基于ArcGIS Engine的矿山地质环境评价系统研究与开发

　　摘 要：本文通过分析对比了目前矿山地质环境评价常用的几种方法，确定了对应研究区域的矿山地质环境评价指标体系，并利用ArcGIS Engine建立矿山地质环境评价系统。重点阐述了矿山地质环境指标的确立和利用层次分析法确定因素权重，介绍了系统开发的总体设计思路、系统的基本组成结构、系统的专业模块构成、系统的功能，并且通过实验区域数据对系统进行了应用。

　　关键词：评价指标体系 ArcGIS Engine 矿山地质环境 层次分析法

　　Abstract：  Through analysis and comparison of the current geological environment evaluation of several methods used to determine the study area corresponding to the mine geological environment evaluation system, and using ArcGIS Engine establish a mine geological environment evaluation system. Focuses on the geological environment indicators of the establishment and use of AHP to determine factor weights, introduced the system development the overall design concept, the system's basic composition and structure, the system of professional modules, system function, and on the experimental area data system was applied.

　　1 概述

　　在我国，虽然应用GIS技术开展矿山地质环境评价的研究起步较晚，但是近几年来取得了令人瞩目的成就。但是仍然存在不足：①对GIS的应用多为对评价数据的初级处理和统计分析，并没有将GIS功能集成为系统，操作复杂；②接触（利用）的GIS平台多，数据格式多，不易处理应用；③数据库管理功能较弱，研究时所使用数据库是GIS系统自带的数据库或者是单纯的属性库，在数据管理、共享和存储等多元化方面受到一定的限制，在总结以上经验的基础上本文研究并实现了基于ArcGIS Engine的矿山地质环境评价系统。

　　2 矿山地质环境评价方法及评价指标体系的确定

　　2.1评价指标体系的确定

　　矿山作为一个复杂的系统，其指标体系必须考虑几个原则即①区域特殊性原则；②系统协调原则；③综合性原则；④层次性原则；⑤可操作性原则。根据上述原则，结合研究区域的区域地质环境背景特点及调查统计情况，选取影响程度突出的指标进行评价，构建矿山地质环境评价体系。其包括两个层次：①要素层，即区域地质环境背景、资源损毁、地质灾害和环境污染4个要素；②指标层，即每一要素包括若干指标，其中矿山地质环境背景条件，指标层共选取了包括地貌条件、土地压占破坏、崩塌、水源污染等20项指标。

　　2.2要素指标加权分值综合评价模型

　　矿山地质环境的综合评价，需要将矿山种种地质问题的严重程度给予定量综合评定，本文采用要素指标加权分值综合评价法。要素指标加权分值综合评价模型为：

　　(式2-1)

　　其中，Fj--要素加权分值（j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）；Fi--每一要素中各指标评定分值；Wi--各指标权值；n--各要素指标个数（每一要素中n可能不同）。

　　地质环境等级综合评价：

　　(式2-2)

　　其中，F0--地质环境综合加权评价分值；Wj--各要素权值；j--环境地质问题所含要素，一般n′=1，2，3，对应于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ要素。

　　2.3 指标权值的确定

　　权值是反映不同评价因子间相对其某评价观点的重要性程度差异，具有明显的模糊性特征[2]。鉴于环境评价方法的现状和发展趋势，在环境质量评价时，根据不同层次评价因子的特点，兼顾分析权植问题在很多领域应用的特点，本次评价采用层次分析法（AHP法）确定因子权重值。根据层次分析法(AHP)原理,在咨询相关专家意见的基础上,构建判断矩阵,计算权向量,通过一致性判断检验, 层次分析法的基本步骤可按下面3步进行：

　　1)构造判断矩阵

　　设F={F1, F2, …, Fm}是一个由F层评价指标组成的指标集；对于i=1,2, …,m设Si={S1, S2, …, Sm}是对应于F={i=1,2, …,m}的评价因子S层组成的指标集。

　　判断矩阵为P（Fij）= 。其中，Fij表示Fi对Fj的相对重要性数值。同理可构造判断矩阵P（Sij），矩阵中各元素按1-9等比率标度法取值。

　　2)权值的计算

　　（1）计算判断矩阵每行元素的乘积Li：

　　（2）计算Li的N次方根： 式中，n为N次方根。

　　（3）对向量进行归一化处理：  式中P=（P1，P2，…，Pn，）T为特征向量。

　　（4）判断矩阵最大特征值：  式中，（AP）i表示AP向量的第i个元素。

　　3)一致性检验

　　一致性检验采用 ,其中，n为判断矩阵的阶数。平均随机一致性指标(R.I.)是多次重复进行随机判断矩阵特征的计算之后取算术平均数而得到的。当n>2时，CR=(C.I./R.I.)<0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性，此时权系数可求得，否则需重新调整判断矩阵。

　　2.4 评价标准及单元的划分

　　矿山环境综合指数是一个不断变化发展的指数,不同地区,同一地区的不同发展阶段可能表现出不同的水平[5]。将矿山环境评价指标体系分为3个等级，见表1。

　　表1　矿山环境综合指数分级标准

　　Tab.2 Environmental assessment′s synthetic indexes′level distinguish standard

　　3.1开发环境

　　系统采用VS2005作为平台,利用ESRI公司的ArcGIS Engine开发包开发。ArcGIS Engine是一组完备的并且打包的嵌入式GIS组件库和工具库,能在各种编程接口中应用。ArcGIS Engine开发包由控件、工具条和对象库组成。工具条可调用,使建立定制应用的过程被简化[3]。开发者可以很容易地将选择的工具拖放到定制应用中或创建自己定制的工具来实现与地图的交互操作。对象库是可编程ArcObjects组件的集合,包括几何、显示、GeoDatabase和三维分析等一系列库,可供用户用于从低级到高级的各种应用功能的开发。

