基于GIS的矿区土地损毁程度评价研究

周应慧，谢 玲



基于GIS的矿区土地损毁程度评价研究

周应慧1，谢 玲2

（1. 昆明理工大学，国土资源工程学院，云南 昆明 650000；2. 昆明市土地矿业权交易办公室，云南 昆明 650000）

近年来，矿工业的大力发展在带动社会经济发展的同时也导致了大量矿区土地受损。为了社会经济的可持续发展，就需要对受损土地进行复垦，而对于受损土地的损毁程度进行评价将为土地复垦工作提供合理的依据。本次研究以河南省禹州二矿为例,运用极限条件法、层次分析法、模糊综合评价法对研究区进行损毁程度评价，得出的结果表明：该矿区土地损毁程度主要为中度损毁，且中度损毁所占面积较大。最终，将两种不同分析方法评价得出的结果应用ArcGIS10.1软件的属性查询、空间分析等功能生成相应的专题地图，使不同分析方法的分析结果更加的直观、明了。

矿区土地；损毁程度；极限条件法；模糊综合评价法

0 引言

中国煤矿工业的不断发展扩大，为我国经济发展做出了巨大的贡献的同时，也对我国的土地资源和生态环境造成了重大影响。针对中国采矿产业结构发展变化的一系列分析，运用灰色GM模型进行了采矿业生产产量的发展趋势预测分析与估算。同时针对我国煤矿产业发展导致的的塌陷、挖损、压占等类型的损毁土地，进行实际土地损毁调查[1]。该调查显示的结果表明，中国3大采矿业产品产值结构变化不大，但产量不断增加，其中，能源开采产值的比重是最大的，占79. 61%[2]。随着采矿业的不断增加，中国矿区土地的损毁面积也将不断扩大，矿区土地复垦工作的意义变得越来越至关重要。

目前，为缓解我国人地矛盾并改善生态环境，我国将采取一系列土地复垦重要措施。首先，就要保证土地复垦的可行性分析的科学性和合理性，才能保证土地复垦方案制定的科学性、合理性，而对土地复垦的可行性分析，首先就需要对所要复垦区内的损毁土地面积及其损毁程度进行科学的评估，这是进行土地复垦适宜性评价、复垦方式选择等一系列工作的基础。因此，必须科学选取土地损毁预测方法，以科学准确的判定矿区受损土地面积及其损毁程度为依据和参考，对煤矿区土地复垦的一系列工作奠定基础。

1 研究区概况及数据采集

1.1 研究区概况

河南平禹煤电有限责任公司二矿位于禹州市鸿畅镇许家沟村，行政区划属鸿畅镇管辖，其井田地理坐标为：东经113°13¢17²~113°16¢15²，北纬34°05¢54²~ 34°06¢31²[3]。矿井范围以河南省国土资源厅下发的河南省平禹煤电有限责任公司二矿采矿许可证（证号：C1400002009081120032918）所圈定的矿区范围为准[3]。矿井范围由39个坐标拐点圈定，边界拐点坐标参看表1。矿井面积为5.2686 km2。具体情况如图1。

矿井所在地主要以农作物为小麦、玉米、及烟叶为主。本井田属北暖温带大陆性季风气候。历年来极端温度相差较大，最高气温和最低气温相差可达56.3℃，年平均气温为14.4℃。年最大降雨量1132 mm，最小降雨量为414 mm，平均781.9 mm。本研究区属于暖温带落叶阔叶林类型。河南平禹煤电有限责任公司二矿井田范围内发育地层由老至新有寒武系上统崮山组、石炭系上统本溪组、太原组、二叠系下统山西组、下统下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组，三叠系刘家沟组以及第四系[4]。

1.2 矿区土地损毁类型

本次研究矿区土地损毁主要有四大类型：由于地下矿产资源的开采引起的塌陷土地，依据沉陷地破坏的物理特征，可以将井工开采沉陷对地表破坏形式分为：地表下沉盆地、裂缝及台阶、塌陷坑。因为采矿活动使得原地表形态、土壤结构、地质层组、地表结构和生物等被直接摧毁导致的挖掘土地，包括露天煤矿开采、取土、挖石土方、开山等面状工程，矿上山所需工业活动包括兴修水利、铁路、公路等[5]。因为堆放剥离物、废弃矿石、矿渣表土等造成的压占土地和矿区土地开采过程各种物理或化学排放产生的污染物，造成土壤原有理化形状的恶化、土地原有功能部分或全部丧失造成的污染土地[6]。

1.3 数据采集和分析

本次研究所需数据主要有两大类：专题地图属性数据和损毁程度分析的土地因子数据。研究区内的土地利用类型分类如图2。

图1 矿井采空区分布情况

图2 矿区土地利用类型图

最初得到的数据都需要进行处理，专题地图的属性数据涉及到研究区周围的区域，而这些研究区以外数据不需要考虑，因此对于这些多余的数据，可直接删除，再对具体一些数据进行编辑、整理并生成数据表等。对于某些类型的属性需要进行添加、编辑等处理。土地因子数据和其他的研究区概况的数据需要上网，通过统计年鉴等平台搜集、整理，保持数据在一定的合理范围内，使数据分析后的结果具有一定的科学性。

