基于3S系統(tǒng)的礦業(yè)棕地修復(fù)管理應(yīng)用平臺建設(shè)

劉志平 馮螢雪 王 洋 王 剛,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 2.中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著近30年來中國城市化的快速發(fā)展，城市內(nèi)可以利用的土地資源越來越缺乏，而且城市環(huán)境也是每況愈下。隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級改造，加上近年來建設(shè)生態(tài)文明社會的理念深入人心，許多傳統(tǒng)的礦業(yè)城市，面臨著礦場的拆遷、改造以及采礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的重大難題。

在礦區(qū)的改造及生態(tài)修復(fù)過程中，不能片面地理解為工廠拆遷與采礦區(qū)生態(tài)修復(fù)兩個獨立的事件。應(yīng)該從整體的宏觀角度將其看為一個整體：綜合考慮周邊由礦場工作人員發(fā)展而來居民區(qū)，以及周邊配套的醫(yī)療、教育、商業(yè)設(shè)施。同時，綜合考慮整個礦區(qū)的自然地理氣候條件，結(jié)合高程、坡度、水文、生態(tài)現(xiàn)狀以及礦區(qū)特殊的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，例如采礦塌陷區(qū)和危險邊坡等因素。本研究旨在建立一個棕地信息管理應(yīng)用平臺，實時收集棕地的各項數(shù)據(jù)，并自動進行處理分析，為決策者提供科學(xué)的信息參考。同時該系統(tǒng)亦可設(shè)立應(yīng)急預(yù)案，在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情況下，迅速響應(yīng)，指導(dǎo)救援。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

德興市位于江西省東北部，上饒市北部，贛、浙、皖三省交界處，市域面積2 101 km2，常住人口為30.02萬人。年平均氣溫15 ℃～24 ℃，屬于亞熱帶季風性氣候。日照充足，年平均日照1 625.1 h。德興境內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富。截至2006年，探明銅金屬量總計1 067.49萬t，保有銅金屬量總計810萬t。2014年，德興市內(nèi)因礦山開發(fā)共占損土地2 788.2 hm，占全市面積的8.3%(見圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1)地理空間數(shù)據(jù)云。

Landset5的LSR影像，拍攝時間為2011年5月18日，影像云量較少，對研究區(qū)基本無遮擋，質(zhì)量較好，可以滿足研究的需求。

DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，采用GDEMV2，30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。運用ArcGIS軟件對該地區(qū)的影像進行鑲嵌與裁剪處理，并利用處理后的數(shù)據(jù)提取高程與坡度數(shù)據(jù)。

2)土地利用信息獲取。

結(jié)合當?shù)匾?guī)劃資料與衛(wèi)星影像，用SVM模型對遙感圖像進行處理，得出所需使用的研究區(qū)內(nèi)土地使用類型。

2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1 篩選評價因子

評價因子是評價體系的基礎(chǔ)衡量標準。由于研究區(qū)不同的背景，我們要有針對性地選取具有可操作性、可量化性的因子來進行評價。結(jié)合江西德興市的土地利用特征和德興市相關(guān)文獻、地方志等資料，決定從人文環(huán)境、植被狀況、地表環(huán)境和地形地質(zhì)四個方面來進行評價因子的選取。分別選取土地利用類型、熱力圖、植被覆蓋度、河流、湖泊、高程、坡度、危險地質(zhì)空間8個評價因子來對德興市棕地進行評估(見表1，表2)。

2.2 確定評價因子權(quán)重

結(jié)合德興市的特征和相關(guān)研究成果，并綜合考慮礦業(yè)棕地的特殊地理地質(zhì)條件，對之前篩選出的土地利用類型、熱力圖、植被指數(shù)(NDVI)、河流、湖泊、高程、坡度、危險地質(zhì)空間8個評價因子進行賦值并給予權(quán)重，以便進行量化分析。

