工矿区土地复垦与生态重建管理信息系统研发进展

苏尚军，张 强，张建杰

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030006）

1 我国工矿区土地复垦现状及发展趋势

我国煤炭资源储量丰富，总量达5.6万亿t。截至2009年，全国原煤年产量达30.05亿t。但大规模的煤炭开采在支撑经济社会发展的同时也带来了大量的资源环境破坏、安全事故频发等问题，这成为制约煤炭产业和经济社会健康发展的瓶颈，严重阻碍了我国的生态文明建设。因此，在矿产开发中，针对被破坏和压占土地进行土地复垦和生态恢复就成为实现生态环球保护和资源高效利用的战略重点和技术热点[1]。

20世纪五六十年代，土地复垦曾被机械地理解为“扩大土地面积”。而经过多年发展后，1988年10月21日国务院第二十二次常务会议通过的《土地复垦规定》中把其定义为：“在生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动。”在随后的几十年中，就煤炭开采区土地复垦问题，有不少专家学者进行了不懈的探索和研究，从理论到实践均已比较成熟。另外，国土部门也已制定了相应的土地复垦技术规范和质量标准，使得土地复垦工作得到了深化和推广，为我国粮食安全和生态文明建设作出了贡献。

随着科技的发展，3S技术已深入到社会的各个领域，如国土管理、环境保护、城镇规划、粮食估产等，其良好的空间分析、决策、可视等功能极大地方便了人们的研究和管理工作。1998年1月，美国副总统戈尔提出了“数字地球”的概念，即以地球坐标为依据的、由海量数据支撑和多维显示的地球虚拟系统，通过3S技术和网络技术来支持和服务人类生产活动。而目前工矿区的土地复垦工作，作为实施可持续发展战略的具体内容之一，面临重大发展机遇和挑战，其重点是如何在管理实施、技术支撑上确保高效便捷，并能长期坚持[2]。为此，国内外不少专家学者针对煤矿区生态破坏和土地退化状况，结合3S技术，研究开发矿区土地复垦管理信息化平台，以求对煤炭开采区的生态重建和土地复垦管理模式实现定量化、系统化、可视化、长期化、智能化。

2 国内外研究进展

2.1 国外相关研究进展

矿区土地复垦管理信息系统，是立足于土地复垦活动的空间管理信息平台，是带有空间属性的管理决策系统。而管理信息系统于1958年由Stoller和VanHorn首先提出，但其真正开始发展是在20世纪60年代末到70年代初，发展经历了早期的人工管理、后期的计算机涉足信息系统——文件系统、数据库管理系统及3S应用技术等阶段[2]。管理信息系统作为计算机领域的一个重要分支，它通过机械操作替代了原来需要手工处理的复杂工作，不仅明显地提高了工作效率、降低了劳动强度，而且能提高信息管理的质量和水平。另外，管理信息系统实现了数据更合理的组织和更科学的管理，为控制事物发展提供了控制信息，为预测事物变化的状态提供了事物发展趋势信息和变化规律的信息。管理信息系统的应用非常广泛，它可以用于事务管理、计算机辅助设计、计算机图形及人工智能等系统中。另外，各学科与管理信息系统的结合越来越密切，从而产生了各种专业性很强的管理信息系统。数据管理技术经历了手工管理、文件管理和数据库技术3个发展阶段。从20世纪60年代末开始，数据管理技术从层次数据库到关系数据库，再到面向对象模型的数据库，得到了长足的发展。如今，数据库技术与网络通讯技术、人工智能技术、面向对象程序设计技术、并行计算技术等相互渗透，相互结合，实现了各种数据的高效综合管理。

而土地复垦主要以破坏或退化的土地及相应的资源和环境问题为研究对象，其特点是所需处理的数据信息量大、信息属性及拓朴关系复杂、信息时空变化大[3-4]。有关采矿、土地复垦及环境保护的不少专家早已针对这些复杂的数据信息的处理途径进行了相关探索。GIS技术，作为空间地理信息处理的先进手段，很早就被有关专家尝试引入到矿山环境和土地复垦领域的空间数据信息处理中。Younos等[5]在GIS环境下，运用通用土壤侵蚀方程USLE（Universal Soil Loss Equation）建模分析预测了美国弗吉尼亚西南地区现存的废弃矿山土地土壤侵蚀情况。Krige[6]是最早将GIS调查引入采矿环境工程的人员之一，从空间上研究探索了适于矿产资源进一步开发的景观类型。Anderson等利用遥感图像数据建立了土地利用和土地植被分类系统。Davidson等[7]结合现有的土地资源调查技术，在地中海地区进行了有关将GIS技术作为辅助手段用于农业土地资源评价，其高度评价了基于GIS技术，应用模糊分类方法进行土地适宜性分析和土地资源管理的有效性。Sumbangan等[8]在GIS环境下运用模糊建模方法对如何定义和评价土地管理单元进行了探索。这些实践和研究成果均证明，信息系统技术以及GIS用作土地复垦规划、管理、决策工具是极其有用的。

