趙浩雷，張 錦

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

露天開采是煤炭開采的一種主要生產(chǎn)方式，具有單井規(guī)模大、效率高、集約性強、事故率低等顯著優(yōu)勢。截止2020年底，我國共有露天煤礦376處，總產(chǎn)能9.5億t/a，占全部生產(chǎn)煤礦產(chǎn)能比由1980年的2.7%增至2020年的17.8%[1-4]。露天煤礦的高質(zhì)量發(fā)展對促進我國煤炭資源的高效科學(xué)合理開采、綠色礦山建設(shè)等方面具有現(xiàn)實意義。

近年來國內(nèi)學(xué)者對露天煤礦展開了大量研究，主要集中在采礦理論、開采工藝與設(shè)備、綠色礦山建設(shè)、發(fā)展現(xiàn)狀等方面，雖大多數(shù)研究[5-10]都提到我國露天煤礦分布情況，但更多是提及國家大型規(guī)劃礦區(qū)、大型企業(yè)投資建設(shè)的大型或特大型露天煤礦，很少涉及地方礦區(qū)、中小型企業(yè)建設(shè)的中小型露天煤礦，且研究程度較淺。然而，我國中小型露天煤礦數(shù)量遠遠多于大型、特大型露天煤礦的數(shù)量，且分布和開發(fā)情況頗為復(fù)雜。

空間分布特征作為空間分析的重要內(nèi)容，近年來已有諸多學(xué)者對其展開了深入的研究。從已有研究成果看，最近鄰指數(shù)、地理集中指數(shù)、核密度估計等點模式分析方法已被廣泛的運用到空間點數(shù)據(jù)分布特征研究，如居民點[11-12]、旅游景點[13-14]、傳統(tǒng)村落[15-16]等，但很少對露天煤礦空間分布特征進行研究。相比美國能源信息署的煤炭數(shù)據(jù)瀏覽器、澳大利亞地球科學(xué)局的澳大利亞礦山圖集、印尼能源和礦產(chǎn)資源部的一張圖等，都能良好地展示該國境內(nèi)煤礦的分布情況，目前我國尚未擁有從宏觀尺度構(gòu)建的國家級、開放、共享、面向公眾聚焦于露天煤礦分布的地理信息平臺，不僅阻礙了公眾對我國露天煤炭資源分布的認識，還給科研工作者統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)帶來不便?；诖?，利用GIS了解和研究我國露天煤礦空間分布特征，總結(jié)歸納露天煤礦開發(fā)布局十分必要。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

露天煤礦數(shù)據(jù)來源主要有3個方面，一是從國家能源局和各省政府相關(guān)煤炭部門獲取的證照齊全依法合規(guī)的露天煤礦；二是從虛擬地球歷史影像資料搜集露天煤礦，煤礦露天開采占用和破壞土地的規(guī)模較大，與周圍的地物存在明顯差別，在遙感影像上的特征較為明顯，礦區(qū)盤旋的運輸?shù)缆?、大型的邊坡、活動采區(qū)、排土場等礦山地物均易于識別，通過目視虛擬地球歷史影像資料并依據(jù)專家經(jīng)驗判讀是搜尋露天煤礦并確定其經(jīng)營狀態(tài)的重要途徑；三是從國內(nèi)專著、論文、期刊等入手，輔以搜索引擎、貼吧、博客、新聞等渠道，主要獲取對應(yīng)露天煤礦的詳細信息。

綜合以上3個方面的數(shù)據(jù)來源，搜集露天煤礦的包括開發(fā)主體、行政區(qū)劃、經(jīng)緯度坐標、礦區(qū)概況等在內(nèi)的相關(guān)信息，之后制定規(guī)范并編制成文檔，最后將其空間可視化為矢量數(shù)據(jù)。筆者一共搜集了我國從2000-2020年內(nèi)出現(xiàn)的519處露天煤礦(包括生產(chǎn)、在建、閉坑3種經(jīng)營狀態(tài)的露天煤礦，其中生產(chǎn)露天煤礦是指截至2020年底之前處于正常運營狀態(tài)的露天煤礦，在建露天煤礦是指截至2020年底之前已核準開工建設(shè)未投產(chǎn)或暫定開發(fā)主體的新建露天煤礦，閉坑露天煤礦是指截至2020年底已經(jīng)停產(chǎn)多年或閉坑且在遙感影像上有明顯的歷史遺留特征的露天煤礦)。我國主要露天煤礦地理空間分布如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 最近鄰指數(shù)