表2 自然因素評價因子權(quán)重及賦值分析表

2.3 疊加分析

利用ArcGIS 10.6軟件的加權(quán)疊加工具進行加權(quán)計算，得到德興市棕地修復(fù)優(yōu)先級指導(dǎo)圖。公式為：

其中,RP是修復(fù)優(yōu)先級(Repair Priority)：為計算后的該地塊得分，得分越高則越有利于修復(fù)，即優(yōu)先級越高；i是各評價因子：為之前篩選出的土地利用類型、熱力圖、植被指數(shù)(NDVI)、河流、湖泊、高程、坡度、危險地質(zhì)空間這8個因子；Si是各評價因子的得分：即該地塊從土地利用類型、熱力圖、植被指數(shù)(NDVI)、河流、湖泊、高程、坡度、危險地質(zhì)空間這8個評價因子方面分別的得分情況，分值從高到低為9,7,5,3,1。對修復(fù)越有利則得分越高；Wi是各評價因子的權(quán)重：根據(jù)查閱的文獻資料，并結(jié)合德興市的具體情況，對土地利用類型、熱力圖、植被指數(shù)(NDVI)、河流、湖泊、高程、坡度、危險地質(zhì)空間這8個因子賦予計算的權(quán)重，分別為0.13,0.12,0.10,0.15,0.16,0.09,0.11,0.14。

3 應(yīng)用平臺功能構(gòu)建

3.1 可視化管理功能

應(yīng)用平臺建立的最基本功能就是對數(shù)據(jù)的可視化管理。主要可視化管理包括地區(qū)衛(wèi)星影像顯示、地區(qū)用地性質(zhì)分類顯示、圖層圖例、圖形比例尺、地區(qū)圖形測量、各地塊屬性查詢這六個功能?；?S技術(shù)中的GPS技術(shù)和RS技術(shù)，可以對德興市的各類土地分布圖進行瀏覽。通過對顯示內(nèi)容和各個圖層的控制，對德興市進行有效的分類瀏覽，同時可以將結(jié)果進行圖形輸出(見圖2)。

3.2 信息分析處理功能

從綜合評價結(jié)果可以看出，江西德興市研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)修復(fù)優(yōu)先級可以分為五級，從一級到五級分別代表了不適宜修復(fù)區(qū)域、較不適宜修復(fù)區(qū)域、一般適宜修復(fù)區(qū)域，較適宜修復(fù)區(qū)域，適宜修復(fù)區(qū)域?？傃芯繀^(qū)面積568.8 km2，其中不適宜修復(fù)區(qū)域0.06 km2，占0.1%；較不適宜修復(fù)區(qū)域47.05 km2，占8.2%；一般適宜修復(fù)區(qū)域33 241 km2，占58.3%；較適宜修復(fù)區(qū)域189.16 km2，占33.2%；適宜修復(fù)區(qū)域0.12 km2，占0.2%(見圖3)。

從結(jié)果圖中可以發(fā)現(xiàn)，較高優(yōu)先級的地區(qū)基本圍繞基地內(nèi)的兩條河流發(fā)展，有明顯的集聚特征，修復(fù)該類區(qū)域成本較低，所需技術(shù)較簡單，應(yīng)最先考慮對其進行生態(tài)修復(fù)。其次為一些較開闊地帶，修復(fù)順序次之，該類區(qū)域面積最大，應(yīng)加大投資與修復(fù)力度，重點修復(fù)。剩下的較難修復(fù)區(qū)域，應(yīng)在修復(fù)完其他區(qū)域之后，制訂有針對性的修復(fù)計劃，作為重點難點來修復(fù)。