2 研究方法

2.1 极限条件法

极限条件评价法是按最严重的情形确定图斑的破坏程度，即同一图斑内会有部分区域为轻度，也有部分为中度时，这一图斑的破坏程度会被确定为中度破坏。首先要确定评价结果等级的数量和排列顺序，该顺序将作为极限法的评价顺序的参考标准；然后依次评价每一组数据的各个评价因子的等级，并对每一组数据评判结果进行简单的赋值。

现在的开采沉陷评估预测是基于项目的可行性研究报告或是开发利用方案中被设计的开采区域，这就会出现与实际开采情况有出入的现象，为了避免因这种差异现象造成的复垦费用的不足，同一图斑都按最严重破坏情形计算出的预计复垦费用会大于分破坏程度情形计算出的预计复垦费用，这样便有利于预留出足够的费用，有利于土地复垦工作的进行。

2.2 模糊综合评价法

2.2.1 层次分析法

层次分析法（AHP）是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于上世纪70年代初，为美国国防部研究名为“根据各个部门对国家福利贡献的大小而进行电力分配”这一课题是，应用网络信息系统理论以及多目标的综合评价方法，提出来的一种层次权重决策分析方法[7]。层次分析法根据所研究的问题的性质以及要达到的总目标，将问题分解成为不同的影响因素，并按照各因素间相互影响以及从属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析组合结构模型，从而使最终问题归结为最底层（直接决策方案、措施等）相对于最高层（总目标）的相对重要的权值的确定或相对优劣次序的判定[8]。

具体过程如下：

①建立层次结构模型：

在确定要达到的目标以及影响这些目标的因子之间的相互关系，并将这些因素分层，并绘制出相应的层次结构。最高层为目标层（O）、中间层为准则层（C）、最低层为方案层（P）。

②构造判断（成对比较）矩阵

判断矩阵是表示本层所有因素针对上一层某一个因素的相对重要性的比较。判断矩阵的元素用1-9标度如表1给出。

表1 判断矩阵元素的标度方法

Tab.1 Scale method for elements of judgement matrix

③计算单排序权向量并做一致性检验

④计算总排序权向量并做一致性检验

利用总排序的一致性比率：

若其检验通过，归一化后的特征向量即为权向量；若不通过，则需要重新构造成对比较矩阵[9]。

2.2.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法（fuzzy comprehensive evaluation method）是模糊数学中最基本的数学方法之一，该方法是以隶属度来描述模糊界限的[10]。模糊综合评价法就是针对评价对象所对应的影响因子是多方面且复杂的这一类评估问题，这就需要我们首先对每一个影响因子进行充分的了解的基础上，对其进行评估。然后再评判出各因子之间的重要性，也可以通过对调查研究的数据进行统计分析，根据上一步得出的结果和相互关系构造出隶属度矩阵。最终根据得到的模糊综合评价向量得到正确的结果，该结果必须满足提出问题时预设的结果范围，并对结果进行简单的分析评价。

具体过程如下：

①确定评价对象的因素及其域值：

②确定评价等级及其值域，即等级集合。每个影响因子等级应对应一个模糊子集。

③建立模糊关系矩阵：

④确定评价因素的权向量：

⑤合成模糊综合评价结果向量

⑥对模糊综合评价的结果向量进行分析。

3 结果与分析

3.1 实例结果

本次研究所用的两种方法均中各土地因子的损毁程度以及用层次分析法得到的相应指标权重均采用统一标准，如表2。

表2 矿区土地损毁程度评价指标

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

3.1.1 极限条件法结果

由极限条件法的原理可评判，在七个土地因子中，就某一地块而言，只要有一个土地因子的数值达到中度损毁，即便其余因子都为轻度损毁该地块依然会被评判为中度损毁。若有一个因子达到重度损毁，则不考虑其他因子，该地类直接被评判为重度损毁。由此，本研究矿区评价结果在ArcGIS中生成的矢量化专题地图3。

图3 极限条件法土地损毁程度分布图

各损毁程度的面积统计结果如表3。

表3 极限条件法土地损毁面积

Tab.3 Limit condition method for land damage area

从以上图片和表可以得出结论，本研究区域的中度损毁面积最大，高达38%，重度损毁面积较大，达34.8%，轻度损毁面积相对较小，只占27.2%。中度损毁比重度损毁所占比例相差不大，说明该矿区土地损毁为中度损毁偏重度，该结论明显的表现了极限条件法的评价特点，也为复垦工作提供了有效的参考。

3.1.2 模糊综合评价法结果

（1）层次分析结果：先建造层次结构模型，构造判断矩阵并进行一致性检验，再计算层次单排序的权向量并进行一致性检验，最后对特征向量进行归一化处理得：

（2）模糊综合评价结果

利用模糊综合评价方法评价损毁程度的过程中需要的重要一步是指标权重的确定，运用层次分析法，我们已经确定了每一个评价土地损毁程度的土地因子的指标权重，以及统一的各因子损毁程度分级指标。