最近鄰指數(shù)(Nearest Neighbour Index) 是通過計算確定露天煤礦的聚集程度，其計算公式見式(1)[18]：

(1)

式中：R——露天煤礦最近鄰指數(shù)；

DNN——露天煤礦最近鄰點對的實際平均距離，km；

Dran——隨機分布條件下露天煤礦近鄰點對的理論平均距離，km；

n——常數(shù)，取519；

i——自然數(shù)，最大值為519；

min(di) ——任一露天煤礦點與其最近鄰點間的距離，km；

N——露天煤礦總數(shù)量，取519；

A——研究區(qū)總面積，km2。

當R=1時，說明露天煤礦點分布為隨機型分布；當R>1時，說明露天煤礦點分布趨于均勻分布；當R<1時，說明露天煤礦點分布趨于凝聚分布。

1.2.2 地理集中指數(shù)

地理集中指數(shù)是用來衡量露天煤礦分布的地理集中程度，其計算公式見式(2)：

(2)

式中：G——露天煤礦地理集中指數(shù)；

d——常數(shù)，取34；

a——自然數(shù)，最大值為34；

Xa——第a個省份所有的露天煤礦數(shù)量，座；

T——露天煤礦總數(shù)量，取519。

G的取值范圍介于0～100之間，G越接近100，代表我國露天煤礦空間分布的地理集中程度越大，反之則空間分布越分散。

1.2.3 核密度分析

核密度分析主要是通過計算露天煤礦點要素在其周圍鄰域的密度從而體現(xiàn)出露天煤礦在空間分布的集聚情況和相對集中程度，其計算公式見式(3)：

(3)

式中：fh(x)——核密度；

h——距離閾值，km；

b——距離閾值范圍內(nèi)包含的露天煤礦空間實體數(shù)量，座；

c——自然數(shù)，最大值為b；

K()——核密度方程；

d(x,xi) ——兩點之間的歐氏距離，km。

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計算整個區(qū)域內(nèi)露天煤礦點要素的聚集情況，fh(x)值越大，說明點分布越密集。

1.2.4 Cesium軟件

Cesium是一款面向三維地球和地圖的JavaScript開源軟件產(chǎn)品，它提供了基于JavaScript語言的開發(fā)包，使用WebGL來進行硬件加速圖形，使用時不需要任何插件支持，方便用戶快速搭建一款零插件的虛擬地球Web應(yīng)用，并在性能、精度、渲染質(zhì)量以及多平臺易用性上都有高質(zhì)量的保證。與此同時，Cesium是基于Apche2.0許可的開源程序，可以用于商業(yè)和非商業(yè)用途。Cesium的功能極其強大，可以支持2D、2.5D、3D形式的地圖展示，使用3D tiles格式流式加載各種不同的3D數(shù)據(jù)(傾斜攝影模型、三維建筑物、點云數(shù)據(jù)等)，同時支持基于時間軸的動態(tài)數(shù)據(jù)可視化和多種資源的圖像圖層(TMS、WMS、WMTS等圖層)。基于上述優(yōu)點，筆者通過Cesium開源引擎構(gòu)建我國露天煤礦可視化系統(tǒng)。

2 我國露天煤礦空間分布特征

2.1 我國露天煤礦空間分布類型

通過計算最近鄰指數(shù)得出露天煤礦實際最近鄰距離為21.7 km，理論最近鄰距離為103.4 km，即實際最近鄰距離均值與理論最近鄰距離均值之比R=0.209 8<1，說明我國露天煤礦空間分布類型為顯著聚集分布。

2.2 我國露天煤礦空間分布均衡性

我國省(區(qū))露天煤礦數(shù)量分布如圖2所示。

圖2 我國省(區(qū))露天煤礦數(shù)量分布

通過計算得到我國露天煤礦地理集中指數(shù)為48.16。假設(shè)519座露天煤礦平均分布在我國34個省(區(qū))，即每個省的露天煤礦數(shù)量為15.26座，通過計算得出地理集中指數(shù)為17.15，即均勻分布狀態(tài)下的露天煤礦地理集中指數(shù)小于實際露天煤礦地理集中指數(shù)，可知我國露天煤礦在各省(區(qū))的空間分布不均衡，具體分析如下。