　　3.2　数据组织与存储

　　根据矿山地质环境评价指标体系的需要，本系统所需数据包括:研究区基础空间数据，研究区遥感影像数据和专业环境数据(土壤、水环境的采样点化验后数据)。利用Geodatabase数据存储模型将所有数据存储于关系数据库Oracle中,所有的空间数据有相同的参考坐标系以及范围,按类别将空间数据分为基础空间数据和环境空间数据两个要素集(featuredataset),将他们各自下属的空间数据按层组织为点状、线状、面状的要素类(featureclass),如基础空间数据中包含线状道路图层、面状建筑图层等。研究区的遥感影像数据经过预处理之后通过ArcSDE存储到Oracle中,以栅格数据集( raster dataset)的形式存储。客户端通过ArcSDE操作数据。

　　3.3 软件的结构设计

　　矿山地质环境评价系统架构框图如图1所示：

　　图1矿山环境地质环境评价系统框架图

　　Fig.1 Framework of mineral environment assessment system

　　3.4系统功能设计

　　系统由系统参数设置，GIS基本功能与矿山地质环境评价功能三部分组成。

　　3.4.1系统参数设置

　　系统设计参数设置功能包括：该模块可实现系统用户管理、用户添加与删除等操作，能够对用户设置各级操作权限，根据不同权限设置用户对系统的操作范围。兼顾对数据的维护与矿山地质环境符号化定制功能。

　　3.4.2 GIS基本功能

　　系统具备基本的GIS功能：数据浏览功能、信息变更编辑功能、检索查询功能、信息统计功能、空间分析功能：

　　3.4.3 矿山地质环境评价功能

　　运用GIS进行矿山地质环境评价,充分利用其空间叠加分析功能, 将影响矿山地质环境的问题包括塌陷、地面塌陷等地质灾害和土地占用与破坏、水资源破坏等指标进行单要素分析并在计算机内存储为一个图层，应用地理信息系统(GIS)图层叠加分析功能，结合本文确定的评价模型与指标权重计算方法，将所有图层进行空间叠加，生成新的区域和图层，对新的图层根据其内部属性表的属性值进行相应的分级，最终得到矿山地质环境综合评估分区图，其原理如图2所示。

　　图2 评价分析方案图

　　Fig.2 Project of assessment and analysis

　　3.4.4 矿山地质环境评价系统界面

　　系统的界面本着对用户友好使用的原则进行设计,广泛采用多级下拉菜单形式（图3）。使用户可以方便地找到所要的处理步骤。在处理某些文件时,无用的菜单将会被系统隐藏。

　　4 系统应用实验

　　选取某矿区实验数据,由矿区SPOT5影像经过处理得到植被覆盖度指标图层和土地利用现状指标图层;建立数据库,将环境采样点数据、基础地理数据、地质灾害范围数字化,分层组织入库,输入属性数据。完成基础数据准备后，将输入数据进行栅格化得到各项指标的栅格图层，结合矿山地质环境评价模型，对栅格进行计算，得到结果如图4。其中可以看出,该矿区生态环境质量比较良好,除中心少数区域属于严重水平和其周围部分的中等外,大部分地区基本未受影响。其中严重区、中等区、一般区的面积比例为6:3:1，与外业勘测的实际情况基本符合。

　　Fig.3 Project of assessment and analysis        Fig.4 Project of assessment and analysis

　　5 结语

　　将GIS用于矿山开发与环境保护，并在ArcGIS Engine基础上进行了二次开发，建立了不仅具有查询功能，而且具有对空间数据分析的矿山地质环境评价系统。该系统应用具有以下优势：（1）采用栅格数据格式进行评价，避免了矢量数据在多源空间信息叠加时出现的细小图斑，使得评价结果更为合理；（2）利用ArcGIS Engine开发，更有利于系统的推广和使用；（3）利用遥感影像结合实地采样数据，既能做到及时反映矿山地质环境的现状又能做到不同时期的对比，及时反映矿山地质环境的动态变化，以观测出未来环境的发展趋势；（4）利用GIS强大的空间数据管理、分析功能,发挥了GIS在环境评价领域的作用,实现矿区环境管理及评价工作的自动化。矿山地质环境评价系统实现了矿山地质环境评价的自动化，为矿山地质环境治理保护与发展提供了依据。系统虽然完成了对矿山地质环境的评价，但是由于研究区域比较单一，使得在指标体系与评价模型等方面依然有些片面，如何将系统建设得更加全面，使之能够面对更多的情况，这将是今后研究的重点。

　　参考文献：

　　[1] 陈玉华，陈守余. 基于MAPGIS的矿山环境评价分析软件开发[J].安全与环境工程, 2004,

　　[2] 陈桥,胡克,雒昆利,等.基于AHP法的矿山生态环境综合评价模式研究[J].中国矿业大学学报,2006.

　　[3] 韩鹏,王泉,王鹏,等.地理信息系统开发-ArcEngine方法[M].武汉大学出版社, 2008-09.

　　[4] 尹德涛,南忠仁,金成洙.矿区生态研究的现状及发展趋势[J].地理科学, 2004, (2).

　　[5] 罗智勇，刘湘南.基于Geodatabas模型的空间数据库设计方法. [J]地球信息学.2004，6，

　　[6] WU Qiang,LI Wei .Study on Assessment of Mine Environments[J].ACTA GEOLOGICA SINICA,2008, (5)1027-1034