基于核密度分析的攀西地区矿山地质灾害空间分布特征

陈建明，李云鹏，常 玲，关维娜，孙卫东

（新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局信息中心，新疆 乌鲁木齐 830000）

四川省攀枝花-西昌地区（简称攀西地区）以其储量巨大的钒钛矿、磁铁矿、稀土矿、碲铋矿等矿产资源[1]，成为我国重要的战略矿产富集区。该区域矿产资源开发规模较大，矿业开发虽然为社会进步，人们生活水平提高带来了巨大效益，但不合理的矿业开发活动，不仅破坏了矿区内的土地资源，而且极易诱发矿山地质灾害和污染矿区环境[2]，从而严重威胁着矿山安全生产和当地人居环境，破坏了矿业开发的可持续发展。因此，对矿山地质灾害开展预防工作是构建矿山绿色开发理念的必然选择。地质灾害在空间上的分布看似“杂乱无章”，但由于致灾因子分布的规律性，使地质灾害存在空间集聚现象，具体表现为地质灾害存在易发地段和灾害集群特征[3]。所以，开展矿山地质灾害防治工作，首先应从宏观层面分析矿山地质灾害的空间集聚特征，然后划定其空间集聚区域[4]，最后根据综合分析，合理分配治理矿山地质灾害的人力和物力，这将有助于决策部门进行统筹规划。

本次研究基于ArcGIS核密度分析算法，从攀西地区矿山地质灾害“事件”（event）点本身出发，对该区域矿山地质灾害在空间分布方面进行分析。通过核密度分析结果栅格图，更加快捷、可靠地对攀西地区的矿山地质灾害空间集聚特征进行直观、科学的描述，从而达到宏观把控，为今后的科学决策做技术支撑。

1 研究区概况

攀西地区位于四川省西南部，行政区划包括攀枝花市和凉山彝族自治州在内的2个州市、22个县（市、区），国土面积6.78万km2，占全省面积的13.89%（图1）。攀西地区位于横断山脉构造带，海拔介于488m～4409m之间，地形起伏明显。区内水系发达，包括金沙江、雅砻江、安宁河等长江干支流，地貌以深切河谷为主。

图1 攀西地区位置

攀西地区除了集中了我国90%以上的钒钛磁铁矿之外，还有富铜、锡、镍、铅、锌、磷、稀土矿、金、煤等矿产，在我国占有一定地位。该区域北部有全国第二大的冕宁牦牛坪稀土矿，南部有著名的泸沽铁矿，盐边冷水菁镍矿、会理力马河铜镍矿，会理拉拉铜矿，天宝山、大梁子铅锌矿，以及东川式层状铜矿等。

2 数据来源

本文依据项目支持，在2017年土地变更调查遥感数据的基础上，通过室内遥感解译与外业调查修正，得到2017年攀西地区矿山地质灾害数据。

根据解译与野外查证结果，2017年攀西地区共发现矿山地质灾害165处，以攀枝花市（52处）和凉山彝族自治州（113处）发现的矿山地质灾害数量较多；按矿山地质灾害类别分析，崩塌25处，滑坡54处，泥石流77处，采矿塌陷9处，以泥石流和滑坡为主；按矿山地质灾害的规模进行分析，可划分为特大型、大型、中型、小型四个等级，特大型5处，大型11处，中型126处，小型23处，矿山地质灾害以中型规模为主。

3 核密度分析

3.1 核密度分析基本原理

核密度分析的实质是针对某一事件（Event）在某种环境条件下出现概率的估计，是一种能从样本估计总体概率密度函数的方法[5]。每个事件点上方均覆盖着一个平滑曲面，在事件点所在位置处表面值最高，随着点距离的增大表面值逐渐减小，在与事件点的距离等于搜索半径的位置处表面值为零，也就是说核密度分析在搜索半径内的各事件点有不同的权重，靠近“核”权重较大，与“核”距离越远的事件点权重越小。

在现实世界中，任何事物或事件都不是单独的，孤立的存在。根据地理学相似定律（Waldo R.Tobler,1970）：任何事物都与其他事物相关，但是距离近的事物比距离远的事物关系更大。根据该定律，可以假定矿山地质灾害在某个空间位置出现的概率高或低，是受其所在自然环境或地质环境作用下造成的，因此这种概率估计可以直接指示矿山地质灾害易发性的高低。这种易发生矿山地质灾害的密度上的变化，就可以用来分析矿山地质灾害在空间分布状况上的差异。

因此，核密度分析只是从事件点本身属性出发，来研究事件点的聚集特征[6]，这种聚集特征以密度的方式进行表示，这种方法不需要对事件点进行任何先验假设，不需要有关事件点分布的先验知识。核密度分析函数f（x）为：

式中，f（x）是矿山地质灾害点样本x1，x2…xn在特定空间内出现的概率密度函数；n为样品容量；K为核函数；h为搜索半径，其取值影响概率密度函数f（x）曲线的形状核平滑程度。

本文选用的核函数为四次多项式核函数，则某处（x，y）的密度函数公式为：

式中：n为出现个数，h为核函数的搜索半径，di为事件点到(x，y)位置之间的距离。

核密度分析的可视化结果，是以事件点在特定区域内密度变化的连续型栅格形式来表示，反映事件点在连续空间下的聚集特征[7]。研究表明[8]，不同核函数对密度估计的影响很小，可以根据实际需求选择即可，对核密度的曲面特征影响较大的是搜索半径h的选取。

