工礦區土地復墾與生態重建管理信息系統研發進展

蘇尚軍，張 強，張建杰

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030006）

1 我國工礦區土地復墾現狀及發展趨勢

我國煤炭資源儲量豐富，總量達5.6萬億t。截至2009年，全國原煤年產量達30.05億t。但大規模的煤炭開采在支撐經濟社會發展的同時也帶來了大量的資源環境破壞、安全事故頻發等問題，這成為制約煤炭產業和經濟社會健康發展的瓶頸，嚴重阻礙了我國的生態文明建設。因此，在礦產開發中，針對被破壞和壓占土地進行土地復墾和生態恢復就成為實現生態環球保護和資源高效利用的戰略重點和技術熱點[1]。

20世紀五六十年代，土地復墾曾被機械地理解為“擴大土地面積”。而經過多年發展后，1988年10月21日國務院第二十二次常務會議通過的《土地復墾規定》中把其定義為：“在生產建設過程中，因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地，采取整治措施，使其恢復到可供利用狀態的活動。”在隨后的幾十年中，就煤炭開采區土地復墾問題，有不少專家學者進行了不懈的探索和研究，從理論到實踐均已比較成熟。另外，國土部門也已制定了相應的土地復墾技術規范和質量標準，使得土地復墾工作得到了深化和推廣，為我國糧食安全和生態文明建設作出了貢獻。

隨著科技的發展，3S技術已深入到社會的各個領域，如國土管理、環境保護、城鎮規劃、糧食估產等，其良好的空間分析、決策、可視等功能極大地方便了人們的研究和管理工作。1998年1月，美國副總統戈爾提出了“數字地球”的概念，即以地球坐標為依據的、由海量數據支撐和多維顯示的地球虛擬系統，通過3S技術和網絡技術來支持和服務人類生產活動。而目前工礦區的土地復墾工作，作為實施可持續發展戰略的具體內容之一，面臨重大發展機遇和挑戰，其重點是如何在管理實施、技術支撐上確保高效便捷，并能長期堅持[2]。為此，國內外不少專家學者針對煤礦區生態破壞和土地退化狀況，結合3S技術，研究開發礦區土地復墾管理信息化平臺，以求對煤炭開采區的生態重建和土地復墾管理模式實現定量化、系統化、可視化、長期化、智能化。

2 國內外研究進展

2.1 國外相關研究進展

礦區土地復墾管理信息系統，是立足于土地復墾活動的空間管理信息平臺，是帶有空間屬性的管理決策系統。而管理信息系統于1958年由Stoller和VanHorn首先提出，但其真正開始發展是在20世紀60年代末到70年代初，發展經歷了早期的人工管理、后期的計算機涉足信息系統——文件系統、數據庫管理系統及3S應用技術等階段[2]。管理信息系統作為計算機領域的一個重要分支，它通過機械操作替代了原來需要手工處理的復雜工作，不僅明顯地提高了工作效率、降低了勞動強度，而且能提高信息管理的質量和水平。另外，管理信息系統實現了數據更合理的組織和更科學的管理，為控制事物發展提供了控制信息，為預測事物變化的狀態提供了事物發展趨勢信息和變化規律的信息。管理信息系統的應用非常廣泛，它可以用于事務管理、計算機輔助設計、計算機圖形及人工智能等系統中。另外，各學科與管理信息系統的結合越來越密切，從而產生了各種專業性很強的管理信息系統。數據管理技術經歷了手工管理、文件管理和數據庫技術3個發展階段。從20世紀60年代末開始，數據管理技術從層次數據庫到關系數據庫，再到面向對象模型的數據庫，得到了長足的發展。如今，數據庫技術與網絡通訊技術、人工智能技術、面向對象程序設計技術、并行計算技術等相互滲透，相互結合，實現了各種數據的高效綜合管理。

而土地復墾主要以破壞或退化的土地及相應的資源和環境問題為研究對象，其特點是所需處理的數據信息量大、信息屬性及拓樸關系復雜、信息時空變化大[3-4]。有關采礦、土地復墾及環境保護的不少專家早已針對這些復雜的數據信息的處理途徑進行了相關探索。GIS技術，作為空間地理信息處理的先進手段，很早就被有關專家嘗試引入到礦山環境和土地復墾領域的空間數據信息處理中。Younos等[5]在GIS環境下，運用通用土壤侵蝕方程USLE（Universal Soil Loss Equation）建模分析預測了美國弗吉尼亞西南地區現存的廢棄礦山土地土壤侵蝕情況。Krige[6]是最早將GIS調查引入采礦環境工程的人員之一，從空間上研究探索了適于礦產資源進一步開發的景觀類型。Anderson等利用遙感圖像數據建立了土地利用和土地植被分類系統。Davidson等[7]結合現有的土地資源調查技術，在地中海地區進行了有關將GIS技術作為輔助手段用于農業土地資源評價，其高度評價了基于GIS技術，應用模糊分類方法進行土地適宜性分析和土地資源管理的有效性。Sumbangan等[8]在GIS環境下運用模糊建模方法對如何定義和評價土地管理單元進行了探索。這些實踐和研究成果均證明，信息系統技術以及GIS用作土地復墾規劃、管理、決策工具是極其有用的。