(1)從省(區(qū))角度分析，露天煤礦分布主要集中在內(nèi)蒙古、新疆、陜西、山西、云南5個省(區(qū))，其露天煤礦總數(shù)量約占全國露天煤礦總數(shù)量的83.82%。

(2)從地理方位角度分析，我國露天煤礦主要分布在北方，且多聚集在西北和華北地區(qū)，北方地區(qū)露天煤礦總數(shù)量約占全國的86.42%。

(3)從依據(jù)其經(jīng)濟發(fā)展水平劃分的東中西部角度分析，我國露天煤礦主要分布在煤炭資源豐富但經(jīng)濟發(fā)展較慢的中部和西部地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展較快的東部沿海省份基本沒有露天煤礦，中西部地區(qū)露天煤礦總數(shù)量約占全國的98.43%。

(4)從露天煤礦的運營狀態(tài)角度分析，目前閉坑的露天煤礦絕大多數(shù)是中小型露天煤礦，而在建的露天煤礦基本都是大型及以上規(guī)模的露天煤礦。

(5)從不同開采露天煤礦規(guī)模角度分析，產(chǎn)能在20 Mt/a及其以上的開采特大型露天煤礦有6座位于內(nèi)蒙古自治區(qū)，3座位于山西省，數(shù)量占全國的2.39%，產(chǎn)能占全國的25.68%；產(chǎn)能在大于等于4 Mt/a且小于20 Mt/a的開采大型露天煤礦共有44座，開采大型和特大型露天煤礦總數(shù)量雖只占全國的14.1%，但其總產(chǎn)能卻占全國露天煤礦總產(chǎn)能的67.05%。

綜合上述分析結(jié)果可知，我國露天煤礦的空間分布極不均衡，從總體上看表現(xiàn)出北密南稀、西中部多而東部少且主要集中于內(nèi)蒙古、山西等5個省(區(qū))的空間分布特征。

2.3 我國露天煤礦空間分布集聚特征

為了全面了解我國露天煤礦分布的連續(xù)變化和精確集聚中心，利用ArcGIS軟件中核密度工具生成的我國主要露天煤礦核密度分布如圖3所示。由圖3可以看出，我國露天煤礦核密度值在不同地區(qū)呈現(xiàn)明顯的差異，進一步分析如下。

圖3 我國主要露天煤礦核密度分布

(1)山西省露天煤礦分布在空間上形成了1個高密度區(qū)、4個次級高密度區(qū)，且主要分在晉中和晉北地區(qū)。高密度區(qū)主要位于忻州市寧武原平礦區(qū)，次級高密度區(qū)則位于大同市的渾源礦區(qū)、朔州市的平朔礦區(qū)、陽泉市的盂縣昔陽和順礦區(qū)、橫跨晉中呂梁兩市的交口靈石礦區(qū)。

(2)內(nèi)蒙古自治區(qū)作為我國的煤炭資源大省，在空間上形成了一個全國最高密度區(qū)、多個高密度區(qū)和多個次高級密度區(qū)。全國最高密度區(qū)是我國最大且橫跨陜晉蒙的鄂爾多斯露天煤田。其它集聚區(qū)則主要分布于呼倫貝爾市的扎賚諾爾礦區(qū)、寶日希勒礦區(qū)、大雁礦區(qū)和伊敏礦區(qū)，錫林郭勒盟的賀斯格烏拉礦區(qū)、農(nóng)乃廟礦區(qū)、白音華礦區(qū)、吉林郭勒礦區(qū)、勝利礦區(qū)、瑪尼圖礦區(qū)和白音烏拉礦區(qū)，通遼市的霍林河礦區(qū)，包頭市的大青山石拐礦區(qū)，鄂爾多斯市的準格爾礦區(qū)和神東礦區(qū)，烏海市的烏海礦區(qū)，阿拉善盟溫都爾勒圖鎮(zhèn)礦區(qū)和西大窯唐家溝地區(qū)。

