基于核密度分析的攀西地區礦山地質災害空間分布特征

陳建明，李云鵬，常 玲，關維娜，孫衛東

（新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局信息中心，新疆 烏魯木齊 830000）

四川省攀枝花-西昌地區（簡稱攀西地區）以其儲量巨大的釩鈦礦、磁鐵礦、稀土礦、碲鉍礦等礦產資源[1]，成為我國重要的戰略礦產富集區。該區域礦產資源開發規模較大，礦業開發雖然為社會進步，人們生活水平提高帶來了巨大效益，但不合理的礦業開發活動，不僅破壞了礦區內的土地資源，而且極易誘發礦山地質災害和污染礦區環境[2]，從而嚴重威脅著礦山安全生產和當地人居環境，破壞了礦業開發的可持續發展。因此，對礦山地質災害開展預防工作是構建礦山綠色開發理念的必然選擇。地質災害在空間上的分布看似“雜亂無章”，但由于致災因子分布的規律性，使地質災害存在空間集聚現象，具體表現為地質災害存在易發地段和災害集群特征[3]。所以，開展礦山地質災害防治工作，首先應從宏觀層面分析礦山地質災害的空間集聚特征，然后劃定其空間集聚區域[4]，最后根據綜合分析，合理分配治理礦山地質災害的人力和物力，這將有助于決策部門進行統籌規劃。

本次研究基于ArcGIS核密度分析算法，從攀西地區礦山地質災害“事件”（event）點本身出發，對該區域礦山地質災害在空間分布方面進行分析。通過核密度分析結果柵格圖，更加快捷、可靠地對攀西地區的礦山地質災害空間集聚特征進行直觀、科學的描述，從而達到宏觀把控，為今后的科學決策做技術支撐。

1 研究區概況

攀西地區位于四川省西南部，行政區劃包括攀枝花市和涼山彝族自治州在內的2個州市、22個縣（市、區），國土面積6.78萬km2，占全省面積的13.89%（圖1）。攀西地區位于橫斷山脈構造帶，海拔介于488m～4409m之間，地形起伏明顯。區內水系發達，包括金沙江、雅礱江、安寧河等長江干支流，地貌以深切河谷為主。

圖1 攀西地區位置

攀西地區除了集中了我國90%以上的釩鈦磁鐵礦之外，還有富銅、錫、鎳、鉛、鋅、磷、稀土礦、金、煤等礦產，在我國占有一定地位。該區域北部有全國第二大的冕寧牦牛坪稀土礦，南部有著名的瀘沽鐵礦，鹽邊冷水菁鎳礦、會理力馬河銅鎳礦，會理拉拉銅礦，天寶山、大梁子鉛鋅礦，以及東川式層狀銅礦等。

2 數據來源

本文依據項目支持，在2017年土地變更調查遙感數據的基礎上，通過室內遙感解譯與外業調查修正，得到2017年攀西地區礦山地質災害數據。

根據解譯與野外查證結果，2017年攀西地區共發現礦山地質災害165處，以攀枝花市（52處）和涼山彝族自治州（113處）發現的礦山地質災害數量較多；按礦山地質災害類別分析，崩塌25處，滑坡54處，泥石流77處，采礦塌陷9處，以泥石流和滑坡為主；按礦山地質災害的規模進行分析，可劃分為特大型、大型、中型、小型四個等級，特大型5處，大型11處，中型126處，小型23處，礦山地質災害以中型規模為主。

3 核密度分析

3.1 核密度分析基本原理

核密度分析的實質是針對某一事件（Event）在某種環境條件下出現概率的估計，是一種能從樣本估計總體概率密度函數的方法[5]。每個事件點上方均覆蓋著一個平滑曲面，在事件點所在位置處表面值最高，隨著點距離的增大表面值逐漸減小，在與事件點的距離等于搜索半徑的位置處表面值為零，也就是說核密度分析在搜索半徑內的各事件點有不同的權重，靠近“核”權重較大，與“核”距離越遠的事件點權重越小。

在現實世界中，任何事物或事件都不是單獨的，孤立的存在。根據地理學相似定律（Waldo R.Tobler,1970）：任何事物都與其他事物相關，但是距離近的事物比距離遠的事物關系更大。根據該定律，可以假定礦山地質災害在某個空間位置出現的概率高或低，是受其所在自然環境或地質環境作用下造成的，因此這種概率估計可以直接指示礦山地質災害易發性的高低。這種易發生礦山地質災害的密度上的變化，就可以用來分析礦山地質災害在空間分布狀況上的差異。

因此，核密度分析只是從事件點本身屬性出發，來研究事件點的聚集特征[6]，這種聚集特征以密度的方式進行表示，這種方法不需要對事件點進行任何先驗假設，不需要有關事件點分布的先驗知識。核密度分析函數f（x）為：

式中，f（x）是礦山地質災害點樣本x1，x2…xn在特定空間內出現的概率密度函數；n為樣品容量；K為核函數；h為搜索半徑，其取值影響概率密度函數f（x）曲線的形狀核平滑程度。

本文選用的核函數為四次多項式核函數，則某處（x，y）的密度函數公式為：

式中：n為出現個數，h為核函數的搜索半徑，di為事件點到(x，y)位置之間的距離。

核密度分析的可視化結果，是以事件點在特定區域內密度變化的連續型柵格形式來表示，反映事件點在連續空間下的聚集特征[7]。研究表明[8]，不同核函數對密度估計的影響很小，可以根據實際需求選擇即可，對核密度的曲面特征影響較大的是搜索半徑h的選取。

