摘 要：本文通過分析對比了目前礦山地質環(huán)境評價常用的幾種方法，確定了對應研究區(qū)域的礦山地質環(huán)境評價指標體系，并利用ArcGIS Engine建立礦山地質環(huán)境評價系統(tǒng)。重點闡述了礦山地質環(huán)境指標的確立和利用層次分析法確定因素權重，介紹了系統(tǒng)開發(fā)的總體設計思路、系統(tǒng)的基本組成結構、系統(tǒng)的專業(yè)模塊構成、系統(tǒng)的功能，并且通過實驗區(qū)域數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行了應用。

　　關鍵詞：評價指標體系 ArcGIS Engine 礦山地質環(huán)境 層次分析法

　　Abstract：  Through analysis and comparison of the current geological environment evaluation of several methods used to determine the study area corresponding to the mine geological environment evaluation system, and using ArcGIS Engine establish a mine geological environment evaluation system. Focuses on the geological environment indicators of the establishment and use of AHP to determine factor weights, introduced the system development the overall design concept, the system's basic composition and structure, the system of professional modules, system function, and on the experimental area data system was applied.

　　1 概述

　　在我國，雖然應用GIS技術開展礦山地質環(huán)境評價的研究起步較晚，但是近幾年來取得了令人矚目的成就。但是仍然存在不足：①對GIS的應用多為對評價數(shù)據(jù)的初級處理和統(tǒng)計分析，并沒有將GIS功能集成為系統(tǒng)，操作復雜；②接觸（利用）的GIS平臺多，數(shù)據(jù)格式多，不易處理應用；③數(shù)據(jù)庫管理功能較弱，研究時所使用數(shù)據(jù)庫是GIS系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)庫或者是單純的屬性庫，在數(shù)據(jù)管理、共享和存儲等多元化方面受到一定的限制，在總結以上經(jīng)驗的基礎上本文研究并實現(xiàn)了基于ArcGIS Engine的礦山地質環(huán)境評價系統(tǒng)。

　　2 礦山地質環(huán)境評價方法及評價指標體系的確定

　　2.1評價指標體系的確定

　　礦山作為一個復雜的系統(tǒng)，其指標體系必須考慮幾個原則即①區(qū)域特殊性原則；②系統(tǒng)協(xié)調原則；③綜合性原則；④層次性原則；⑤可操作性原則。根據(jù)上述原則，結合研究區(qū)域的區(qū)域地質環(huán)境背景特點及調查統(tǒng)計情況，選取影響程度突出的指標進行評價，構建礦山地質環(huán)境評價體系。其包括兩個層次：①要素層，即區(qū)域地質環(huán)境背景、資源損毀、地質災害和環(huán)境污染4個要素；②指標層，即每一要素包括若干指標，其中礦山地質環(huán)境背景條件，指標層共選取了包括地貌條件、土地壓占破壞、崩塌、水源污染等20項指標。

　　2.2要素指標加權分值綜合評價模型

　　礦山地質環(huán)境的綜合評價，需要將礦山種種地質問題的嚴重程度給予定量綜合評定，本文采用要素指標加權分值綜合評價法。要素指標加權分值綜合評價模型為：

　　(式2-1)

　　其中，F(xiàn)j--要素加權分值（j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）；Fi--每一要素中各指標評定分值；Wi--各指標權值；n--各要素指標個數(shù)（每一要素中n可能不同）。

　　地質環(huán)境等級綜合評價：

　　(式2-2)

　　其中，F(xiàn)0--地質環(huán)境綜合加權評價分值；Wj--各要素權值；j--環(huán)境地質問題所含要素，一般n′=1，2，3，對應于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ要素。

　　2.3 指標權值的確定

　　權值是反映不同評價因子間相對其某評價觀點的重要性程度差異，具有明顯的模糊性特征[2]。鑒于環(huán)境評價方法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，在環(huán)境質量評價時，根據(jù)不同層次評價因子的特點，兼顧分析權植問題在很多領域應用的特點，本次評價采用層次分析法（AHP法）確定因子權重值。根據(jù)層次分析法(AHP)原理,在咨詢相關專家意見的基礎上,構建判斷矩陣,計算權向量,通過一致性判斷檢驗, 層次分析法的基本步驟可按下面3步進行：

