基于GIS的礦區土地損毀程度評價研究

周應慧，謝 玲

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基于GIS的礦區土地損毀程度評價研究

周應慧1，謝 玲2

（1. 昆明理工大學，國土資源工程學院，云南 昆明 650000；2. 昆明市土地礦業權交易辦公室，云南 昆明 650000）

近年來，礦工業的大力發展在帶動社會經濟發展的同時也導致了大量礦區土地受損。為了社會經濟的可持續發展，就需要對受損土地進行復墾，而對于受損土地的損毀程度進行評價將為土地復墾工作提供合理的依據。本次研究以河南省禹州二礦為例,運用極限條件法、層次分析法、模糊綜合評價法對研究區進行損毀程度評價，得出的結果表明：該礦區土地損毀程度主要為中度損毀，且中度損毀所占面積較大。最終，將兩種不同分析方法評價得出的結果應用ArcGIS10.1軟件的屬性查詢、空間分析等功能生成相應的專題地圖，使不同分析方法的分析結果更加的直觀、明了。

礦區土地；損毀程度；極限條件法；模糊綜合評價法

0 引言

中國煤礦工業的不斷發展擴大，為我國經濟發展做出了巨大的貢獻的同時，也對我國的土地資源和生態環境造成了重大影響。針對中國采礦產業結構發展變化的一系列分析，運用灰色GM模型進行了采礦業生產產量的發展趨勢預測分析與估算。同時針對我國煤礦產業發展導致的的塌陷、挖損、壓占等類型的損毀土地，進行實際土地損毀調查[1]。該調查顯示的結果表明，中國3大采礦業產品產值結構變化不大，但產量不斷增加，其中，能源開采產值的比重是最大的，占79. 61%[2]。隨著采礦業的不斷增加，中國礦區土地的損毀面積也將不斷擴大，礦區土地復墾工作的意義變得越來越至關重要。

目前，為緩解我國人地矛盾并改善生態環境，我國將采取一系列土地復墾重要措施。首先，就要保證土地復墾的可行性分析的科學性和合理性，才能保證土地復墾方案制定的科學性、合理性，而對土地復墾的可行性分析，首先就需要對所要復墾區內的損毀土地面積及其損毀程度進行科學的評估，這是進行土地復墾適宜性評價、復墾方式選擇等一系列工作的基礎。因此，必須科學選取土地損毀預測方法，以科學準確的判定礦區受損土地面積及其損毀程度為依據和參考，對煤礦區土地復墾的一系列工作奠定基礎。

1 研究區概況及數據采集

1.1 研究區概況

河南平禹煤電有限責任公司二礦位于禹州市鴻暢鎮許家溝村，行政區劃屬鴻暢鎮管轄，其井田地理坐標為：東經113°13￠172~113°16￠152，北緯34°05￠542~ 34°06￠312[3]。礦井范圍以河南省國土資源廳下發的河南省平禹煤電有限責任公司二礦采礦許可證（證號：C1400002009081120032918）所圈定的礦區范圍為準[3]。礦井范圍由39個坐標拐點圈定，邊界拐點坐標參看表1。礦井面積為5.2686 km2。具體情況如圖1。

礦井所在地主要以農作物為小麥、玉米、及煙葉為主。本井田屬北暖溫帶大陸性季風氣候。歷年來極端溫度相差較大，最高氣溫和最低氣溫相差可達56.3℃，年平均氣溫為14.4℃。年最大降雨量1132 mm，最小降雨量為414 mm，平均781.9 mm。本研究區屬于暖溫帶落葉闊葉林類型。河南平禹煤電有限責任公司二礦井田范圍內發育地層由老至新有寒武系上統崮山組、石炭系上統本溪組、太原組、二疊系下統山西組、下統下石盒子組、上統上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組以及第四系[4]。

1.2 礦區土地損毀類型

本次研究礦區土地損毀主要有四大類型：由于地下礦產資源的開采引起的塌陷土地，依據沉陷地破壞的物理特征，可以將井工開采沉陷對地表破壞形式分為：地表下沉盆地、裂縫及臺階、塌陷坑。因為采礦活動使得原地表形態、土壤結構、地質層組、地表結構和生物等被直接摧毀導致的挖掘土地，包括露天煤礦開采、取土、挖石土方、開山等面狀工程，礦上山所需工業活動包括興修水利、鐵路、公路等[5]。因為堆放剝離物、廢棄礦石、礦渣表土等造成的壓占土地和礦區土地開采過程各種物理或化學排放產生的污染物，造成土壤原有理化形狀的惡化、土地原有功能部分或全部喪失造成的污染土地[6]。

