矿山环境评价系统设计与实现

豆为俊

摘要：开采矿产资源会破坏环境，而环境的破坏在短期是很难恢复的，因此，对矿山环境质量进行评价，并揭示矿区环境的质量指数和矿山资源开发对环境的影响程度十分必要。系统结合了GIS技术，采用C#语言对ArcGIS进行二次开发，实现矿山地貌和监测信息的可视化；系统设计并实现了矿山环境评价模型对矿山环境质量进行分级量化，并采用图像和图表的方式统计环境信息，并给出评价的结果，为矿山企业和环保部门的环保工作提供一些参考依据。

关键词：矿山环境；质量指数；GIS；监测；评价

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）08-1738-05

《矿山地质环境保护规定》中第十二条规定：“采矿权申请人申请办理采矿许可证时，应当编制矿山地质环境保护与治理恢复方案，报有批准权的国土资源行政主管部门批准”[1] 。由此可见，在矿山开采和生产经营前，就必须要对矿山环境做预先的评价，同时在生产的过程中要对矿山地质环境的有一套完备的评价方案。

系统采用MVC（Model-View-Control）[2] 框架，让软件系统模块化的一种方法；使用C#结合ArcGIS Engine 10.0二次开发；在TOPSIS法的基础上提出一种符合矿山环境质量评价要求的设计方案，实现了矿山环境评价系统。

1 系统评价模型设计

TOPSIS法是系统工程中有限方案多目标决策分析的一种常用方法[3] 。理想解一般是设想最好的方案，它所对应的各个属性至少达到各个方案中的最好值；负理想解是假定最坏的方案，其对应的各个属性至少不优于各个方案中的最劣值。方案排队的决策规则，是把实际可行解和理想解与负理想解作比较，若某个可行解最靠近理想解，同时又最远离负理想解，则此解是方案集的满意解。

设计方案步骤如下：

第一步：选取矿山环境质量评价指标，根据空气、水和土壤环境污染限值，计算空气质量指数，水环境综合污染指数，土壤环境综合污染指数，作为决策标准Warning级。

第二步：矿山环境问题评估作为一个决策问题，其决策矩阵为A。将空气质量指数，水环境综合污染指数，土壤环境综合污染指数加入决策矩阵A中，由A可以构成规范化的决策矩阵Z′，其元素为[Z′ij]，且有

[Z′ij=fiji=1nf2ij][i=1，2，…，n；j=1，2，…，m]

式中，[fij]由决策矩阵给出。

[A=f11f12…f1mf21f22…f2m??…?fn1fn2…fnm Warning级方案1?方案n-1]

第二步： 构造规范化的加权决策矩阵Z，其元素[Zij]

[Zij] = [WjZ′ij]i=1，…，n； j =1，…，m

[Wj]为第j个目标的权。

第三步：确定理想解和负理想解。如果决策矩阵Z中元素[Zij]值越大表示方案越好，则

[Z+=（Z+1，Z+2，…，Z+m）={maxiZijj=1，2，…，m}]

[Z-=（Z-1，Z-2，…，Z-m）={miniZijj=1，2，…，m}]

第四步：计算每个方案到理想点的距离Si和到负理想点的距离S -i。

第五步：计算每个方案的相对接近度[Ci]。

相对接近度计算方法如下。

设决策问题有m个目标[fj]（[j=1，2，…，m]），n个可行解[Zi=（Zi1，Zi2，…，Zim）]（[i=1，2，…，n]）；并设该问题的规范化加权目标的理想解是Z*，其中

[Z+=（Z+1，Z+2，…，Z+m）]，

那么用欧几里得范数作为距离的测度，则从任意可行解[Zi]到[Z+]的距离为：

[S+i=j=1m（Zij-Z+j）2]i=1 ，…，n，

式中，[Zij]为第j个目标对第i个方案（解）的规范化加权值。

同理，设[Z-]=[（Z-1，Z-2，…，Z-m）T]为问题的规范化加权目标的负理想解，则任意可行解[Zi]到负理想解[Z-]之间的距离为：

[S-i=j=1m（Zij-Z-j）2]i=1 ，…，n，

那么，某一可行解对于理想解的相对接近度定义为：

[Ci=S-iS-i+S+i] 0≤[Ci]≤1，i=1，…，n，

于是，若[Zi]是理想解，则相应的[Ci] =1；若[Zi]是负理想解，则相应的[Ci] =0。[Zi]愈靠近理想解，[Ci]愈接近于1；反之，愈接近负理想解，[Ci]愈接近于0。

第六步：按每个方案的相对接近度[Ci]的大小排序，由于决策矩阵中包含了分级标准Warning级，大于Warning级的方案表示环境质量较好，小于Warning级的方案表示环境受到污染，需要采取治理措施。

