姚棟偉，程 莉，汪 洋，李天慈

(1.中鋁廣西有色稀土開發(fā)有限公司， 廣西南寧 530022；2.中南勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430071；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)， 湖北武漢 430074)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS的礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)方法

姚棟偉1，程 莉2，汪 洋3，李天慈3

(1.中鋁廣西有色稀土開發(fā)有限公司， 廣西南寧 530022；2.中南勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430071；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)， 湖北武漢 430074)

以贛南某稀土礦為例，探討了采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS相結(jié)合的方法，開展礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的方法。根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)，選取9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到評(píng)價(jià)結(jié)果，導(dǎo)入GIS中，建立地質(zhì)分區(qū)圖。評(píng)價(jià)結(jié)果表明:嚴(yán)重區(qū)面積為1.1126 km2，較嚴(yán)重區(qū)為1.2671 km2，輕微區(qū)為2.537 km2。評(píng)價(jià)結(jié)果與調(diào)查結(jié)果較為相近，滿足地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)要求。

礦山地質(zhì)評(píng)價(jià)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；GIS；稀土礦

0 引 言

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，對(duì)于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重大作用，但同時(shí)也帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。近年來，礦產(chǎn)地質(zhì)環(huán)境問題越來越受到重視。隨著環(huán)境科學(xué)以及其他相關(guān)學(xué)科理論研究和實(shí)踐不斷深入，許多新的模型、方法被引入到地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)指標(biāo)也由單項(xiàng)評(píng)價(jià)逐漸向綜合評(píng)價(jià)發(fā)展[3-4]。陳建平等[5]將模糊綜合評(píng)判引入礦山環(huán)境評(píng)價(jià)中，取得了良好的效果。楊青華等[6]借助GIS和RS為礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理提供了有益的參考和借鑒。Christian和Wolfgang[7]將RS、GIS和地下水模擬相結(jié)合，研究了地表植被隨著由地下開采礦山引起的地表沉降、地下水位變化之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)眾多類型的一種，它含有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的分類能力，具有其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定、硬件設(shè)備要求較低的優(yōu)點(diǎn)。

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS相結(jié)合的方法，在野外地質(zhì)調(diào)查及前期資料收集的基礎(chǔ)上，以稀土礦山為例，進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)，為礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理工作以及礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

該稀土礦礦區(qū)范圍4.9122 km2，礦體總面積2.833 km2。礦區(qū)屬低山丘陵地貌，地形相對(duì)南高北低，雨量充沛，四季分明。出露的基巖均為燕山早期第二階段第三次侵入的粗中粒黑云母花崗巖，巖石具有強(qiáng)烈的鉀化及鈉長(zhǎng)石化，高嶺土化，絹云母化，局部還有螢石化。除基巖外，其他則為第四系聯(lián)圩組(Qhl)，沿河流兩岸、溝谷凹陷等低洼處分布，主要由沖洪積層和殘坡積層組成。礦區(qū)經(jīng)歷多期多階段構(gòu)造地質(zhì)作用，不同層次、不同型式、不同強(qiáng)度的構(gòu)造交織共生。地下水主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類型。

該稀土礦采用露天開采方式，先后分別采用了3種不同的開采工藝:池浸、堆浸以及原地浸礦。堆浸、池浸采礦對(duì)山體剝離嚴(yán)重，使得礦區(qū)地表植被破壞殆盡，地表起伏不平，對(duì)原生地形地貌景觀影響和破壞程度極大，使礦區(qū)變得滿目瘡痍，并且尾礦砂的堆積也嚴(yán)重影響了地貌景觀。原地浸礦的采礦工程中需砍伐喬木灌木、對(duì)植被進(jìn)行部分清除，修建配液池、高位池，鉆孔、修建管路，開挖集液溝、集液池等，對(duì)地表植被和地形地貌景觀也會(huì)造成一定程度的影響，對(duì)植被的短期恢復(fù)影響較大。同時(shí)，容易造成地下水的污染。

2 地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 指標(biāo)體系的建立

地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣一方面是由自然因素控制的，另外又受到人為因素的影響，二者共同作用形成地質(zhì)環(huán)境的現(xiàn)狀。由于研究對(duì)象為單體礦山，研究區(qū)范圍較小，選擇在小范圍內(nèi)區(qū)分度較大的指標(biāo)。故采用的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為兩級(jí):一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)3個(gè)，即自然地理，地質(zhì)背景，礦山環(huán)境。二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)9個(gè)，即地形坡度、植被覆蓋率、區(qū)域重要程度、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組、地下水類型、開采方式、開采強(qiáng)度、占用土地比例，如圖1所示。

圖1 稀土礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)分級(jí)

由于礦山地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣一般體現(xiàn)在研究區(qū)內(nèi)由于采礦引起的地質(zhì)環(huán)境問題的嚴(yán)重程度，因此，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)是礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵步驟。根據(jù)《全國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查技術(shù)要求實(shí)施細(xì)則》(中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院)、《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范》(國(guó)土資源部)相關(guān)規(guī)定，礦山地質(zhì)環(huán)境劃分為影響嚴(yán)重、影響較嚴(yán)重和影響一般3個(gè)等級(jí)。因此，在礦山地質(zhì)環(huán)境分級(jí)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)地質(zhì)環(huán)境問題的相關(guān)影響因素及表征指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)與最差的極限值，以閥限或遞減規(guī)律取值來實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)，詳見表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 基于GIS的評(píng)判指標(biāo)的量化