(3)新疆維吾爾自治區(qū)作為我國西部煤炭資源勘探與開發(fā)的重點地區(qū)，目前已經(jīng)形成了多個煤炭露天開采集聚區(qū)。目前新疆絕大多數(shù)露天煤礦主要分布在新疆的北部，具體有伊犁伊寧礦區(qū)、五彩灣礦區(qū)、將軍廟礦區(qū)、大井礦區(qū)、西黑山礦區(qū)、老君廟礦區(qū)、北塔山礦區(qū)、巴里坤礦區(qū)、三塘湖礦區(qū)、淖毛湖礦區(qū)等諸多國家規(guī)劃礦區(qū)。

(4)云南省露天煤礦分布主要形成了3個集聚區(qū)，分別是先鋒宜良礦區(qū)、小龍?zhí)兜V區(qū)和跨竹礦區(qū)，其他露天煤礦則零星分布在云南省各地。

(5)從全國整體上看，我國露天煤礦分布形成了鄂爾多斯露天煤田唯一大規(guī)模高密度聚集區(qū)和以國家礦區(qū)和地方礦區(qū)為主的多個小規(guī)模高密度聚集區(qū)，聚集區(qū)域呈現(xiàn)“開發(fā)顯著集中，大型露天煤田獨占鰲頭，國家規(guī)劃礦區(qū)和地方礦區(qū)并存”的空間分布格局。

3 露天煤礦可視化平臺設(shè)計

3.1 框架設(shè)計

隨著GIS的發(fā)展，其作為高效、集成、可視化的空間信息表達和空間分析平臺，當前正走向完全Web化，涌現(xiàn)了以Cesium為首的開源引擎利用Web端技術(shù)開發(fā)的地理信息平臺，大大提高了平臺的開放程度[21]。本平臺的設(shè)計目標主要是開發(fā)一套用于露天煤礦專題數(shù)據(jù)展示的WebGIS平臺，其架構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 露天煤礦可視化平臺架構(gòu)

基于WebGIS的露天煤礦可視化平臺開發(fā)主要有數(shù)據(jù)準備與發(fā)布、網(wǎng)頁開發(fā)與發(fā)布2個階段。本平臺露天煤礦專題數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)、我國露天煤礦點和面矢量數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的虛擬地球遙感影像。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括shp格式的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GeoJSON格式的矢量文件以及遙感影像切片2項準備工作，在完成之后將其存儲在靜態(tài)工作文件夾中，并將影像切片通過Cesiumlab云平臺發(fā)布為TMS服務(wù)。在網(wǎng)頁開發(fā)與發(fā)布階段，首先需要搭建開發(fā)環(huán)境，包括Ceisum開發(fā)平臺安裝、Webstorm編譯器安裝以及Node本地Web服務(wù)器部署。本平臺開發(fā)主要采用JetBrains公司的Webstorm腳本編譯器去進行網(wǎng)頁前端開發(fā)，在此期間會調(diào)用Cesium.JS開源庫的接口，并通過火狐瀏覽器測試效果，在開發(fā)完成整體的網(wǎng)頁內(nèi)容后使用Node.js發(fā)布。根據(jù)功能層級的不同，將平臺分為以下3個層次。

(1)用戶端。用戶端是指利用Ceisum開源JavaScript庫和Vue漸進式框架構(gòu)建了三維虛擬地球場景，表現(xiàn)為系統(tǒng)以網(wǎng)頁的形式能在各個瀏覽器端展示，其中Vue負責網(wǎng)站頁面的UI設(shè)計、用戶操作、界面交互等功能，Cesium則負責可視化引擎、數(shù)據(jù)請求、底層渲染、數(shù)據(jù)分析等功能實現(xiàn)。將用戶端模塊分為2個方面，一是三維場景的顯示，能實現(xiàn)各種矢量數(shù)據(jù)和時序影像數(shù)據(jù)的加載及其它可視化效果的呈現(xiàn)；二是用戶與網(wǎng)頁交互，包括但不限于通過虛擬地球隨意瀏覽、通過查詢功能直接定位目標露天煤礦、通過評論功能發(fā)表自己對目標露天煤礦的看法等一系列交互式功能。

(2)服務(wù)端。服務(wù)端是連接用戶端與數(shù)據(jù)存儲端的橋梁，主要作用在于通過服務(wù)器的監(jiān)聽端口接受來自客戶端的不同HTPP請求，并根據(jù)這些請求完成不同的操作并響應(yīng)給用戶，包括提供各種OGC標準地圖服務(wù)、復(fù)雜的計算工作、數(shù)據(jù)庫操作等內(nèi)容。