1.3 數據采集和分析

本次研究所需數據主要有兩大類：專題地圖屬性數據和損毀程度分析的土地因子數據。研究區內的土地利用類型分類如圖2。

圖1 礦井采空區分布情況

圖2 礦區土地利用類型圖

最初得到的數據都需要進行處理，專題地圖的屬性數據涉及到研究區周圍的區域，而這些研究區以外數據不需要考慮，因此對于這些多余的數據，可直接刪除，再對具體一些數據進行編輯、整理并生成數據表等。對于某些類型的屬性需要進行添加、編輯等處理。土地因子數據和其他的研究區概況的數據需要上網，通過統計年鑒等平臺搜集、整理，保持數據在一定的合理范圍內，使數據分析后的結果具有一定的科學性。

2 研究方法

2.1 極限條件法

極限條件評價法是按最嚴重的情形確定圖斑的破壞程度，即同一圖斑內會有部分區域為輕度，也有部分為中度時，這一圖斑的破壞程度會被確定為中度破壞。首先要確定評價結果等級的數量和排列順序，該順序將作為極限法的評價順序的參考標準；然后依次評價每一組數據的各個評價因子的等級，并對每一組數據評判結果進行簡單的賦值。

現在的開采沉陷評估預測是基于項目的可行性研究報告或是開發利用方案中被設計的開采區域，這就會出現與實際開采情況有出入的現象，為了避免因這種差異現象造成的復墾費用的不足，同一圖斑都按最嚴重破壞情形計算出的預計復墾費用會大于分破壞程度情形計算出的預計復墾費用，這樣便有利于預留出足夠的費用，有利于土地復墾工作的進行。

2.2 模糊綜合評價法

2.2.1 層次分析法

層次分析法（AHP）是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于上世紀70年代初，為美國國防部研究名為“根據各個部門對國家福利貢獻的大小而進行電力分配”這一課題是，應用網絡信息系統理論以及多目標的綜合評價方法，提出來的一種層次權重決策分析方法[7]。層次分析法根據所研究的問題的性質以及要達到的總目標，將問題分解成為不同的影響因素，并按照各因素間相互影響以及從屬關系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析組合結構模型，從而使最終問題歸結為最底層（直接決策方案、措施等）相對于最高層（總目標）的相對重要的權值的確定或相對優劣次序的判定[8]。

具體過程如下：

①建立層次結構模型：

在確定要達到的目標以及影響這些目標的因子之間的相互關系，并將這些因素分層，并繪制出相應的層次結構。最高層為目標層（O）、中間層為準則層（C）、最低層為方案層（P）。

②構造判斷（成對比較）矩陣

判斷矩陣是表示本層所有因素針對上一層某一個因素的相對重要性的比較。判斷矩陣的元素用1-9標度如表1給出。

表1 判斷矩陣元素的標度方法

Tab.1 Scale method for elements of judgement matrix

③計算單排序權向量并做一致性檢驗

④計算總排序權向量并做一致性檢驗

利用總排序的一致性比率：

若其檢驗通過，歸一化后的特征向量即為權向量；若不通過，則需要重新構造成對比較矩陣[9]。

2.2.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法（fuzzy comprehensive evaluation method）是模糊數學中最基本的數學方法之一，該方法是以隸屬度來描述模糊界限的[10]。模糊綜合評價法就是針對評價對象所對應的影響因子是多方面且復雜的這一類評估問題，這就需要我們首先對每一個影響因子進行充分的了解的基礎上，對其進行評估。然后再評判出各因子之間的重要性，也可以通過對調查研究的數據進行統計分析，根據上一步得出的結果和相互關系構造出隸屬度矩陣。最終根據得到的模糊綜合評價向量得到正確的結果，該結果必須滿足提出問題時預設的結果范圍，并對結果進行簡單的分析評價。