評(píng)價(jià)指標(biāo)在GIS中的量化主要是評(píng)價(jià)指標(biāo)的提取和評(píng)價(jià)單元的劃分。在GIS系統(tǒng)中將各種與評(píng)價(jià)過程有關(guān)的空間信息歸為點(diǎn)、線、面三種類型，可在評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上生成評(píng)價(jià)所需的單因素基礎(chǔ)圖層，通過GIS平臺(tái)的空間分析及DTM分析等模塊，對(duì)評(píng)價(jià)信息進(jìn)行提取。本文采用不規(guī)則劃分方式進(jìn)行空間信息的分析與評(píng)價(jià)，如圖2所示。采用研究區(qū)坡度分級(jí)圖、工程地質(zhì)巖組分布圖、地下水類型分布圖、開采方式及開采活動(dòng)強(qiáng)度分區(qū)圖作為矢量疊加的基礎(chǔ)圖件，共將研究區(qū)劃分為3026個(gè)評(píng)價(jià)單元。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱蔽層和輸出層組成，傳播過程包括正向和反向兩個(gè)過程。在正向傳播過程中，輸入層的信息經(jīng)隱蔽層傳到輸出層。在傳輸?shù)倪^程中，每層節(jié)點(diǎn)只接受前一層的輸入信息并輸出給下一層各節(jié)點(diǎn)，同一層中的各節(jié)點(diǎn)之間不相互作用。若實(shí)際輸出與預(yù)期輸出出入較大時(shí)，則會(huì)轉(zhuǎn)入反向傳播模式，將誤差信號(hào)沿著相同的通道返回，并調(diào)整各層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值以便使誤差信號(hào)最小化[9-10]。

圖2 矢量圖層的疊加過程

反向過程的權(quán)值調(diào)整公式為:

式中，η為學(xué)習(xí)率。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)流程如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)流程

圖4 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境分區(qū)

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分樣本及訓(xùn)練誤差

4 礦山環(huán)境地質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

定性指標(biāo)及地質(zhì)環(huán)境等級(jí)確定為嚴(yán)重、較嚴(yán)重、輕微3個(gè)等級(jí)作為期望輸入、輸出值，對(duì)應(yīng)取值分別為3，2，1，將各待評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練過的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中?？梢暂敵雒總€(gè)評(píng)價(jià)單元的地質(zhì)環(huán)境等級(jí)數(shù)值，即可得出稀土礦地質(zhì)環(huán)境的評(píng)價(jià)結(jié)果，部分評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。將評(píng)價(jià)結(jié)果導(dǎo)入到GIS圖層文件中，對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境等級(jí)的單元賦予不同的顏色，得到基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的稀土礦山地質(zhì)環(huán)境分區(qū)圖，如圖4所示。

礦山地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重區(qū)面積為1.1126 km2，占研究區(qū)面積的22.6%，主要分布于堆(池)浸開采區(qū)、尾礦堆積區(qū)、地形坡度較陡的原地浸礦開采區(qū)，該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育、地貌景觀及土地資源破壞嚴(yán)重；較嚴(yán)重區(qū)1.2671km2，占研究區(qū)面積的25.8%，主要分布于地形坡度較緩且開采強(qiáng)度較大的原地浸礦開采區(qū)，該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害較少，破壞了一定的土地資源和地貌景觀；輕微區(qū) 2.537 km2，占研究區(qū)面積的51.6%，主要分布于地形坡度較緩且開采強(qiáng)度較小的原地浸礦區(qū)及未開采區(qū)，該區(qū)域受采礦活動(dòng)影響小，地質(zhì)環(huán)境問題很少。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS相結(jié)合的方式對(duì)地質(zhì)環(huán)境分區(qū)結(jié)果與野外調(diào)查研究、定性分析的結(jié)果吻合，滿足地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)的要求。

5 結(jié) 論

本文在野外地質(zhì)調(diào)查及前期資料收集的基礎(chǔ)上，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS相結(jié)合的方法對(duì)贛南某稀土礦山環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出如下結(jié)論:

(1)針對(duì)礦區(qū)特征，選擇在礦區(qū)范圍內(nèi)區(qū)分度大的有關(guān)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)地質(zhì)環(huán)境問題的相關(guān)影響因素及表征指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，確定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

(2)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳播有正向和反向兩個(gè)過程。當(dāng)實(shí)際輸出與預(yù)期輸出出入較大時(shí)，則會(huì)進(jìn)入反向傳播，并調(diào)整各層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值以便使誤差信號(hào)最小化；

(3)將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的評(píng)價(jià)結(jié)果導(dǎo)入到GIS中，可以看出嚴(yán)重區(qū)面積為1.1126 km2，占研究區(qū)面積的22.6%，較嚴(yán)重區(qū)1.2671 km2，占研究區(qū)面積的25.8%，輕微區(qū)2.537 km2，占研究區(qū)面積的51.6%，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果一致。

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2015-12-22)

姚棟偉(1970-)，男，工程師，主要從事稀土礦山環(huán)境保護(hù)工作，Email:915864723@qq.cm。