2 系统功能模块

系统设计了六个功能模块，分别包括登录模块、地图浏览模块、数据管理模块、监测点管理模块、监测分析模块和信息管理模块，如图1所示。

登录模块：系统的入口。用户输入用户名和密码，向服务器发送用户认证请求，服务器端一并将数据发送到客户端，客户端进入登录等待状态，进行数据加载；若认证不通过，提示用户用户名和密码错误。

地图浏览模块：系统需要把矿区的图像作为背景，監测点布置在地图上，形象的模拟了实际矿区监测点的地理位置及分布情况。

监测点管理模块：可以打开或关闭监测节点，更改监测节点的状态，定时或实时更新数据。

数据管理模块：对监测节点的检测值进行查询，该页面可以根据用户选择日期进行查询，每页可显示16条记录。选中其中的某条可以删除该记录，也可在空白行添加新的记录，最后对所有操作进行保存。

监测分析模块：包含监测实况、灰度预测、统计分析和评价分级四大模块。监测实况模块主要实现不同监测点下环境参量的监测实况图的绘制；灰度预测模块运用灰色系统预测的原理实现预测环境参数的预测值；统计分析模块包括对矿山区域监测到的空气参数、水参数和土壤参数的数据统计与分析；评价分级模块包括对空气质量、水质量和土壤质量的评价分级以及对三者的综合评价。

信息管理模块主要用于用户的信息管理，客户端包括用户申请修改用户名和＼或密码等功能，便于用户自主管理个人信息。

3 系统的实现

运行系统，首先是系统登录模块。在使用系统之前首先要正确连接到数据库，这样才能正确连接到数据库服务器，减少用户等待的时间。系统登录界面根据不同的时间段加载不同的代表时间的界面图片，界面美观大方。如图2所示。

用户输入用户名和密码，不同的用户具有不同的使用权限，点击登录，数据库服务就会自动验证用户的身份，用户名和＼或密码是否正确。若用户身份验证失败，则显示用户名和＼或密码错误，系统登录模块停止工作；若用户身份验证成功，则系统加载数据库的数据，进入系统主界面，系统主界面运行效果图如图3所示。

地图浏览模块显示了矿山局部区域的地图，提供了简单的地图操作功能，辅助查看跟踪层的监测点的实时数据。通过ArcGIS Engine组件技术创建跟踪图层，模拟监测点的虚拟坐标，并通过点击每个监测点显示对应的监测数据。地图跟踪层实时显示数据，如图4所示。

另外，地图浏览还实现了ArcGIS[4] 的其他操作功能如打开地图、保存地图、放大、缩小、全图和漫游等。

灰度预测模块采用Chart[5] 报表显示环境实时监测数据、灰度预测[6] 数据，并且可以保存监测数据图片。如图5所示。

统计分析模块包括空气环境质量[7] 评价、水环境质量[8] 评价和土壤环境质量[9] 评价。通过统计每个环境监测指标的数据，运用评价模型计算各个环境的指数。统计结果和评价分析的运行效果如图6所示。

评价分级模块包括综合评价方案和综合评价结果两部分，评价评价方案表显示了有哪些方案进行综合评价。点击代表“TOPSIS综合评价”的按钮，显示综合评价的结果，数据表格中显示了正负理想解的距离、相对接近度和是否有污染。评价分级模块通过对空气环境、土壤环境和水环境的分析，分别进行评价分级。运行结果如图7所示。

4 结束语

系統所设计的矿山环境评价系统，实现了地图浏览，构建跟踪层实时显示监测数据；自定义开发合适的用户控件和设计符合系统要求的组件可以满足拓展界面功能的需求；系统统计分析矿山环境监测参数和建立矿山环境评价数学模型。系统的运行实践表明，系统在使用中性能稳定，能够满足矿山企业对矿山环境的评估需求，可以提高用户的工作效率，降低环保投入成本。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国土资源部令第44号[EB/OL].http：//www.gov.cn/flfg/2009-03/05/cont ent_1251130.htm.

[2] 李霞.MVC设计模式的原理与实现[D].长春：吉林大学，2004.

[3] 付巧峰.一种修改的TOPSIS法[J].西北大学学报：自然科学版，2007（4）.

[4] 李旭.基于GIS平台的矿山地质环境评价系统设计与实现[D]. 北京：北京交通大学，2012.

[5] 刘辉，郝伟.一种基于.NET4.0 Chart的通用图形化统计模块的设计与实现[J].电脑知识与技术，2011，7（31）：7676-76.

[6] 张立.基于灰色预测模型GM（1，1）的人力资源需求预测研究[J].人力资源管理，2011（4）.

[7] 环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）：中华人民共和国国家环境保护标准，HJ 633-2012[S].

[8] 地表水环境质量标准，中华人民共和国国家标准，GB 3838-2002[S].

[9] 土壤环境质量标准，中华人民共和国国家标准，GB 15618-1995[S].

[10] 俞立平，潘云涛，武夷山.修正TOPSIS及其在科技评价中的应用研究[J].情报杂志，2012（6）.