　　1)構造判斷矩陣

　　設F={F1, F2, …, Fm}是一個由F層評價指標組成的指標集；對于i=1,2, …,m設Si={S1, S2, …, Sm}是對應于F={i=1,2, …,m}的評價因子S層組成的指標集。

　　判斷矩陣為P（Fij）= 。其中，F(xiàn)ij表示Fi對Fj的相對重要性數(shù)值。同理可構造判斷矩陣P（Sij），矩陣中各元素按1-9等比率標度法取值。

　　2)權值的計算

　　（1）計算判斷矩陣每行元素的乘積Li：

　　（2）計算Li的N次方根： 式中，n為N次方根。

　　（3）對向量進行歸一化處理：  式中P=（P1，P2，…，Pn，）T為特征向量。

　　（4）判斷矩陣最大特征值：  式中，（AP）i表示AP向量的第i個元素。

　　3)一致性檢驗

　　一致性檢驗采用 ,其中，n為判斷矩陣的階數(shù)。平均隨機一致性指標(R.I.)是多次重復進行隨機判斷矩陣特征的計算之后取算術平均數(shù)而得到的。當n>2時，CR=(C.I./R.I.)<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，此時權系數(shù)可求得，否則需重新調整判斷矩陣。

　　2.4 評價標準及單元的劃分

　　礦山環(huán)境綜合指數(shù)是一個不斷變化發(fā)展的指數(shù),不同地區(qū),同一地區(qū)的不同發(fā)展階段可能表現(xiàn)出不同的水平[5]。將礦山環(huán)境評價指標體系分為3個等級，見表1。

　　表1　礦山環(huán)境綜合指數(shù)分級標準

　　Tab.2 Environmental assessment′s synthetic indexes′level distinguish standard

　　3.1開發(fā)環(huán)境

　　系統(tǒng)采用VS2005作為平臺,利用ESRI公司的ArcGIS Engine開發(fā)包開發(fā)。ArcGIS Engine是一組完備的并且打包的嵌入式GIS組件庫和工具庫,能在各種編程接口中應用。ArcGIS Engine開發(fā)包由控件、工具條和對象庫組成。工具條可調用,使建立定制應用的過程被簡化[3]。開發(fā)者可以很容易地將選擇的工具拖放到定制應用中或創(chuàng)建自己定制的工具來實現(xiàn)與地圖的交互操作。對象庫是可編程ArcObjects組件的集合,包括幾何、顯示、GeoDatabase和三維分析等一系列庫,可供用戶用于從低級到高級的各種應用功能的開發(fā)。

　　3.2　數(shù)據(jù)組織與存儲

　　根據(jù)礦山地質環(huán)境評價指標體系的需要，本系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)包括:研究區(qū)基礎空間數(shù)據(jù)，研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)和專業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)(土壤、水環(huán)境的采樣點化驗后數(shù)據(jù))。利用Geodatabase數(shù)據(jù)存儲模型將所有數(shù)據(jù)存儲于關系數(shù)據(jù)庫Oracle中,所有的空間數(shù)據(jù)有相同的參考坐標系以及范圍,按類別將空間數(shù)據(jù)分為基礎空間數(shù)據(jù)和環(huán)境空間數(shù)據(jù)兩個要素集(featuredataset),將他們各自下屬的空間數(shù)據(jù)按層組織為點狀、線狀、面狀的要素類(featureclass),如基礎空間數(shù)據(jù)中包含線狀道路圖層、面狀建筑圖層等。研究區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理之后通過ArcSDE存儲到Oracle中,以柵格數(shù)據(jù)集( raster dataset)的形式存儲。客戶端通過ArcSDE操作數(shù)據(jù)。

　　3.3 軟件的結構設計

　　礦山地質環(huán)境評價系統(tǒng)架構框圖如圖1所示：

　　圖1礦山環(huán)境地質環(huán)境評價系統(tǒng)框架圖

　　Fig.1 Framework of mineral environment assessment system

　　3.4系統(tǒng)功能設計

　　系統(tǒng)由系統(tǒng)參數(shù)設置，GIS基本功能與礦山地質環(huán)境評價功能三部分組成。

　　3.4.1系統(tǒng)參數(shù)設置

　　系統(tǒng)設計參數(shù)設置功能包括：該模塊可實現(xiàn)系統(tǒng)用戶管理、用戶添加與刪除等操作，能夠對用戶設置各級操作權限，根據(jù)不同權限設置用戶對系統(tǒng)的操作范圍。兼顧對數(shù)據(jù)的維護與礦山地質環(huán)境符號化定制功能。

