基于AE的稀土尾砂堆积场土地复垦评价方法初探

杨一洋

（江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

中国拥有较为丰富的稀土资源，储量约占世界总储量的23%，承担了世界90%以上的市场供应。近些年，由于行业管理不够严格，稀土开采无序、无计划或超计划现象严重，资源利用率低，废渣、尾矿长期搁置占用农用地，导致尾矿场变沙尘源，不仅对周围空气和土壤造成了很大的污染，还严重影响到矿区居民生活条件，不利于区域可持续发展。开展稀土尾矿土地复垦利用，是提高稀土资源利用率、促进耕地保护、拓展建设用地空间的有效途径。土地评价是复垦工作的核心部分，它决定土地复垦的最终方向；而传统的复垦评价方法，或是在没有充分了解土地复垦评价对象和评价过程特殊性的情况下，套用一般土地适宜性评价的步骤与方法，最终导致评价结果不够准确；或仅利用相关地理信息软件进行简单的叠加分析，并没有将相似或相关的方法集成起来，实现多个方法的交叉使用，也没有对海量空间数据和属性数据进行统一管理。结合ArcEngine技术构建复垦评价方法，可以管理并充分利用已有的矿产空间属性数据，进行定性和定量综合分析，实现土地复垦评价的系统化和自动化，提高土地评价效率及准确性。

1 研究技术

基于ArcEngine的稀土尾砂堆积场土地复垦评价方法设计主要是依靠相关软件工程学，并参考稀土尾砂堆积场理化性质和土地复垦适宜性评价科学理论来进行。界面与功能设计拟采用ArcGIS Engine 10.0+Microsoft Visual C#2010。ArcGIS Engine可以结合实际应用的要求，使用ArcObjects的可视化控件开发独立界面的GIS应用系统，支持Windows平台及跨平台开发，具有很高的灵活性和扩展性能；在Visual Studio平台中，可以使用ESRI公司提供的ArcGIS控件，将稀土尾矿复垦评价方法程序化、模块化，并集成为独立的功能系统；而功能模块及可用性方面以土地适宜性评价步骤及原则（步骤如图1所示）为基础，根据稀土尾矿理化特征与评价过程的特殊性，可采用C#语言结合相关的模型和算法来实现。

图1 土地适宜性评价步骤

2 稀土尾砂堆积场土地复垦评价方法模块设计

建立该方法的主要目的是为了满足稀土尾砂堆积场的土地整理、土地损毁程度分析、土地复垦适宜性评价及复垦技术方法等需求，为后续系统功能设计提供理论依据。根据工矿废弃土地复垦评价要求，可将整个功能分为地图操作模块、地表变形分析模块、土壤污染分析模块、土地复垦适宜性评价模块、土地复垦技术方法模块、复垦效益分析模块等（功能结构关系如图2所示）。

图2 功能结构关系

2.1 地图操作模块

借助ArcObjects的可视化控件，不仅可以直接实现对地图文档数据的打开、保存、退出等管理，还能对图层进行放大、缩小、平移、查询、依比例缩放等基本操作。为了增强功能的实用性和数据互操作性，在该模块中，实现了Shapefile对象的新建与数据格式转换功能；添加了对象符号化功能，以提升工作界面的可视化效果，满足稀土尾砂堆积场土地复垦的模拟显示、图形标注、符号统一管理等需求。

2.2 地表变形分析模块

在地下开采过程中，引起围岩位移变形，加上尾矿堆积，占用大面积土地，易造成地表下沉、变形和塌陷。对待复垦区进行地表变形预测分析，能够提高土地集约利用，避免返工失误，减少生态经济损失。构建地表变形数据库，采集研究范围内影响地表变形因素的参数值，比如塌陷角度、塌陷深度、堆积坡度、堆积厚度、土壤疏松度、理化性质、开采方法及强度、开采位置、尾矿堆积位置等，采用趋势面分析模型，根据引起地表变形因素值，拟合曲面，用以预测地形变化趋势，并将结果以专题图的形式表现出来。

