基于3S系统的矿业棕地修复管理应用平台建设

刘志平 冯萤雪 王 洋 王 刚,2

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083； 2.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

随着近30年来中国城市化的快速发展，城市内可以利用的土地资源越来越缺乏，而且城市环境也是每况愈下。随着国内产业结构的升级改造，加上近年来建设生态文明社会的理念深入人心，许多传统的矿业城市，面临着矿场的拆迁、改造以及采矿区生态修复的重大难题。

在矿区的改造及生态修复过程中，不能片面地理解为工厂拆迁与采矿区生态修复两个独立的事件。应该从整体的宏观角度将其看为一个整体：综合考虑周边由矿场工作人员发展而来居民区，以及周边配套的医疗、教育、商业设施。同时，综合考虑整个矿区的自然地理气候条件，结合高程、坡度、水文、生态现状以及矿区特殊的地质灾害区，例如采矿塌陷区和危险边坡等因素。本研究旨在建立一个棕地信息管理应用平台，实时收集棕地的各项数据，并自动进行处理分析，为决策者提供科学的信息参考。同时该系统亦可设立应急预案，在突发地质灾害情况下，迅速响应，指导救援。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

德兴市位于江西省东北部，上饶市北部，赣、浙、皖三省交界处，市域面积2 101 km2，常住人口为30.02万人。年平均气温15 ℃～24 ℃，属于亚热带季风性气候。日照充足，年平均日照1 625.1 h。德兴境内矿产资源丰富。截至2006年，探明铜金属量总计1 067.49万t，保有铜金属量总计810万t。2014年，德兴市内因矿山开发共占损土地2 788.2 hm，占全市面积的8.3%(见图1)。

1.2 数据来源

1)地理空间数据云。

Landset5的LSR影像，拍摄时间为2011年5月18日，影像云量较少，对研究区基本无遮挡，质量较好，可以满足研究的需求。

DEM数字高程数据，采用GDEMV2，30M分辨率数字高程数据。运用ArcGIS软件对该地区的影像进行镶嵌与裁剪处理，并利用处理后的数据提取高程与坡度数据。

2)土地利用信息获取。

结合当地规划资料与卫星影像，用SVM模型对遥感图像进行处理，得出所需使用的研究区内土地使用类型。

2 数据库构建

2.1 筛选评价因子

评价因子是评价体系的基础衡量标准。由于研究区不同的背景，我们要有针对性地选取具有可操作性、可量化性的因子来进行评价。结合江西德兴市的土地利用特征和德兴市相关文献、地方志等资料，决定从人文环境、植被状况、地表环境和地形地质四个方面来进行评价因子的选取。分别选取土地利用类型、热力图、植被覆盖度、河流、湖泊、高程、坡度、危险地质空间8个评价因子来对德兴市棕地进行评估(见表1，表2)。

2.2 确定评价因子权重

结合德兴市的特征和相关研究成果，并综合考虑矿业棕地的特殊地理地质条件，对之前筛选出的土地利用类型、热力图、植被指数(NDVI)、河流、湖泊、高程、坡度、危险地质空间8个评价因子进行赋值并给予权重，以便进行量化分析。

表2 自然因素评价因子权重及赋值分析表

2.3 叠加分析

利用ArcGIS 10.6软件的加权叠加工具进行加权计算，得到德兴市棕地修复优先级指导图。公式为：

其中,RP是修复优先级(Repair Priority)：为计算后的该地块得分，得分越高则越有利于修复，即优先级越高；i是各评价因子：为之前筛选出的土地利用类型、热力图、植被指数(NDVI)、河流、湖泊、高程、坡度、危险地质空间这8个因子；Si是各评价因子的得分：即该地块从土地利用类型、热力图、植被指数(NDVI)、河流、湖泊、高程、坡度、危险地质空间这8个评价因子方面分别的得分情况，分值从高到低为9,7,5,3,1。对修复越有利则得分越高；Wi是各评价因子的权重：根据查阅的文献资料，并结合德兴市的具体情况，对土地利用类型、热力图、植被指数(NDVI)、河流、湖泊、高程、坡度、危险地质空间这8个因子赋予计算的权重，分别为0.13,0.12,0.10,0.15,0.16,0.09,0.11,0.14。

