后得到各層因素的權值如表2所示。

表2 礦山地質環(huán)境評價指標權值分配表Table2 The weights ofm ine geological environment evaluation index

4 礦山地質環(huán)境定量評價

4.1 綜合評價模型和空間疊加分析

礦山地質環(huán)境評價是受上述多個因子綜合影響的，在單因子分級提取的基礎上進行礦山地質環(huán)境綜合評價。為此，采用礦山地質環(huán)境評價綜合指數模型

式中：S為礦山地質環(huán)境評價指數；Wi為評價因子權重；Pij為評價因子；j為評價單元；i為第i個評價因子。

疊加分析是GIS中一種常用的空間分析模式，是一專題信息層與另外的專題信息層之間的疊合，實現(xiàn)不同專題信息層及其屬性數據之間的疊加，產生新數據的過程。根據疊加分析數據可分為基于柵格數據的疊加分析和基于圖形數據的疊加分析。本次應用研究主要利用GIS軟件的基于柵格數據的疊加分析功能實現(xiàn)礦山地質環(huán)境評價因子的評價分區(qū)。

4.2 評價結果分區(qū)

通過上述對權重的確定，利用綜合評價公式，則可計算出每個單元的綜合指數。其分值分布在0.11～0.38之間，利用GIS空間分析模塊［7］，求得綜合指數頻率分布曲線（圖2），根據曲線突變點（S值為0.15，0.20，0.28）初步確定礦山地質環(huán)境評價分區(qū)閾值。

依據上述評價方法，采用綜合指數分值確定各評價單元等級，將評價分區(qū)劃分成礦山地質環(huán)境影響極嚴重區(qū)、嚴重區(qū)、中等區(qū)和較輕區(qū)4級。評估分區(qū)標準為：礦山地質環(huán)境影響程度指數S＞0.28，為礦山地質環(huán)境影響極嚴重區(qū)；0.28＞S＞0.20，為礦山地質環(huán)境影響嚴重區(qū)；0.20＞S＞0.15，為礦山地質環(huán)境影響一般區(qū)；S＜0.15，為礦山地質環(huán)境影響較輕區(qū)。

圖2 綜合指數S分布頻率曲線圖Fig.2 The frequency distribution curve of composite index S

利用ArcGIS中Grid模塊的圖形空間疊加和運算功能，在兼顧礦區(qū)邊界完整性基礎上，利用Arc-View軟件繪制黃石市礦山地質環(huán)境評價分區(qū)圖（見圖3）。將評價分區(qū)劃分成礦山地質環(huán)境影響極嚴重區(qū)、嚴重區(qū)、中等區(qū)和較輕區(qū)4級。其中，影響極嚴重區(qū)面積約16.21 km2，占研究區(qū)面積約9.81%；礦山地質環(huán)境影響較嚴重區(qū)面積約為27.24 km2，約占研究區(qū)面積16.48%；中等區(qū)面積約為70.24 km2，約占研究區(qū)面積42.49%；較輕區(qū)面積約為51.61 km2，約占研究區(qū)面積31.22%。

由分區(qū)結果得出：國有老鐵礦和老煤礦區(qū)礦山環(huán)境問題仍然是黃石市礦山環(huán)境保護的工作重點之一，如鐵山區(qū)露天和地采鐵礦區(qū)、黃荊山北麓地采煤礦地段等礦山環(huán)境影響極嚴重區(qū)的礦山地質災害問題十分突出。集體、私營個體小型礦山環(huán)境問題仍將十分突出，如鐵山區(qū)地采煤礦和露采灰?guī)r，以及下陸區(qū)和西塞山區(qū)露采灰?guī)r形成的礦山環(huán)境較嚴重區(qū)。礦山地質災害、土地占用及破壞、地下水系統(tǒng)破壞等礦山地質環(huán)境問題，相當長時間內仍然存在。

圖3 黃石市礦山地質環(huán)境影響評價分區(qū)圖Fig.3 The zoning map ofm ine geological environment im pact assessment of Huangshi

5 結論與展望

本文是對黃石市礦山地質環(huán)境評價進行了探討，得到的分區(qū)結果與實際情況和其他部門做出的評價結果基本吻合，證明選取的評價體系和方法是可靠有效的。但由于遙感數據對含水層破壞（尤其是地下水均衡系統(tǒng)）信息提取的局限性，本文對礦山地質環(huán)境中的含水層破壞未能提取，使得地質環(huán)境評價體系不夠全面。

遙感作為主要的空間數據獲取和地學空間探測技術，為地理信息系統(tǒng)提供最新最準確的海量數據信息，在遙感圖像處理軟件和地理信息系統(tǒng)軟件平臺的支持下，兩種技術的結合對地質環(huán)境進行定量準確分析和評價，為區(qū)域地質環(huán)境的持續(xù)發(fā)展提供科學準確的依據，在環(huán)境科學中有著廣闊的應用前景。

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（編輯：周曉雁）

Quantitative Assessment on M ining Geological Environment in Huangshi City w ith GIS and RS

YANG Qing-hua1，2，LIYi1，2，DU Jun3
（1.College of Resource and Environmental Science Guangxi Normal University，Guilin 541004；China；2.The Guangxi Key Laboratory of Environmental Engineering，Protection and Assessment，Guilin 541004，China；3.Institute of Geographical Sciences，Henan Academy of Sciences.Zhengzhou 450000，China）

In this paper，the Huangshi City（including Huang Shigang District，Xisaishan District，Xialu District and Tieshan District）was taken as the research object.By means of SPOT5 remote sensing data on January 27，2009 and December 16，2008，in combination with topographic map of the study districts and the registration of mining rights and other related information，an assessment system of the mine geological environment was established.With contraposing various indexes，the GISand RSextractionmethods appropriate to every index were proposed and the single factor graduationmap was obtained.Analytic hierarchy process（AHP）method was applied to give theweightof every index factor.Then，the grid operation of GISwas applied，based on classification system of evaluation index and comprehensive evaluation model ofmine geological environment，to make the zoning map of mine geological environment of Huangshi City.The results provide an useful reference formine geological environment protection and recovery and management planning，aswell as establish certain theoretical basis formine geological environment evaluation and research.

mining geology；geological environment evaluation；GIS；RS；Huangshi City

P642；X141

A

1001-5485（2010）08-0070-04

2009-11-04；

2010-03-24

廣西環(huán)境工程與保護評價重點實驗室研究基金資助（2009）

楊青華（1981-），女，山西翼城人，碩士研究生，主要從事遙感與GIS地學應用研究，（電話）15277399861（電子信箱）qinghua9＠yahoo.cn。