(3)數(shù)據(jù)存儲端。數(shù)據(jù)存儲端主要負責對用戶端的需求數(shù)據(jù)進行存儲，采用GeoJSON數(shù)據(jù)格式將露天煤礦點和面矢量數(shù)據(jù)以及屬性信息存儲于Web服務(wù)器靜態(tài)工作文件夾中，而遙感影像則通過影像切片的方式將輸出的散列格式文件也存儲于靜態(tài)工作文件夾中。

3.2 功能實現(xiàn)

露天煤礦可視化平臺界面設(shè)計應(yīng)該風(fēng)格簡約，功能區(qū)域顯示突出，符合GIS用戶的操作習(xí)慣。平臺界面主要由圖層管理區(qū)、三維虛擬地球顯示區(qū)以及子功能區(qū)組成。

3.2.1 圖層管理區(qū)

圖層管理區(qū)可以將我國省級行政邊界、我國露天煤礦點和面等多種矢量數(shù)據(jù)添加到平臺中，并能對其進行顯示或隱藏圖層。在單個圖層下，可以對露天煤礦的經(jīng)營狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行特定的顯示或隱藏，從而更好的對需求數(shù)據(jù)進行瀏覽。

3.2.2 三維虛擬地球顯示區(qū)

三維虛擬地球顯示區(qū)的初始化地圖默認為ArcGIS在線影像地圖，并疊加了天地圖注記圖層。此外可以任意旋轉(zhuǎn)、放大、縮小三維虛擬地球，并能放大到某一個具體露天煤礦查看其周圍的地理環(huán)境，通過“單擊”矢量點或矢量面可以查看其具體屬性信息，包括該露天煤礦官方名稱、簡稱、所在省市、地理位置、經(jīng)緯度坐標、經(jīng)營狀態(tài)、生產(chǎn)規(guī)模、礦區(qū)概況等信息，同時在顯示區(qū)底部提供了實時的經(jīng)緯度坐標和海拔高程。此外，還可以“雙擊”矢量點或矢量面顯示時間滑塊工具，利用多期時序虛擬地球歷史影像觀察分析某露天煤礦的開發(fā)情況和排土場復(fù)墾情況。

3.2.3 子功能區(qū)

子功能區(qū)主要包括查詢欄、評論欄、地圖更換等功能。

(1)查詢欄。在露天煤礦可視化平臺界面左上角的查詢欄里，輸入露天煤礦官方名稱或簡稱就可以定位到目標區(qū)域。比如在查詢欄輸入“安太堡”簡稱或者“中煤平朔集團”官方名稱，下面的搜索結(jié)果就分別顯示了“安太堡礦”和“中煤平朔集團有限公司安太堡露天礦”，點擊它就可以直接定位到山西朔州市平魯區(qū)的安太堡露天煤礦。

(2)評論欄。在露天煤礦可視化平臺界面右上角的評論欄里，輸入內(nèi)容并點擊“確定”可以進行信息發(fā)布，并通過后臺保存到數(shù)據(jù)庫中。評論功能是想讓用戶留下對該露天煤礦的評價，包括但不限于對露天煤礦的歷史背景、采礦工藝等信息進行補充，促進信息交流。

(3)地圖更換欄。本平臺還提供了Open Street Map、Web Map Tile Service、Bing Map等多種標準地圖服務(wù)，并支持它們之間的任意切換，用戶可根據(jù)自己的需求去更換地圖。

4 結(jié)語

為了了解我國露天煤礦的分布和開發(fā)情況，優(yōu)化我國露天煤礦生產(chǎn)開發(fā)布局、生態(tài)環(huán)境修復(fù)以及高質(zhì)量發(fā)展，對我國露天煤礦的空間分布特征及其可視化平臺進行了研究，通過GIS空間統(tǒng)計分析方法分析了我國主要露天煤礦的空間分布特征，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于Cesium開源引擎的露天煤礦可視化系統(tǒng)。目前，露天煤礦可視化平臺主要面向露天煤礦專題數(shù)據(jù)，功能雖有特色但較為單一，在未來還需要形成集數(shù)據(jù)采集、存儲、展示、分析等一體化的面向公眾和政務(wù)人員的露天煤礦動態(tài)監(jiān)測在線服務(wù)系統(tǒng)。