3.2 最优搜索半径的计算方法

在核密度分析过程中，最优搜索半径的取值是至关重要的，如果搜索半径h过大，那么事件点的密度就过于平滑，可能会掩盖住所要分析的热度区；如果搜索半径h过小，那么事件点在局部就会显得突兀或者凸显，使得事件点的热度过于分散，无法从全局上分析事件点的关联性。

国内外学者通过研究确定出一些核密度分析中搜索半径h的计算方法。在ArcGIS 10.2.1以前的版本中，搜索半径是通过将输入范围的宽度或高度中的较小者除以30进行计算，公式可表达为：

式中，e1，e2分别为事件点分布范围最小矩阵的两条边长。

在ArcGIS 10.2.1以后的版本中，采用的搜索半径的算法得到了改进。首先计算事件点的平均中心，然后计算所有事件点的平均中心距离，接着计算这些距离的中值Dm，计算标准距离SD，最后以下列公式计算搜索半径h值：

式中，Dm是平均中心的中值距离，SD是标准距离，n为事件点的数量。

BAILEY.T.C和GATRELL.A.C提出了一种计算核密度分析搜索半径的计算方法，公式为：

式中：n为事件点数量，A为研究区面积。

将攀西地区152处矿山地质灾害点代入公式(3)(4)(5)中，分别计算出搜索半径h1=6.5km、h2=13.8km、h3=103km。通过ArcGIS中核密度分析功能，将搜索半径h1、h2、h3分别代入，设置好输出像元大小及掩膜范围等参数，分别得到图2中a、b、c的矿山地质灾害核密度分析的可视化结果。

通过对比，当搜索半径为h=6.5 km时，密度值均集中于较小范围内，矿山地质灾害点的空间集聚特征不明显，离散化的特征显著；当搜索半径为h=103 km时，密度值仅呈现出从中心点向外扩散的圈层结构，虽然在一定程度上显示出了攀西地区矿山地质灾害的分布特征，但从整体上来看，聚集特征范围过大，无法准确分析聚集区域；当搜索半径为h=13.8km时，得出密度值的结果较为理想，能够较好地将局部空间集聚现象反映出来。

最后通过适当调整，将攀西地区矿山地质灾害最优搜索半径确定为h=10 km，得出该区域矿山地质灾害的核密度分析可视化结果（图2，d）。

图2 核密度分析最优搜索半径的选取

4 矿山地质灾害空间分布特征

矿山地质灾害的发育程度和分布状况，与其所处区域内矿业开采状态、矿山规模、地质背景、自然环境、开采方式、矿种类型等条件息息相关。从图3中可以发现，攀西地区矿山地质灾害的核密度聚集区主要分布在金沙江、雅砻江、安宁河沿岸，涉及攀枝花市—会理县和冕宁县—喜德县两个区域。核密度越高，说明其越聚集，反应出在搜索半径内的矿山地质灾害点的数量越多。将核密度值较聚集区划分为三个区域。具体表现如下：

图3 攀西地区矿山地质灾害核密度分析结果

（1）区域I位于凉山彝族自治州冕宁县及喜德县部分，该区矿山地质灾害主要分布于雅砻江及安宁河沿岸。核密度分析中的“核”位于冕宁牦牛坪稀土矿矿区。该矿区是我国第二大稀土矿生产基地，开采规模大，开采方式为露天开采。由于该稀土矿位于山间河谷地，受地形地貌的影响较大，露天开采所生产出的排土场等固体废弃物难以找到合适的区域进行堆放，只能简单地在采场旁边或者沿着山坡进行堆放，再加上该地区降雨较为丰富，极易形成泥石流或滑坡等地质灾害或隐患。经统计，区域I存在的矿山地质灾害数量为崩塌4处，滑坡6处，泥石流23处和采矿塌陷1处。

（2）区域II位于攀枝花市仁和区与西区交界处，以及攀枝花市东区，总体呈现出双核并立，向外扩展的空间集聚特征。该区域的矿山地质灾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宝顶煤矿区及兰尖、朱家包包铁矿矿区。通过统计，该区存在崩塌6处，滑坡13处，泥石流13处，采矿塌陷6处。

（3）区域III涉及攀枝花市米易县、盐边县以及凉山彝族自治州会理县。该区矿山地质灾害空间分布对比区域I、区域II较为分散，主要分布于安宁河沿岸。该区核密度值较高处位于攀枝花市盐边县，主要涉及黑色金属（如铁矿）、有色金属矿（如铜矿、铅锌矿）及部分建材矿的开采，通过统计，该区域存在崩塌7处，滑坡16处，泥石流16处，采矿塌陷2处。

5 结论

（1）在已知矿山地质灾害分布的情况下，利用核密度分析，从矿山地质灾害“事件点”自身空间关联性，客观分析处矿山地质灾害密度较大区域，即矿山地质灾害发生概率较高的区域。

（2）在对攀西地区矿山地质灾害开展核密度分析的过程中，探索出用事件点的平均中心到各个事件点距离的方法确定的最佳搜索半径最为合理，但需根据研究区的选取进行适当调整。在最佳搜索半径h=10km的条件下，得到攀西地区矿山地质灾害空间分布特征，即矿山地质灾害主要分布于金沙江、雅砻江、安宁河沿岸，按照核密度值较高处划分三个区域（I～III），为攀西地区矿山地质灾害重点防治区域的划分提供了科学的参考依据。

（3）在下一步的研究中，需进一步考虑地形地貌、地质背景等因素，以精确矿山地质灾害集聚地区的范围，为攀西地区矿山地质灾害的防治工作的科学布局提供精准的数据支撑。