基于RS和GIS的矿山地质环境综合评价

高 鹏，陈美智，陈云洁

(1.龙岩学院资源工程学院，福建龙岩 364012；2.龙岩市中正测绘有限公司，福建龙岩 364012)



基于RS和GIS的矿山地质环境综合评价

高 鹏1，2，陈美智1，陈云洁1

(1.龙岩学院资源工程学院，福建龙岩 364012；2.龙岩市中正测绘有限公司，福建龙岩 364012)

近年来，随着经济的快速发展，资源消耗日益增长，导致矿山开采的规模、强度、深度不断加大，环境破坏越来越严重。这不仅制约了社会经济的可持续发展，也引发了许多环境生态问题。本文以漳平铁矿为研究区，通过先进的遥感与地理信息技术，将不同矿山环境评价方法进行对比，分析网格法、自然边界法的优缺点，采用网格法与自然边界法相结合的方法，对研究区进行地质环境评价，取得了较好的评价效果，为研究区矿山地质环境综合治理与保护提供科学依据。

矿山地质环境；综合评价；遥感；地理信息系统

矿产资源是人类社会发展的重要物质基础，它的开发利用促进了社会经济发展，提高了人民生活水平。但在对矿产资源的开发过程中，环境破坏越来越严重。矿区具体的生态环境问题为：因露采形成的不稳定台阶和斜坡引发的泥石流、山体滑坡；因硐采形成的采空区造成地面塌陷、地表裂缝；矿物的开采过程中，有大量的废气、粉尘的排放，造成水体、植被、空气的污染；矿物的堆场及开采遗留的矿渣、废石、尾矿不仅占用大量土地，而且经雨水的淋滤导致大气及水体的污染等[1]。

随着矿产资源的开发规模不断扩大，矿山环境问题日益显现，严重制约了矿区城市的可持续发展。中华人民共和国国土资源部于2007年5月21日、2009年3月2日相继发布了《矿山环境保护与综合治理方案编制规范(DZ/T223—2007)》[2]《矿山地质环境保护规定(中华人民共和国国土资源部令第44号)》[3]，相关规范规定的制定使对矿山地质环境的评价、治理与保护有了依据，也使公众、企业、政府对矿山环境的保护规划更加关注与重视。为了合理地整治矿山环境并对其进行保护，需要对矿山地质环境进行有效评价，全面准确地掌握矿山开采对矿区地质环境影响的程度。本文通过对比分析矿山地质环境相关评价方法，结合研究区矿山环境现状，利用遥感影像及矿权核查数据，着重探讨利用网格法结合自然边界法的评价方法对研究区进行评价，为研究区的地质环境治理及保护提供有利的科学依据。

1 研究区

选择漳平铁矿矿区为研究区，研究区面积为328.93 km2。该研究区属于亚热带气候，气候温和湿润，降水丰富。此处山多，林业资源丰富，土壤肥沃，适宜各种林木的生长。矿区由于常年的大量开采，山体已经大部分被开采成中空状态，造成蔗头山潜在地质灾害严重，山体滑坡随时有可能发生。为了较精确地获取研究区地质环境评价相关参数，本次研究选取Rapid Eye高分辨率多光谱遥感影像(2011年7月8日)作为数据源。

2 综合评价方法

2.1 自然边界法

自然边界法是根据研究区的相关情况，把整个研究区分成若干等级不同的区域，对研究区构建评价模型，选择评价因子，将每个评价因子作为一个逻辑层，从相关数据中提取各评价因子并对其进行评价，然后根据各评价因子的评价结果，通过GIS软件进行空间叠加分析与属性运算得出各区域的综合评价分值，实现相关矿山地质环境等级的提取[4]。

2.2 网格法

网格法是根据研究区的评价尺度要求，将研究区划分成规则形状的网格。研究区的评价转化成对各个网格的评价。评价出各格网的矿山地质环境等级，通过插值分析得出整个研究区评价结果的方法[5-7]。

2.3 自然边界法与网格法的对比

自然边界法按照评价指标从纵向角度对研究区域进行分解，然后通过GIS软件对研究区域进行叠加分析，实现研究区等级的提取。而格网法对研究区从横向的角度进行分割，将研究区分割成地质环境较均一的较小评价单元，然后通过各小单元的插值分析实现整个区域的评价。两种方法各有特点，具体情况如表1所示。

表1 矿山环境评价方法特点对比表

2.4 评价方法的选择

通过以上两个方法的对比分析可知，网格法的突出特点是体现的信息量大，发展趋势预测较好，但与实际地物边界的吻合程度差；而自然边界法的突出特点是体现的信息量一般，发展趋势预测较差，但与实际地物边界的吻合程度好。为了充分利用二者的优势，本次研究区根据已收集到的材料，按照福建省矿山环境评价项目的要求，将网格法与自然边界法有机结合进行综合评价。在网格法的基础上，利用自然边界法划分的边界代替网格法划分边界。