2.2 国内研究进展

随着国内土地复垦研究工作的深入、研究范围的扩展以及土地复垦在一些矿山企业已得到实施，复垦工作所要处理的有关数据信息的业务量越来越大，有关土地复垦专家和现场复垦技术人员切实认识到，传统的工作方式和管理模式越来越不适应当前业务的需求，迫切需要顺应当今数字化社会的发展趋势，建立矿区土地复垦信息系统，以更好地为矿山企业和复垦技术人员服务。最初，贺日兴等[4]探讨了基于GIS平台下建立矿山土地复垦信息系统的可能性及意义。后来乔朝飞等[9]系统分析了在建立矿区土地复垦信息系统过程中几个关键问题的解决办法。随后几年里，不断有专家学者进行与矿区土地管理系统相关的开发实践，并取得了一定成果。申广荣等[10]探讨了基于GIS环境下露天煤矿土地复垦信息系统的建立，其中对系统设计、数据库构建进行了详细说明。韩雁[11]采用OLE（对象联结与嵌入）技术将Mapinfo与VB集成应用，进行了基于GIS矿山环境信息系统的研究。赵军[12]针对兖州矿区矿山开采地表塌陷问题，建立了煤矿开采生态环境破坏评价模型，提出了利用模糊联想记忆神经网络土地评价方法，利用地理信息系统软件ArcINFO建立可视化管理信息系统，实现了塌陷区信息可视化。谢宏全等[13]探讨了WebGIS在矿区土地复垦规划中的应用。师华定[14]以平朔露天矿区为例，进行了矿区土地复垦与生态重建信息系统的开发。陈秋计等[15-17]在研发土地复垦信息系统的基础上，专门探讨了DEM在矿区土地复垦中的应用，并探讨了基于MapX和Oracle Spatial进行矿区土地复垦信息系统的建立。张继栋等[18-19]又专门探讨了矿区土地复垦决策支撑系统的开发。刘玉华[3]以南屯煤矿为例，进行了煤矿区土地复垦管理信息系统设计和应用的研究。包妮沙等[20]专门讨论了ArcGIS在矿区土地复垦规划工作中的具体应用。黄解军等[21]讨论了基于GIS的矿山整体决策支持系统。另外，胡海峰等[22]针对工矿区土地复垦中破坏面积及破坏程度进行的评估预测方法研究，为工矿区土地复垦和生态重建管理信息系统评价指标体系的构建提供了关键技术。至此，国内关于工矿区土地复垦管理信息化的研究，从初期理论探讨，到如今的开发实践，积累了丰富的经验，为日后土地复垦管理信息化平台建设奠定了基础。

近几年来，各类信息系统的建设与应用在我国已日益得到广泛重视，但在有关矿区土地复垦专用信息系统的建设和应用方面整体发展仍很缓慢。而且在矿区土地破坏已严重制约经济社会健康发展的今天，实现对矿区破坏土地这一后备资源的有效开发利用以及生态恢复重建，无论资源保护还是环境保护方面，都显得十分必要。故切实加快矿区土地复垦管理信息系统的研发，并尽快投入到实际应用中，是我们广大科技人员需要努力的目标，同时也需要得到有关管理部门及矿山企业的重视和协作。

3 存在问题及对策

综合国内外研究成果，关于土地复垦管理信息系统的研发主要存在几个问题：（1）基础理论探讨多于开发实践。现有的多数矿区信息系统研究，主要集中在矿区土地破坏发生机理和环境影响评价方面。尤其国外相关研究，针对矿区土地复垦的专门性系统研发较鲜见。国内关于矿区土地复垦信息系统的研究，大多为技术理论方面的探讨，少有真正实现软件平台的推广和应用。矿区土地复垦信息系统的研发需要多学科间技术力量的交叉融合，是一个系统工程，其本身受多方面技术的限制；另一方面，由于相关管理部门及企业的重视程度不够，以及管理制度的不完善，致使科技产品没有市场，从而缺乏充裕的人力、物力投入来支撑其研发。之前我国的矿产开发主体多为私人企业，其管理者对资源高效利用及环境保护的理解和认识不够，导致矿区土地复垦和生态重建工作低效无序，从而间接地削弱了矿区土地复垦管理信息化的需求。以上因素致使该领域整体发展缓慢。（2）国内已开发的系统应用性不强。国内已有部分学者进行了研发活动，但由于软件本身的应用性不强，致使其缺乏推广和应用。究其原因，主要有几个方面：一是系统多为量身定做，各软件自身的侧重点不同，很难适应各种煤矿复杂的空间数据、权属数据等管理功能要求；二是系统本身缺乏系统性，多学科技术力量之间没有有效融合，致使软件平台在数据管理及运行中出现不适现象；三是系统本身适用主体少。该类系统的研发及试验场所主要在各科研院所及高校，未能在生产实践领域提供切实的帮助，不能打开推广应用的局面。（3）缺乏科学衡量工矿区土地复垦与生态重建水平的指标体系。建立工矿区土地复垦与生态重建管理信息系统，要求切实反映工矿区土地复垦与生态重建进展及生态效应，必须建立一套科学、合理衡量和评价矿区土地复垦与生态重建情况的量化指标体系，这是整个软件开发的核心。而目前国内众多科研人员在研发该类系统时均未能提出一个较合理的指标体系，这也是致使所研发系统适用性较差的主要原因之一。

针对以上情况，立足目前我国土地复垦管理政策体制，分析矿产开发企业土地复垦及生态重建管理机制，根据市场需要，结合国土、环保等部门的技术标准及考核要求，有针对性地开发方便、实用的土地复垦管理信息系统平台，并不断进行软件维护升级，实现研发产业化，才是推广和深化矿区土地复垦信息化、智能化管理的最好出路。

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