2.3 土壤污染分析模块

（1）重金属和放射性物质检验。稀土在生产和排放过程中形成的尾矿和矿渣都含有一定量的汞、铅和钍等物质，若处理不当，则会对人体健康和生态环境构成威胁。在进行土地复垦适宜性分析前，首先对照待复垦区现状图，采集尾矿样本以及附近有植被覆盖的壤土样本，并作相应标记，建立样本采集数据库；然后进行样本分析测定，使用冷原子吸收光谱法、原子吸收光谱法、分光光度法等来测定样本中重金属的含量；最后将矿样中水分去除，推算检验物质放射性，将检验结果录入样本采集数据库。在该模块中，导入样本数据库中放射性数据，使用缓冲分析和聚类分析，将图层叠加生成待复垦区重金属放射性污染分布图。

（2）土壤肥力状况。损毁后的土地肥沃度直接影响到复垦技术方法和种植作物的选择。对采集的矿样和土壤进行酸碱性检测，分析二者磷、氮、质地、颗粒、孔隙等特征，将矿样酸碱性pH值录入样本采集数据库。在该模块中，导入重金属放射性污染分布图层，叠加样本数据库中各采集点的pH数据，宏观分析复垦区土壤受污染程度，为复垦边界划分及适宜方向分析提供可靠依据。

2.4 土地复垦适宜性评价模块

（1）选择评价因子。评价因子是土地评价系统中最重要的组成部分，而参评因子的权重直接影响到最终的评价结果，因此，评价因子的选择和权重处理成为评价的关键。根据尾砂堆积场土地特点，收集可能影响到土地复垦的所有数据，构建与地块编码相对应的评价因子数据库，在对某一地块进行适宜性分析时，选择调用所对应的因子；再使用层次分析模型，把相关联的因素按隶属关系分出层次，计算每一层次全部因素的相对重要性的权数，进行排序。

（2）聚类分析。在该功能模块中，添加评价因子图层，根据各评价因子的重要程度分类地块；选定某一因子，设定值范围，即把地面平整度、覆土厚度、土壤质地、土壤pH值、水文条件、土壤有机质等值相近的地块或区域归为一类，归类后地块的评价因子属性由最大最小值或最次值来取代，从而将受损程度差异大的地块区分开来，以便拟定区域内有效面积的复垦方向。

（3）BP神经网络模型分析。对地块进行聚类分析之后，量化定性指标，标准化所有因子指标值，对因子图层数据进行统计，标准化值通过实际值与最大值计算获得，引用BP神经网络模型，分别进行宜耕、宜林、宜牧、宜渔、宜建等用地的适宜性评价。

2.5 土地复垦技术方法模块

土地复垦技术大致以两大类为基础，一是在损毁土地上铺覆客土，达到作物栽培标准，再进行复垦工作；二是不铺覆客土，对损毁土地进行平整，种植适应土地理化性质的作物以恢复生态。在功能模块中，根据覆土厚度、地面平整度等因素判定是否以铺覆客土的方式来进行复垦。建立土地复垦技术模式数据库，详细介绍在铺覆客土和不铺覆客土情况下，各适宜方向的复垦技术方法及作物选择。在对地块进行适宜性分析之后，根据分析结果，即可查询并显示相对应的复垦技术模式，以表单的形式显示出来。

3 结语

该研究是以适用于工矿废弃土地复垦适宜性评价过程为基础进行的。在研究中，简单介绍了ArcEngine技术灵活、可移植性强等特点，并结合土地复垦适宜性评价的步骤与稀土尾矿土地复垦工作的特殊性，构建基于ArcEngine的稀土尾矿场土地复垦适宜性评价方法模块，包括土地变形分析及预测、土壤污染、土地复垦适宜性评价、复垦技术方法等功能。为后续系统框架及功能的设计与实现提供了依据。

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