3 评价技术方案

3.1 方案设计的思想

依据影响矿山地质环境的相关特征,寻求表征特征的自然地理因素、基础地质因素、矿山开发因素等相关参数，对其进行定性或定量化表达，建立综合评价指标体系，评价矿山开采对地质环境的影响程度。

3.2 综合评价指标体系的建立

为实现矿山地质环境的合理科学评价，必须建立一套科学、系统、完备、实用的合理评价体系。矿山地质环境影响因素众多，并且相互联系、相互制约。通过分析影响矿山地质环境的相关因素，并参考《矿山地质环境保护与治理恢复方案编制规范》(DZ/T223-2009)相关内容，结合相关矿区现状，运用层次分析的方法建立三层式的指标体系结构，即顶层结构、中层结构、底层结构。(1)顶层结构。此层也称为目标层，即矿山地质环境综合评价层。(2)中层结构。此层以影响矿山地质环境的主要因素作为评价指标，主要包括自然地理、基础地质、矿山开发三方面。(3)底层结构。底层结构是对中层结构目标的细分，根据影响矿山地质环境的各个可以定性或者定量因素，选取8个具体化的评价指标，并且给出了具体的评分标准及分值，具体情况如表2所示。

表2 矿山环境评价指标一览表

3.3 矿山地质环境的评价

3.3.1 指标权重的确定

根据各因子在矿山环境评价中的重要程度，结合专家意见及评价经验对各底层指标进行权重赋值，具体赋值情况如表3所示[8-9]。

表3 矿山环境评价中各因子的权值

3.3.2 综合评价分值计算及环境等级的确定

矿山地质环境分值的计算采用如下公式：

F=W1×F1+W2×F2+W3×F3+W4×F4+W5×F5+W6×F6+W7×F7+W8×F8.

对研究区进行计算分值后结合影像，根据分值计算结果，将矿山环境评价得到的分值分为四级，每级的名称和对应的分值区间如表4所示[10]。

表4 矿山地质环境分级方案

3.4 资料收集

为了有效地获取评价因子，构建评价体系，主要收集研究区遥感影像、地形图、DEM数据、地质图以及矿山开发资料、降雨量资料、地质灾害调查成果资料。

4 研究区的评价

4.1 遥感影像预处理

本文选取研究区Rapid Eye遥感卫星影像，图像的预处理主要包括辐射校正、几何校正、图像融合、图像镶嵌和图像的裁剪等[11]。

4.2 评价因子的获取

4.2.1 居民地密度因子的提取

利用ArcGIS软件，通过研究区内地形图及遥感影像资料，获取居民地分布图。从数据库中导出地类图斑，将研究区涉及的地类图斑复制到一个图层，再将图斑进行合并，按研究区范围裁切地类图斑，在属性表中添加相应的“居民地密度”字段，将城镇、村庄、零星居民点、无居民点分别赋值为1、2、3、4，最后对添加字段进行“dissolve”，即可得到居民地密度因子值[12]。

4.2.2 植被覆盖率因子的提取

植被覆盖率因子通过ENVI软件计算研究区植被指数来表示。将NDVI按植被覆盖率0～10%、10%～30%、30%～75%以及大于75%进行重分类，并将利用对应的NDVI植被指数在ArcMap里进行重分类。

植被覆盖率0～10%、10%～30%、30%～75%以及大于75%对应生成的新影像的像元值分别为1、2、3、4。将新栅格数据直接转为矢量数据，对生成的矢量数据重新计算面积，最后对添加字段进行“dissolve”，得到植被覆盖率因子值。

4.2.3 地表坡度因子的提取

利用ArcGIS软件，通过研究区内DEM坡度计算，对生成的坡度文件再进行重分类，坡度按4个等级进行重分类：0～15°、15°～30°、30°～40°以及40°以上，生成新的像元值分别对应4、3、2、1。最后对添加字段进行“dissolve”，即得到坡度因子值。

4.2.4 降雨量因子的提取

研究区整体属于降水湿润区，只要将该研究区范围重新转为一个新的矢量数据，并添加一个新的代表“降雨量”的属性字段，赋值为1，即得到降雨量因子值。

4.2.5 岩性组合因子的提取

在“岩性组合”矢量文件的属性表中增加“岩性组合”字段，将岩性组合分为4类：堆积岩区、软质岩区、软硬相间岩区、硬质岩区，分别将这4类的值设置为1、2、3、4，即得到岩性组合因子值。

4.2.6 地质灾害隐患、主要开采方式、主要开采矿种因子的提取

利用ArcGIS软件，依据相关地形地质图、设计、开采、遥感调查资料分别制作“地质灾害隐患、主要开采方式、主要开采矿种”矢量图，然后通过矢量成果图分别对地质灾害隐患、主要开采方式、主要开采矿种等数据进行重新分级。

(1)地质灾害隐患：在“地质灾害隐患”矢量文件的属性表中增加“地质灾害隐患”字段，将地质灾害隐患分为4类：严重、中等、轻微和无，分别将这4类的值设置为1、2、3、4，即得到地质灾害隐患因子值。