通过数据统计计算得出草地、旱地、林地、建筑用地、河流、采矿六种研究区土地类型，利用模糊综合评价法对每一种类型的土地的损毁程度做出评判。由统计数据得到的各类型不同土地因子的损毁程度如下表所示：

表4 草地各因子损毁程度

Tab.4 Grassland damage degree based on various factors

表5 旱地各因子损毁程度

Tab.5 Drought damage degree based on various factors

表6 林地各因子损毁程度

Tab.6 Damage degree of forestland based on various factors

表7 建筑用地各因子损毁程度

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

表8 河流各因子损毁程度

Tab.8 River damage degree based on various factors

表9 采矿用地各因子损毁程度

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

将评价因素的权向量与模糊关系矩阵进行合成，从而得到各用地类型的损毁程度模糊综合评价结果得：林地为轻度损毁、草地、旱地、建筑用地、河流和采矿用地为中度损毁。

将评价结果通过ArcGIS中生成的矢量化专题地图如图4。

上图中各损毁程度面积统计如表10。

3.2 结果分析

每一地块都对应每一土地因子有不同的数据，针对这一复杂的问题，选用极限条件法和模糊综合评价法分别进行了土地的损毁程度评价。将两种方法所得结果进行对比分析如下：

极限条件法得出在所有地块中，中度损毁所占面积最大，占38%，其次是重度损毁，占34.8%，最后是轻度损毁，占27.2%；

模糊综合评价法按照不同土地利用类型损毁程度评价结果表明，大多数土地类型都属于中度损毁，占90%，只有少数土地类型属于轻度损毁，占10%，没有重度损毁的土地。

4 结论与展望

4.1 结论

本研究对河南省禹州市二矿的矿区土地损毁程度进行了评价，通过极限条件法和模糊综合评价法两种方法对研究区进行评价，最终得出如下结论：

（1）用极限条件法的评判原理决定了该方法的评判原则较为极端，得到的结果可能偏严重，但在土地复垦工作中，这样的评价结果可能较为有利，方便复垦工作前期的预算和规划方案的高效制定，复垦后土地质量将会有很大改善，不会出现复垦不到位的情况。

图4 模糊综合评价法土地损毁程度分布图

表10 各损毁程度面积统计

Tab.10 Area of damage severity

（2）用模糊综合评价方法得到的损毁程度评价结果表明该矿区土地大多数属于中度损毁，该方法根据不同的土地利用类型的损毁程度的的值来进行判断，也具有一定的局限性，但不同类型的土地有不同的复垦方案，不同的损毁程度也会进行不同的复垦力度，对每一种类型的土地进行评判有助于复垦工作更加有针对性、高效地进行。

4.2 展望

本文基于GIS的矿区土地损毁程度评价研究虽然用了两种不同的方法，但得出了相对较为一致的结果。在研究过程中也存在着一些需要进行改进的地方，首先是层次分析法的对比矩阵的构造，在对两个因素的重要性进行评价只是针对一般土地的土地因子，而矿区土地相比其他土地还是属于特殊的用地。所以其评价标准可能相对不准确。

希望在以后的学习研究方面能尝试更多的评价方法，将已掌握的方法运用到实际科学研究的同时能够掌握更多的评价方法。为我国矿区土地复垦工作提供更加科学有效的参考依据，为土地复垦事业奠定更加坚实的基础。

[1] 赵美芝, 邓友军. 中国地理与资源文摘. 土壤地理[J]. 1997, 04: 1-3.

[2] 何书金, 苏光全. 中国采矿业的发展及矿区土地损毁预测[J]. 资源科学, 2002, 242(02): 16-21.

[3] 刘毅. 煤矿区土地损毁程度与复垦适宜性评价研究[D]. 河南: 河南理工大学, 2010.

[4] 孙二建, 金明超, 等. 张村矿地质环境保护与治理恢复方案[J]. 中州煤炭, 2014, (5): 100-108.

[5] 梁洪有, 陈俊杰. 煤矿开采对土地资源的破坏及对策研究[J]. 煤炭技术, 2006, (6): 1-3.

[6] 杜超. 关于兼并重组煤矿土地复垦与生态恢复的方法探 讨——以山西省为例[J]. 中国集体经济, 2013, (21): 8-9.

[7] 周娜. 改进的AHP及其在城市综合竞争力评价与空间分析中的实验研究[C]//中国地理信息系统协会第四次会员代表大会暨第十一届年会论文集. 北京: 2007: 1-5.

[8] 贺晨, 陈建宏. 基于AHP的基坑支护方案的优选研究[J]. 矿业工程研究, 2011, (3): 12-25.

[9] 杜丽娜. 用层次分析法进行多属性决策[J]. 甘肃联合大学学报(自然科学版), 2007, (5): 31-35.

[10] 于伟达. 基于模糊神经网络的公路隧道健康监测评估系统研究[D]. 浙江: 浙江大学, 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

周应慧(1993-)女，研究生，主要研究方向：地理信息技术与开发应用；谢玲(1987-)女，本科生，主演研究方向：地籍测绘、土地科学、RS和GIS空间分析。

周应慧，谢玲. 基于GIS的矿区土地损毁程度评价研究[J]. 软件，2018，39（11）：190-196