3.2 最優搜索半徑的計算方法

在核密度分析過程中，最優搜索半徑的取值是至關重要的，如果搜索半徑h過大，那么事件點的密度就過于平滑，可能會掩蓋住所要分析的熱度區；如果搜索半徑h過小，那么事件點在局部就會顯得突兀或者凸顯，使得事件點的熱度過于分散，無法從全局上分析事件點的關聯性。

國內外學者通過研究確定出一些核密度分析中搜索半徑h的計算方法。在ArcGIS 10.2.1以前的版本中，搜索半徑是通過將輸入范圍的寬度或高度中的較小者除以30進行計算，公式可表達為：

式中，e1，e2分別為事件點分布范圍最小矩陣的兩條邊長。

在ArcGIS 10.2.1以后的版本中，采用的搜索半徑的算法得到了改進。首先計算事件點的平均中心，然后計算所有事件點的平均中心距離，接著計算這些距離的中值Dm，計算標準距離SD，最后以下列公式計算搜索半徑h值：

式中，Dm是平均中心的中值距離，SD是標準距離，n為事件點的數量。

BAILEY.T.C和GATRELL.A.C提出了一種計算核密度分析搜索半徑的計算方法，公式為：

式中：n為事件點數量，A為研究區面積。

將攀西地區152處礦山地質災害點代入公式(3)(4)(5)中，分別計算出搜索半徑h1=6.5km、h2=13.8km、h3=103km。通過ArcGIS中核密度分析功能，將搜索半徑h1、h2、h3分別代入，設置好輸出像元大小及掩膜范圍等參數，分別得到圖2中a、b、c的礦山地質災害核密度分析的可視化結果。

通過對比，當搜索半徑為h=6.5 km時，密度值均集中于較小范圍內，礦山地質災害點的空間集聚特征不明顯，離散化的特征顯著；當搜索半徑為h=103 km時，密度值僅呈現出從中心點向外擴散的圈層結構，雖然在一定程度上顯示出了攀西地區礦山地質災害的分布特征，但從整體上來看，聚集特征范圍過大，無法準確分析聚集區域；當搜索半徑為h=13.8km時，得出密度值的結果較為理想，能夠較好地將局部空間集聚現象反映出來。

最后通過適當調整，將攀西地區礦山地質災害最優搜索半徑確定為h=10 km，得出該區域礦山地質災害的核密度分析可視化結果（圖2，d）。

圖2 核密度分析最優搜索半徑的選取

4 礦山地質災害空間分布特征

礦山地質災害的發育程度和分布狀況，與其所處區域內礦業開采狀態、礦山規模、地質背景、自然環境、開采方式、礦種類型等條件息息相關。從圖3中可以發現，攀西地區礦山地質災害的核密度聚集區主要分布在金沙江、雅礱江、安寧河沿岸，涉及攀枝花市—會理縣和冕寧縣—喜德縣兩個區域。核密度越高，說明其越聚集，反應出在搜索半徑內的礦山地質災害點的數量越多。將核密度值較聚集區劃分為三個區域。具體表現如下：

圖3 攀西地區礦山地質災害核密度分析結果

（1）區域I位于涼山彝族自治州冕寧縣及喜德縣部分，該區礦山地質災害主要分布于雅礱江及安寧河沿岸。核密度分析中的“核”位于冕寧牦牛坪稀土礦礦區。該礦區是我國第二大稀土礦生產基地，開采規模大，開采方式為露天開采。由于該稀土礦位于山間河谷地，受地形地貌的影響較大，露天開采所生產出的排土場等固體廢棄物難以找到合適的區域進行堆放，只能簡單地在采場旁邊或者沿著山坡進行堆放，再加上該地區降雨較為豐富，極易形成泥石流或滑坡等地質災害或隱患。經統計，區域I存在的礦山地質災害數量為崩塌4處，滑坡6處，泥石流23處和采礦塌陷1處。

（2）區域II位于攀枝花市仁和區與西區交界處，以及攀枝花市東區，總體呈現出雙核并立，向外擴展的空間集聚特征。該區域的礦山地質災害主要分布于金沙江沿岸。核密度分析中的“核”主要存在于攀枝花市大寶頂煤礦區及蘭尖、朱家包包鐵礦礦區。通過統計，該區存在崩塌6處，滑坡13處，泥石流13處，采礦塌陷6處。

（3）區域III涉及攀枝花市米易縣、鹽邊縣以及涼山彝族自治州會理縣。該區礦山地質災害空間分布對比區域I、區域II較為分散，主要分布于安寧河沿岸。該區核密度值較高處位于攀枝花市鹽邊縣，主要涉及黑色金屬（如鐵礦）、有色金屬礦（如銅礦、鉛鋅礦）及部分建材礦的開采，通過統計，該區域存在崩塌7處，滑坡16處，泥石流16處，采礦塌陷2處。

5 結論

（1）在已知礦山地質災害分布的情況下，利用核密度分析，從礦山地質災害“事件點”自身空間關聯性，客觀分析處礦山地質災害密度較大區域，即礦山地質災害發生概率較高的區域。

（2）在對攀西地區礦山地質災害開展核密度分析的過程中，探索出用事件點的平均中心到各個事件點距離的方法確定的最佳搜索半徑最為合理，但需根據研究區的選取進行適當調整。在最佳搜索半徑h=10km的條件下，得到攀西地區礦山地質災害空間分布特征，即礦山地質災害主要分布于金沙江、雅礱江、安寧河沿岸，按照核密度值較高處劃分三個區域（I～III），為攀西地區礦山地質災害重點防治區域的劃分提供了科學的參考依據。

（3）在下一步的研究中，需進一步考慮地形地貌、地質背景等因素，以精確礦山地質災害集聚地區的范圍，為攀西地區礦山地質災害的防治工作的科學布局提供精準的數據支撐。