(2)主要开采方式：在“主要开采方式”矢量文件的属性表中增加“主要开采方式”字段，将主要开采方式分为4类：露天、联合开采、硐采和无开采，分别将这4类的值设置为1、2、3、4，即得到主要开采方式因子值。

(3)主要开采矿种：在“主要开采矿种”矢量文件的属性表中增加“主要开采矿种”字段，将主要开采矿种分为3类：能源、金属和非金属以及无开采，分别将这4类的值设置为1、2、3，即得到主要开采矿种因子值。

4.3 综合评价

4.3.1 收集评价因子

综合评价是依据各个评价因子采用网格法及自然边界法结合的方法进行评价的，因此评价前必须先提取并收集研究区的所有评价因子(居民地密度、植被覆盖率、地表坡度、地质灾害隐患、降雨量、岩性组合、主要开采方式、主要开采矿种)。

4.3.2 综合评价值计算

将收集的评价因子矢量数据都转换为IMG文件。转换过程中把矢量数据的赋值的1、2、3、4代码转为像元值，可以生成对应的栅格数据，把各栅格数据调入ENVI模型。具体评价流程如图1所示。

4.4 综合评价结果

两种评价方法结果融合后将生成栅格格式的评价结果数据，通过ArcGIS软件把它转换成矢量数据。在生成的矢量数据中添加“评价等级”字段，并根据评价标准设置阈值范围，如阈值区间为49～59，则图像显示矿山地质环境较差区，最后对每个等级的区域赋予不同的色调[12-13]。

图1 综合评价流程图

根据对各评价因子的计算及阈值的判断，制作出研究区矿山地质环境分级评价效果图，如图2所示。

通过ArcGIS处理，计算出各等级区面积分布情况表，如表5所示。

表5 研究区矿山地质环境评价各等级面积统计表

通过评价结果图与研究区地形图及相关实地调查资料对比发现，矿山地质环境良好区主要分布在山区森林覆盖良好、坡度较缓及硬质岩区；矿山地质环境较好区主要分布在平原地区、森林覆盖较好的山地或者耕地区；矿山地质环境一般区主要分布在矿山地质环境较差的地区周边或者居民区；矿山地质环境较差区主要分布在地质灾害隐患处或矿山开采较严重且植被覆盖较少区。

5 结论

本文对主要对两种矿山地质环境评价方法进行分析，针对漳平铁矿的实际情况，综合网格法和自然边界法两种方法的优点对研究区进行矿山地质环境评价，通过外业实地调查，评价结果与实地情况基本一致。评价结果能为研究区矿山地质环境综合治理与保护提供科学依据。

[1]刘晓龙,刘占宁.矿山地质环境综合评价方法研究[J].地质灾害与环境保护,2014,25(3):49-55.

[2]矿山环境保护与综合治理方案编制规范[S].DZ/T223-2007,2009.

[3]中华人民共和国国土资源部令第44号.矿山地质环境保护规定[Z],2009.

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[6]杨金中,秦绪文,张志,等.矿山遥感监测理论方法与实践[M].北京:测绘出版社,2011.

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[12]李凤海.基于GIS的矿区生态环境评价[J].金属矿山,2007,36(7):70-72.

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Comprehensive Evaluation of Mine Geological Environment Based on RS and GIS

GAO Peng1,2, CHEN Mei-zhi1, CHEN Yun-jie1

(1. Institute of Resource Engineering, Longyan University, Longyan Fujian 364012,China;2. Longyan Zhongzheng Surveying and Mapping Co. Ltd. , Longyan Fujian 364012,China)

In recent years, with the rapid development of economy and society, resource consumption is growing that leaded to expand the scale ,the strength and the depth of the mine exploitation. It caused more and more serious damage to environment. This not only restricted the sustainable development of social economy, but also raised many environmental ecological problems. This paper takes Zhangping iron mine as the research area, it compared to the methods of the different mine environmental assessment, and analyzed the advantages and disadvantages of the grid method and the natural boundary method with the advanced technology of RS and GIS. It combined the Grid method and the Nature boundary method to evaluate the geological environment of the study area and gained good evaluation results. It can provide scientific basis for comprehensive treatment and protection of the mine geological environment about the study area.

Mine geological environment; comprehensive assessment; RS; GIS

2016-04-06

福建省科技厅重点项目“基于多时相遥感影像的湿地动态监测与分析评价——以龙岩市为例”(2013Y0068)；福建省教育厅A类项目“基于遥感和GIS的矿业城市生态安全与景观格局研究”(JA13312)；龙岩学院产学研项目“‘3S’技术在矿山生态环境监测中的应用——以紫金山铜矿为例”(LC2013015)；福建省大学生创新训练计划项目“RS和GIS在城市景观格局分析评价中的运用”(201511312061)。

高 鹏(1983- )，女，讲师，从事“3S”技术应用、基础测绘等研究。

P258

A

2095-7602(2016)08-0068-06