2.2 國內研究進展

隨著國內土地復墾研究工作的深入、研究范圍的擴展以及土地復墾在一些礦山企業已得到實施，復墾工作所要處理的有關數據信息的業務量越來越大，有關土地復墾專家和現場復墾技術人員切實認識到，傳統的工作方式和管理模式越來越不適應當前業務的需求，迫切需要順應當今數字化社會的發展趨勢，建立礦區土地復墾信息系統，以更好地為礦山企業和復墾技術人員服務。最初，賀日興等[4]探討了基于GIS平臺下建立礦山土地復墾信息系統的可能性及意義。后來喬朝飛等[9]系統分析了在建立礦區土地復墾信息系統過程中幾個關鍵問題的解決辦法。隨后幾年里，不斷有專家學者進行與礦區土地管理系統相關的開發實踐，并取得了一定成果。申廣榮等[10]探討了基于GIS環境下露天煤礦土地復墾信息系統的建立，其中對系統設計、數據庫構建進行了詳細說明。韓雁[11]采用OLE（對象聯結與嵌入）技術將Mapinfo與VB集成應用，進行了基于GIS礦山環境信息系統的研究。趙軍[12]針對兗州礦區礦山開采地表塌陷問題，建立了煤礦開采生態環境破壞評價模型，提出了利用模糊聯想記憶神經網絡土地評價方法，利用地理信息系統軟件ArcINFO建立可視化管理信息系統，實現了塌陷區信息可視化。謝宏全等[13]探討了WebGIS在礦區土地復墾規劃中的應用。師華定[14]以平朔露天礦區為例，進行了礦區土地復墾與生態重建信息系統的開發。陳秋計等[15-17]在研發土地復墾信息系統的基礎上，專門探討了DEM在礦區土地復墾中的應用，并探討了基于MapX和Oracle Spatial進行礦區土地復墾信息系統的建立。張繼棟等[18-19]又專門探討了礦區土地復墾決策支撐系統的開發。劉玉華[3]以南屯煤礦為例，進行了煤礦區土地復墾管理信息系統設計和應用的研究。包妮沙等[20]專門討論了ArcGIS在礦區土地復墾規劃工作中的具體應用。黃解軍等[21]討論了基于GIS的礦山整體決策支持系統。另外，胡海峰等[22]針對工礦區土地復墾中破壞面積及破壞程度進行的評估預測方法研究，為工礦區土地復墾和生態重建管理信息系統評價指標體系的構建提供了關鍵技術。至此，國內關于工礦區土地復墾管理信息化的研究，從初期理論探討，到如今的開發實踐，積累了豐富的經驗，為日后土地復墾管理信息化平臺建設奠定了基礎。

近幾年來，各類信息系統的建設與應用在我國已日益得到廣泛重視，但在有關礦區土地復墾專用信息系統的建設和應用方面整體發展仍很緩慢。而且在礦區土地破壞已嚴重制約經濟社會健康發展的今天，實現對礦區破壞土地這一后備資源的有效開發利用以及生態恢復重建，無論資源保護還是環境保護方面，都顯得十分必要。故切實加快礦區土地復墾管理信息系統的研發，并盡快投入到實際應用中，是我們廣大科技人員需要努力的目標，同時也需要得到有關管理部門及礦山企業的重視和協作。

3 存在問題及對策

綜合國內外研究成果，關于土地復墾管理信息系統的研發主要存在幾個問題：（1）基礎理論探討多于開發實踐。現有的多數礦區信息系統研究，主要集中在礦區土地破壞發生機理和環境影響評價方面。尤其國外相關研究，針對礦區土地復墾的專門性系統研發較鮮見。國內關于礦區土地復墾信息系統的研究，大多為技術理論方面的探討，少有真正實現軟件平臺的推廣和應用。礦區土地復墾信息系統的研發需要多學科間技術力量的交叉融合，是一個系統工程，其本身受多方面技術的限制；另一方面，由于相關管理部門及企業的重視程度不夠，以及管理制度的不完善，致使科技產品沒有市場，從而缺乏充裕的人力、物力投入來支撐其研發。之前我國的礦產開發主體多為私人企業，其管理者對資源高效利用及環境保護的理解和認識不夠，導致礦區土地復墾和生態重建工作低效無序，從而間接地削弱了礦區土地復墾管理信息化的需求。以上因素致使該領域整體發展緩慢。（2）國內已開發的系統應用性不強。國內已有部分學者進行了研發活動，但由于軟件本身的應用性不強，致使其缺乏推廣和應用。究其原因，主要有幾個方面：一是系統多為量身定做，各軟件自身的側重點不同，很難適應各種煤礦復雜的空間數據、權屬數據等管理功能要求；二是系統本身缺乏系統性，多學科技術力量之間沒有有效融合，致使軟件平臺在數據管理及運行中出現不適現象；三是系統本身適用主體少。該類系統的研發及試驗場所主要在各科研院所及高校，未能在生產實踐領域提供切實的幫助，不能打開推廣應用的局面。（3）缺乏科學衡量工礦區土地復墾與生態重建水平的指標體系。建立工礦區土地復墾與生態重建管理信息系統，要求切實反映工礦區土地復墾與生態重建進展及生態效應，必須建立一套科學、合理衡量和評價礦區土地復墾與生態重建情況的量化指標體系，這是整個軟件開發的核心。而目前國內眾多科研人員在研發該類系統時均未能提出一個較合理的指標體系，這也是致使所研發系統適用性較差的主要原因之一。

針對以上情況，立足目前我國土地復墾管理政策體制，分析礦產開發企業土地復墾及生態重建管理機制，根據市場需要，結合國土、環保等部門的技術標準及考核要求，有針對性地開發方便、實用的土地復墾管理信息系統平臺，并不斷進行軟件維護升級，實現研發產業化，才是推廣和深化礦區土地復墾信息化、智能化管理的最好出路。

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