　　3.4.2 GIS基本功能

　　系統(tǒng)具備基本的GIS功能：數(shù)據(jù)瀏覽功能、信息變更編輯功能、檢索查詢功能、信息統(tǒng)計功能、空間分析功能：

　　3.4.3 礦山地質環(huán)境評價功能

　　運用GIS進行礦山地質環(huán)境評價,充分利用其空間疊加分析功能, 將影響礦山地質環(huán)境的問題包括塌陷、地面塌陷等地質災害和土地占用與破壞、水資源破壞等指標進行單要素分析并在計算機內存儲為一個圖層，應用地理信息系統(tǒng)(GIS)圖層疊加分析功能，結合本文確定的評價模型與指標權重計算方法，將所有圖層進行空間疊加，生成新的區(qū)域和圖層，對新的圖層根據(jù)其內部屬性表的屬性值進行相應的分級，最終得到礦山地質環(huán)境綜合評估分區(qū)圖，其原理如圖2所示。

　　圖2 評價分析方案圖

　　Fig.2 Project of assessment and analysis

　　3.4.4 礦山地質環(huán)境評價系統(tǒng)界面

　　系統(tǒng)的界面本著對用戶友好使用的原則進行設計,廣泛采用多級下拉菜單形式（圖3）。使用戶可以方便地找到所要的處理步驟。在處理某些文件時,無用的菜單將會被系統(tǒng)隱藏。

　　4 系統(tǒng)應用實驗

　　選取某礦區(qū)實驗數(shù)據(jù),由礦區(qū)SPOT5影像經(jīng)過處理得到植被覆蓋度指標圖層和土地利用現(xiàn)狀指標圖層;建立數(shù)據(jù)庫,將環(huán)境采樣點數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)、地質災害范圍數(shù)字化,分層組織入庫,輸入屬性數(shù)據(jù)。完成基礎數(shù)據(jù)準備后，將輸入數(shù)據(jù)進行柵格化得到各項指標的柵格圖層，結合礦山地質環(huán)境評價模型，對柵格進行計算，得到結果如圖4。其中可以看出,該礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量比較良好,除中心少數(shù)區(qū)域屬于嚴重水平和其周圍部分的中等外,大部分地區(qū)基本未受影響。其中嚴重區(qū)、中等區(qū)、一般區(qū)的面積比例為6:3:1，與外業(yè)勘測的實際情況基本符合。

　　Fig.3 Project of assessment and analysis        Fig.4 Project of assessment and analysis

　　5 結語

　　將GIS用于礦山開發(fā)與環(huán)境保護，并在ArcGIS Engine基礎上進行了二次開發(fā)，建立了不僅具有查詢功能，而且具有對空間數(shù)據(jù)分析的礦山地質環(huán)境評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用具有以下優(yōu)勢：（1）采用柵格數(shù)據(jù)格式進行評價，避免了矢量數(shù)據(jù)在多源空間信息疊加時出現(xiàn)的細小圖斑，使得評價結果更為合理；（2）利用ArcGIS Engine開發(fā)，更有利于系統(tǒng)的推廣和使用；（3）利用遙感影像結合實地采樣數(shù)據(jù)，既能做到及時反映礦山地質環(huán)境的現(xiàn)狀又能做到不同時期的對比，及時反映礦山地質環(huán)境的動態(tài)變化，以觀測出未來環(huán)境的發(fā)展趨勢；（4）利用GIS強大的空間數(shù)據(jù)管理、分析功能,發(fā)揮了GIS在環(huán)境評價領域的作用,實現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境管理及評價工作的自動化。礦山地質環(huán)境評價系統(tǒng)實現(xiàn)了礦山地質環(huán)境評價的自動化，為礦山地質環(huán)境治理保護與發(fā)展提供了依據(jù)。系統(tǒng)雖然完成了對礦山地質環(huán)境的評價，但是由于研究區(qū)域比較單一，使得在指標體系與評價模型等方面依然有些片面，如何將系統(tǒng)建設得更加全面，使之能夠面對更多的情況，這將是今后研究的重點。

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