3 应用平台功能构建

3.1 可视化管理功能

应用平台建立的最基本功能就是对数据的可视化管理。主要可视化管理包括地区卫星影像显示、地区用地性质分类显示、图层图例、图形比例尺、地区图形测量、各地块属性查询这六个功能。基于3S技术中的GPS技术和RS技术，可以对德兴市的各类土地分布图进行浏览。通过对显示内容和各个图层的控制，对德兴市进行有效的分类浏览，同时可以将结果进行图形输出(见图2)。

3.2 信息分析处理功能

从综合评价结果可以看出，江西德兴市研究区内的生态修复优先级可以分为五级，从一级到五级分别代表了不适宜修复区域、较不适宜修复区域、一般适宜修复区域，较适宜修复区域，适宜修复区域。总研究区面积568.8 km2，其中不适宜修复区域0.06 km2，占0.1%；较不适宜修复区域47.05 km2，占8.2%；一般适宜修复区域33 241 km2，占58.3%；较适宜修复区域189.16 km2，占33.2%；适宜修复区域0.12 km2，占0.2%(见图3)。

从结果图中可以发现，较高优先级的地区基本围绕基地内的两条河流发展，有明显的集聚特征，修复该类区域成本较低，所需技术较简单，应最先考虑对其进行生态修复。其次为一些较开阔地带，修复顺序次之，该类区域面积最大，应加大投资与修复力度，重点修复。剩下的较难修复区域，应在修复完其他区域之后，制订有针对性的修复计划，作为重点难点来修复。

3.3 应急状态下快速响应功能

由于矿业开采工作的特殊性，导致了矿业棕地存在地下空洞、危险边坡、塌陷地、地质断裂区等不稳定的地质条件与空间。因此，对棕地突发性地质灾害等应急情况的预判及处置，就显得尤为重要。开展应急状态下棕地受损情况调查、修复规划制订、抢救性措施编制，突出重点，在对棕地的应急修复中做到分期、分批、分区，有序修复。结合5G技术，利用5G技术的大传输量和低延时性的特点来实现平台的快速响应，并及时为决策者提供有效的参考依据。

主要设计功能有：1)受损地区数据采集功能，该功能主要基于GPS系统与RS系统，采集受损的现场数据及卫星、航空遥感影像的收集与处理。2)受损地区评估功能，基于数据采集功能之上，利用GIS系统，对数据进行科学有效的处理与分析。得出受损区域损失评估、受损状况及受损原因等分析数据，并利用可视化系统，形成直观的图像图表，同时及时地上报主管部门，以便做出相应地决策。3)受损地区修复工程预算功能，对项目修复所需的大概资金数量进行分析、预算、统计，并形成申报文件，简化申报流程，缩短时间周期，提高修复工程的实施效率。

4 结论与展望

经过近30年的矿产资源大量开采，我国的经济、社会得到了长足的发展，同时矿业棕地问题也开始逐渐显现，棕地修复管理应用平台的建设也已经得到了国家及各个部门的重视。将3S技术运用到棕地修复管理应用平台中，符合现代信息化、智能化建设的趋势。本文在研究了矿业棕地修复与管理流程的基础上，设计了符合地区现状的基于3S系统的矿业棕地修复管理应用平台。

本论文的贡献在于：

1)基于3S技术的矿业棕地现场数据的收集与分析。

利用3S技术，结合智能手机、电脑等移动端技术，设计了一套数据采集的模式，构建了矿业棕地野外调查和数据收集的平台，为矿业棕地现场数据的收集提供了高效率、低延时的手段，保证了对矿业棕地整体现状的评估和矿业棕地修复工作的顺利展开。

2)基于3S系统的矿业棕地应急处理平台的构建。

在运用3S技术对矿业棕地现场数据收集与分析的基础上，设立应急快速响应系统，实现发现、处理、申报、施工的全联网服务，提高了相关部门的工作效率与水平，为决策者提供了及时、精准、全方位的信息资料。

但是，由于时间和经费的情况，本文的主体研究工作还在理论研究阶段，希望以后可以在本文的基础上进一步开展基于3S系统的矿业棕地修复管理工作，以充分利用已有的研究经验和已有的数据及分析成果。今后还应大力加强3S技术在矿业棕地修复管理领域的各项工作，包括行业标准规范的制订、科学调查与科学评估方法的研究等内容。可以预见，随着3S技术在矿业棕地修复管理中的运用越来越多，必然会对我国棕地修复与管理的工作起到巨大的辅助作用，为我国的生态修复工作做出贡献。