3.3 應(yīng)急狀態(tài)下快速響應(yīng)功能

由于礦業(yè)開采工作的特殊性，導(dǎo)致了礦業(yè)棕地存在地下空洞、危險邊坡、塌陷地、地質(zhì)斷裂區(qū)等不穩(wěn)定的地質(zhì)條件與空間。因此，對棕地突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害等應(yīng)急情況的預(yù)判及處置，就顯得尤為重要。開展應(yīng)急狀態(tài)下棕地受損情況調(diào)查、修復(fù)規(guī)劃制訂、搶救性措施編制，突出重點，在對棕地的應(yīng)急修復(fù)中做到分期、分批、分區(qū)，有序修復(fù)。結(jié)合5G技術(shù)，利用5G技術(shù)的大傳輸量和低延時性的特點來實現(xiàn)平臺的快速響應(yīng)，并及時為決策者提供有效的參考依據(jù)。

主要設(shè)計功能有：1)受損地區(qū)數(shù)據(jù)采集功能，該功能主要基于GPS系統(tǒng)與RS系統(tǒng)，采集受損的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及衛(wèi)星、航空遙感影像的收集與處理。2)受損地區(qū)評估功能，基于數(shù)據(jù)采集功能之上，利用GIS系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行科學(xué)有效的處理與分析。得出受損區(qū)域損失評估、受損狀況及受損原因等分析數(shù)據(jù)，并利用可視化系統(tǒng)，形成直觀的圖像圖表，同時及時地上報主管部門，以便做出相應(yīng)地決策。3)受損地區(qū)修復(fù)工程預(yù)算功能，對項目修復(fù)所需的大概資金數(shù)量進行分析、預(yù)算、統(tǒng)計，并形成申報文件，簡化申報流程，縮短時間周期，提高修復(fù)工程的實施效率。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過近30年的礦產(chǎn)資源大量開采，我國的經(jīng)濟、社會得到了長足的發(fā)展，同時礦業(yè)棕地問題也開始逐漸顯現(xiàn)，棕地修復(fù)管理應(yīng)用平臺的建設(shè)也已經(jīng)得到了國家及各個部門的重視。將3S技術(shù)運用到棕地修復(fù)管理應(yīng)用平臺中，符合現(xiàn)代信息化、智能化建設(shè)的趨勢。本文在研究了礦業(yè)棕地修復(fù)與管理流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計了符合地區(qū)現(xiàn)狀的基于3S系統(tǒng)的礦業(yè)棕地修復(fù)管理應(yīng)用平臺。

本論文的貢獻在于：

1)基于3S技術(shù)的礦業(yè)棕地現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集與分析。

利用3S技術(shù)，結(jié)合智能手機、電腦等移動端技術(shù)，設(shè)計了一套數(shù)據(jù)采集的模式，構(gòu)建了礦業(yè)棕地野外調(diào)查和數(shù)據(jù)收集的平臺，為礦業(yè)棕地現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集提供了高效率、低延時的手段，保證了對礦業(yè)棕地整體現(xiàn)狀的評估和礦業(yè)棕地修復(fù)工作的順利展開。

2)基于3S系統(tǒng)的礦業(yè)棕地應(yīng)急處理平臺的構(gòu)建。

在運用3S技術(shù)對礦業(yè)棕地現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集與分析的基礎(chǔ)上，設(shè)立應(yīng)急快速響應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、處理、申報、施工的全聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，提高了相關(guān)部門的工作效率與水平，為決策者提供了及時、精準、全方位的信息資料。

但是，由于時間和經(jīng)費的情況，本文的主體研究工作還在理論研究階段，希望以后可以在本文的基礎(chǔ)上進一步開展基于3S系統(tǒng)的礦業(yè)棕地修復(fù)管理工作，以充分利用已有的研究經(jīng)驗和已有的數(shù)據(jù)及分析成果。今后還應(yīng)大力加強3S技術(shù)在礦業(yè)棕地修復(fù)管理領(lǐng)域的各項工作，包括行業(yè)標準規(guī)范的制訂、科學(xué)調(diào)查與科學(xué)評估方法的研究等內(nèi)容。可以預(yù)見，隨著3S技術(shù)在礦業(yè)棕地修復(fù)管理中的運用越來越多，必然會對我國棕地修復(fù)與管理的工作起到巨大的輔助作用，為我國的生態(tài)修復(fù)工作做出貢獻。