具體過程如下：

①確定評價對象的因素及其域值：

②確定評價等級及其值域，即等級集合。每個影響因子等級應對應一個模糊子集。

③建立模糊關系矩陣：

④確定評價因素的權向量：

⑤合成模糊綜合評價結果向量

⑥對模糊綜合評價的結果向量進行分析。

3 結果與分析

3.1 實例結果

本次研究所用的兩種方法均中各土地因子的損毀程度以及用層次分析法得到的相應指標權重均采用統一標準，如表2。

表2 礦區土地損毀程度評價指標

Tab.2 Evaluation index of land damage degree in mining area

3.1.1 極限條件法結果

由極限條件法的原理可評判，在七個土地因子中，就某一地塊而言，只要有一個土地因子的數值達到中度損毀，即便其余因子都為輕度損毀該地塊依然會被評判為中度損毀。若有一個因子達到重度損毀，則不考慮其他因子，該地類直接被評判為重度損毀。由此，本研究礦區評價結果在ArcGIS中生成的矢量化專題地圖3。

圖3 極限條件法土地損毀程度分布圖

各損毀程度的面積統計結果如表3。

表3 極限條件法土地損毀面積

Tab.3 Limit condition method for land damage area

從以上圖片和表可以得出結論，本研究區域的中度損毀面積最大，高達38%，重度損毀面積較大，達34.8%，輕度損毀面積相對較小，只占27.2%。中度損毀比重度損毀所占比例相差不大，說明該礦區土地損毀為中度損毀偏重度，該結論明顯的表現了極限條件法的評價特點，也為復墾工作提供了有效的參考。

3.1.2 模糊綜合評價法結果

（1）層次分析結果：先建造層次結構模型，構造判斷矩陣并進行一致性檢驗，再計算層次單排序的權向量并進行一致性檢驗，最后對特征向量進行歸一化處理得：

（2）模糊綜合評價結果

利用模糊綜合評價方法評價損毀程度的過程中需要的重要一步是指標權重的確定，運用層次分析法，我們已經確定了每一個評價土地損毀程度的土地因子的指標權重，以及統一的各因子損毀程度分級指標。

通過數據統計計算得出草地、旱地、林地、建筑用地、河流、采礦六種研究區土地類型，利用模糊綜合評價法對每一種類型的土地的損毀程度做出評判。由統計數據得到的各類型不同土地因子的損毀程度如下表所示：

表4 草地各因子損毀程度

Tab.4 Grassland damage degree based on various factors

表5 旱地各因子損毀程度

Tab.5 Drought damage degree based on various factors

表6 林地各因子損毀程度

Tab.6 Damage degree of forestland based on various factors

表7 建筑用地各因子損毀程度

Tab.7 Damage degree of building land based on various factors

表8 河流各因子損毀程度

Tab.8 River damage degree based on various factors

表9 采礦用地各因子損毀程度

Tab.9 Damage degree of mining land based on various factors

將評價因素的權向量與模糊關系矩陣進行合成，從而得到各用地類型的損毀程度模糊綜合評價結果得：林地為輕度損毀、草地、旱地、建筑用地、河流和采礦用地為中度損毀。

將評價結果通過ArcGIS中生成的矢量化專題地圖如圖4。

上圖中各損毀程度面積統計如表10。

3.2 結果分析

每一地塊都對應每一土地因子有不同的數據，針對這一復雜的問題，選用極限條件法和模糊綜合評價法分別進行了土地的損毀程度評價。將兩種方法所得結果進行對比分析如下：

極限條件法得出在所有地塊中，中度損毀所占面積最大，占38%，其次是重度損毀，占34.8%，最后是輕度損毀，占27.2%；

模糊綜合評價法按照不同土地利用類型損毀程度評價結果表明，大多數土地類型都屬于中度損毀，占90%，只有少數土地類型屬于輕度損毀，占10%，沒有重度損毀的土地。

4 結論與展望

4.1 結論

本研究對河南省禹州市二礦的礦區土地損毀程度進行了評價，通過極限條件法和模糊綜合評價法兩種方法對研究區進行評價，最終得出如下結論：

（1）用極限條件法的評判原理決定了該方法的評判原則較為極端，得到的結果可能偏嚴重，但在土地復墾工作中，這樣的評價結果可能較為有利，方便復墾工作前期的預算和規劃方案的高效制定，復墾后土地質量將會有很大改善，不會出現復墾不到位的情況。

圖4 模糊綜合評價法土地損毀程度分布圖

表10 各損毀程度面積統計

Tab.10 Area of damage severity

（2）用模糊綜合評價方法得到的損毀程度評價結果表明該礦區土地大多數屬于中度損毀，該方法根據不同的土地利用類型的損毀程度的的值來進行判斷，也具有一定的局限性，但不同類型的土地有不同的復墾方案，不同的損毀程度也會進行不同的復墾力度，對每一種類型的土地進行評判有助于復墾工作更加有針對性、高效地進行。

4.2 展望

本文基于GIS的礦區土地損毀程度評價研究雖然用了兩種不同的方法，但得出了相對較為一致的結果。在研究過程中也存在著一些需要進行改進的地方，首先是層次分析法的對比矩陣的構造，在對兩個因素的重要性進行評價只是針對一般土地的土地因子，而礦區土地相比其他土地還是屬于特殊的用地。所以其評價標準可能相對不準確。

希望在以后的學習研究方面能嘗試更多的評價方法，將已掌握的方法運用到實際科學研究的同時能夠掌握更多的評價方法。為我國礦區土地復墾工作提供更加科學有效的參考依據，為土地復墾事業奠定更加堅實的基礎。

[1] 趙美芝, 鄧友軍. 中國地理與資源文摘. 土壤地理[J]. 1997, 04: 1-3.

[2] 何書金, 蘇光全. 中國采礦業的發展及礦區土地損毀預測[J]. 資源科學, 2002, 242(02): 16-21.

[3] 劉毅. 煤礦區土地損毀程度與復墾適宜性評價研究[D]. 河南: 河南理工大學, 2010.

[4] 孫二建, 金明超, 等. 張村礦地質環境保護與治理恢復方案[J]. 中州煤炭, 2014, (5): 100-108.

[5] 梁洪有, 陳俊杰. 煤礦開采對土地資源的破壞及對策研究[J]. 煤炭技術, 2006, (6): 1-3.

[6] 杜超. 關于兼并重組煤礦土地復墾與生態恢復的方法探 討——以山西省為例[J]. 中國集體經濟, 2013, (21): 8-9.

[7] 周娜. 改進的AHP及其在城市綜合競爭力評價與空間分析中的實驗研究[C]//中國地理信息系統協會第四次會員代表大會暨第十一屆年會論文集. 北京: 2007: 1-5.

[8] 賀晨, 陳建宏. 基于AHP的基坑支護方案的優選研究[J]. 礦業工程研究, 2011, (3): 12-25.

[9] 杜麗娜. 用層次分析法進行多屬性決策[J]. 甘肅聯合大學學報(自然科學版), 2007, (5): 31-35.

[10] 于偉達. 基于模糊神經網絡的公路隧道健康監測評估系統研究[D]. 浙江: 浙江大學, 2010.

Research on Evaluation of Land Damage Degree in Mining Area Based on GIS

ZHOU Ying-hui1, XIE Ling2

(1. Kunming University of Science and Technology, Faculty of Land Resource Engineering,Yunnan, Kunming 650000, China; 2. Kunming Land Mining right Trading Office, Yunnan, Kunming 650000, China)

In recent years, the vigorous development of mining industry has led to social and economic development, but also led to a large number of mine land damage. For the sustainable development of social economy, it is necessary to reclaim the damaged land, and the evaluation of the damaged land will provide a reasonable basis for land reclamation. Taking Yuzhou No. 2 Coal Mine of Henan Province as an example, this paper evaluates the damage degree of the study area by using limit condition method, analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method. The results show that the degree of land damage is mainly moderate damage, and the area of moderate damage is large. Finally, the results of two different analysis methods are used to generate corresponding thematic maps by attributes query and spatial analysis of ArcGIS 10.1 software, which makes the analysis results of different analysis methods more intuitive and clear.

Mining area land; Damage degree; Limit condition; Fuzzy comprehensive evaluation method

P285.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.040

周應慧(1993-)女，研究生，主要研究方向：地理信息技術與開發應用；謝玲(1987-)女，本科生，主演研究方向：地籍測繪、土地科學、RS和GIS空間分析。

周應慧，謝玲. 基于GIS的礦區土地損毀程度評價研究[J]. 軟件，2018，39（11）：190-196